咸寧市北部空間地熱資源預測研究

趙子良，肖友發，李 強，占 佳，汪 瑋

(湖北省地質局 第四地質大隊,湖北 咸寧 437100)

咸寧市素有“香城泉都”的美譽,地熱資源十分豐富,目前地熱產業已成為咸寧經濟發展第三產業的龍頭支撐點。隨著《咸寧市北部新區生態基礎設施規劃暨重點區域概念性總體規劃》的頒布與實施,北部空間將成為咸寧今后發展的重點,其中發展的主線即“大旅游、大健康、大文化”。因此,咸寧市北部空間興起了地熱康養的熱潮。但目前在咸寧發現的地熱資源,均屬于構造對流型[1],且位于城區,無法滿足駐地康養企業的用熱要求。為配合咸寧市大健康示范區的打造,湖北省地質局第四地質大隊對咸寧北部空間做了大量的地質工作,認為咸寧北部空間具備“源、通、儲、蓋”等地熱資源發育的地質條件。

1 地熱地質背景

咸寧市大地構造處于揚子準地臺東端的下揚子臺坪的大冶臺褶帶的梁子湖凹陷和咸寧臺褶束以及幕阜臺坳的通山臺褶束等三個四級構造單元內,區內斷裂褶皺發育。

研究區東起賀勝橋鎮經橫溝橋鎮西—向陽湖鎮,囊括了綠地梓山湖項目、長島未來城項目等咸寧市近期重點項目。北西為嘉魚—藥姑山次級隆起帶、東為鄂城—九宮山次隆起帶,橫跨梁子湖系—崇陽次級凹陷帶[2](見圖1)。

圖1 區域構造綱要圖Fig.1 Outline map of regional structure⑦.坑口背斜；⑧.黃石洞向斜；⑨.大幕背斜；⑩.徐立中向斜；.高橋向斜；.孫鑒鋪背斜；.賈家山向斜；.獅子巖背斜；.隨陽山背斜；.桐梓山—五洪山背斜；.蒲圻倒轉向斜；.行將山背斜；.斗門橋—望江樓背斜；.洪山—大莊王向斜；.寶塔山—米鋪背斜；.蜜泉湖向斜；.高鐵背斜；.赤壁向斜；.貓兒洞背斜；F2.高橋—雞籠山斷裂；F3.徐家山斷裂；F8.金水閘斷裂；F9.馬鞍山—金山店斷裂；F10.嘉魚沿江斷裂；F13.咸寧—蒲圻斷裂；F38.嘉魚—新店斷裂；F28.塘口斷裂；F29、F31.梁子湖斷裂帶；F32、F34.黃沙斷裂帶；F36.武昌—羊樓洞斷裂；F37.官橋—趙李橋斷裂；F39.陸黃斷裂；F42.黃青斷裂；F43.陸水河斷裂；F45.西涼湖—通山斷裂；F50.嘉魚—黃蓋湖斷裂。

研究區出露奧陶系—第四系,基巖出露較差,總體來說南部露頭好于北部,北部地層多被新生界地層掩蓋,據勘察及區域地質資料可知,研究區除個別地層缺失外,發育了一套較為完整的陸、海相沉積地層。奧陶系主要為灰巖；志留系主要為泥頁巖、粉砂巖；石炭系主要為灰巖、白云巖；二疊系主要為薄層硅質巖、灰巖、云質灰巖；三疊系主要為灰巖、灰質白云巖；侏羅系主要為砂巖、頁巖；白堊系、古近系主要為砂—礫巖、灰質礫巖、粉砂巖,第四系以殘積及沖洪積為主。另據城區地熱田鉆孔顯示,奧陶系下部為寒武系的灰巖、灰質白云巖、白云巖為主。

區內構造特征表現為發育緊密近東西向線性褶皺,并發育NNE、近EW及NW向三組斷裂,其中新華夏晚期NNE向斷裂附近多出露地熱溫泉。同時,受麻團斷裂的控制,發育梁子湖—崇陽次級凹陷帶。

2 地熱地質特征

2.1 已有地熱田地熱地質特征

研究區內地熱溫泉較發育,其主要位于咸寧市潛山一帶,為典型的構造對流型地熱田,“源、通、儲、蓋”四個基礎地熱地質條件十分明顯(見圖2)。

圖2 潛山地熱田形成模式圖Fig.2 Formation model of geothermal field in Qianshan1.亞粘土；2.頁巖；3.粉砂質頁巖；4.泥質灰巖；5.含角礫灰巖；6.灰巖；7.粉砂巖；8.斷裂；9.溫泉。

2.1.1源

源,即地熱田的熱源和水源。其水源主要來自大磨山裸露的同層位碳酸鹽巖接受大氣降水補給；熱源來自于斷裂溝通了深部的地熱能。地下水在接受補給后,在重力的作用下,于碳酸鹽巖徑流系統中向北西進行深循環,在運移過程中吸收了大地熱流所釋放的熱能而逐漸增溫,當徑流至潛山附近時,部分地熱流體沿斷裂破碎帶往上涌,在低洼處以溫泉的形式出露。

