湖北省兴山县石门地热田地热资源初探

雷深涵，郭 峰，华 骐，夏俊宝

(1．湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034;2．湖北省兴山县国土资源局，湖北兴山 443700)

1 概述

2012年，湖北省地质环境总站对石门地热田进行钻探、物探，结合野外地热地质测量，基本查明了石门地热田的热储层、盖层，建立了热储模型，在此基础上，对地热的形成进行了初步的探讨和研究，并根据抽水试验结果，计算出石门地热田的储量和可开采量。

石门地热田的开发，将会提升鄂西生态文化旅游圈的旅游品位，对当地的经济发展亦会起到明显的推动作用。

2 地质环境条件

2．1 地理概况

兴山县南阳镇石门地热田位于香溪河上游、南阳镇北西约2．50 km，神(神农架)—宜(宜昌)生态文化旅游公路旁、香溪河右岸。行政区划属宜昌市兴山县南阳镇石门村管辖，交通极为便利。

2．2 地形地貌

兴山县南阳镇地处大巴山及巫山余脉，地貌类型属构造侵蚀溶蚀中山区。区内海拔高208～1 158 m，相对高差950 m。地势总体上呈南东高北西低。由于河流强烈下切，香溪河流迳区两岸大部分形成陡峭的峡谷地貌。

石门地热热水揭露点处于香溪河床较平坦部位，宽40～50 m，高程208 m，两岸山高陡峻，山顶高程530．5～1 158 m，相对高差322～950 m。山体总体呈上陡下缓折线形，上部坡度50°～90°，下部坡度20°～50°。

2．3 地层岩性

勘查区及外围出露的地层岩性主要为滨海—浅海相碳酸盐岩和碎屑岩，自下而上主要为寒武系下统天河板与石龙洞组、中统覃家庙组及上统娄山关组;以及奥陶系下统南津关—牯牛潭组、中统—上统庙坡组与宝塔组。而志留系下统龙马溪—罗惹坪组和中统纱帽组仅在南阳镇及东面和勘查区东北面的王家壋向斜轴部出露［1，2］。第四系则沿河床及两侧山坡底部和凹地局部分布(见表1)。

2．4 地质构造

兴山地处秦岭大巴山区，为大巴山余脉与巫山余脉交汇处。石门地热田处于扬子准地台上扬子台坪、神农架穹窿与黄陵穹窿之间由古生界寒武系与奥陶系碳酸盐岩为主的分布区内，南与秭归向斜毗邻。本区一带的构造线以NE方向为主，次为NW和NNW向，以及NEE—近EW向。受NE向的南阳断层和同为NE向的湘坪断层影响，勘查区内地质构造复杂(见图1)。根据区域地质资料、地热地质测量及地球物理勘探成果，区内主要发育13条断裂，其特征见表2。

第四纪以来，以神农架穹窿为中心呈大面积间歇性拱曲隆起，部份断裂有继承性活动。近期的隆起中心移向香溪—宜昌间的西陵峡内。地壳隆起、断裂活动和河流下切，造就了本区的构造侵蚀地貌，常见“V”型峡谷、谷中谷或“V”型断裂谷，以及侵蚀三角面等地貌形态。受新华断裂和板庙断裂活动影响，近年时有地震发生。

图1 区域地质构造略图Fig.1 Sketch map of regional geology1．逆断层;2．正断层;3．断层编号;4．温泉出露点及温度;5．水系及名称。

3 地热资源地质条件及成因分析

3．1 热储特征及其埋藏条件

南阳地热资源的热储层分布在新华断裂带上，该断裂走向 N20°E，倾 NW，倾角 50°～70°，北部则近于直立，长度＞54 km，水平断距达16～20 km，切割深度超过2 000 m。断裂带地层岩性以寒武系白云岩为主，断裂破碎带表层宽度100～200 m，岩石挤压破碎，碎裂岩和片状破碎岩发育，为地热流体的埋藏提供了良好的空间。

新华断裂主干断裂两侧平行发育了一系列次级羽状断裂，该断裂早期为压性兼反扭，后期具扭性兼张性特征，为地热流体的迳流提供了较好的通道。

寒武系中统覃家庙组白云岩为主要热储层，断层为地热流体流通通道。

3．2 热储层

石门地热田的热储层分布在勘查区及距勘查区15～50 km的新华断裂带上，该断裂走向 N20°E，倾NW，倾角50°～70°，北部则近于直立，长度 ＞54 km，水平断距达16～20 km，切割深度超过2 000 m。热储地层以寒武系白云岩为主，分布在志留系和奥陶系下部。新华断裂破碎带表层宽度100～200 m，岩石挤压破碎，碎裂岩和片状破碎岩发育，为地热流体的储藏提供了良好的空间。

3．3 热储盖层

据本次地热地质测量、物探和钻探成果，初步分析南阳地热为构造活动形成，地热流体盖层分为两层，第一层为志留系下统罗惹坪组粉砂岩、页岩，为局部盖层，主要分布于勘查区NE侧，距地热出露点约2 km，其分布面积不大，对地热流体的保温作用较小;第二层为寒武系中统覃家庙组炭质页岩，厚100余米，分布于整个勘查区，并延伸至新华断裂带，对地热流体起到了较好的保温作用。

