湖南省湘西北地下熱水系統形成模式

沈萍，劉勇（湖南省地質礦產勘查開發局四○二隊，湖南 長沙410014）

湖南省湘西北地下熱水系統形成模式

沈萍，劉勇（湖南省地質礦產勘查開發局四○二隊，湖南 長沙410014）

湘西北是湖南地下熱水資源主要分布區，集中分布于桑植-石門復向斜內，區內偏高的大地熱流（64.46～71.92MW/m2）從底部供熱，在侏羅山式蓋層褶皺帶沿熱導率高的層狀碳酸鹽巖組成背斜兩翼和同（走）向斷裂帶向上相向傳輸向背斜軸部聚匯。充沛的大氣降水在地勢高的裸露巖溶發育帶，滲入地下形成淺表巖溶地下水，淺表巖溶水一部分沿著向斜褶皺翼性脆的碳酸鹽巖和淺變質碎屑巖節理裂隙層間滑脫裂隙，斷裂破碎帶在高勢能作用下繼續向下（深）滲流，進行深循環，在深循環過程中和向上的大地熱流，進行水熱對流交換，使其溫度升高，當運移到向斜軸底部時則由勢能高一翼流向勢能低的一翼，運移到低能一翼在浮升力作用下和大地熱流同向向上運移如被侵蝕切割涌出地表成溫泉，如為隱背斜則埋藏地下成為隱伏地下熱儲。

蓋層；儲集層；熱源；大地熱流；地下熱水系統；形成模式

1 地質構造背景

湘西北是湖南地下熱水主要分布區，集中分布于八面山陸緣盆地南部桑植-石門復向斜內，南以保靖-慈利斷裂為界，北至東山峰背斜，總的地勢南、北高中間低，自南西向北東-北東東漸低傾伏的復式向斜。發育震旦系至三疊系地層，呈左型侏羅山式褶皺，由太清山向斜、大同山（人潮溪）背斜、楊家坊向斜、磺廠背斜、東岳觀向斜、桑植空殼樹向斜、官地坪背斜、涼水井背斜、陳家河向斜及相隨一些斷裂及伴生構造成分組成，背斜核部皆由古生界地層組成，向斜軸部則為下、中三疊系地層組成。背斜狹窄緊湊，向斜寬闊而平緩，成隔擋式箱狀、屜狀形態，此外尚有一些構造鼻、構造窗等局部隆起夾持其間，在空間展布上，褶皺軸自南西向北東，由北北東逐漸轉向為北東、北東東，在組合形態上首尾錯列呈左型，而整個褶皺群西南段和東北段較中段狹窄緊密，反映了兩端壓縮中間拉伸的應變作用。

2 蓋層

區內蓋層由層狀的含水性弱、滲透率小，熱導率低的塑性強的泥質巖、砂頁巖組成，計有3層（圖1）。自上而下簡述如下。

圖1 石門-桑植復向斜五道水-張家界剖面圖

2.1 第一蓋層

由二疊系上統吳家坪組和下統辰溪煤系（泥巖、頁巖、煤層）和深灰色中至厚層狀含硅質團塊或條帶的灰巖夾灰黑色頁巖、泥灰巖；長興組灰-灰黑色薄-厚層狀泥質灰巖、硅質巖夾頁巖；三疊系下統大冶組下段薄層狀、頁片狀灰巖、泥質灰巖及頁巖組成，厚度400余米，主要分布在向斜核部。

2.2 第二蓋層

由志留系的頁巖、泥質粉砂巖、粉質泥巖及泥巖和奧陶系中上統牯牛潭組、寶塔組、五峰組瘤狀泥灰巖、泥質灰巖、頁巖及硅質頁巖組成，厚度穩定，達2000m以上，具有良好隔水保溫性能，是本區主要的隔熱保溫蓋層。

2.3 第三蓋層

主要由寒武系下統含粉砂質泥巖及白云質、泥灰巖、粉砂質板巖、鈣質粉砂巖、薄層灰巖、頁片狀泥灰巖、硅質、炭質、粉砂質板巖組成，厚400～600余米，是本區穩定分布廣的隔熱保溫蓋層。

3 地下熱水儲集層

區內已發現的熱水儲集層有3層。

3.1 震旦系燈影組、陡山沱組上部硅質巖、白云巖組成裂隙含水巖組

燈影世末曾有短期的抬升成陸，在燈影組頂面短暫遭受剝蝕溶蝕，局部形成古風化面和古巖溶（柏道元）。在龍山縣洗洛鄉小井村295.50m揭穿寒武系下統炭質頁巖、煤層等蓋層，遇震旦系灰巖、硅質頁巖，374.28～470.49m裂隙發育，含水性好，水壓高出地面11.51m，自流量14.91l/s，井口水溫33℃，井底（476.49m）水溫37℃。熱儲屬低溫溫水資源層狀傳導型的溫熱水資源型。

3.2 下奧陶統南津關組、寒武系中上統婁山關群碳酸鹽巖地下熱水儲集層

主要由厚層-巨厚層狀灰巖、白云質灰巖、白云巖組成，厚度961～1124m，石門-桑植復向斜內均有分布，復向斜內19處地下熱水露頭，此層有15處，占79%，水溫大于60℃的一處，40～60℃的10處，30.1～33℃的4處。流量11.78～80m3/h，鉆孔單位涌水量1.14～8.51m3/h·m，該含水巖組具有層控、斷裂帶富水的混合型熱儲特征。

