桃源县热市地热田地热流体特征及成因分析

刘声凯，赵 凯，彭 嵚

(湖南省地质矿产勘查开发局四一六队，湖南 株洲 412003)



桃源县热市地热田地热流体特征及成因分析

刘声凯，赵 凯，彭 嵚

(湖南省地质矿产勘查开发局四一六队，湖南 株洲 412003)

桃源县热市地热田在地热构造上位于花垣—张家界—慈利区域性深大控热断裂的北东端南东延伸带上，属断裂控制的带状热储。热异常沿热市河谷呈北西向带状展布。地热流体的补给源主要为大气降水，深部热能沿热市断层带上升到一定部位后遇到丰富的岩溶水，岩溶水吸收热能使地下水温度增高形成热水，其成因模式为大气降水补给的断裂带深循环型地热系统。结果表明：研究区温泉水温及流量动态变化较小，地下热水水量丰富，温度适宜，具有良好的开发前景。

热市；地热流体；特征；成因模式

图1 热市温泉分布略图

热市地热田在地热构造上位于花垣—张家界—慈利区域性深大控热断裂的北东端南东延伸带上，处于湖南省湘西北地区低温地热资源区，湘西北地区低温地热资源区是湖南省五大地热资源区之一，地热资源十分丰富[1-3]。地热流体作为一种珍贵的自然资源，在节能减排、旅游开发等方面具有良好的市场前景，备受各级政府及投资者青睐。地热流体的形成需要特殊的地质条件，不同地质背景下形成的地热流体，其成因模式也往往不同[4]。本文阐述了热市地热田的区域地质背景、地热流体的空间分布及水化学特征，在分析热能来源、导热条件、储热储水条件、隔热条件等基础上，提出了地热田的成因模式，对热市地热田及湘西北地区类似地热田的开发具有一定的指导意义。

1 地理位置及出露特征

热市地热田位于湖南省常德市桃源县热市镇附近，出露高程为80.7～81.16 m之间。

热市地热田以温泉群的形式分布于河谷两岸(图1)。其中天然温泉3处、自流钻孔2处，温泉(孔)分布于河谷两岸，温泉沿溶蚀裂隙产出，枯水期流量0.536～1.712 L/s，水温43℃～50℃，总流量5.165 L/s； ZK2孔深405.36 m，2013年11月28日至12月06日进行了3次降压(抽水)试验，降深2.83 m时涌水量为14.68 L/s(1 268.57 m3/d)，水温49.6℃，降深1.21 m时涌水量为7.58 L/s(654.9 m3/d)，水温50.7℃(表1)。

表1 热市地热田温泉(孔)分布情况表

2 地热地质概况

研究区出露地层为由老至新有寒武系(∈)、奥陶系(O)、志留系(S)、泥盆系(D)、白垩系(K)。其中寒武系中上统娄山关群(∈2-3ls)为灰、灰白色中厚层白云岩；奥陶系下统南津关组 (O1n)、分乡组 (O1f) 、红花园组 (O1h)为灰岩、白云质灰岩等；奥陶系下统大湾组 (O1d)为灰岩、疙瘩状泥灰岩及硅化灰岩；奥陶系中上统(O2+3)为泥裂纹状灰岩、瘤状泥灰岩；志留系(S)为页岩、砂质页岩、泥质粉砂岩、砂岩等；泥盆系中统云台观组(D2yn)为石英砂岩，偶夹灰黄色砂质页岩；白垩系(K)为泥质粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩夹绿色砾状砂岩。

图2 热市地区构造略图

区域构造属武陵山隆起带的东端，主要有热市背斜(图2)、七姑山压性断裂(F1)、周家溶扭性断裂(F2)、热市张性断裂(F3)、仙娘庙张扭性断裂(F5)。七姑山压扭性断裂(F1)构成区域内北西部隔水边界，对地下水的补给、径流起着控制作用，周家溶扭性断裂(F2)是地热田北东侧的隔水边界，热市断裂(F3)为区内地下热水的导热、导水、储水、储热构造，其上盘为南东侧隔水边界，从平面上而言上述断裂在热市、菖蒲一带构成一个北西至北东至南东三面封闭的空间。