2.1.2通

據勘查資料可知,潛山地熱田內構造十分發育,巖石十分破碎,且巖溶現象密集發育,斷裂帶的裂隙及巖溶的孔洞,為地下熱水的運移提供了充足的通道。

2.1.3儲

潛山地熱田的熱儲層主要為寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖,該層在研究區南部咸寧市幕阜山及大磨山廣泛分布,為較穩定的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層,為潛山地熱田的熱儲層。

2.1.4蓋

蓋層是覆于熱儲層之上或周邊的不透水或若透水巖層,起隔水保溫的作用。

在潛山背斜東側至大磨山背斜北西翼之間的地層為志留系地層,巖性為泥質粉砂巖、頁巖、粉細砂巖等巖石組成,總厚度約1 762～2 856 m,成“U”型箱狀覆蓋在寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖之上,由于巖石中泥質成分含量高,阻止了熱量的散失,對下伏熱流場的熱源起到了保溫作用,為區域熱儲蓋層。

2.2 地溫場特征

2.2.1大地流體值特征

省內大地熱流分布不均,基本呈現“南高北低,東高西低”特征,其中異常高值點主要在深大斷裂帶分布。江漢盆地熱流值41.9～69 mW/m2,平均值為53.2 mW/m2,南襄盆地平均值為45 mW/m2,鄂東南地區熱流值42～69 mW/m2,平均值為54 mW/m2,鄂西地區熱流平均值根據前人分析為49 mW/m2。

2.2.2地溫梯度特征

根據地溫場資料數據,湖北省內地溫梯度為1.8～5.4 ℃/100 m,平均為2.8 ℃/100 m,略低于全國地溫梯度平均值(3 ℃/100 m)。

本次收集了咸寧市崇陽、嘉魚及通山三個地方500 m以上水文井的測溫資料(見表1),根據測溫資料可知,咸寧市的恒溫帶溫度在15.6～18.3 ℃,恒溫帶為35～100 m之間,平均地溫梯度為2.07 ℃/100 m[3]。

表1 鉆孔測溫統計表Table 1 Statistical table of borehole temperature measurement

3 地熱賦存模式

根據地熱地質條件及地層組合關系,將咸寧市北部空間分為“三型五區”(見圖3、圖4),即：構造對流型勘探區、混合型勘探區、盆丘結合帶隱伏型勘探區、盆地中部隱伏型勘探區及盆地邊緣隱伏勘探區。各區帶具有不同的地熱賦存模式。

圖3 咸寧市北部空間地熱分區圖Fig.3 Spatial geothermal zoning map of northern Xianning City1.構造對流型勘探區；2.混合型勘探區；3.盆丘結合帶隱伏型勘探區；4.盆地中部隱伏型勘探區；5.盆地邊緣隱伏型勘探區。

圖4 咸寧市北部空間部分地區地熱賦存模式圖Fig.4 Geothermal occurrence pattern of some areas in the northern space of Xianning City1.第四系；2.白堊系—第三系；3.石炭系—二疊系；4.志留系；5.震旦系—青白口系；6.泥質粉砂巖；7.斷層；8.角度不整合接觸；9.平行不整合接觸；10.盆丘結合帶隱伏型勘探區；11.盆地中部隱伏型勘探區；12.盆地邊緣隱伏型勘探區。

3.1 構造對流型勘探區

該區主要受斷裂控制,勘探深度<1 000 m,地表多有熱泉、沸波涌現,位于咸寧市潛山一帶,即已有的地熱田范圍,第二節已詳細介紹其“源、通、儲、蓋”,本節不再贅述。

3.2 混合型勘探區

混合型指其熱源來自兩方面,一個是來自構造導熱,另外一個來自地溫梯度增溫,其主要位于溫泉辦事處—地質隊集貿市場—十六潭公園一帶,為潛山地熱田控熱構造的一個延伸段,其地熱賦存模型式見圖5。

圖5 混合型地熱賦存模式圖Fig.5 Pattern of mixed geothermal occurrence1.第三系；2.新灘組；3.寒武系—奧陶系；4.礫巖；5.灰巖；6.泥質粉砂巖；7.破碎帶；8.斷裂；9.擬布設鉆孔；10.溫泉。

其熱儲層與潛山地熱田的熱儲層一致為寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖,埋深約1 000 m,熱儲層上部覆蓋志留系的泥質粉砂巖、泥巖,為保溫層,潛山及大磨山背斜核部大面積裸露的同層位碳酸鹽巖為補給區,接受補給后,地下水向北東、北西低洼處徑流,徑流過程中接受圍巖及導熱構造的熱源補給,形成地熱流體,碳酸鹽巖的巖溶及構造引起的破碎帶為地熱流體的富集、運移及儲存提供了良好的通道及空間,地熱賦存模式為近源—中埋深型。根據潛山地熱田的溫度和水量可推測,該區極可能發現水溫約50 ℃,單井涌水量達800 m3/d的地熱流體。

