湖南安化縣東坪鎮辰溪口地熱資源特點及成因分析

殷美珠，張艷軍，王 海

（湖南省核地質調查所，湖南 長沙 410010）

近年來，安化縣各級政府高度重視開發利用地下熱水資源，積極推進其資源勘查工作。2019—2021年，對安化縣東坪鎮辰溪口地段進行了可行性勘查，共施工ZK01（1 800.15 m）、ZK02（1 401.22 m）2口地熱深井，平均出水溫度34.5 ℃，為該縣第一個新開地熱田。熱儲溫度為45.0 ℃，地下熱水循環深度為1 580 m。該地熱田地熱儲量為5.49×109MJ，地熱流體的可開采量555.50 m3/d，其中探明的開采量498.53 m3/d，控制的開采量56.97 m3/d，地下熱水可開采量的熱功率為486.12 kW，地下熱水可開采量每年可提供 28 400×109J的熱能。

1 區域地熱地質條件

1.1 區域地質條件

區內出露地層主要為青白口系到奧陶系下統沉積巖及變質巖，巖性多為砂巖、板巖、灰巖和頁巖等，主要有板溪群五強溪組二段砂質板巖，其呈黃青色，變余結構，板狀構造；震旦系下統江口群觀音田組、群鶴嶺組、南沱組、金家洞組、留茶坡組，巖性主要為黃綠色、灰色中粗粒長石石英砂巖、青灰色炭質板巖、板巖、含礫泥巖夾含礫砂巖、炭質板巖及硅質巖等。

勘查區位于雪峰山加里東弧形褶皺隆起帶上，處于安化—黔陽北東向構造帶與桃江—新化新華夏系構造帶的中間部位，北東向構造是勘查區最顯著的構造形跡。區內安化—黔陽、桃江—新化區域性構造發育規模大，長度大于100 km，斷面傾向東南，傾角約為60°，斷裂帶有強烈的擠壓破碎現象，擠壓帶寬達數十至數百米，有糜棱巖或斷層泥出現，破碎帶含水性較好，為含水斷裂帶，沿斷裂構造與其他多條斷裂帶相互切割，斷裂構造發育（圖1）。

圖1 勘查區構造綱要圖Fig.1 Outline of structure of exploration area

勘查區內構造非常發育，以節理裂隙密集發育為主要特征，局部可見硅質石英脈充填裂隙中，可見溝谷、斷層三角面等構造標志；構造以北東向為主（F2，F3，F4和F7），次為北西向（F5）、北北東向（F6），受區域構造影響顯著。

調查及地面物探推斷發現北西向構造F4、F5和北北東向構造F6（表1），3條構造于勘查區辰溪口地段交匯，根據實際鉆探成果，發現區域性F4、F6斷裂還派生有系列斷層或規模較小的破碎帶，是地熱形成的主要通道，溝通深部（地幔或巖石圈）熱源。

表1 區內主要構造特征統計表Table 1 Statistical table of main structural features in the area

1.2 水文地質條件

1.2.1 地下水類型

根據區內地下水的賦存條件和含水層巖性等，將區內地下水類型主要劃分為松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水。

（1）松散堆積層孔隙水主要分布于溪兩岸，黏質砂土、砂、砂卵石，層厚為5~25 m。含孔隙潛水，水量中，水位埋深0.53~6.17 m，HCO3-Ca型水，pH 6.8~7.1，總硬度4.95~11.70德度，礦化度0.21~0.34 g/L。

（2）基巖裂隙水，其中奧陶系中統硅質巖和寒武系下統灰巖含水層水量中等，面裂隙率為2.42%，含裂隙水，水量中等。泉流量一般 為 0.080~1.070 L/s，最大 4.132 L/s，徑流模數 1.046~1.67 9 L/（s·km2），HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca，·Na型 水，pH 5.5~7.8， 總 硬 度0.69~4.95 °dH，礦化度 0.026~0.102 g/L。奧陶系上統變質粉砂巖、砂質板巖和寒武系中統變質砂巖、板巖含水層水量貪乏，面裂隙率為0.54%，泉流量一般為0.014~0.080L/s，徑流模數0.476L/（s·km2），HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg 型水，pH5.6~6.6，礦化度 0.033~0.044 g/L。

