福建省永春洑江地热单元形成机理及资源利用前景分析

陈文林

(福建省197地质大队，福建 泉州 362000)



福建省永春洑江地热单元形成机理及资源利用前景分析

陈文林

(福建省197地质大队，福建 泉州 362000)

基于野外调查工作的基础上，文章通过对永春洑江地热单元地热地质条件的分析，认为地热水主要受北东向和北西向断裂构造控制，在断裂带复合处的楔形区内出露温泉，形成火山热-对流热混合型热水系统，其复合部位的楔形区是今后找水的主要靶区；该单元地热水资源较丰富，热水井口温度54.5℃～63.0℃，日可开采热量qc为1.866×108KJ/d,日可开采水量QW为1 087 m3/d。地热资源丰富，开发利用前景看好。

洑江；地热；机理；资源；分析

图1　永春县地热点分布示意图

地热能作为一种可再生、对环境危害较少的新能源，在其勘探开发和综合利用等方面有着广阔的市场需求和发展空间[1][2]。近几年来，地热资源的开发利用，从质到量上都取得了长足的进展。就福建省来说，特别是福州、漳州两市先行对地热的开发利用，已取得了明显成效，继而有安溪、德化两县开发了地热水，也取得了一定的经济效益。但在开发利用的同时，也出现了许多问题，比如温泉水位下降、自然露头的消失等[3][4]。

究其原因，主要是对地热开发利用的前期工作做得还不够，缺乏科学、全面的技术经济论证，而如何研究地热资源的赋存情况，进行合理布井取水是亟待解决难题的关键[5][6]。永春县地热田有温泉天然露头9处，人工揭露井7处。热田东起桃城、吾峰，西至洋头洑江、蓬壶，大致呈平行四边形，总面积约112.5 km2，分成不连续的6个热田小单元[7](图1)。本文以永春县洑江地热单元为例，研究其形成机理及开发利用前景[8-15]。

1　洑江单元地热地质条件

构成热田内部地热异常的因素很多，主要受地层的传导，载热流体的对流所控制。(图2)

1.1热储层

在分析研究以永春县城为中心的盆地周围地质构造时，发现区域内主要为侵入岩体，分布面积约占90%以上，以燕山晚期的岩体为主，为花岗闪长岩。由于花岗闪长岩的广泛侵入，其放射性元素衰变产生的热量，从而构成一个热源整体。根据永春县9个温泉点的水质样分析结果，热储指示温标SiO2(玉髓)含量都相对较高，蓬壶、洑江、桃城、五里街华岩、五里街高垅、吾峰，它们的SiO2含量分别为95.0 mg/L、56.0 mg/L、55.0 mg/L、70 mg/L、60 mg/L和60 mg/L，说明地下水在循环过程中受花岗岩体的热传导较为强烈，携带岩体中的热能，形成含SiO2的热地下水资源，所以说燕山晚期第一阶段第一次侵入的花岗闪长岩(γδ53(1)a)，即五里街—蓬壶岩体为永春县热田的热储层。

图2　永春洑江地热单元水文地质图

1.2热储含水层

洑江单元热储含水层主要为第四系冲洪积孔隙类含水层、侏罗系上统南园组弱裂隙含水层、岩浆岩裂隙含水层。

1.2.1松散岩类孔隙含水层

该含水层岩性由粗砂、砾、卵石、亚粘土组成，沉积物下粗上细，厚度不等，一般在0～18 m之间，沿洑江两岸条带状分布。地下水主要赋存于第四系冲洪积层(Q4al-pl)粗砂、砾、卵石的孔隙中，透水性和含水性较好，一般单孔涌水量在196 m3/d以上，泉水流量一般大于0.1 L/s，水温22.5℃，矿化度41.46 mg/L。由于该含水层渗透性良好，所以能大量贮存大气降水，通过节理，裂隙和断裂带进入深循环。另外，由于深部热水在沿通道上涌和向四周岩层漫流过程中不断地与浅部的该含水层中的地下水混合，使得热水温度以断裂通道为中心向其四周迅速降低，所以其所形成的热异常面积很小。

1.2.2侏罗系上统南园组弱裂隙含水层

该单元内地表露头仅见南园组第三段地层，由深灰、紫灰色英安质、流纹质晶屑熔结凝灰岩夹流纹质凝灰岩、粉砂岩等组成，具绿帘石化、黄铁矿化，上部过渡至中酸性粒状碎斑熔岩。仅浅部风化裂隙发育，风化裂隙厚度一般4～22 m，可见铁锰质、泥质沉淀物等含水标志。地下水主要赋存于基岩风化的残积土及强风化岩的孔隙裂隙中，其富水性受岩层风化程度和断裂构造发育程度控制，一般单孔涌水量在20～30 m3/d，水温23℃，矿化度32 mg/L。

