湖北省京山县汤堰畈地热成因分析

叶腾升，王 辛，何 春

(湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

地热是重要的资源和能源之一，它具有广泛、洁净、可直接利用等优点［1］，开发利用地热资源不仅是中国能源战略的要求，也是环境保护的需要［2］。进入21世纪以来，湖北省掀起了新一轮的地热开发热潮，正逐步形成一个新兴的地热产业［3］。随着京山县温泉旅游产业的不断发展，目前京山县汤堰畈地热田地热流体可开采量已不能满足当前的市场发展对地热资源日益增长的需求。在前人对地热田勘查工作的基础上，本文系统分析了汤堰畈地热田地热特征及成因，为后期地热资源的合理开发利用提供基础地质依据。

1 地质环境概况

1．1 自然地理

汤堰畈温泉地处大洪山南麓，江汉平原北端，湖北省荆门市京山县城郊，交通便利。工作区属丘陵区，总体地势北高南低，山体呈NW向线性展布。该区为北亚热带季风气候，年平均气温16．4℃，多年平均降水量1 083．6 mm，降雨集中在夏季。区内主要水系为京山河，从北西方向流入，绕地热田南西面向东南方向流出，区内长度约6．5 km，流量2～3 m3/s，河面高程约44 m，随季节及降雨涨落，河面较宽缓，两侧发育有两级阶地。汤堰畈温泉水清澈透明，水温 55．5～60．5℃，属低温中性硫酸钙型弱放射性氟水、硅水，有较高的医疗价值。

1．2 地层岩性

工作区地层出露较全，除个别地层缺失外，从古生代—新生代地层均有分布。寒武系:天河板组—石龙洞组(∈1t-sl)白云岩;覃家庙组(∈2qn)上部为含泥质粉砂岩，下部为泥质白云岩;三游洞组(∈3sh)白云岩。奥陶系:南津关组(O1n)白云质灰岩;红花园组(O1h)灰岩夹薄层泥质页岩;大湾组(O1d)灰岩夹黄绿色泥页岩;牯牛潭组(O2g)含泥质生物灰岩夹泥质条带;宝塔组(O2b)泥灰岩;临湘组(O3l)页岩夹泥灰岩;五峰组(O3w)硅质岩。志留系:龙马溪组(S1l)页岩;罗惹坪组(S1lr)砂质页岩夹薄层泥质粉砂岩;纱帽组(S2sh)泥质粉砂岩夹粉砂质页岩。泥盆系:云台观组(D2y)石英砂岩。石炭系:黄龙群(C2hn)厚层块状结晶灰岩。区内第四系按成因分为冲积层(Qal4)和残坡积层(Qedl)，冲积层(Qal4)为粉质粘土、砂砾石;残坡积层(Qedl)为粘土、粉质粘土。

1．3 地质构造

汤堰畈温泉位于三元口—七宝山褶皱带与杨集—天王断裂带的交接带，二者之间存在古老的NW向基底断裂，工作区构造背景如图1所示。与地热田温泉关系较为密切的构造为惠亭山背斜(Ⅰ)、京山断裂(①)、汤堰畈断裂(②)。

惠亭山背斜(Ⅰ):走向NW，长约12 km，核部为震旦系灯影组;南西翼依次有寒武—奥陶系地层分布，倾角70°;北东翼被京山断裂破坏。背斜南东端在汤堰畈附近倾伏，北西端倾伏后，在其NW方向侧列着寒武系、奥陶系组成的小背斜。

图1 汤堰畈地热田区域构造纲要图Fig．1 Regional structure outline map of Tangyanfan geothermal field

京山断裂(①):走向NW，倾向NE，倾角较陡，可见长度约8 km，属压性断裂。断裂北东侧为志留系，南西侧为震旦—奥陶系地层，局部可见挤压破碎带，宽50 m。断裂北侧志留系页岩强烈揉皱，劈理化，所夹砂岩呈现透镜状;寒武系白云岩压碎褶皱，断裂附近，原岩结构已破坏。