（3）碳酸巖裂隙巖溶水，含水層為寒武系上統深灰色中至厚層灰巖、泥質灰巖、砂質條帶板巖。面裂隙率為0.12%，溶洞，地下河不發育。泉流量為0.405~10.267 L/s，鉆孔單位涌水量 19.633 m3/（d·m），徑流模數 1.979 L/（s·km2），HC03-Ca 型水，pH6.2~7.5，礦化度 0.098~0.178 g/L。

1.2.2 含水巖組及富水性

區內共劃分4組含水巖組。

（1）水量貧乏的中等的松散堆積層孔隙水含水層，主要分布于資水及其支流兩岸地段。由第四系松散物形成，含水巖性為坡積相、沖積相、河流漫灘相等的砂、礫石層組成，厚度變化較大，為1~35 m。

（2）水量中等的碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水層，為寒武系上統深灰色中至厚層灰巖、泥質灰巖、砂質條帶板巖。

（3）水量貧乏的中等淺變質巖裂隙水含水層，分布面積較大，含水層由震旦系上統安化群南沱組灰黑色含礫砂巖、震旦系上統安化群金家洞組炭質板巖、震旦系上統安化群留茶坡組硅質砂巖和板溪群五強溪組二段砂質板巖組成，其中板溪群五強溪組二段砂質板巖富水性貧乏。

（4）水量貧乏的碎屑巖裂隙水含水巖組，呈NE向展布，分布于勘查區中部，F4下盤地帶。含水巖組為寒武系下統小煙溪炭質頁巖黑色炭質頁巖，地表見泉水出露S002點、S003點，泉流量為 0.01~0.50 L/s。

1.2.3 地下水動態和補給、徑流、排泄條件

工作區屬亞熱帶季風性濕潤氣候。地下水的水位、流量、化學成分和水溫等隨季節變化明顯，區內地下水的補給、徑流、排泄受地形起伏及構造控制。工作區地貌屬低山丘陵區，地勢相對較高的山區為地下水的補給區，接受大氣降雨的補給，雨水滲入地下，受地勢控制，一部分由高往低徑流，匯集至山間溝谷地帶、相對平緩地帶，以河流形式排泄，另外一部分沿斷裂構造破碎帶，往下滲透補給地下水，形成深部構造裂隙水，部分經深循環后以泉水的形式排泄。

1.3 熱源及控熱因素分析

地球內部是一個龐大的熱庫，由內向外有源源不斷的熱流放出。區域性深大斷裂及派生斷層是地熱形成的主要通道，溝通深部（地幔或巖石圈）熱源，導流地幔熱流和地殼熱流。

根據F4、F5和F6斷裂地質構造背景及物探成果，結合水文地質調查情況及鉆孔測溫成果，發現工作區內無巖漿巖出露，地下熱水熱源主要為熱傳導加熱地下水深循環對流，即深達基底的F4、F6斷裂為地下水在深部循環對流提供有利場所，地下水在對流過程中通過熱傳導被加熱后，儲存在構造破碎帶及與其連通的裂隙中，成為地熱資源。

2 地熱田地熱地質條件

2.1 地熱田邊界條件

確定辰溪口地熱田邊界主要根據地下水溫度、地層結構和構造邊界3個條件。地熱田位于F4、F5和F6相互切割的破碎空間區塊一帶，呈楔塊形，長約為780 m，寬約為500 m，面積為0.226 km2。地熱田以F4和F6構造北西和南東向邊界，以寒武系小煙溪炭組頁巖、震旦系下統江口群南沱組砂巖與震旦系下統江口群觀音田組、鶴嶺組、板溪群五強溪板巖的分層界線為地熱田的上下邊界線，巖性主要為冰磧礫巖和砂質板巖。

2.2 熱儲特征

2.2.1 地球物理解譯熱儲特征

地球物理勘查主要采用的物探方法為高密度電法及可控源音頻大地電磁測深法，查明區內3條斷裂構造在深部的空間展布規律，其中北東向斷裂構造3條（F4、F5、F6），斷裂帶走向和產狀連續穩定。其中F4和F6構造含水性較好，為控熱導水斷裂，F5發育于淺部，為導水斷裂。平面解譯4處隱伏熱儲層（體），即RC01、RC02、RC0和RC04,均勻分布在斷裂帶F4與F6的上盤。這些異常體面積分別為 9 133 m2， 9 877 m2和 18 891 m2（圖2）。

