雷深涵, 葉義成, 陳 雪

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434020)

湖北省神農(nóng)架林區(qū)高家屋場地熱田成因初探及地熱流體溫度衰減原因簡析

雷深涵, 葉義成, 陳 雪

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434020)

高家屋場地熱田熱儲層主要為神農(nóng)架群石槽河組白云巖,熱儲蓋層為元古代輝綠巖,但是該蓋層并未完全覆蓋熱儲層。初步分析,地下水沿巖層層面向深部匯集,為元古代侵入巖所阻,推測由于侵入巖具有較高溫度,將地下水加熱升溫,形成地熱。初步得出高家屋場地熱田地熱流體溫度衰減的原因為高家屋場一帶森林被大量砍伐,導(dǎo)致地表水大量入滲,混合于地熱流體中,致其溫度降低。

地熱;溫度衰減;黃寶坪斷裂;熱儲

2010年9月,湖北省國土資源廳、湖北省財政廳下達了2010年度湖北省地質(zhì)勘查基金項目計劃任務(wù),神農(nóng)架林區(qū)高家屋場地熱田項目被納入其中,任務(wù)書編號為2010—Ⅰ—20。項目承擔單位通過對該地熱田進行鉆探、物探,結(jié)合野外地熱地質(zhì)測量,基本查明了該地熱田的熱儲層、蓋層,建立了熱儲模型[1],在此基礎(chǔ)上,對地熱的形成進行了初步的探討和研究。由于地熱流體溫度未達到預(yù)期,本文根據(jù)所取得的成果資料對其溫度的衰減進行分析。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地理概況

高家屋場地熱田位于神農(nóng)架林區(qū)紅坪鎮(zhèn)溫水村,東距宜昌市230 km,南距長江三峽黃金水道114 km,北距十堰、武當山分別為220 km和270 km。地熱田北部毗鄰神農(nóng)架機場,僅相隔4 km,北東距紅坪鎮(zhèn)12 km,南西至木魚鎮(zhèn)38 km、距神農(nóng)頂風景區(qū)24 km,南距神農(nóng)架滑雪場9 km。209國道從地熱田西側(cè)呈南北向縱貫而過,交通極便利。

1.2 地形地貌

地熱田位于山字型構(gòu)造西翼反射弧的緊密褶皺帶,屬構(gòu)造侵蝕溶蝕中山區(qū)。區(qū)內(nèi)海拔高1 500～2 579 m,相對高差100～1 000 m。其北西約4 km的大草坪山頂高程2 642 m,南東約10 km的老君山頂高程2 893.7 m，地勢總體上呈南高北低。由于河流強烈下切,溫水河流徑區(qū)兩岸大部分形成陡峭的峽谷地貌。溫泉主要沿溫水河東側(cè)一北西西向槽谷展布,谷寬100～300 m,長約500 m。

1.3 地層巖性

地熱田及其周邊出露地層為中元古代神農(nóng)架群、南華系南沱組、震旦系陡山沱組、上震旦—下寒武統(tǒng)燈影組。地層巖性特征如下：

1.3.1 中元古代神農(nóng)架群石槽河組(Pt2s)

上部為灰、紫紅色厚層泥質(zhì)白云巖、白云巖夾砂巖、板巖,含銅;中部為肉紅色中厚—巨厚層白云巖及淺灰色中厚層硅質(zhì)條帶灰?guī)r;下部為紫紅色中厚層泥質(zhì)白云巖,淺灰、灰色碎屑白云巖、鮞狀白云巖。沿黃寶坪斷裂分布于高家屋場及黃寶坪—板倉一帶。該層厚1 613 m。

1.3.2 南華系(Nh)

南華系(Nh)南沱組(Nh3n)冰磧巖段:為灰綠、深灰色厚—巨厚層冰磧礫巖、冰磧泥巖。預(yù)查區(qū)主要分布于黃寶坪斷裂北側(cè)黃寶坪—板倉一帶。該層厚0～369.5 m。

1.3.3 震旦系(Z)

震旦系下統(tǒng)陡山沱組(Z1d):為灰黑、黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)板巖、泥質(zhì)白云巖,夾磷塊巖。預(yù)查區(qū)主要分布于黃寶坪斷裂西部黃寶坪—板倉一帶。該層厚57.8～261 m。

1.3.4 上震旦—下寒武統(tǒng)

圖1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖Fig.1 The outline map of regional tectonic 1.壓性斷裂;2.壓扭性斷裂;3.張性斷裂;4.壓性斷裂及分支斷裂;5.背斜及向斜;6.斷層及編號;7.山字型構(gòu)造體系;8.新華夏構(gòu)造體系;9.北西向構(gòu)造帶;10.大巴山弧形構(gòu)造延伸部分;11.古老構(gòu)造及體系不明構(gòu)造。

