葉見(jiàn)玲，楊漢元，陳 瀟，曹 暉，劉素平，劉 梅，李 宇，譚甫偉

（湖南省工程地質(zhì)礦山地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測(cè)所，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

地?zé)崮茏鳛橐环N清潔能源可用于發(fā)電、供熱、生活供水、飲用礦泉水資源等，也可用作提取工業(yè)原料的水資源，以及珍貴的醫(yī)用熱礦泉水等，其社會(huì)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益良好[1]。

我國(guó)地?zé)豳Y源豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，淺層地?zé)豳Y源可采折合7x108t 標(biāo)準(zhǔn)煤、中深層資源量折合1.25x1012t 標(biāo)準(zhǔn)煤、干熱巖型資源量折合8.56x1014t 標(biāo)準(zhǔn)煤，資源潛力巨大[2]。1949 年以來(lái)，我國(guó)先后在中國(guó)西藏、云南、東南沿海以及華北盆地等地開(kāi)展過(guò)地?zé)崞詹?、勘探及中高溫地?zé)嵫芯抗ぷ?，取得了系列進(jìn)展及創(chuàng)新性研究成果，較好地促進(jìn)了地?zé)崾聵I(yè)的發(fā)展[3-6]。地?zé)崮艿目碧介_(kāi)發(fā)及利用可以有效改善生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解全球能源危機(jī)，因此受到各界強(qiáng)烈的關(guān)注[7]。寧鄉(xiāng)灰湯作為我省中高溫重點(diǎn)地?zé)豳Y源區(qū)，資源豐富，具有良好的資源前景[8-12]。但多年來(lái)缺乏對(duì)該區(qū)詳細(xì)的中深層地?zé)峥辈煅芯浚瑖?yán)重地制約了我省地?zé)豳Y源發(fā)展及勘查開(kāi)發(fā)進(jìn)展[13-15]。本文在前人研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地從地?zé)豳Y源富集賦存的關(guān)鍵要素出發(fā)，對(duì)熱源、熱通、熱儲(chǔ)層、蓋層、水化學(xué)等特征進(jìn)行綜合分析研究，并對(duì)該區(qū)地?zé)岢梢颉⑿纬蓷l件進(jìn)行剖析，為我省地?zé)岬目辈檠芯考跋乱徊介_(kāi)發(fā)利用提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)[16-18]。

1 地質(zhì)概況

寧鄉(xiāng)灰湯位于祁陽(yáng)弧北翼反射弧與華夏系構(gòu)造的結(jié)合部位。區(qū)內(nèi)斷裂主要有烏江斷裂（F2）、獅橋斷裂（F3）和八畝沖斷裂（F4）等（圖1）。區(qū)內(nèi)廣泛分布燕山期酸性及中酸性溈山花崗巖體，巖性以黑云母斑狀、斜長(zhǎng)黑云母斑狀花崗巖為主，巖體在灰湯一帶被白堊系地層覆蓋?；◢弾r中多發(fā)育偉晶巖脈，煌斑巖脈、石英脈及細(xì)晶巖脈，由于受構(gòu)造活動(dòng)的多期影響，本區(qū)圧性、扭圧性、張性斷裂強(qiáng)烈破壞花崗巖體，形成破碎花崗巖、花崗構(gòu)造角礫巖、極厚糜棱巖和糜棱巖化花崗巖[19-21]。

圖1 灰湯地?zé)釁^(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological diagram of Huitang geothermal area