圖2 物探測深S5號線解譯與鉆孔揭露對照圖Fig.2 Interpretation of deep line S5 and comparison of drill hole exposure

2.2.2 鉆探揭露熱儲特征

據測井資料可知，ZK01地熱井深部斷裂破碎帶（F4）附近的構造裂隙水水溫為46.5~53.4℃，ZK02地熱井斷層破碎帶（F6）水溫為30.7~38.2℃，均有明顯地熱異常。鉆探及測溫揭露熱儲地層：其中ZK01地熱井熱儲層厚度170 m，共分為4層；ZK02地熱井熱儲層厚度167.2 m，共分為4層（表2）。熱儲層主要為F4，F5和F6斷裂交匯錯斷后于震旦系巖層形成的張性、張扭性裂隙系統，熱儲層厚度為167.2~170.0 m。熱儲為構造裂隙發育—較發育的碎屑巖類，多隱伏，熱異常中心地段經鉆孔揭露，頂底板高程 420~1235 m。

表2 辰溪口地熱田多層熱儲統計表Table 2 Statistics of multi-layer thermal storage in Chenxikou geothermal field

2.3 地溫場

通過對工作區內泉水、民井和鉆孔等進行系統測溫，查明工作區內地溫場淺部特征，地熱異常點集中分布于北東東向F4斷裂帶與北北西向F5斷裂及北北東向F6斷裂交匯處（辰溪口一帶）。確定辰溪口地段F4，F5和F6構造交匯地段為地熱異常區，面積0.056 km2。

ZK01和ZK02孔溫度變化較大，各孔段表現不一，增溫段增溫率0.44~8.87 ℃/（100 m），局部發生增溫突變。按全孔考慮，不考慮溫度變化趨勢，地溫梯度平均約為2.09℃/（100 m），整體溫度平緩，略高于正常地溫梯度，水溫隨鉆孔深度增大而增大。

分別采用鉀鎂地熱溫標法、熱水中可溶二氧化硅濃度計算熱儲溫度，與地熱流體溫度對比，熱儲溫度為45℃。

2.4 地熱流體流場特征及動態

地熱流體循環深度采用公式如下：

H=（T-t）/K+h

式中：H為地熱流體循環深度；T為熱儲溫度，t為恒溫層溫度，取16.2℃；K為地熱梯度；h為恒溫層距地面厚度，取30 m。經計算，辰溪口地熱田地下熱水循環深度H為1587 m。

對辰溪口地熱田ZK01和ZK02地熱鉆孔進行了長期動態觀測，在1.5個水文年內通過對溫度、水量和水質監測，發現該地下熱水的水位、水溫動態變化較穩定。

2.5 地熱蓋層及通道

辰溪口地段ZK01和ZK02號孔鉆探顯示寒武系小煙溪組炭質頁巖是相對較好的隔水、隔熱地層。根據測溫資料來看，該地層（400 m以淺）地熱增溫梯度為0.44~0.71℃/（100 m），表明其透水、導水、導熱性均較差，是該區域的良好隔熱保溫層，有效地保持了地下熱能的散發。

鉆孔資料顯示，F5斷裂在淺部與F4斷裂交匯，起導水作用，F4和F6斷裂為張性構造，在震旦系巖層形成構造裂隙，為地下水的儲存提供了空間和運移通道。物探成果顯示，F4和F6斷裂為深大斷裂，切割較深，且延伸長度較長，為該區域地下熱水的主要補給運移通道（圖2）。

3 地熱流體化學特征

區內采取具有代表性的地熱流體（鉆孔、泉）樣品進行水質全分析和個別微量元素的分析。

3.1 地熱流體化學組分特征

通過物探解譯及鉆探驗證，發現ZK01和ZK02孔地熱流體受不同構造控制，地熱流體的水化學特征不同。ZK01孔地熱流體為HCO3-Na型，ZK02孔則為HCO3-Ca·Mg型。兩口地熱井偏硅酸平均值為19.73 mg/L；鍶平均值為0.32 mg/L，達到鍶礦泉水界限標準；總堿度平均值為 159.67 mg/L；總硬度平均值為 96.17 mg/L，為微硬地熱水；溶解性總固體平均值為198.17 mg/L，為低礦化度地熱水；pH平均值為7.83，為弱堿性地熱水。