3 地热流体特征

3.1 地热流体空间分布特征

3.1.1 地热异常在平面上的特征

区内地表热异常中心位于奥陶系上统分乡组上部及红花园组底部的1#自流孔及ZK2一带，水温高达50.7℃。其北西侧天然温泉、测温孔水温均呈现快速下降的趋势，其南东侧的CK1、CK8、 CK9的水温在平面上亦呈下降趋势(图3)。分析认为区内普通地下水总体流向是由北西至南东，地下热水由南东侧深部向北西侧浅部径流，受北西侧普通地下水的水温中和影响，使得在热异常带内北西侧水温呈现递减趋势，而异常中心的南东侧水温递减主要是受到奥陶系下统大湾组、奥陶系中上统泥灰岩、硅质岩等盖层的隔热作用所致。

图3 热市热异常区等温曲线图

3.1.2 地热流体在垂直方向的特征

ZK2钻孔孔深405.36 m，由浅到深每隔5 m测一次，岩溶发育段加密。井温具有随井深呈跳跃式突然升降的特点，即遇到涌水岩溶管道或裂隙，水温突然升高，穿过涌水带后随即出现突降[4]。孔深2.5～50.0 m段水温从29.7℃上升至41.1℃；孔深50.0～59.0 m段水温从41.1℃缓慢下降至38.1℃；孔深59～77 m段水温从38.1℃快速上升至45.9℃；孔深78～80 m水温从41.9℃降低至41.4℃；孔深160～163 m水温从45.9℃上升至47.7℃；孔深302～322 m水温从49.5℃降低至46.3℃；当钻探揭穿热储层之后，水温呈现下降趋势，如孔深319.31～405 m水温从46.4℃降低至43.2℃。静止水位至热储层水温最高处(2.5～253 m)的水温梯度为7.9℃/hm；静止水位至热储层底部(2.5～319.31 m)的水温梯度为5.27℃/hm；孔深319.31至孔底(405.36 m)为奥陶系下统南津关组(O1n)为白云质灰岩、灰岩，孔内水温从46.4℃缓慢降低到43.2℃，水温梯度为-3.72℃/hm。

区域内地温梯度约为2.7℃/hm[2]，ZK2全孔水温梯度为3.35℃/hm。ZK2水温梯度较区域地温梯度高0.65℃/hm，主要是研究区深部地热流体沿断裂、岩溶管道快速上升后在浅部岩溶管道、裂隙中溢流扩散，受岩溶管道发育的多期性、多层性、常温地下水的多层性等因素影响，使得区内地下热水水温在垂向空间上有所变化，但其总体趋势是在热储层之内水温与深度呈正相关(图4)。

图4 ZK2井温测井曲线图

3.1.3 地热流体动态变化特征

1#自流孔水温49.0～50.0℃，年变幅1.0℃，年平均水温约为50.0℃，水温受当地气温影响较小，几乎稳定在50℃左右。最大流量为2.818 L/s，最小流量为1.53 L/s，平均流量为1.957 L/s，流量年变化系数为0.524 9，属稳定的。流量与外界大气降水存在一定的正相关，如2013年9月当地月降水量达382.1 mm，流量为2.34 L/s，而2013年1月当地降水量仅为15.6 mm时，1#自流孔流量为1.60 L/s。

3号温泉水温、流量变化地下热水水温40.0℃～45.0℃，年变幅5.0℃，年平均水温为42.3℃，水温变化趋势与当地气温一致，如2013年2月当地月均气温为年内最低的9.0℃，对应的泉水平均温度亦为年内最低的41.2℃。最大流量为2.04 L/s，最小流量为1.30 L/s，平均流量为1.617 L/s，流量年变化系数为0.638 1，属稳定的。最小流量相对当地月最小降水量略有滞后，出现在2013年2月，流量为1.36 L/s。

