武汉市中深层地热赋存模式研究

牛俊强， 李 嵘， 江越潇， 苏 呈， 王富强

(1.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034； 2.湖北省地质灾害防治中心，湖北 武汉 430034；3.湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队，湖北 武汉 430051)

地热资源是一种新兴的绿色能源，应用广泛，具有广阔的开发前景。武汉市是中国中部地区的特大型城市，中部地区中心城市，地热资源开发市场前景大，但目前在武汉市内尚未发现可供开发利用的优质地热资源，为填补武汉市无地热资源开发的空白，前人对此做了大量的工作，认为武汉地区具备“储”、“热”、“导”、“盖”等地热资源形成的地质条件。

1 地热地质背景

武汉市位于鄂东北大别山丘陵和鄂东南幕阜山丘陵之间，处于江汉平原的东部，总的地形为北高南低，以丘陵和平原相间的波状起伏地形为主。

武汉市跨两个一级构造单元(图1)，以襄(樊)—广(济)断裂为界，北为南秦岭—大别造山带，出露元古界变质岩系；南为扬子陆块区，出露志留系—第四系，基岩出露不广，多隐伏于新生界地层之下，除个别地层缺失外，发育了一套较完整的陆、海相沉积，志留系主要为粉砂岩、页岩，泥盆系主要为石英砂岩，石炭系主要为白云岩、灰岩，二叠系主要为灰岩、硅质岩，三叠系主要为灰岩、白云岩，上三叠统—侏罗系主要为砂岩、页岩，白垩系、古近系主要为砾岩、砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，第四系以河流、湖泊相堆积为主，另外，根据钻孔资料显示，志留系下部为寒武—奥陶系灰岩、白云岩。

武汉市北部和南部还零星分布有大别期、扬子期、燕山期的侵入岩和产于白垩系—古近系东湖群地层中的喷出岩。

襄广断裂以北的构造特征表现为一系列北西向向斜、背斜，并发育规模不等的北西、北北东向断裂；襄广断裂以南大都被第四系覆盖，志留系—三叠系构成了走向近东西向的线状褶皱，一般向斜窄、背斜宽，并发育NNE、NWW、NW向三组断裂。新生代以来的活动性断裂主要有襄广断裂、麻团断裂、英店断裂、长江断裂、天门河断裂、石首断裂等。同时，受襄广断裂和麻团断裂控制，发育有两个凹陷，即：新洲凹陷和梁子湖凹陷。

2 地热地质条件

武汉市地热地质条件主要包括热储、热源、导热导水构造、盖层、补给来源、热显示等方面。

2.1 热储

根据热储岩性，将武汉市热储分为三类，即碳酸盐岩热储、碎屑岩热储和变质岩热储。

2.1.1碳酸盐岩热储

碳酸盐岩热储可分为石炭系—二叠系碳酸盐岩热储和寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储，二者之间为巨厚的志留系。地热流体主要赋存于岩溶裂隙和断裂带中。

图1 武汉市大地构造图[1]Fig.1 Geotectonic map of Wuhan1.一级单元界线；2.二级单元界线；3.三级单元界线；4.四级单元界线；5.构造单元编号。

石炭系—二叠系碳酸盐岩热储多裸露于地表，零星分布于襄广断裂以南的向斜带中，热储的形成需要一定的构造条件，如向斜与深大断裂的交汇部位：葛店向斜与襄广断裂交汇带、官家畈向斜与五通口—汤逊湖断裂交汇带；梁子湖凹陷带石炭系—二叠系埋藏深度较大，可能形成热储。

寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储埋藏于巨厚的志留系之下，襄广断裂以南地区多有分布，埋深一般>500 m，局部地区超过2 000 m，基本与地表褶皱相对应，向斜区埋深大，背斜区埋深小。

2.1.2碎屑岩热储

热储岩性为白垩系—古近系公安寨组砾岩、砂岩，主要分布于襄广断裂以北的新洲凹陷，埋藏深度由北向南逐渐增大，南部深度超过2 000 m，地热流体主要赋存于碎屑岩孔隙、裂隙和断裂破碎带中。

2.1.3变质岩热储

热储岩性为元古界片岩、片麻岩，局部为大理岩。分布于襄广断裂以北的变质岩山区，多裸露于地表。地热流体主要赋存于构造裂隙带中，大理岩裂隙岩溶带也是地热流体储存运移的场所。

