湖南省湘西北地下热水系统形成模式

沈萍，刘勇（湖南省地质矿产勘查开发局四○二队，湖南 长沙410014）

湖南省湘西北地下热水系统形成模式

沈萍，刘勇（湖南省地质矿产勘查开发局四○二队，湖南 长沙410014）

湘西北是湖南地下热水资源主要分布区，集中分布于桑植-石门复向斜内，区内偏高的大地热流（64.46～71.92MW/m2）从底部供热，在侏罗山式盖层褶皱带沿热导率高的层状碳酸盐岩组成背斜两翼和同（走）向断裂带向上相向传输向背斜轴部聚汇。充沛的大气降水在地势高的裸露岩溶发育带，渗入地下形成浅表岩溶地下水，浅表岩溶水一部分沿着向斜褶皱翼性脆的碳酸盐岩和浅变质碎屑岩节理裂隙层间滑脱裂隙，断裂破碎带在高势能作用下继续向下（深）渗流，进行深循环，在深循环过程中和向上的大地热流，进行水热对流交换，使其温度升高，当运移到向斜轴底部时则由势能高一翼流向势能低的一翼，运移到低能一翼在浮升力作用下和大地热流同向向上运移如被侵蚀切割涌出地表成温泉，如为隐背斜则埋藏地下成为隐伏地下热储。

盖层；储集层；热源；大地热流；地下热水系统；形成模式

1 地质构造背景

湘西北是湖南地下热水主要分布区，集中分布于八面山陆缘盆地南部桑植-石门复向斜内，南以保靖-慈利断裂为界，北至东山峰背斜，总的地势南、北高中间低，自南西向北东-北东东渐低倾伏的复式向斜。发育震旦系至三叠系地层，呈左型侏罗山式褶皱，由太清山向斜、大同山（人潮溪）背斜、杨家坊向斜、磺厂背斜、东岳观向斜、桑植空壳树向斜、官地坪背斜、凉水井背斜、陈家河向斜及相随一些断裂及伴生构造成分组成，背斜核部皆由古生界地层组成，向斜轴部则为下、中三叠系地层组成。背斜狭窄紧凑，向斜宽阔而平缓，成隔挡式箱状、屉状形态，此外尚有一些构造鼻、构造窗等局部隆起夹持其间，在空间展布上，褶皱轴自南西向北东，由北北东逐渐转向为北东、北东东，在组合形态上首尾错列呈左型，而整个褶皱群西南段和东北段较中段狭窄紧密，反映了两端压缩中间拉伸的应变作用。

2 盖层

区内盖层由层状的含水性弱、渗透率小，热导率低的塑性强的泥质岩、砂页岩组成，计有3层（图1）。自上而下简述如下。

图1 石门-桑植复向斜五道水-张家界剖面图

2.1 第一盖层

由二叠系上统吴家坪组和下统辰溪煤系（泥岩、页岩、煤层）和深灰色中至厚层状含硅质团块或条带的灰岩夹灰黑色页岩、泥灰岩；长兴组灰-灰黑色薄-厚层状泥质灰岩、硅质岩夹页岩；三叠系下统大冶组下段薄层状、页片状灰岩、泥质灰岩及页岩组成，厚度400余米，主要分布在向斜核部。

2.2 第二盖层

由志留系的页岩、泥质粉砂岩、粉质泥岩及泥岩和奥陶系中上统牯牛潭组、宝塔组、五峰组瘤状泥灰岩、泥质灰岩、页岩及硅质页岩组成，厚度稳定，达2000m以上，具有良好隔水保温性能，是本区主要的隔热保温盖层。

2.3 第三盖层

主要由寒武系下统含粉砂质泥岩及白云质、泥灰岩、粉砂质板岩、钙质粉砂岩、薄层灰岩、页片状泥灰岩、硅质、炭质、粉砂质板岩组成，厚400～600余米，是本区稳定分布广的隔热保温盖层。

3 地下热水储集层

区内已发现的热水储集层有3层。

3.1 震旦系灯影组、陡山沱组上部硅质岩、白云岩组成裂隙含水岩组

灯影世末曾有短期的抬升成陆，在灯影组顶面短暂遭受剥蚀溶蚀，局部形成古风化面和古岩溶（柏道元）。在龙山县洗洛乡小井村295.50m揭穿寒武系下统炭质页岩、煤层等盖层，遇震旦系灰岩、硅质页岩，374.28～470.49m裂隙发育，含水性好，水压高出地面11.51m，自流量14.91l/s，井口水温33℃，井底（476.49m）水温37℃。热储属低温温水资源层状传导型的温热水资源型。

3.2 下奥陶统南津关组、寒武系中上统娄山关群碳酸盐岩地下热水储集层

主要由厚层-巨厚层状灰岩、白云质灰岩、白云岩组成，厚度961～1124m，石门-桑植复向斜内均有分布，复向斜内19处地下热水露头，此层有15处，占79%，水温大于60℃的一处，40～60℃的10处，30.1～33℃的4处。流量11.78～80m3/h，钻孔单位涌水量1.14～8.51m3/h·m，该含水岩组具有层控、断裂带富水的混合型热储特征。