2 地?zé)豳Y源形成條件

2.1 熱源

研究區(qū)地處湘中東北部，區(qū)內(nèi)溈山巖體發(fā)育，圍巖蝕變現(xiàn)象普遍。通過(guò)布設(shè)大地電磁測(cè)線分析，該區(qū)隱伏巖體發(fā)育，地表200 m以淺為燕山早期花崗巖體，為巖基存在[13]。通過(guò)全省地?zé)崴{(diào)查評(píng)價(jià)，結(jié)合以往區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)在岳陽(yáng)、長(zhǎng)沙、衡陽(yáng)、寧鄉(xiāng)、株洲以及郴州等區(qū)，中溫和中低溫溫泉熱源類型多來(lái)源于巖漿巖余熱，且溫泉出露多與地下隱伏巖體有關(guān)[22-23]。據(jù)前人氚同位素年齡鑒定，區(qū)內(nèi)地?zé)崴畯难a(bǔ)給、深循環(huán)、再到排出地表，這一漫長(zhǎng)的歷程需要三十八年以上。研究區(qū)深大斷裂構(gòu)造發(fā)育，烏江斷裂（F2）早期為拉伸，晚期為壓性（或扭性），近期活動(dòng)為扭性，并轉(zhuǎn)為壓扭性質(zhì)，是區(qū)內(nèi)具有多期活動(dòng)且至今仍在活動(dòng)的導(dǎo)熱斷裂構(gòu)造[19]（圖2）。

圖2 灰湯A-A’剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of section of HuitangA-A'

本區(qū)斷裂構(gòu)造復(fù)雜，孔內(nèi)最高溫度基本位于斷裂破碎帶底部糜棱巖段應(yīng)力集中區(qū)。據(jù)最近地震資料顯示，該區(qū)地殼活動(dòng)活躍，時(shí)刻進(jìn)行脈沖式運(yùn)動(dòng)，不斷釋放構(gòu)造摩擦熱能[24]。其次，通過(guò)本次實(shí)測(cè)區(qū)內(nèi)29個(gè)地表花崗巖樣，得出生熱率為2.54~5.17(μw·m-3)，平均值為3.53(μw·m-3)。鈾含量平均為6.79×10-6；釷含量平均為21.05×10-6；鉀含量平均為4.03%。說(shuō)明研究區(qū)具備較好的生熱潛力。故推斷區(qū)內(nèi)熱源主要為巖漿巖余熱與地殼蠕動(dòng)摩擦生熱及放射性元素蛻變熱。

2.2 地?zé)崴瘜W(xué)特征

灰湯熱泉處于研究區(qū)中部，在北東向?yàn)踅瓟嗔鸭氨蔽飨颡{橋斷裂交匯處出露，形成一上升泉群。據(jù)資料記載，前人在該區(qū)進(jìn)行地?zé)崴辈楣ぷ?，查明熱異常面積約8 km2，水溫最高達(dá)92℃，流量為1.96 L/s。放熱量為10770 kcal/s，可開(kāi)采量3500 m3/d。

據(jù)收集1974 年湖南省水文地質(zhì)隊(duì)灰湯地?zé)釁^(qū)灰湯段水文地質(zhì)勘探報(bào)告資料顯示，水1~zk01孔樣品PH 值介于7.21~9.6 之間，偏堿性水，鈉離子含量為30.45~87.25 mg·l-1之間，鈣離子含量為2~65.09 mg·l-1之間，總硬度為0.387~192.14，水溫一般在65.9~102 ℃，最高可達(dá)102 ℃（表1）。據(jù)上述灰湯段水文地質(zhì)勘探報(bào)告資料資料顯示，該區(qū)熱水水質(zhì)類型為HCO3Na 型，礦化度為0.22~0.23 g·l-1。該區(qū)鐳元素含量為1.3~53×102mg·l-1，氡 含 量11.8~12.4 em·l-1，氟 含 量 為9.00 mg·l-1，0.01 mg·l-1。根據(jù)光譜分析，還含有鈦、鉬、錫等稀有微量元素。熱水中還含有氣體，其中氮?dú)庹?8%，氧氣占1.6%，二氧化碳占0.4%。

表1 研究區(qū)地?zé)崴饕瘜W(xué)成分特征Table 1 Main chemical composition characteristics of geothermal water in the study area

本次通過(guò)對(duì)收集的灰湯11 個(gè)地?zé)崴畼舆M(jìn)行水化學(xué)分析（圖3），經(jīng)繪制piper 三線圖，進(jìn)一步確認(rèn)灰湯區(qū)地?zé)崴愋图胺植家?guī)律趨于一致。比較集中陽(yáng)離子主要以Na 離子為主，陰離子主要為HCO3為主，不同的取水點(diǎn)及不同深度的取水點(diǎn)的水質(zhì)類型也有一定的區(qū)別（圖4）。