3.3 盆丘結合帶隱伏型勘探區

該區主要指梁子湖凹陷周邊的中低丘陵地帶,主要分為兩塊：一塊為賀勝橋—長島·未來城區域,以凹陷北部邊緣為界；一塊以凹陷南部邊緣為界,涵蓋永安辦事處—廣東畈—鳳凰山區域。其地熱賦存模式為遠程—深埋隱伏型(見圖4中4-1)。

地表出露地層為石炭系—二疊系的灰巖、志留系的泥巖、粉砂巖,地層厚度1 800～3 700 m之間(局部見逆沖推覆構造,致使地層疊加),為熱儲蓋層。熱儲層為寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖,整體形態呈現揉皺狀,據咸寧市全域地熱調查評價氡氣測量結果可知,該兩區域次級構造較為發育,地層的揉皺及次級構造的疊加,使得剛性巖石破碎、節理裂隙較發育,為地下水的運移和富集,提供了良好的通道。

地下水的補給來源為南部幕阜山地區大面積裸露的碳酸鹽巖接受大氣降水補給而來,接受補給后,同層為徑流,補給路徑達數十千米,屬遠程補給。地下水在運移過程中,不斷吸收周邊巖石的熱能及放射熱源,使得地下水升溫,變成地熱流體。根據咸寧市地熱場情況可推測,該區若在合適地區施工鉆孔揭露寒武系—奧陶系碳酸鹽巖,則可發現出水水溫45 ℃,單井涌水量達400 m3/d的地熱流體。

3.4 盆地中部隱伏型勘探區

該區主要位于梁子湖凹陷中部,在咸寧北部空間主要涵蓋向陽湖、大洲湖濕地公園、恒大養生谷及橫溝橋部分地區。其地熱模式屬于越流—深埋隱伏型(見圖4中4-2)。

地熱流體主要賦存于梁子湖凹陷深部的石炭系—二疊系的碳酸鹽巖中,地層埋深1 800～2 200 m,且局部存在逆沖推覆構造,致使石炭系—二疊系碳酸鹽巖視厚度超1 000 m,上覆白堊系公安寨組礫巖,屬弱含水層,保溫效果良好,其熱源為地熱增溫。熱儲層多呈斷陷階梯狀,部分不連續,間夾弱透水含水層,當含水層之間存在較大的水頭差時,水頭高的含水層中的水通過弱透水層向水頭低的含水層中排泄的現象稱為越流[4]。其補給來源主要為含水層中的越流補給,故稱越流—深埋隱伏型。據長島·未來城供水水井可知,淺部的石炭系—二疊系的碳酸鹽巖單位涌水量為1.8 L/(m·s),屬強富水含水層,且兩處水頭高差大于1 800 m,故水源補給有充足保障。預測該區若在合適地區施工鉆孔,則可發現出水水溫約50 ℃,單井涌水量達400 m3/d的地熱流體。

3.5 盆地邊緣隱伏型勘探區

該區主要指梁子湖凹陷NW及SE邊緣,主要分為兩塊,一塊為楊下村—東外環區域,以銀泉大道為界；一塊靠近斧頭湖,主要為咸寧服務區—咸寧北高速出口以東區域。其地熱賦存模式為遠程—深埋隱伏型(見圖4中4-3)。

地層層序自上而下依次為白堊系礫巖、二疊系—石炭系的灰巖、志留系的粉砂巖、頁巖,據鉆孔顯示,此區域石炭系—二疊系碳酸鹽巖埋深較淺,且厚度較薄,水溫水量滿足不了實際生產需求。故熱儲層位為寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖,補給來源為南部幕阜山地下水遠程補給,熱儲層埋深為1 500～2 800 m,熱源來自地下水遠程徑流過程中吸收地熱能而來。地熱流體的溫度與徑流循環的深度成正相關關系。預測該區若在合適地區施工鉆孔,則可發現出水水溫約46 ℃,單井涌水量達600 m3/d的地熱流體。

4 結語

咸寧市北部空間中深層地熱賦存模式的提出,為咸寧市北部空間地熱勘查提供了更為明確的目標,并根據不同巖性組合和地質條件,概略出了勘查井大致施工深度,為下一步咸寧市高質量發展“大康養、大健康”的北部空間奠定了有利的地質基礎。隨著經濟的投入、技術手段的更新、研究的深入,對北部空間的地熱賦存模式的認識將會有進一步的加深。

根據多年工作經驗、各區的地熱賦存模式及地質條件,提出如下勘查建議：

(1) 優先勘查南部地質隊集貿市場混合型地熱勘探區、南部盆丘結合帶隱伏型地熱勘探區,再勘探中部盆地中部隱伏型勘探區,最后勘查北部的隱伏型勘探區。

(2) 區內地熱勘探深度較大,紅盆地層覆蓋較厚,應著重對構造破碎帶的研究,因大地構造致使北部空間多呈緊密線性構造,其地熱流體主要受斷裂構造控制呈帶狀分布,避免施工鉆孔出現有熱無水的情況。