1.2.3岩浆岩裂隙含水层

该单元内出露的岩浆岩主要为花岗闪长岩。一般岩石呈灰白色，中细粒花岗结构，块状构造。地表风化呈砂土状，透水性中等，但厚度不大，泉水出水量仅0.1 L/s；其围岩蚀变成硅化、绿帘石化、黄铁矿化。受永安-晋江大断裂影响呈现弹性形变，裂隙较稀疏，但张开性较好，延伸远，裂面可见铁锰质、泥质及绿帘石化物质，施工中冲洗液消耗量大，揭露时水位突升并涌出地面，水头压力约为0.1～ 0.15 kg/cm2，井口涌水量可达1.70 L/s，说明该带为地下热水良好的渗透、传导地段，也是该单元的热储层。

其次为次石英闪长玢岩岩体，侵入于南园组第三段中，而周围则被燕山晚期第一阶段第一次侵入的花岗闪长岩环抱，一般岩石呈灰色，斑状结构，含水性较差，地表渐变为英安岩。在断层接触带附近浅部裂隙密集，但延伸短，具有一定的渗透、传导通道，深部地区施工中尚未控制到。

1.3盖层

盖层在热储形成条件中，起到隔热保温作用。本单元盖层由第四系和侏罗系火山岩组成，构造上为单斜断块箕状盆地，第四系为披盖式的坳陷盆地。

1.3.1第四系盖层

单元内第四系相对都较薄，0～18 m，分布范围有限，并未将花岗岩体全都覆盖，保温作用降低，所以说第四系盖层为不甚理想盖层。因为地热源是花岗闪长岩体，热能是通过裂隙-断裂水对流传递而携带出来，所以第四系盖层对区内地热能的保温不是很明显。

1.3.2侏罗系火山岩盖层

从图1可以看出，永春县地热田侏罗系火山岩盖层分布面积较广，而且具有一定的厚度，尤如锅盖盖在岩体之上。根据永春县地层划分[16]，南园组厚度170～7 562 m，如此厚的盖层对地热能起到较为理想的保温作用。

1.4热储通道

断裂构造、裂隙为地热流体渗透、传导的主要通道，起到集热廊道作用。该单元主要控储构造为北东向断裂和北西向断裂(图3)。

图3　洑江地热单元A-A′水文地质剖面图

(1)NE向断裂—F6断裂：见于花岗闪长岩与次石英闪长玢岩或南园组地层之间，整体走向近NE向，倾角30°，具压扭性或张性不明显，具片理化带，宽约0.5 m，裂面多呈舒缓坡状，见石英脉或花岗斑岩岩脉贯入充填，为不导水或局部导水断裂。据钻孔揭露，F6断裂带上盘岩芯节理、裂隙发育，充导性好，下盘岩心完整，不导水。说明F6断裂主要起到阻水作用，其上盘的裂隙为热水导水通道，F6对热水的汇集与热田的形成极为有利。

(2)NW向断裂—F8断裂：属于永安—晋江深大断裂的伴生断裂，见于花岗闪长岩与次石英闪长玢岩或南园组地层之间，整体走向近NW向，倾角70°～85°，其接触带岩芯破碎，挤压现象明显，可见片理化、叶蜡石化、黄铁矿化、硅化物质，其节理裂隙也较发育，裂面较平整，浅部具泥质，铁锰质硅质沉淀物，往下渐少。在根据抽水试验及物探检测结果，其富水性中等，导热性较好，地温梯度达0.56～0.9℃/m。在控储构造的组合中，其主要起到导热、导水作用。

在F6断裂与F8断裂构成的楔形区内(断裂上盘)共施工了4个钻孔，当钻进到断裂裂隙带时，岩芯挤压破碎，见有黄铁矿化、糜棱岩化现象，水温突升，温度50°～60℃，并涌出井口，过了F6断裂岩芯完整，水温未变化。在F6断裂与F8断裂下盘，施工了4个钻孔，温度22°～23℃，水温无异常现象。

1.5热载体的补给条件

1.5.1断裂构造导水补给

区域内构造断裂发育，特别是永安-晋江北西向张性断裂，其导水性能良好。受区域构造的影响，NW向、NE向断裂及其伴生裂隙成为地热水的良好通道，汇集热田外围的补给水，地下水在此深循环并迅速加热运移，在对流和静水压力作用下缓慢上升。