汤堰畈断裂(②):走向NE，倾向SE，与京山断裂直交，断裂规模较小，长3 km，沿断裂带岩石破碎，破碎带内为石英砂岩碎块及粘土充填，两侧岩体节理裂隙极发育，断层两盘可见阶步及细小的擦痕，属张扭性断裂。

1．4 水文地质

工作区地下水按其赋存条件和含水介质的空隙特征可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩类裂隙水三类。

松散岩类孔隙水分布于工作区西北部，全新统砂砾石含水层厚约3～5 m，地下水位随季节变化明显，单井涌水量100～500 m3/d。

碎屑岩类裂隙水含水岩组由奥陶系中统、上统，志留系中统，泥盆系组成，岩性主要为泥质灰岩、硅质页岩、泥质粉砂岩、粉砂质页岩、石英砂岩等，为层间裂隙水，水量贫乏。基岩类相对隔水层主要由奥陶系、志留系、二叠系组成，岩性主要为页岩、泥质瘤状灰岩、硅质岩、炭质页岩、硅质页岩。

碳酸盐岩类裂隙岩溶水包括两大类含水岩组:①石炭—三叠系碳酸盐岩含水岩组，地下水赋存于裂隙岩溶中，泉流量50～150 m3/d，地下水主要接受大气降水补给，由北西向南东径流。②寒武—奥陶系碳酸盐岩含水岩组，分布于惠亭山背斜东南倾伏端，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、白云岩，深部岩溶发育，垂直变化规律性强，是区内地热流体的主要贮集层，单井涌水量＞1 000 m3/d。地下水主要接受大气降水补给，由北西向南东径流(图2)。

2 地热赋存特征

2．1 地热田边界

地热田边界由热储层温度、埋深、构造及含水层的自然边界等多因素综合确定。地球物理勘探中剖面上电阻率的差异能够反映水文地质条件特征;钻孔测温资料反映了钻孔控制的温度场的变化。通过野外地热地质调查以及上述技术手段的综合应用分析，确定了地热田的北界、西界、南西界、南东界等4条边界。地热田大致呈近东西向带状展布，东西长约1 800 m，南北宽约890 m，地热田面积为1．317 km2。

2．2 热储特征及其埋藏条件

汤堰畈地热田的基本地质结构比较单一，如图3所示，从上至下可分为三个主要层次:①第四系沉积物;②志留系—奥陶系的泥质页岩、炭质页岩和灰质泥岩等;③下奥陶统—寒武系的灰岩和灰质白云岩。

汤堰畈地热田地热流体主要赋存于奥陶下统—寒武系上统碳酸盐岩地层中。地热田北东部该层隐伏于第四系松散堆积层之下，松散堆积层厚约9．0～15．0 m，在地热田北东、南西、南东方向该层埋藏于奥陶系中上统、志留系页岩、砂质页岩等相对隔水层之下，埋深约30～238 m，向北东、南西以及南东埋深逐渐加大。地层岩体受构造影响，溶蚀裂隙较发育，地热流体主要赋存于岩体发育断层破碎带及岩溶发育带。钻探资料表明，在钻探深度范围(300～800 m)内发育多个裂隙岩溶带，岩溶遇见率达100%，岩溶有效空隙率0．327% ～0．511%，钻孔见溶洞率为25%，单孔溶洞率4．9% ～16．5%;平面上，越往南东向岩溶发育较深，北东向靠近京山断裂附近岩溶不发育。热储层富水性强，渗透性中等，据钻孔降压试验资料，渗透系数为2．19 ～4．17 m/d，导水系数为 232．00 ～423．78 m2/d。

图2 综合地质图Fig．2 Map of comprehensive geology

图3 地热田剖面图Fig．3 Profile of geothermal field

汤堰畈地热田热储层盖层主要为奥陶系、志留系的页岩、粉砂质页岩、炭质页岩等，该地层泥质含量高，属相对隔水层，具有保温隔热作用，钻孔揭露热储盖层厚度约30～238 m。地热田北部JR2号井及其北部盖层为角砾岩，厚度约40 m;地热田东北部寒武系碳酸盐岩热储层之上覆盖第四系松散堆积层，厚约9．0～15．0 m，隔热作用不明显。整体上，热储盖层表现出向南东、南西方向逐渐加厚的趋势。