圖3 研究區(qū)地?zé)崴疁囟燃安蓸臃植紙DFig.3 Geothermal water temperature and sampling distribution in the study area

圖4 研究區(qū)地下熱水化學(xué)piper三線圖Fig.4 Three-line piper diagram of geothermal water chemistry in the study area

2.3 熱儲(chǔ)及蓋層特征

研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件良好，廣泛分布溈山花崗巖巖體，筆者通過(guò)本次在研究區(qū)采樣測(cè)試，送至湖南省核工業(yè)230 研究所測(cè)試分析，花崗巖巖石生熱率為2.54~15.32 μw·m-3，生熱率平均值為3.54 μw·m-3。超過(guò)生熱率背景2.8 μw·m-3，具有一定的生熱潛力，可以作為區(qū)內(nèi)良好的熱儲(chǔ)層。其次，區(qū)內(nèi)F2烏江斷裂具有多期活動(dòng)性，是區(qū)內(nèi)主要的儲(chǔ)熱、導(dǎo)熱構(gòu)造。

通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查及分析測(cè)試，研究區(qū)出露花崗巖風(fēng)化嚴(yán)重，其風(fēng)化層可以作為地?zé)嶂苯由w層。其次，筆者通過(guò)本次實(shí)測(cè)巖石導(dǎo)熱率及大地電磁工作手段，發(fā)現(xiàn)上覆白堊系蓋層厚度約0.8~1.5 km，巖體總體埋深小于3 km。且蓋層巖性分別為泥巖、砂質(zhì)板巖、石英砂巖，導(dǎo)熱率較低，為0.61~3.15(W·m-1·K-1)，平均1.66(W·m-1·K-1)，可以作為區(qū)內(nèi)良好的蓋層（圖5）。

圖5灰湯區(qū)B-B’大地電磁測(cè)深( MT) 剖面Fig.5 Huitang magnetotelluric sounding(MT)profile

2.4 通道

活動(dòng)性的深大斷裂是與深部高溫巖體相連的導(dǎo)熱構(gòu)造，在軟流圈地幔上隆時(shí)常常具有很好的導(dǎo)熱功能，可作為區(qū)內(nèi)良好的熱源通道。F2深大斷裂是區(qū)內(nèi)的主控?cái)嗔?，延伸長(zhǎng)、規(guī)模大，是一條切穿巖石圈達(dá)到軟流圈、貫徹整個(gè)區(qū)內(nèi)南北向的活動(dòng)斷裂。它具有控?zé)崽卣?，可作為該區(qū)熱源通道，向上輸送深部的熱量。其次，地球深部發(fā)育的低速層既是導(dǎo)熱層也是熱儲(chǔ)層，通過(guò)分析湖南深部構(gòu)造巖石圈特征，發(fā)現(xiàn)湘中區(qū)存在低阻低速高導(dǎo)體，是深部熱源和淺部熱儲(chǔ)層的良好橋梁，是良好的重要介質(zhì)層。

3 地?zé)岢梢蚰Ｊ椒治?/h2>

3.1 熱儲(chǔ)溫度

SiO2地?zé)釡貥?biāo)一般不受復(fù)合物的形成與揮發(fā)組份散失及其他離子的影響，具有很好的應(yīng)用性，用以推算基礎(chǔ)溫度較為接近。但可溶二氧化硅濃度往往受地表冷水混入的影響，計(jì)算結(jié)果一般偏低。

通過(guò)收集1974 年湖南省水文地質(zhì)隊(duì)在寧鄉(xiāng)灰湯采集地?zé)崴爸苓厹厝獦悠?，利用地球化學(xué)溫標(biāo)公式計(jì)算（式1），區(qū)內(nèi)溫泉二氧化硅熱儲(chǔ)范圍32.20~147.64 ℃。考慮到地表冷水的混合作用，該熱儲(chǔ)溫度相對(duì)偏低（表2）。