1.5.2地表水汇聚入渗

洑江单元位于山间河谷平地，冲洪积地带，四面环山，有利于地表水的汇聚后径流进入热储层。沟谷两侧地表水面积较大，接受大气降水后，转化为地表水和风化带潜水，经渗透径流补给，成为浅部第四纪堆积物孔隙含水层。

大气降水或地表水通过裂隙渗入地下深处，而后经深循环并且得到加热。在NE向F6、NW向F8构造的复合部位，也就是在它们上盘，由于局部构造隆起，使得热储的位置变浅，强的热流使伴生构造裂隙带中的水达到相当高的温度，然后在对流及静水压力作用下上升，温泉在该断裂带及其伴生的小断裂或裂隙上出露。

2　地下热水动态变化

地下热水沿洑江两岸低洼地段自然出露，洑江单元内有3个自然露头，4个人工揭露热水井。SW01自然泉出露于花岗闪长岩体风化裂隙中，流量0.15～0.2 L/s，水温44℃，无色、无味、透明，pH值为7.67，总矿化度为304 mg/L，含F-4.00 mg/L,水质类型为SO42-、HCO3-—Na、Ca型水。

根据施工钻孔动态观测统计，气温7℃～28℃，水温保持在54.5℃～63.0℃。自成井以来观察3个月，各井流量较稳定，未见相互干扰现象，水位降低均未波及断层接触带，流量变化幅度均小于7.5 m3/d，水位降低变化幅度均小于0.2 m，地下热水动态稳定(表1)。

表1　温泉(井)动态情况统计表

图4　地热水系统立体成因模型

3　地热单元的形成机理

根据汪集旸院士统计分析的中国大陆平均热流值，在以永春县城为盆地中心的周围，区域热背景热流值在74～99 mw/m2，高于代表性的平均值63～68 mw/m2，说明本区域的构造活动越强烈或构造事件年龄小。水热系统是在为偏高的区域热背景下，大气降水在山间盆地边缘下渗或山区渗流补给盆地，在地形地貌和构造影响下，地下水向下渗透并向盆地中心排泄区运移，从中不断从围岩中获取热量，形成热水。

深部热水多数含有气体，当热水温度升高，上部致密、不透水的岩层(盖层)阻挡去路，会使压力愈来愈高，以致热水、蒸气处于高压状态。热储中的热水主要在北东向和北西向断裂复合出(较高渗透率带)上涌，形成高温中心。热水不断上升后进入第四系冲洪积层，压力逐渐减少，热水中气体逐渐膨胀，减轻热水的密度，进而促进热水上升，上升的热水再与下沉较迟受热的冷水因密度不同所产生的压力(静水压力差)反复循环产生对流，在开放性裂隙阻力较小的情况下，循裂隙上升涌出地表，终至流出地面形成温泉(图4)。

从整个永春地热田来看(图1)，地下水的迳流方向与地形基本一致，总体上是北西高南东低，地下水由北西往南东迳流。温泉也是沿着北西向断裂带分布，具明显的链状分布特征，也就是说北西向张性断裂带是热水的迳流途径，是热贮通道和热贮空间。从洑江地热单元来看，温泉出露在NE向F6至NW向F8断层的复合部位形成的楔形内，而且仅在NE 向F6、NW F8断裂上盘所形成的锐角区。也就是说地下水经深循环加热后，顺着F8断裂通道上涌，当与F6断裂交汇时，热水受阻，沿着F8上盘基岩裂隙带漫流，形成热水异常区，其也将是未来寻找地热资源的主要靶区。根据井温勘测及剖面外推，洑江地热异常区面积约0.2 km2。

4　地热资源可开采量估算

4.1热补给量

根据该地热水资源条件，采用天然温泉流量法计算:

Qg=Qo(tg-to) ×4.186 8

式中：Qg为热补给量(KJ/S)；Qo为天然温泉流量，取0.17 L/S；tg为天然露头温泉，取60℃；to为年平均气温，取19℃。

据ITC统计数据显示,2010年以来,我国甘薯出口贸易总量逐步提高．2017年我国甘薯(HS编码:071420)出口贸易量4.42万t,贸易额5 560.6万美元,分别占世界甘薯出口贸易总量的7.02%和10.58%(图2及表2),世界排名第3．与上一年度相比上涨势头迅猛,出口贸易量和贸易额分别为上一年度的2.19倍和2.44倍,世界排名上升2位．