3.2 地热流体水化学特征

3.2.1 地热流体水化学组分特征分析

研究区地热流体具无色透明、无味的特点。地热流体中阳离子含量K+为1.12～1.21 mg/L、Na+为1.97～5.54 mg/L、Ca2+为61.40～74.49 mg/L、Mg2+为10.85～13.14 mg/L。水中阴离子含量Cl-为1.22～1.40 mg/L、SO42-为15.27～28.60 mg/L、HCO3-为224.32～263.09 mg/L。pH值为7.45～7.57，呈弱碱性；矿化度369.80～403.50 mg/L，总硬度205.20～224.10 mg/L，属低矿化硬水；水化学类型为HCO3·-Ca·Mg型。锂含量0.001 5～0.002 3 mg/L，锶含量为0.103～0.116 mg/L，偏硅酸含量34.28～41.09 mg/L，地热流体中氡含量为40.0～43.4 Bq/L，镭0.054～0.056 Bq/L[5](表2)。

经对比分析，区内地下热水中F-、偏硅酸含量远高于其他类型的水，而Cl-含量远低于其他类型水是其最独特之处；地下热水的矿化度与补给区岩溶大泉大致相当，但远高于地表水及大气降水的矿化度。

3.2.2 氢氧同位素特征及分析

稳定同位素氘(D)与氧(18O)在地下水的循环历程中，由于同位素的分馏作用，使轻重同位素发生分异，利用地下水重同位素与轻同位素含量的比值与标准平均海水(SMOW)的比值相比较，分别求出δD与δ18O的千分偏差值，根据δD和δ18O值，了解地下水的起源。

区内温热水枯水期δD含量为-59.6‰～-53.6‰，δ18O含量为-9.7‰～-6.5‰。B032号温热水丰水期δD含量为-48.07‰，δ18O含量为-6.03‰；区内大气降水中δD含量为-13.30‰，δ18O含量为-3.23‰；普通地下水的δD含量为-32.26‰～-27.73‰，δ18O含量为-4.64‰～-4.05‰(表3)。

氢氧同位素对岩溶水补来源具有指示作用[7]，给长沙地区季风影响区域的降水线方程为：δD=8.4δ18O+15.1[6]，研究区水样分析结果接近该方程的线性关系(图5)，故区内地下热水的主要补给来源为大气降水。

图5 各类水的δ18O～δD关系图

3.2.3 热储温度及地下热水循环深度分析

1)热储温度估算

地热温标法是利用地下热水中的某些化学组份的含量与温度的关系估算深部热储的温度，其原理在于深部热储中矿物质与水达到平衡，在热水上升至地表过程中，温度下降，但化学组份几乎不变，可以用于估算反应的平衡温度，也就是深部热储的温度[8]。二氧化硅地热温标法广泛运用于各类地热田的热储温度计算，其计算公式为：

式中：t为热储温度，单位为摄氏度(℃)；C为热水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量(mg/L)。

经计算，研究区热储温度为71.38℃～51.56℃，平均为76.96℃。

2)地下水循环深度估算

地表以下随着深度的增加，地温将逐渐增加，如果一个地区的地温梯度已知，即可算出地下水的循环深度。热水循环深度按基础热储温度及地温梯度公式估算，其计算公式为：

T=t+(H-h)gγ

式中：T为基础热储温度(本次取平均值，为76.96℃)；t为恒温层温度(取区内平均气温16.6℃)；H为热水循环深度(m)；h为恒温层距地面厚度，本区约25壹m；gγ为区内平均地温梯度为2.7℃/100m。

经计算，研究区热水循环深度(H)约为2 260 m。

表2 地下热水水化学特征统计简表

表3 δD、δ18O含量统计表

3.2.4 地下热水年龄估算

应用同位素法计算地下热水年龄是把某些放射性元素用作指示剂来计算水在含水层中的“滞留时间”的方法。“滞留时间”是指从补给区下渗通过深循环在含水层中径流直至排泄到地表的时间，也就是地下水的年龄。1969年前苏联化学家契尔登夫总结镭氡法估算地下水年龄公式为：