2．3 地温特征

地热流体的分布严格受断裂构造控制，各向异性特征明显［4］。浅层平面地温场总体上呈北西—南东向展布，与地热田NW向次级断层延伸方向一致，在地热田北西部，测温曲线向北东、南西两个方向突出，与NE向断层导水作用有关。深层平面地温场通过钻孔测温数据获取，不同高程的平面地温等值线表明深层地温场特征基本与浅层相一致，同时NE向断裂对地温场也具有一定的影响(图4、图5)。

钻孔测温资料表明，盖层中的平均增温率约为15．96℃/100 m，热储层中的平均增温率为1．49℃/100 m盖层中地温梯度明显高于热储层，这是由于热储层中的碳酸盐岩地层热导率大于盖层中的泥质岩类地层;同时，热储盖层中的热传递方式以热传导为主，而热储层则以热对流为主，地温梯度骤降。另外地温梯度随导热构造呈相间分布，即构造内地温增温率高，其余部位相对低。

图4 2 m浅层测温等值线图Fig．4 Contour map of shallow layer therometry at 2 m

2．4 地热水水化学特征

地热流体的化学成分是在长期的地质发展过程中形成的，与岩性、地质构造以及水动力条件和热动力条件的变化有密切的联系。汤堰畈地热田地热流体pH值6．9 ～7．92，溶解性总固体1 229 ～1 432．8 mg/L，总硬度 869．62 ～893．69 mg/L，为中性低矿化极硬水，水化学类型为SO4—Ca型，与地下冷水及地表水水化学类型差异较大。分析地热水与其他水成分的差异，二氧化硅、氟离子、硫酸根离子可作为汤堰畈地热田的标性元素。地热流体中含有多种微量元素，除常见的铁、锰、氟外，还有多种对人体有益的锶、锂、碘等元素。氟、硅含量均达到理疗热矿水水质标准，矿化度满足有医疗价值浓度标准。

图5 -250 m高程钻孔温度等值线图Fig．5 Contour map of borebole temperature at-250 m

3 地热成因分析

地热田的形成主要包括以下几个方面的因素:地热储存介质(热储层)、丰富的地下水、畅通的导热通道、强大而稳定的地下热源、封闭性能良好的盖层［5］。下文从地热水的补给来源、热量来源、径流条件等方面分析汤堰畈地热田的起源及成因。

3．1 地热水的补给来源

常规水化学分析资料表明，地下热水与地表水(京山河、溪水)水化学类型差异明显，说明汤堰畈地热水与地表水连通性差。同位素化学分析方面，由于氘有敏感的高程和纬度效应，在运移过程中又不受热储岩性和温度的影响，因而是理想地反映地下水运动的天然示踪剂［6］。区内地热流体同位素水样点集中在全球降水线之左上侧，且靠近全球降水线，表明地热流体来源于大气降水;大气降水同位素组成的点集中在全球降水线之右上侧。1954年以前全球大气降水的氚平均含量为5～10 TU，工作区大气降水氚的含量为11．00 TU，地热流体中氚的含量变化较大，为2．74～16．13 TU。根据氚的半衰期估算，JR5、JR6号井地热流体的补给时间在1954年以前，地下水循环年龄＞50年;JR7、8号井地热流体的补给时间在1954年后，热水中含有少量热核试验生成的氚［7］，其形成时间在上世纪60年代初期，地下水循环年龄约40多年。因此地热流体是由不同时段的大气降水补给形成，径流时间约40—60年。

根据大气降水δD和δ18O的高程效应，使用经验公式确定地热流体的同位素入渗高程，汤堰畈地热流体的补给高程D值计算为1 369 m;18O值计算为841 m，因此，汤堰畈地热流体的补给高程应在800 m以上。结合区域地质环境条件分析，地热流体的补给区位于地热田西北大洪山区(图6)。