3.3 下二疊統棲霞組、茅口組碳酸鹽巖與中上泥盆統云臺觀組、寫徑寺組碎屑巖熱水儲集層

主要由灰巖與石英砂組成的巖組，分布于石門-桑植復向斜的核部，出露于次級褶皺的兩翼和端部，出露溫泉4處，水溫25.5～37℃的兩處，40～60℃的兩處，流量4.25～42.91m3/h。其中石英砂巖中一處，下二疊統碳酸鹽巖中3處，從慈利江埡鉆孔揭露測溫資料（圖2）可見地下熱水等溫線呈鴕峰狀曲線，峰頂明顯，受石英巖層間破碎帶控制，為一層控熱儲。

圖2 江埡小灘溫泉地熱等溫線地質剖面圖

4 熱源

4.1 大地熱流是地下熱水的主要熱源

石門熱水溪地熱田施工的6個鉆孔分別位于斷裂帶內、上盤、下盤不同位置，鉆遇斷裂帶不同部位和未遇斷裂地段，其井溫與孔深的關系均為正相關，屬傳導型的地溫曲線特征，其地溫梯度2.9℃/100m，表明本區熱源以大地熱流為主，地下熱水受熱方式以正常增溫率為特征。區內地表大地熱流值64.46MW/m～71.92MW/m2，平均68.19MW/m2，高于鄰區湖北秭歸（35.4MW/m2）、江漢（59.2MW/m2）。區內沒有近代巖漿活動的熱源體。

4.2 放射性元素的衰變熱也是一種不可忽視的熱源

本區地殼厚度40～48km，巖石放射性元素含量較高，特別是寒武系下統炭質硅質巖類具放射性異常，其厚度1000m左右，地下熱水中U、Ra、Tn、Rn含量普遍較高，表明放射性脫變熱也是重要熱源。

5 地下熱水系統的形成模式

5.1 大氣降水是地下熱水的主要補給來源

石門熱水溪、桃源熱水坑、慈利萬福溫泉水的δD、δ18D的關系和氬的同位素40Ar/36Ar值均表明溫泉水主要來自大氣降水（王蔚、張景榮等）。

5.2 大地熱流在褶皺帶再分配向背斜部聚匯

桑植-石門復向斜總體為由西向東傾斜的構造盆地，盆地內隔檔式次級褶皺發育，巖層傾斜，凸（背）凹（向斜）連續相間出現，致使基底以下均勻向上運移的大地熱流發生偏移，大地熱流更多流向熱導率高的碳酸鹽巖和脆性砂巖類巖層，流向沿背斜兩翼分別由下向上相向運移，熱流運移過程中受兩側及低熱導率的蓋層阻隔時，熱能在背斜軸部（隆起帶）聚匯而形成隱伏地熱異常（圖2）。

5.3 地下熱水系統的形成

大氣降水、地表水體在地勢較高的向斜翼部，背斜仰起端滲入地下，在下滲過程中與從深部向上運移大地熱流進行熱交換而逐漸增溫，在勢能壓力作用下，下滲地下水受含水層頂底隔水層阻擋受壓繼續向深部運移，當運移到向斜軸（底）部時，則會向側翼運移，在運移過程中繼續不斷吸收圍巖的熱量和溶蝕圍巖中的礦物元素，溫泉中CH4δ13C值（-27.1～37.3‰）和CO2δ13C值（-11.2～17.1‰），表明均系沉積巖中有機質熱降解過程中產物（王蔚、張景榮等）而使其溫度增高，容重減輕，礦化度升高成為熱礦水，當運移到向斜另一翼 （背向斜轉換翼）時，則熱礦水在浮升力作用下和大地熱流沿著背斜另一翼向上運移，當運移到背斜軸部遇有隔水保溫蓋層時，則儲集地下成為隱伏熱水儲集層，當被侵蝕切割時則形成溫泉。

6 小結

石門-桑植復向斜地處云貴高原的西南邊緣新華系第二隆起帶的邊緣，地勢是南北高，中間相對較低，自西向東傾斜的構造盆地，盆內侏羅山式褶皺發育完好，具有分布連續、穩定、范圍廣泛的隔熱保溫蓋層3層，已發現有地下熱水資源3層熱儲，主要為中上寒武統婁山關群和下奧陶統南津組，均為以層狀熱儲為主，但斷裂帶狀熱儲富水性較好，熱源以大地熱流為主，正常地溫增溫，傳導-對流復合型受熱模式。

[1]周念滬.地熱資源開發利用實務全書.中國地質大學，2005.

[2]熊亮平，張菊明.熱流的折射和再分配的數學模擬.地質科學，1984（04）.

[3]徐世光，郭遠生.地熱學基礎.北京：科學出版社，2009.

[4]湖南省地球物理地球化學勘查院，饒家榮，等.湖南深部構造.

[5]欒光忠，劉紅軍，劉冬雁，王文正.山東半島溫泉的地熱屬性及其特征.地球學報，2002，23（1）：79～84.

P314

A

2095-2066（2016）22-0128-02

2016-7-13

沈 萍（1976-），女，工程師，從事水工環工作，湖南省地質學會會員。

劉 勇（1984-），男，工程師，從事水工環工作，湖南省地質學會會員。