式中：t为地下热水年龄(a)；λ为226Ra的衰变系数，其值为4.26×10-4a-1；NRa为226Ra的含量(本次取平均值0.055)；NRn为222Rn的含量(本次取平均值41.7)，单位均为(Bq/L)。

经计算，研究区地下热水年龄为3.21 a，属于比较年轻的水，表明地下热水在地下停留的时间不长。

4 地热流体成因分析

4.1 热能的来源分析

从地热热源类型排除法分析：地热的热源一般有岩浆热，大断裂的摩擦热，放射性物质衰变热，化学反应热、其他物理热源以及地温梯度热。研究区及临区无岩浆岩出露，据此分析岩浆余热是地热田的热能来源的可能性是极低的。

区内温泉中氡含量为40.0～43.4 Bq/L，总β为0.06～0.07 Bq/L，总α为0.01～0.04 Bq/L，铀含量为6×10-7g/L，钍含量为4×10-7g/L[1]。据此分析，放射性元素蜕变中释放的热量可能是研究区的热源之一。

从地质背景和地热异常显示及分布位置分析：研究区位于湘西北花垣～张家界～慈利区域性深大控热断裂的北东端南东延伸带上，处于湖南省低温地热资源(温水—温热水)区。受区域深大断裂构造影响，研究区内的断裂构造发育，且规模一般较大，北东向、北东东向及北西向断裂在地热异常区及附近交汇，表明该处为一地应力集中区。据此推测热市地热田的热源主要为地球深部的热流，其次是放射性物质衰变热。

4.2 导热条件分析

热市地热田附近地质构造发育，主要有热市张性断裂(F3)，长约7.0 km，为正断层，断层产状160°∠63～70°，地层断距在700 m以上，向下延伸大。次级张扭性平移断裂(F4)规模相对较小，区内断裂及其次级断层破坏了岩石的完整性，在断层带及附近产生大量的裂隙，利于地下水的侵蚀和溶蚀，使其空间逐步扩大。因此，热市断裂(F3)及次级断裂、张性、张扭性裂隙系统，在深部起着导热作用，在浅部起导热、导水和储存热能及热水资源的作用。

4.3 储热储水条件分析

研究区碳酸盐岩分布，岩溶极为发育，洼地、溶洞、漏斗多见。单个洼地面积一般0.1～0.5 km2，大者可达1 km2以上，面岩溶率3.9%，最大溶洞大5.0 m以上，线岩溶率1.42%～5.23%，浅部线岩溶率达25%以上。据钻探资料，孔深400 m以下，岩芯中依然可见有小溶孔发育；埋深820～980 m处存在一宽约120 m，长约160 m的椭球体状低阻异常体，卡尼亚电阻率ρ小于120Ω·m[5]。由此可见区内岩溶是十分发育的，尤其是断裂带及可溶岩与非可溶岩接触带附近表现的更为强烈。广泛发育的溶洞、岩溶管道、溶蚀裂隙及断裂构造为地下水和热能的储存提供了有利的空间。

4.4 隔热条件分析

地热田南东侧的奥陶系下统大湾组(O1d)泥灰岩、奥陶系中统(O2)泥灰岩、奥陶系上统(O3)泥灰岩、硅质岩等岩溶发育较弱，含水性较差，为地热田热储盖层，起到隔热保温的作用；此外热市断裂上盘的白垩系泥质粉砂岩、志留系砂页岩厚达1 000 m以上，其透水性与含水性较差、完整性较好，为区内南东侧相对隔水边界，构成有利的相对保温层。

4.5 成因模式

研究区地下热水的主要补给来源是大气降水，大气降水沿断裂及裂隙渗入地下。地下水由北西向南东侧径流，地下水通过七姑山压扭性断裂(F1)及纵横交错的裂隙系统，由浅部向深部运移，由分散到集中，由潜水逐渐转变成承压水。热市断裂(F3)沟通了深部热流，深部热能沿断层带上升到一定部位后遇到富含岩溶水的富水段，岩溶水吸收热能使地下水水温增高形成热水。奥陶系中上统泥灰岩、志留系砂页岩、白垩系泥质粉砂岩起到相对保温作用，使热能不够格及时散发而形成温热水。在冷水、热水比重差及深部地压力的共同驱使下，冷水不断下渗、热水不断上升，如此往返循环，保障了热水在地势低洼的谷底永不间断地涌泄。