2.2 热源

武汉市经历多期构造运动，各期次岩浆活动频繁，但多为大别期、扬子期、燕山期的岩浆活动，距今超过几千万年，余热早已散失，不能构成岩浆热源。因此武汉市地热热源主要为地球内部的传导热，也有部分地壳岩石放射性衰变产生的热能，地热流体的温度取决于地温梯度和流体循环深度。

区内大地热流最小值为47.3 mW/m2，最大值为54 mW/m2。平均值50.4 mW/m2，低于湖北省大地热流平均值(53.7 mW/m2)和中国大陆大地热流平均值(61 mW/m2)。

区内地温梯度一般为2～2.5 ℃/100 m，远低于全国平均值3.3 ℃/100 m。

2.3 导热导水通道

断裂破碎带往往是地下水循环、运移的主要通道，特别是深大断裂、活动性断裂更是地下水进行深循环的重要通道，对地热田形成起着关键“加速”作用，地下水在沿断裂深循环过程中将分散在岩体中的热量加以吸收和积蓄，形成地热流体，部分地区深部热液沿断裂带上涌，与浅部温度较低的热水混合，形成较高温度的地下水，形成局部对流性地热系统。

区内可能成为导热导水构造的断裂主要有：襄广断裂、麻团断裂，五通口—汤逊湖断裂等及其次级断裂。

另外发育于碳酸盐岩中的裂隙岩溶系统是岩溶水运移、储存的主要通道，当其发育深度较深或受深大断裂控制时，将成为岩溶热储地热流体的主要导热导水通道。

2.4 热储盖层

盖层是覆于热储层之上不透水或弱透水的岩层，起隔水隔热的封闭作用。

区内热储盖层主要有志留系、上二叠统—侏罗系、白垩系—古近系。志留系由页岩、粉砂质泥岩、粉质页岩等组成，沉积厚度大(>837 m)，分布稳定，是一套良好的隔水保温盖层，对寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储中的地热流体起着保温作用。白垩系—古近系为一套中—厚层状粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩、砾岩，上部粉砂质泥岩、粉砂岩对深部的砂岩、砾岩热储形成一定的保温作用；上二叠统—侏罗系主要为硅质岩、砂岩、灰岩、页岩，对梁子湖凹陷带的石炭系—二叠系碳酸盐岩热储具有保温作用。

区内中部低丘区的石炭系—二叠系碳酸盐岩热储、北部山区的变质岩热储没有稳定的保温盖层。

2.5 补给来源

区内地热流体的补给来源主要为大气降水和少量的古封存水。

石炭系—二叠系碳酸盐岩热储的补给来源于大气降水，补给区主要位于向斜两翼的碳酸盐岩裸露区，大气降水通过裂隙岩溶系统或断裂入渗地下进行深循环形成地热流体，属近源补给。

寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储的补给来源主要为大气降水，少量古封存水。补给区一处位于大洪山区的碳酸盐岩裸露区，另一处是位于鄂东南低山丘陵区的碳酸盐岩裸露区，大气降水通过裂隙岩溶系统或断裂入渗地下进行深循环形成地热流体，属远源补给，其中前者已有部分资料佐证，后者还需验证。古封存水补给没有持续性，随着时间的延续出水量迅速衰减。

碎屑岩热储的补给来源于大气降水，一部分为北部山区的变质岩裂隙水向南侧向补给进入碎屑岩含水层中，顺层或沿断裂带继续向南径流，随着深度的增加逐渐受热形成地热流体，属远源补给；一部分为山前砾岩、砂岩出露区，大气降水通过裂隙、断裂入渗形成地下水，再向南径流形成地热流体，属近源补给。

变质岩热储层的补给来源于大气降水，补给区包括区内北部的低山区和大别山、桐柏山区，补给区断裂发育，大气降水通过裂隙、断裂入渗并沿断裂带进行深循环形成地热流体，属近源、远源混合型补给。

2.6 地热显示

武汉市内有一些地热显示，分为地热田和地热异常，地热田是指井、泉具有稳定的出水量，且出水口温度≥25 ℃的地区，其它则称为地热异常，主要包括泉水温度异常、钻孔异常、浅层测温异常、地热梯度异常等(表1)。