将以上数据代入公式得：

Qg=0.17×(60-19)×4.186 8=29.18 KJ/S=9.202×108KJ/Y，

相当29 000 KJ/Kg的标准煤31.73 t/Y。

4.2储存热量

采用热储法，计算公式为：

式中：QR为储存热量(KJ)；A为计算区面积，取0.2 km2；H为计算区平均厚度，取3 km；PC·PW分别为岩石和水的密度，取2.64 g/cm3及1 g/cm3；CC·CW为分别为岩石和水的比热，取0.825 KJ/Kg·k及4.186 8 KJ/Kg·k；φ为岩石的平均裂隙率，采用0.01；ti为泉口平均水温，取60℃；tj为热储温度，采用石英——无蒸气损失(福尼埃)SiO2温标计算结果，为tj=107.17℃

将上述数据代入公式得：

4.3可开采热量

式中：qc为可开采热量(KJ)δ为可开采系数，根据水源地的地质构造条件及汇水面积，取0.08代入公式得：

qc=8.4×1013×0.08=6.72×1012KJ(相当于2.317×105t标煤)

若将上述8%的储存热量计划在100 a内开采完，则年可采热量为：

6.72×1012/100+9.202×108=6.812×1010KJ/Y，相当2 349 t/Y标煤。

日可开采热量为：6.812×1010KJ/Y/365=1.866×108KJ/d，相当6.43 t/d标煤。

4.4可开采水量

QW=qc÷4.186 8÷(tc-to)

式中：QW为可开采水量(m3/d)；tc为设计开采水温，取60℃，代入式得：

QW=1.866×108÷4.168 6÷(60-19)=1.087×106L/d=1 087 m3/d

不同设计开采水温所对应的可开采水量(表2)。

表2　设计开采水温所对应的可开采水量表

4.5可开采水量保证程度论证

(1)从热量来看，以上计算所选用的参数仅是浅层测温资料所圈定的异常面积及浅层地球化学分析成果，而深部热异常面积及地球化学物质含量均比浅层大，因此，上述各公式计算结果偏保守，热量有保证。

(2)对于不同设计水温所对应的开采水量为全年(100 a)等量开采条件下的数据，若是不等量开采，例如冬季大，夏季小，只要全年累计开采量所折算的总热量不超过6.812×1010KJ/Y,则水源的开采水温不会因此而逐年下降。所以当水源全年平均日开采量为1 000 m3/d时，其开采水温稳定在60℃是有保证的。

(3)永春热田地表降水汇水面积为275 km2，汇水面积较大，又处于河流及河漫滩上，为地下热水的补给创造了有利的条件，水量保证程度比较可靠，但是在开采过程中要防止河水倒灌而降低开采水温。

(4)从目前钻井情况来看，成井命中率较高，已钻有四口热井。根据允许开采量评价，ZK1目前最大出水量258 m3/d，ZK2、 ZK3、ZK4若采用600 m3/d的抽水设备抽水时，水位降深均未波及含水段，各钻孔的涌水量是有保证的，4个钻孔能够保证开采水量。

5　结语

(1)永春洑江地热单元的形成机制为：水热系统是在偏高的区域热背景下，大气降水在山间盆地边缘下渗或山区渗流补给盆地，在地形地貌和构造影响下，地下水向下渗透并向盆地中心排泄区运移，从中不断从围岩中获取热量，形成热水。热水在NW向F8断层通道上涌，流经至NE向F6断层复合部位的楔形内出露。热异常区面积约0.2 km2，也将是未来寻找地热资源的主要靶区。

(2)热补给量Qg约为9.202×108KJ/Y，相当29 000 KJ/Kg的标准煤31.73 t/Y；储存热量QR约为8.47×1013KJ；日可开采热量qc约为1.866×108KJ/d，相当6.43 t/d标煤；日可开采水量QW约为1 087 m3/d。

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Mechanism analysis and resource utilization prospect of Fujian province Yongchun Fu Jiang geothermal formation unit

CHEN Wen-lin

(Fujian 197 Geological Brigade,Quanzhou,Fujian 362000)

Based on the basis of field survey of the Yongchun Fu Jiang geothermal unit geothermal geological condition analysis,that hot water is mainly controlled by NE and NW trending faults control.In the fracture belt compound wedge outcropping in hot springs,Formation volcanic heat - on hot water system of heat of mixing flow,the composite part of the wedge is future exploration for the main target zone; element of the geothermal water resources are rich,hot water wellhead temperature 54.5 to 63.0 DEG C,recoverable heat QC for 186.6×108KJ/d,day can mining water QW for 1 087 m3/D.Rich geothermal resources,development and utilization prospect.

Fu River；geothermal resources；analysis and mechanism

2016-07-07

陈文林(1965-)，男，福建泉州人，高级工程师，主要从事水文地质与工程地质工作。

P314.1

B

1004-1184(2016)05-0051-04