為黃褐、淺灰色粘土、粉質(zhì)粘土夾塊石、砂卵石,厚2～45 m,主要分布于溝谷及高家屋場槽谷區(qū)。

1.4 侵入巖

預(yù)查區(qū)廣泛出露元古代侵入巖(βμ)，巖性為綠泥石化細碧巖、輝綠巖，呈脈狀產(chǎn)出，沿黃寶坪斷裂零星分布于高家屋場、黃寶坪及板倉一帶。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造

高家屋場地處古老構(gòu)造及其它體系不明的構(gòu)造部位,以黃寶坪斷裂為主干構(gòu)造。該斷裂產(chǎn)狀70°～80°∠72°～80°,斷裂兩側(cè)白云巖強烈扭曲破碎,具擦光面及擦痕。斷裂東部高家屋場埡口處見有約30 m寬的擠壓破碎帶。斷裂兩側(cè)侵入巖脈(輝綠巖)被錯開500 m,說明該斷層屬右行壓扭性斷層。斷層東端有溫泉出露。

據(jù)1998年物探資料,黃寶坪斷裂在高家屋場一帶斷裂特征明顯,破碎帶寬5～10 m,斷面上呈上緩下陡之波狀,傾角72°～80°,斷層北盤(上盤)覆蓋有2～40 m松散堆積層。

F2斷層呈近SN向發(fā)育,斷層在滑雪場公路入口處見有約25 m寬的擠壓破碎帶,沿展布方向延伸,與黃寶坪斷裂相交于高家屋場,推斷為黃寶坪斷裂的次生斷裂,該斷層與黃寶坪斷裂相交處正好為地熱異常帶。

2 地熱地質(zhì)條件及成因分析

2.1 熱儲特征及其埋藏條件

神農(nóng)架紅坪—酒壺林場一帶地形上具南高北低特點,出露地層大部分為碳酸鹽巖類,巖溶較發(fā)育,區(qū)內(nèi)豐富的大氣降水經(jīng)巖溶管道、裂隙大量入滲地下,補給地下水。由于巖層產(chǎn)狀260°∠55°,地下水主要沿巖層層面發(fā)育的巖溶通道、裂隙向北北西方向的深部徑流。1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)資料表明,測區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖類枯季平均地下水徑流模數(shù)>6 L/s·km2,多年枯水季節(jié)平均地下水徑流模數(shù)為20 L/s·km2。

預(yù)查區(qū)內(nèi)第四系松散堆積層及碳酸鹽巖類為透水、含水層,由于松散堆積層呈零星分布,無實際供水意義,而碳酸鹽巖類分布面積廣、巖溶較發(fā)育,為區(qū)內(nèi)有供水意義的含水層。調(diào)查表明,區(qū)內(nèi)白云巖區(qū)地下水主要呈管道形式集中徑流、排泄。黃寶坪斷裂屬區(qū)內(nèi)導(dǎo)水通道,而侵入巖脈—輝綠巖則為主要阻水、隔水層。大氣降水是預(yù)查區(qū)內(nèi)的地下水補給源,地下水大致呈北北西方向徑流,一般呈泉的形式于溝谷地帶集中排泄。

預(yù)查區(qū)地下水由南及南偏東部大氣降水補給,沿地層傾向順層面徑流至深部,由于預(yù)查區(qū)內(nèi)侵入巖脈為區(qū)內(nèi)阻水、隔水帶,地下徑流至此必然受阻加熱升溫。溫水河一帶出露溫泉點平均溫度18 ℃,而一般的泉點水溫為7～11 ℃,說明經(jīng)過熱源點的地下水水溫升溫至少在7～11 ℃以上。

地下水徑流至預(yù)查區(qū)內(nèi),由于侵入巖脈的阻隔及北北西向黃寶坪斷裂帶的攔截,使地下水沿破碎的斷裂帶向上徑流,于高家屋場一帶溢出地表。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,沿破碎帶共有9處泉水出露,其中3處為17～21 ℃低溫溫泉。泉點分布見圖2。

2.2 熱儲層

從已有資料分析,在276.10～281.72 m段為碎屑白云巖,呈灰白色、青灰色,碎屑結(jié)構(gòu),碎屑成分以白云巖碎塊、巖屑為主,膠結(jié)物為白云石,按碎屑巖判斷,為角礫狀碎屑白云巖,角礫直徑一般0.5～2 cm,最大達14 cm,多呈棱角狀、次棱角狀;主要發(fā)育一組裂隙,傾角75°～90°,巖芯易沿裂隙斷開成兩半,隙面粗糙,有黃色粘性土附著;溶孔較發(fā)育,多呈長條形、棱形,一般長0.5～10 cm,寬0.1～6 cm,并有大量方解石晶體富集。巖芯多呈10～49 cm柱狀,其余呈3～9 cm塊狀。該段在鉆進過程中有H2S氣體。由此可以說明,高家屋場地熱田熱儲層主要由神農(nóng)架群石槽河組白云巖組成。