表1 武汉市地热显示统计表Table 1 Statistics table of geothermal display in Wuhan

3 地热赋存模式

根据地热地质条件及其组合关系，将武汉市分为四带两区(图2)，即：襄广断裂带、西部盆山结合带、南部凹陷带、东部麻团断裂带、北部山区、中部低丘区。各区带具有不同的地热赋存模式。

图2 武汉市地热分区图Fig.2 Geothermal district map of Wuhan City1.地热分区；2.主要断裂及隐伏断裂；①.襄广断裂带；②.西部盆山结合带；③.南部凹陷带；④.东部麻团断裂带；⑤.北部山区；⑥.中部低丘区。

3.1 襄广断裂带

该区带主要受襄广断裂带控制，北部属新洲凹陷，以英店断裂为界，南至茅庙集—青山向斜南翼，东西至武汉市界。

地热赋存模式有两种，以襄广断裂为界，北部为层控—深埋型，南部为近源—断裂型(图3)。

层控—深埋型：地热流体赋存于新洲凹陷深部的公安寨组砂岩、砂砾岩裂隙孔隙中，呈多层不连续分布，其间为透水性差的粘土岩阻隔，称之为“层控”[2]，局部断裂破碎带、裂隙带富集，赋存于热储中的热水来源于山区变质岩裂隙水的侧向补给和山前大气降水入渗补给，地下水在径流过程中受岩温加热，向南随着热储埋藏深大的增大，温度逐渐升高，受襄广断裂阻隔富集于断裂沿线，特别是多组断裂交汇带利于地热流体的富集，热储层埋藏深度达两千多米，水顺层流动，因此称之为层控—深埋型。

近源—断裂型：地热流体赋存于葛店向斜南翼的石炭系—二叠系碳酸盐岩裂隙岩溶中，热储大体沿襄广断裂带呈北西西向分布，热储层中的地热流体通过向斜南翼碳酸盐岩出露区接受大气降水补给，属近源补给，大气降水入渗沿襄广断裂带控制的裂隙岩溶向深部运移，径流过程中获取围岩的热量，形成地热流体，在北东向断裂与襄广断裂的交汇部位深部地热流体向上运移赋存于浅部并与浅部冷水混合，形成温度异常的地下水，如青热1孔、青热3孔、天兴洲浅层测温异常。

3.2 西部盆山结合带

该区带主要是指江汉盆地与武汉断褶区的结合部位，东以舵落口断裂为界，北以天门河断裂为界，南以石首断裂为界。

地热赋存模式为远源—深埋型(图4)。

图3 襄广断裂带地热赋存模式图Fig.3 Geothermal occurrence model map of Xiangguang fault zone1.志留系；2.泥盆系；3.石炭系—二叠系；4.白垩系—古近系；5.第四系；6.元古界；7.玄武岩8.含砾砂岩；9.粗砂岩；10.粉砂岩；11.泥岩；12.断裂；13.地下水流动方向。

图4 武汉西部盆山结合带地热赋存模式图Fig.4 Geothermal occurrence model map of the western basin edge in Wuhan1.寒武系—奥陶系；2.志留系；3.泥盆系；4.石炭系；5.二叠系；6.三叠系；7.白垩系；8.古近系；9.新近系；10.第四系；11.断裂。

热储层为深埋于志留系之下的寒武系—奥陶系碳酸盐岩，埋深>1 000 m，局部地区超过2 000 m，地热流体赋存于碳酸盐岩的裂隙岩溶或断裂破碎带中，初步判断热储中的地热流体为大洪山区的大气降水远源补给，补给区出露寒武系—奥陶系碳酸盐岩，断裂、裂隙岩溶发育，地下水主要沿深大断裂或发育于深部的裂隙岩溶系统向东穿越江汉盆地到达本区，位于江汉盆地东部边缘的马口地热井揭露了该热储层，水化学资料(低氯，TDS<2 g/L，水化学类型为硫酸钙型水)显示该处的地下水处于地下水系统的径流区[3]，推测地下水仍会向东继续径流并赋存于本区内的热储层中，形成地热田，蔡甸天骄城附近的高地温梯度异常可能就是此类地热田在浅部的反映。