3．2 地热水的径流条件

汤堰畈地热田不同高程的平面地温等值线特征反映，地热田的形成与地质构造关系十分密切［8］，其地温场明显受NW向次级断层控制，NE向构造多为小型浅层构造，它对局部地温场具有一定的影响。

地热流体主要由地热田西北大洪山区大气降雨进行远源补给。大洪山区属中低山区，出露地层为奥陶系—震旦系碳酸盐岩，受淮阳山字型构造影响，地层中发育一系列NW向褶皱、断裂，大气降水通过碳酸盐岩裂隙岩溶入渗形成地下水，经深部热源加热后，在汤堰畈附近受北东向的汤堰畈断裂及其次级断裂切割形成的导水储水空间处汇聚，继而上升运移，在惠亭山背斜东南倾伏端循NE向断裂出露地表。

图6 汤堰畈地热田地热流体、雨水δD—δ18O分布图Fig．5 δD—δ18O distribution map of geothermal fluid and rainwater of Tangyanfan geothemal field

地热田位于惠亭山背斜东南倾伏端，惠亭山背斜南西为完整的一翼，出露地层主要为志留系—寒武系，北东翼受京山断裂切割，寒武系地层与志留系地层直接接触，受断裂影响，碳酸盐岩裂隙岩溶发育，主要受北西向断裂控制，形成多个北西向的含水带，含水带之间由于北东向断裂影响，相互具有一定的水力联系，因此整个汤堰畈地热田裂隙岩溶系统受北东和北西向断裂影响，形成网状格架。

3．3 地热水的热源分析

根据地热形成的地质构造条件和赋存特征，可将其划分为两种基本成因类型:断裂深循环型地热和沉降盆地埋藏增温型地热，汤堰畈地热属于前者［9］。

根据地热流体水化学特征，采用Na—K温标、K—Mg温标和SiO2温标，计算得到热储温度为105．58℃。据钻孔测温资料，钻探进入热储后的稳定增温段地热梯度为0．013 7～0．016 227 ℃/100 m，常温带埋深约20 m。综合地热田地热增温率、常温带埋深及当地年平均气温和热储温度等参数进行计算，汤堰畈地热田热水径流深度最大可达3 895 m，表明地热田热动力平衡深度约为3 895 m。

地热流体由位于地热田西北大洪山区大气降水远源补给(图7)。地下水进行深部径流，径流区具有较好的盖层隔热，地下水在径流过程中吸收围岩热量形成温度较高的地热流体，高温、高压水(汽)沿断裂径流，在汤堰畈附近富集，形成地热田，即正常增温型［10］，热传递形式以热对流为主。

图7 汤堰畈地热田地热模式示意图Fig．7 Schematic diagram of geothemal mode of Tangyanfan geothemal field

4 结论

湖北省京山县汤堰畈地热田呈近东西向带状展布，面积约1．317 km2。地热流体赋存于奥陶系下统—寒武系上统碳酸盐岩地层断层破碎带及岩溶发育带中，岩性主要为白云岩、灰岩、硅质白云岩，奥陶系及志留系的页岩、粉砂质页岩、炭质页岩构成地热田的盖层。

平面地温等值线反映地热田温度场主要受京山断裂的NW向次级断层控制。地热水水化学类型为SO4—Ca型，与地下冷水及地表水水化学类型差异较大，热水中含有多种对人体有益的锶、锂、碘等微量元素，具有较好的医疗价值。

地热流体由不同时段的大气降水补给形成，地下水循环年龄约40—60年。其补给高程在800 m以上，结合区域地质环境条件分析，地热流体的补给区主要位于地热田西北部的大洪山区。

大洪山区出露地层为奥陶系—震旦系碳酸盐岩，发育一系列NW向褶皱、断裂，大气降水通过断裂及碳酸盐岩裂隙管道入渗补给地下水，地下水径流深度最大可达3 895 m，经深部热源加热后，在汤堰畈附近断裂切割形成的导水储水空间处汇聚，继而上升运移，以温泉形式出露地表。热源主要为地下水沿区域褶皱进行深循环获取的自然地热增温，以热对流为主要热传递形式，NW、NE向断裂控制了地热流体的分布与出露。

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