表2 灰湯地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度統(tǒng)計(jì)Table 2 Thermal storage temperature statistics of Huitang geothermal field

通過(guò)對(duì)比，本次計(jì)算結(jié)果差異較大，如ZK01孔推算為32.2℃，而水10孔則達(dá)到142.59℃，水1為137.2℃，水5、水2 分別為76.58℃、57.44℃。產(chǎn)生差距的原因可能是在地?zé)峥壮樗囼?yàn)過(guò)程中涌水量小，地表水混合作用導(dǎo)致各個(gè)溫標(biāo)計(jì)算濃度產(chǎn)生變化，使結(jié)果有偏差。但總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)多年研究資料證明，該區(qū)溫泉熱儲(chǔ)溫度普遍較高，說(shuō)明有穩(wěn)定的熱能來(lái)源。

3.2 循環(huán)深度

作為地?zé)崴匾芯繀?shù)，地?zé)崴h(huán)深度對(duì)地?zé)崽锛皽厝某梢?、水化學(xué)成因分析、熱儲(chǔ)層判斷、地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)都起到了重要參考作用?；覝貐^(qū)地?zé)崴嘤纱髿饨邓偷谒南禎撍?jīng)深循環(huán)加熱所致。按地?zé)崴５責(zé)嵩鰷刈兓捎霉?估算地?zé)崴h(huán)深度：

式中：T-熱儲(chǔ)溫度，℃；T0-當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?，℃；地溫梯度，?100m；H0-常溫帶厚度，m。

寧鄉(xiāng)灰湯地區(qū)熱儲(chǔ)溫度（T）基本在57.44~137.20℃以上，取平均值123.06 ℃；寧鄉(xiāng)年平均氣溫（T0）為16.8 ℃；常溫帶厚度（H0）為30 m；地溫梯度（K）取3.5(℃·100m-1)；計(jì)算結(jié)果區(qū)內(nèi)循環(huán)深度3066 m。2017年，帥煥等[25]利用管道模型內(nèi)部關(guān)系公式求得灰湯地?zé)崽餆崴h(huán)深度2700~3100 m。通過(guò)以上方法，對(duì)比發(fā)現(xiàn)灰湯地?zé)崽餆崴h(huán)深度基本在3100 m左右。

3.3 冷熱水混合作用

考慮研究區(qū)地下熱水的不平衡狀態(tài)及冷水混合作用，利用硅晗方程（公式3～6）及圖解法計(jì)算了灰湯區(qū)冷熱水混合作用。

式中：H熱-地?zé)崴手?，H冷-冷水焓值，H溫-溫泉焓值，SiO2冷-冷水測(cè)得SiO2值，SiO2熱-地下熱水的SiO2值，SiO2溫-溫泉或地下熱水測(cè)得SiO2值，X1-焓值公式計(jì)算得出的冷水份額，X2為通過(guò)SiO2含量反算得到的冷水份額。其中，不同溫度的焓值和SiO2的含量在表3中查得。

表3 熱水溫度、焓和SiO2 含量[26]Table 3 Hot water temperature,enthalpy and SiO2 content

寧鄉(xiāng)灰湯年平均氣溫為16.8℃，冷水中SiO2含量通過(guò)測(cè)試取值28(mg·ml-1)。研究區(qū)溫泉經(jīng)過(guò)測(cè)溫取93℃，SiO2含量經(jīng)過(guò)分析測(cè)得為110(mg·ml-1)。

將計(jì)算數(shù)據(jù)繪制到圖上并連接（表4），獲得曲線交點(diǎn)為（175,0.54）。即熱儲(chǔ)溫度175℃，冷水所占比例54%（圖6）。

表4 研究區(qū)溫泉X1和X2計(jì)算值Table 4 Calculated values of hot springs X1 and X2 in the study area