表1 地层岩性特征表Table 1 Feature table of formation lithology

表2 主要断裂特征一览表Table 2 Schedule of main fracture characteristics

3．4 导热导水构造

南阳地热资源的地热流体分布、储存和排泄，均受断裂构造的严格控制。

3．4．1 导热阻水断裂

区内发育的F4断裂(压扭性断裂)是区内具代表性的主干断裂，其切割较深，延伸较远，具一定规模，控制了寒武系覃家庙组、天河板组娄山关组的接触边界，破碎带宽0．5～3．0 m，所形成的构造岩(碎裂岩)胶结好，透水性差，起到一定隔水作用，在碳酸盐岩中迳流的地下热水，至断裂带附近流速减缓，或呈停滞状态，其热流又沿破碎带或张性断裂(或裂隙)向上进一步传导扩散，F4断裂是南阳地热田的控热构造。

3．4．2 导热导水断裂

F3断裂走向 N22°E，倾 NW，倾角 70°～80°，为张性断裂，破碎带宽几米至几十米，断层带由构造角砾岩组成，断层两盘岩石揉皱、破劈理极发育，两盘基岩为寒武系覃家庙组白云岩，此断层所处大部分地段地层均为寒武系覃家庙组的岩层，含页岩、石英砂岩较多。在泉点揭露附近见明显阶状擦痕，裂隙面多见方解石结晶，局部有水蚀痕迹，由此可以推断，此断裂是地下水活动的良好通道。

3．5 热源

新华断裂为深大断裂，地下水沿新华断裂运移，经深循环加热后，在石门附近富集，形成地热(见图2)。

3．6 地热田的形成

南阳地热的形成是特定地质条件的产物:

新华断裂延伸长54 km以上，切深达2 000 m，切割了寒武、奥陶、志留系地层，断裂在新华乡以东呈多条分支，F3、F13就是分支中的两支，F3断层切割深度大、延伸远，为地下热水的向上运移提供了良好的通道;F13倾向不明，但根据物探资料推断，为地热运移通道。

地热露头区为寒武系白云岩，其上部为志留系—奥陶系地层，在地温场区形成向斜，显然有利于热水资源的储集。

在新华断裂NW侧大面积分布寒武系—奥陶系碳酸盐岩，大气降水通过该含水岩组入渗到地下深部，逐渐向地势相对较低的SE部运移，遇活动性断裂—新华断裂的影响，地下水加热成为地热流体，沿地层层面和地势低洼处迳流;香溪河在为南阳地热田最大的河流，受香溪河的侵蚀切割，其河床即为当地最低侵蚀基准面，并切割了寒武系白云岩，这为温泉的露头提供了非常有利的地形条件。

图2 地热模型示意图Fig.2 Schematic diagram of geothermic model1．温泉;2．地热流体流向;3．志留系罗惹坪组;4．志留系龙马溪组;5．奥陶系临湘组;6．奥陶系宝塔组;7．奥陶系南津关组;8．娄山关组;9．寒武系覃家庙组;10．寒武系天河板组;11．寒武系石龙洞组;12．断层及编号;13．白云岩;14．灰岩;15．页岩;16．炭质页岩;17．岩层产状;18．岩层界线。

4 地热资源储量计算

4．1 边界条件

根据取得的地质资料分析:地热流体平面上分布于F3、F4、F13三条断层控制所形成的一个封闭空间，地热流体温度在钻孔内随着深度的增加而增加的度数＜4℃，结合3个钻孔岩芯分析，93．6～96．4 m 以下为炭质页岩，分布较宽广，厚度 81．31 ～87．60 m，分布均匀，岩性透水性较差，为热储盖层。

根据二氧化硅地热温标估算的热储温度来计算该地热田热储埋深，南阳地热田的热储埋深约在2 357．27 m，此深度可视为地热循环径流深度最大可达2 357．27 m，该结果可视为地热流体的垂向分布深度。

4．2 热储温度及可采量

根据二氧化硅温标和Na-K地热温标计算，南阳地热田热储温度为71～92．63℃。

采用二氧化硅温标计算，其计算公式为:

式中:C——地下热水中可溶性SiO2含量，单位mg/L。

C=24．2 mg/L

因此本地热田热储温度在71℃左右。从温泉热水流出温度及钻孔测温都能基本反映该热储情况，71℃是合理的。

采用Na-K地热温标计算，其公式为:

式中:C4——水中钠的浓度(mg/L);C2——水中钾的浓度(mg/L)。

鉴于Na-K地热温标是基于钠长石和钾长石在一定温度条件下达到平衡而建立的，即在具备钠、钾长石平衡的天然水中，Na、K的含量比值是温度的函数，这一比值不受以后温度降低的影响到且不受降水稀释或内部浓缩的影响，因此采用此法较为合适。