5 结语

(1)热市地热田为一受断裂控制的带状热储，七姑山压扭性断裂(F1)构成区域内北西部隔水边界，对地下水的补给、径流起着控制作用；周家溶扭性断裂(F2)是地热田北东侧的隔水边界；热市断裂(F3)为区内地下热水的导热、导水、储水、储热构造。

(2)热市地热田基础热储平均温度为76.96℃，地下热水循环深度为2 260 m；热源主要为地球深部的热流，其次是放射性物质衰变热。研究区地下热水年龄为3.21 a，属于比较年轻的水，地下热水在地下停留的时间不长。

(3)温热水中偏硅酸含量为31.96～41.09 mg/L，氡含量达40.0～43.4 Bq/L，还含锂、锶、锌、硒等元素；研究区温泉水温及流量动态变化较小，地下热水水量丰富、温度适宜、具有良好的开发前景。

[1]严正清，孙锡良. 湖南省桃源县热市乡温泉3号饮用天然矿泉水勘查报告[R].长沙：湖南省地质矿产勘查开发局水文二队.1993.

[2]肖仲晋，周锦忠，陈海英. 湖南省地下热水资源与开发利用调查研究报告[R].株洲：湖南省地质矿产勘查开发局四一六队.2016.

[3]何建军，殷秉武，肖仲晋，等. 湖南省地下热水资源调查评价报告[R].长沙：湖南省地质矿产勘查开发局402队.2016.

[4]杨雷，胡雪生，沈立成，等.不同地质背景地热系统水—岩作用下温泉水的地球化学特征以重庆市温塘峡背斜温泉、滇东小江断裂带温泉为例[J].中国岩溶.2011,6.

[5]刘声凯，赵凯，何力. 湖南省桃源县热市地下热水资源预可行性勘查报告[R].株洲：湖南省地质矿产勘查开发局四一六队.2015.

[6]刘声凯，欧阳波罗. 湖南省桃源县热市地下热水资源成因机理研究[R].株洲：湖南省地质矿产勘查开发局四一六队.2016.

[7]马瑞.碳酸盐岩热储隐伏型中低温热水的成因与水—岩相互作用研究[M].中国地质大学博士论文.2007.

[8]王莹.北京—河北北部中低温温泉的特征和流量、温度变化的模型研究[M].中国地质大学(北京)硕士论文.2010.

Characteristics and Cause Analysis of Geothermal Fluids in Geothermal Field in Taoyuan County

LIU Sheng-kai，ZHAO Kai，PENG Qian

(Hunan Bureau of Geology and Mineral Resources exploration team 416，Zhuzhou 412003，Hunan)

Reshi geothermal field in Taoyuan County for the geothermal structure is located in the extended southeast zone of the deep and large heat-controlled fracture and northeast end of Huayuan-Zhangjiajie-Cili area, which is belong to a band-shaped thermal storage controlled by fractures. The thermal anomalies are distributed along the northwest of the thermal valley. The main source of geothermal fluid is the precipitation, and the deep heat energy rises to a certain position along the thermal fault zone and hit the rich karst water. The karst water absorbs heat to increase the groundwater temperature to being the hot water. The causes of formation is the deep circulation geothermal system of the precipitation. The result shows the temperature of the hot water and the dynamic changes of the flowing is small in the studied area. The geothermal water is rich and the temperature is suitable and it has the better development prospect.

Reshi；geothermal flowing；characteristics and the formation causes modules

2016-06-06

湖南省探矿权采矿权价款地质勘查项目“湖南省桃源县热市地下热水资源预可行性勘查(201203033)”；

刘声凯(1979-)，男，贵州天柱人，高级工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质勘查评价及研究工作。

P641.139

A

1004-1184(2016)06-0013-05

湖南省地质矿产勘查开发局2014年度科技专项“湖南省桃源县热市地下热水资源成因机理研究”联合资助。