圖6硅焓方程法示意圖[27]Fig.6 Schematic diagram of silicon enthalpy equation method

利用硅焓圖解法（圖7），將冷水焓值和SiO2含量分別與地下熱水焓值和SiO2含量在圖中繪出，得出A、B 兩點(diǎn)，將其延長(zhǎng)至石英溶解度曲線得出C 點(diǎn)熱水焓值。計(jì)算AB、AC 長(zhǎng)度的比值為0.4814，則該區(qū)冷水占比為51.86%，與上圖硅焓方程法所計(jì)算的54%相接近，最終該地區(qū)冷水所占比例去兩種計(jì)算方法的平均值52.93%。

圖7 硅焓圖解法Fig.7 Graphic method of silicon enthalpy

3.4 成因模式

寧鄉(xiāng)灰湯區(qū)地?zé)岢梢蚰Ｊ饺鐖D8所示?；覝?zé)岢梢蚩偟母艣r為灰湯北西向，山地高區(qū)受大氣降水，沿區(qū)內(nèi)F1深大斷裂下滲透運(yùn)移，地?zé)崴ㄟ^(guò)深循環(huán)吸收巖漿巖熱及圍巖等熱量，最終在深部約3100 m 處與其他降水匯合后與地?zé)崃黧w發(fā)生混合，此時(shí)冷水占到混合水的52.93%，周圍熱儲(chǔ)溫度約為32.98~147.64 ℃。之后通過(guò)深大斷裂F2上升，最終出露地表形成溫泉。其中來(lái)自地幔的少量地幔熱以及來(lái)自地溫梯度增溫?zé)峥勺鳛閰^(qū)內(nèi)補(bǔ)充熱源，加熱地下熱水并通過(guò)F2深大斷裂通道上升形成區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源。區(qū)內(nèi)NE 與NNE 向深大斷裂與NW 向斷裂不僅明顯影響著現(xiàn)代河流的發(fā)育，而且直接控制著溫泉的分布。如寧鄉(xiāng)灰湯溫泉、檀木橋、楊柳灣地?zé)崴境雎队贜E 與NW 向斷裂構(gòu)造交匯部位。不同時(shí)代、性質(zhì)的斷裂構(gòu)造及其組合形式對(duì)溫泉的出露與形成起重要的控制主導(dǎo)作用。

圖8 地?zé)豳Y源成因模式圖Fig.8 Geothermal resource accumulation model map

4 結(jié)論

（1）寧鄉(xiāng)灰湯地?zé)崴|(zhì)類型為HCO3Na型，礦化度為022~023 g/l。區(qū)內(nèi)地?zé)崴嘤纱髿饨邓偷谒南禎撍?jīng)深循環(huán)加熱所致。

（2）通過(guò)對(duì)研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件特征深入分析，查明寧鄉(xiāng)灰湯區(qū)具備較好的地?zé)豳Y源背景，有利于地?zé)豳Y源的形成。

（3）通過(guò)硅焓模型及二氧化硅溫標(biāo)公式計(jì)算，得出該區(qū)熱儲(chǔ)溫度為32.198~142.589 ℃，循環(huán)深度約3100 m，冷水混合比例約占54%。溫泉成因主要受該區(qū)深大斷裂構(gòu)造控制，地?zé)崴谏钛h(huán)過(guò)程中通過(guò)吸收圍巖及巖漿巖中熱量升溫后，沿F2深大斷裂上升出露地表形成溫泉。

（4）灰湯地?zé)岢梢蚰Ｊ街饕獮檠芯繀^(qū)以北地勢(shì)高區(qū)大氣降水，沿區(qū)內(nèi)F1 深大斷裂下滲運(yùn)移，通過(guò)深循環(huán)吸收巖漿巖熱及圍巖以及少量地幔及地殼增溫等熱量，通過(guò)F2深大斷裂通道上升形成區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源。

（5）寧鄉(xiāng)灰湯地?zé)豳Y源豐富，為進(jìn)一步摸清該區(qū)資源潛力，建議進(jìn)一步加強(qiáng)該區(qū)中深層地?zé)嵩敳榧皡?shù)孔施工工作。