3.3 下二叠统栖霞组、茅口组碳酸盐岩与中上泥盆统云台观组、写径寺组碎屑岩热水储集层

主要由灰岩与石英砂组成的岩组，分布于石门-桑植复向斜的核部，出露于次级褶皱的两翼和端部，出露温泉4处，水温25.5～37℃的两处，40～60℃的两处，流量4.25～42.91m3/h。其中石英砂岩中一处，下二叠统碳酸盐岩中3处，从慈利江垭钻孔揭露测温资料（图2）可见地下热水等温线呈鸵峰状曲线，峰顶明显，受石英岩层间破碎带控制，为一层控热储。

图2 江垭小滩温泉地热等温线地质剖面图

4 热源

4.1 大地热流是地下热水的主要热源

石门热水溪地热田施工的6个钻孔分别位于断裂带内、上盘、下盘不同位置，钻遇断裂带不同部位和未遇断裂地段，其井温与孔深的关系均为正相关，属传导型的地温曲线特征，其地温梯度2.9℃/100m，表明本区热源以大地热流为主，地下热水受热方式以正常增温率为特征。区内地表大地热流值64.46MW/m～71.92MW/m2，平均68.19MW/m2，高于邻区湖北秭归（35.4MW/m2）、江汉（59.2MW/m2）。区内没有近代岩浆活动的热源体。

4.2 放射性元素的衰变热也是一种不可忽视的热源

本区地壳厚度40～48km，岩石放射性元素含量较高，特别是寒武系下统炭质硅质岩类具放射性异常，其厚度1000m左右，地下热水中U、Ra、Tn、Rn含量普遍较高，表明放射性脱变热也是重要热源。

5 地下热水系统的形成模式

5.1 大气降水是地下热水的主要补给来源

石门热水溪、桃源热水坑、慈利万福温泉水的δD、δ18D的关系和氩的同位素40Ar/36Ar值均表明温泉水主要来自大气降水（王蔚、张景荣等）。

5.2 大地热流在褶皱带再分配向背斜部聚汇

桑植-石门复向斜总体为由西向东倾斜的构造盆地，盆地内隔档式次级褶皱发育，岩层倾斜，凸（背）凹（向斜）连续相间出现，致使基底以下均匀向上运移的大地热流发生偏移，大地热流更多流向热导率高的碳酸盐岩和脆性砂岩类岩层，流向沿背斜两翼分别由下向上相向运移，热流运移过程中受两侧及低热导率的盖层阻隔时，热能在背斜轴部（隆起带）聚汇而形成隐伏地热异常（图2）。

5.3 地下热水系统的形成

大气降水、地表水体在地势较高的向斜翼部，背斜仰起端渗入地下，在下渗过程中与从深部向上运移大地热流进行热交换而逐渐增温，在势能压力作用下，下渗地下水受含水层顶底隔水层阻挡受压继续向深部运移，当运移到向斜轴（底）部时，则会向侧翼运移，在运移过程中继续不断吸收围岩的热量和溶蚀围岩中的矿物元素，温泉中CH4δ13C值（-27.1～37.3‰）和CO2δ13C值（-11.2～17.1‰），表明均系沉积岩中有机质热降解过程中产物（王蔚、张景荣等）而使其温度增高，容重减轻，矿化度升高成为热矿水，当运移到向斜另一翼 （背向斜转换翼）时，则热矿水在浮升力作用下和大地热流沿着背斜另一翼向上运移，当运移到背斜轴部遇有隔水保温盖层时，则储集地下成为隐伏热水储集层，当被侵蚀切割时则形成温泉。

6 小结

石门-桑植复向斜地处云贵高原的西南边缘新华系第二隆起带的边缘，地势是南北高，中间相对较低，自西向东倾斜的构造盆地，盆内侏罗山式褶皱发育完好，具有分布连续、稳定、范围广泛的隔热保温盖层3层，已发现有地下热水资源3层热储，主要为中上寒武统娄山关群和下奥陶统南津组，均为以层状热储为主，但断裂带状热储富水性较好，热源以大地热流为主，正常地温增温，传导-对流复合型受热模式。

[1]周念沪.地热资源开发利用实务全书.中国地质大学，2005.

[2]熊亮平，张菊明.热流的折射和再分配的数学模拟.地质科学，1984（04）.

[3]徐世光，郭远生.地热学基础.北京：科学出版社，2009.

[4]湖南省地球物理地球化学勘查院，饶家荣，等.湖南深部构造.

[5]栾光忠，刘红军，刘冬雁，王文正.山东半岛温泉的地热属性及其特征.地球学报，2002，23（1）：79～84.

P314

A

2095-2066（2016）22-0128-02

2016-7-13

沈 萍（1976-），女，工程师，从事水工环工作，湖南省地质学会会员。

刘 勇（1984-），男，工程师，从事水工环工作，湖南省地质学会会员。