4．3 热储埋深(循环迳流深度)的估算

根据前述该地热田地热梯度，多年平均大气温度、常温带深度及用二氧化硅地热温标估算的热储温度，来估算该地热田热储埋深。

计算公式为下:

式中:Z——热储埋深(m);T——热储温度(℃)，据前述92．63℃;G——地热梯度(℃ /100 m)，该地热田热水的形成是地下水深循环的结果，地热梯度按3．3℃/100 m(正常梯度增温)考虑;To——多年平均气温(℃)，据县志取15．5℃;Zo——常温带平均深度(m)，20 m计。

通过计算，该地热田的热储埋深约在2357．27 m，此深度可视为地热循环径流深度最大可达2 357．27 m，是深部热流体上升途中与下渗冷水相混合，并与岩石中矿物达到化学平衡时的最大深度。

4．4 地热资源量计算结果［3］

利用热储法计算的地热资源量为2．95×1011Kcal。利用体积法计算的地热流体储量为3．48×105m3。

可开采量的计算根据单井抽水试验所获得的资料，用干扰井群稳定流承压完整井群涌水量公式进行计算。

按照以下公式计算(《水文地质手册》):

可开采量的计算采用干扰井群计算及回收率法，计算结果见表3。

表3 可开采量计算成果一览表Table 3 Schedule of calculation result of expleitable yield

由表3可知，用干扰井群计算时，地热流体为1 953 m3/d，所获得的热量为 4．98 ×107Kcal/d，折合煤量28．95 t/d，折合发电量为0．241 241×104kW·h;

采用回收率法、采用0．20采收率，低温地热田服务年限为100年，每天所获得的热量为为3．3×107Kcal/d，折合煤量21．57 t/d，折合发电量为0．195 88 ×104kW·h。

可以看出，二者计算结果比较相差较大。

因为干扰井群计算法是根据试验成果计算得出，而回收率法是推断而来，相对而言，干扰井群的成果更为可靠，因此，石门地热田的可开采量采用干扰井群计算得到的结果，即 4．98 ×107Kcal/d［5］。

地热田的规模:根据《地热资源评价方法》，地热田划分为大、中、小三种类型。其划分方法是将有效利用资源量折算成发电量，然后按发电量大小划分(表4)。

南阳地热流体温度为41℃，有效利用资源量折算成发电量为0．241 241×104kW·h;(最大值)，根据表4的判别标准，该地热田属小型地热田。

为保护地热资源以及有效的开发利用地热资源，在勘查深度范围内不宜增设新的地热开采井。为保证地热井的有效利用，应定期对地热井进行监测及淘洗井工作。

表4 地热田规模划分Table 4 Scale division of geothermal field

4．5 地热资源开采对地质环境的影响分析

根据本次勘察认为石门地热田热储盖层主要为寒武系中统覃家庙组中厚层状白云质灰岩、炭质页岩，厚100余米，开发利用地热资源不会对地下水及地表水造成影响，也不会造成地面塌陷等地质灾害;但在运用过程中所产生的污水则有可能对香溪河下游的水环境造成一定影响，在开发利用中应建立污水处理系统。尽量减少对环境的影响。

5 结论

石门地热田的形成与新华断裂和断层构造关系密切，地热田位于新华断裂东南端。新华断裂及其次生断裂是石门地热田的导热、导水构造。

石门地热田地热流体温度为41℃，属低温地热资源。地热流体水化学类型为弱碱性氯化钠型水或Cl、HCO3－Na、Ca型中低温矿化水，地热流体中含有多种微量元素及组份，如氟、硅、锂、锶、偏硅酸等。地热流体中氟含量达到了医疗矿水浓度，医疗、洗浴、温室、养殖、土壤加温等。

石门地热田可开采量为1 953 m3/d;所获得的热量为4．98 ×107Kcal/d，折合煤量 28．95 t/d，折合发电量为0．24 ×104kW·h;资源量为 2．95 ×1011Kcal，地热流体储量为3．48×105m3;石门地热田为小型地热田。根据水样分析成果评价，石门地热田地热流体可作为理疗热矿水，可用于取暖。

致谢:本次论文撰写中得到了湖北省地矿局程伯禹、迟景砚及湖北省地质环境总站戴朝铭、陈海洋、桂承新、田正国、楚德亮等专家的指导，在此一并致谢。

［1］ 林坚．湖北省兴山县南阳镇地热田地热资源地质踏勘报告［R］．武汉:湖北省地质环境总站，2010．

［2］ 雷深涵，林坚，郭峰．湖北省兴山县南阳镇地热田地热资源勘查设计［R］．武汉:湖北省地质环境总结，2010．

［3］ 刘正峰．水文地质手册［M］．北京:地质出版社，1978．

［4］ GB/T 11615－2010，地热资源地质勘查规范［S］．

［5］ 雷深涵，等．湖北省兴山县南阳镇石门地热田地热资源预可行性勘查报告［R］．武汉:湖北省地质环境总站，2012．