圖3 地熱模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of geothermal model1.溫泉出露點及編號;2.巖層產(chǎn)狀;3.白云巖;4.輝綠巖;5.粉質(zhì)粘土夾碎塊石土;6.斷層破碎帶;7.冰磧礫巖;8.地下熱水、冷水;9.驗證孔。

圖2 泉點分布圖Fig.2 Distribution diagram of spring1.斷層及編號；2.溫泉及編號；3.泉點及編號；4.補充構(gòu)造點及編號；5.巖溶點及編號。

2.3 熱儲蓋層

地熱田相對隔水層主要為元古代輝綠巖,初步分析高家屋場地熱田熱儲蓋層為元古代輝綠巖,但是該蓋層并未完全覆蓋熱儲層,部分蓋層為神農(nóng)架群石槽河組白云巖,由于該白云巖透水性較強,淺層地下水順該地層入滲,將地下熱水溫度降低,這也是導(dǎo)致地表出露泉點溫度較低的原因之一。

2.4 導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造

高家屋場地熱的形成與黃寶坪斷裂構(gòu)造關(guān)系密切。高家屋場地熱田位于黃寶坪斷裂帶處,破碎帶寬5～30 m,長約12 km,其中斷裂西側(cè)(溫水河以西)段長1 600 m,破碎帶角礫巖、碎裂巖發(fā)育。巖石的破碎利于溶蝕作用的進行。

黃寶坪斷裂帶附近出露地層主要為神農(nóng)架群石槽河組，另出露元古代侵入巖，因地層缺失嚴重,使白云巖和侵入巖直接接觸。黃寶坪斷裂水平錯距達500余米,其深度較大,深部熱源能沿該深大斷裂向上運移。地熱上升通道是黃寶坪斷層破碎帶中的巖溶管道系統(tǒng)和構(gòu)造裂隙。

2.5 熱源

高家屋場一帶溫泉均出露于神農(nóng)架群石槽河組與元古代侵入巖接觸帶附近,沿斷裂溢出。初步分析,地下水沿巖層層面向深部匯集,遇元古代侵入巖所阻,推測由于侵入具有較高溫度,將地下水加熱,形成地熱。黃寶坪斷裂將侵入巖錯斷,地下水沿斷裂破碎帶上升,以溫泉形式出現(xiàn)[2]。

3 水溫、流量及水質(zhì)動態(tài)特征

3.1 水溫、流量動態(tài)

泉點溫度及流量變化見表1。

從表1可以看出,J1在1998年的溫度是19 ℃,2010—2011年其在15.6～19.2 ℃之間變化，根據(jù)監(jiān)測資料，2011年4月11日降雨后，水溫為15.6 ℃；J2在1998年的溫度為18～19.3 ℃,2010—2011年溫度為19.0～19.2 ℃;J3在1998年和2010年的監(jiān)測中溫度變化基本一致;1998年未對J4進行監(jiān)測，2010年其溫度在11.1～13.8 ℃之間變化；J5在2010—2011年取得的數(shù)據(jù)跟1998年相比,降幅為3.2～0.69 ℃。在2010—2011年中，5個觀測點的最低水溫均出現(xiàn)在降雨之后。由此說明,降雨入滲對出露泉點的溫度有一定影響。各觀測點流量、水溫、流量變化曲線見圖4-圖8。

表1 泉點溫度及流量觀測成果表Table 1 Results table of spring temperature and flow observation

注：W3(C2),W3為本次預(yù)查泉點編號,(C2)為1998年泉點編號。

圖4 J1 氣溫、水溫、流量曲線圖Fig.4 Curve of J1 air temperature,water temperature and flow

圖5 J2 氣溫、水溫、流量曲線圖Fig.5 Curve of J2 air temperature,water temperature and flow

圖6 J3 氣溫、水溫、流量曲線圖Fig.6 Curve of J3 air temperature,water temperatureand flow

圖7 J4氣溫、水溫、流量曲線圖Fig.7 Curve of J4 air temperature,water temperature and flow

從流量比較來看，除J5與1998年流量相差不大外，其余觀測點由于無1998年流量數(shù)據(jù)，無法進行比較。

圖8 J5 氣溫、水溫、流量曲線圖Fig.8 Curve of J5 air temperature,water temperature and flow

3.2 水質(zhì)動態(tài)

J2地熱流體1998年及2010年兩次水質(zhì)動態(tài)變化資料見表2。

表2 J2地熱流體水質(zhì)動態(tài)變化表Table 2 Dynamic change of J2 geothermal fluid of water quality