3.2 地熱流體化學組分動態變化

取ZK01和ZK02孔豐水期（3月）、平水期（7月）和枯水期（12月）水樣進行分析，地熱流體水化學分析結果見表3。地熱流體中礦化度和主要化學組分濃度受大氣降水補給影響，在枯水季含量相對高，豐水季節相對低，但整體變化較小，礦化度和主要化學組分濃度變化均小于20%，基本不隨季節變化，說明地熱流體為深循環狀，動態基本穩定。

表3 地熱流體水化學分析結果表Table 3 Hydrochemical analysis results of geothermal fluids

3.3 氫氧同位素化學特征

ZK01地熱井δ(D)為 -50.0‰～ -50.1‰，δ（18O） 為 -8.7‰；ZK02地 熱 井δ（D） 為 -53.5‰~-53.6‰，δ（18O）為-9.0‰~-9.1‰。用地下熱水中δ（D）和δ（18O）的測試結果數據作圖，對比大氣降水線，地下熱水中的δ(D)和δ（18O）偏離大氣降水線（克雷格降水線）并偏向降水線的下方（圖3）。穩定同位素氘(D)與氧(18O)含量隨大氣降水滲入地下后經過長期徑流過程中溶濾巖層中的鹽類成分而增高，說明地下熱水的補給源為大氣降水。

圖3 辰溪口地段氫氧同位素散點圖Fig.3 Scatter map of hydrogen and oxygen isotopes in Chenxikou section

4 地熱田成因探討

“源、通、儲、蓋”是地熱形成四大條件。辰溪口地段及其周邊無巖漿巖出露，地幔熱流是辰溪地熱田主要的地熱源，構造活化釋放的熱流是該地熱田形成的附加熱流；地熱田及周圍區域性深大斷裂和其派生斷層的存在，如F5構造在淺部與F4、F6構造交匯，起導水導熱作用。中部震旦系地層(420~1235m)受陡傾構造F4和F6切割影響，巖石節理裂隙較發育，形成張性、張扭性構造裂隙，是地熱形成的主要通道和儲存空間，它們溝通和導流地幔熱流；該地熱田主要熱儲層為震旦系砂巖、冷家溪群板巖地層；隔水隔熱的寒武系小煙溪組頁巖（420 m以淺）構成蓋層（圖4）。

圖4 地下熱水形成示意圖Fig.4 Schematic diagram of formation of underground hot water

平面上呈“人”字形組合的F4和F6深大斷裂及北西向的F5可以傳導地殼熱能和地幔軟流圈上涌熱能，疊加斷裂帶機械運動產生穩滑（蠕動）熱能，形成線狀熱流帶，斷裂帶傳導熱流帶不斷向上釋放，與含水層（帶）的冷水發生熱量交換，形成對流，從而使冷水加熱變為溫、熱水儲存在熱儲層（帶）中，得到了蓋層的隔熱隔水保護。這些因素疊加形成了地熱系統，是形成熱田的根本原因。

該區地熱生成條件和地球化學環境等顯示，辰溪地熱田屬典型的低溫對流型地熱系統。

5 結論

（1）辰溪口地熱田與特定的地質條件相關，反映了地熱地質背景的專屬性。地幔熱流是主要熱源，F4和F6斷裂帶穩滑（蠕動）產生的機械能是地熱田的附加熱源；深大斷裂及其派生斷層是地熱形成的主要通道；震旦系砂巖、冷家溪群板巖地層是地熱田的主要熱儲層，其分布決定地熱田的范圍和展布。地熱產出特征鮮明，辰溪口地熱田是熱源、通道、熱儲層、蓋層所組成的地熱系統時空有效配置的產物。

（2）辰溪口地熱田地熱流體屬溫熱水、淡水、富鍶偏硅酸水，其地熱流體無色、透明、無味；pH為7.66~7.99，呈弱堿性；礦化度為166~228 mg/L， 總 硬 度 為 54~139 mg/L， 屬 低礦化弱堿性微硬水；水化學類型為HCO3-Na、HCO3-Ca·Mg 型。

（3）辰溪口地熱田具有交通方便、水量豐富、溫度適宜等特點，適宜在理療洗浴、醫療保健、休閑度假、溫池游泳、溫室種植、溫泉養殖和供熱取暖等方面進行開發利用，適合小型規模開采。地熱資源的開發，社會效益突出，經濟效益顯著。