據(jù)調(diào)查分析,引起地熱流體水質(zhì)變化的主要原因是地熱流體與地表冷水混合。

4 地熱流體溫度衰減原因分析

高家屋場地熱田地表淺層地溫場顯示特征主要為溫泉形式出露,其他地段沒有異常反映。

高家屋場地熱田以溫泉形式出露,主要泉點3處(J2、J3、J5),呈近東西向排列,最遠兩泉相距約1 000 m。W3泉水溫度19～19.2 ℃,流量約1 460 m3/d。據(jù)高家屋場5處監(jiān)測點一年監(jiān)測結(jié)果,降雨入滲對出露泉點的溫度有一定影響。

據(jù)現(xiàn)場訪問及收集前人資料初步分析,高家屋場溫泉泉水溫度總體上呈下降趨勢。據(jù)當?shù)乩夏甏迕窠榻B,50年前,將生雞蛋放入溫泉W3中,幾天后取出可熟;1983年湖北省水文地質(zhì)大隊進行1∶20萬神農(nóng)架幅區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查時W3溫泉實測溫度為19 ℃(6月16日測),W4溫泉實測溫度為26 ℃(6月18日測);本次野外工作期間W3、W4泉水溫度分別為19.0～19.2 ℃、13.2～16.81 ℃。

據(jù)《神農(nóng)架志》[3](1996年)記載,1958年大辦鋼鐵廠時,房縣、興山縣曾抽調(diào)大批強壯勞力到神農(nóng)架砍樹燒炭煉鐵,加上公共食堂大量增加,砍伐了大量樹木;1960—1979年間,在神農(nóng)架的開發(fā)建設(shè)中,采用大面積皆伐和落后的集材方式,森林資源破壞嚴重,加之農(nóng)村存在的毀林開荒、亂砍濫伐現(xiàn)象,森林覆蓋率急劇下降。

據(jù)此分析,由于高家屋場一帶森林被大量砍伐,導(dǎo)致地表水大量入滲,混合于地熱流體中,致其溫度降低。

5 認識與結(jié)論

神農(nóng)架林區(qū)高家屋場一帶水溫在7～11 ℃之間,高家屋場地熱田地下熱水(水溫13.3～19.3 ℃)主要賦存于黃寶坪斷裂破碎帶附近,熱儲層主要為神農(nóng)架群石槽河組、震旦—寒武燈影組的泥質(zhì)白云巖、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、鮞狀白云巖。

地熱田南及南偏東部,巖溶較發(fā)育,大氣降水通過巖溶管道(或裂隙)源源不斷地補給巖溶裂隙水,受地形的影響,地下水向黃寶坪斷裂高家屋場一帶富集,因此該地熱田有足夠的地下水源。

通過勘查工作驗證,初步得出高家屋場地熱田地熱流體溫度衰減的原因為高家屋場一帶森林被大量砍伐,導(dǎo)致地表水大量入滲,混合于地熱流體中,致其溫度降低。

[1] 地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊.水文地質(zhì)手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，1978.

[2] 雷深涵,郭峰.神農(nóng)架林區(qū)高家屋場地熱田地熱資源預(yù)查報告[R].武漢：湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2012.

[3] 湖北省神農(nóng)架林區(qū)地方志編纂委員會.神農(nóng)架志[M].武漢：湖北科學技術(shù)出版社,1996.

[4] GB/T 11615—2010地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范[S].北京：中國標準出版社,2011.

(責任編輯：陳姣霞)

LEI Shenhan， YEI Yicheng， CHEN Xue
(HubeiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Jingzhou,Hubei434020)

Preliminary Study of Cause of Gaojiawuchang Geothermal Field in Shennongjia Forest Region and Brief Analysis of Cause of Temperature Attenuation of Geothermal Fluid

Gaojiawuchang Geothermal Heat Reservoir is mainly the subgroup of Shicaohe dolomite in Shennongjia area,the geothermal reservoir caprock is diabase which dates back to Proterozoic era but not completely covered by the thermal reservoir storage.Through the preliminary analysis the authors found that the groundwater collect along the stratum layers,towards for a deep direction and resisted by proterozoic intrusive rocks.The intrusive rocks are magmatite with high temperature.It can get a preliminary conclusion that the reasons of the temperature attenuation of this area (Gaojiawuchang geothermal heat reservoir) are as follows:A lot of forests around are cut down,causing a lot of surface water infiltrate,mix in the geothermal fluid,lead to the decay of its temperature.

Geothermal;temperature attenuation; Huangbaoping fracture; geothermal reservoir

2014-08-15；改回日期：2014-09-29

本項目為2010年度湖北省地質(zhì)勘查基金項目，編號2010-Ⅰ-20。

雷深涵(1983-),男,工程師,土木工程專業(yè),從事水工環(huán)地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害防治工作。E-mail：723263035@qq.com

P314.1

A

1671-1211(2015)02-0181-05

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1045.006.html 數(shù)字出版日期:2015-02-04 10:45