3.3 南部凹陷带

该区带在区域上位于梁子湖凹陷与中部褶皱山地的交接地带，北至猫耳洞背斜南翼，南至武汉市界，东与麻团断裂带相接，西以舵落口断裂为界。

地热赋存模式为近源—深埋型(图5)。

图5 南部凹陷带地热赋存模式图Fig.5 Geothermal occurrence model map of southern sags1.古近系；2.侏罗系；3.三叠系下统；4.二叠系中统；5.二叠系上统—石炭系；6.泥盆系；7.志留系；8.断裂；9.地下水流动方向。

热储层为石炭系—二叠系碳酸盐岩，热储埋深向南部凹陷中心逐渐增大，最深处可能超过3 000 m，热储上覆地层为上二叠统—侏罗系砂岩、泥岩、灰岩、硅质岩，为保温盖层，北部边界附近热储层出露于地表，接受大气降水补给，属近源补给。近源补给的地下水主要通过裂隙岩溶顺层向下运移，地下水温度随着深度的增加逐渐升高，深大断裂发育部位有助于岩溶通道的形成，加速了地下水向深部的运移过程。

3.4 东部麻团断裂带

该区带主要受麻团断裂控制，北以襄广断裂为界，西以北西西向褶皱倾伏端为界，东、南至武汉市界。

地热赋存模式为近源—浅埋型(图6)。

热储层为石炭系—二叠系碳酸盐岩，位于近东西向褶皱东部倾伏端，大体由西向东倾伏，向斜倾伏端热储埋藏较深，背斜倾伏端热储埋藏较浅，补给区位于向斜两翼的石炭系—二叠系碳酸盐岩出露区或背斜倾伏端的碳酸盐岩出露区，属近源补给，来源于大气降水，大气降水通过裂隙岩溶通道或断裂破碎带入渗形成地下水，并向岩层倾伏方向径流，受麻团断裂带内的岩浆岩体阻隔，地下水在此富集并不断聚集热量形成地热田。

图6 东部麻团断裂带地热赋存模式图Fig.6 Geothermal occurrence model map of eastern Matuan fault zone1.奥陶系；2.志留系；3.泥盆系；4.石炭系—二叠系上统；5.二叠系中统；6.三叠系上统；7.三叠系下统；8.侏罗系；9.玄武岩；10.断裂；11.地下水流向。

3.5 北部山区

该区主要指英店断裂以北的低山区。

地热赋存模式为混合—断裂型(图7)，热储岩性主要为片岩、片麻岩，岩层本身裂隙率低，渗透性很差，地热流体赋存于断裂破碎带或局部裂隙交汇破碎带中，地下水在沿断裂带向深部径流过程中逐渐将分散在岩体中的热量加以吸收和积蓄，形成地热流体，多出现在断裂破碎带或两组不同方向断裂的交汇部位[4]，如蔡店乡源泉村泉水温度异常点，即为北东向与北西向断裂的交汇部位。地热流体的补给主要来源于大气降水，补给区包括近源的低山区和远源的大别山区和桐柏山区，可称之为混合源补给。地热流体的温度主要取决于参与对流循环的地下水量、循环深度以及热背景，上述源泉村泉流量较大可能是泉水温度不高的一个因素。

图7 北部山区地热赋存模式图Fig.7 Geothermal occurrence model map of northern mountain region1.新元古代红安群；2.第四系全新统；3.地下水流向；4.泉；5.推测断裂。

3.6 中部低丘区

该区主要是指武汉中部的低丘区，北至葛店向斜南翼，南至猫耳洞背斜南翼，西以舵落口断裂为界，东以麻团断裂带相接。

地热赋存模式有两种，浅部为近源—混合型，深部为封存—深埋型(图8)。

图8 中部低丘区地热赋存模式图Fig.8 Geothermal occurrence model map of central hilly region1.寒武系—奥陶系；2.志留系，3.泥盆系；4.石炭系—二叠系上统；5.二叠系中统；6.三叠系上统；7.断裂；8.地下水流向。

近源—混合型：地热流体赋存于石炭系—二叠系碳酸盐岩的裂隙岩溶中，热储一般规模较小，呈点状分布于向斜与深大断裂的交汇部位，地热流体的补给主要为同一向斜内的地下水，属近源补给，局部地区热储上部覆盖二叠系上统、三叠系，具有一定的保温作用，热储层下部为志留系页岩，透水性差，地下水循环深度受此限制，循环深度仅几百米，因此地热流体温度不高，如三门湖长山头地热田即为此种情况。

封存—深埋型：热储层为深埋于志留系之下的寒武系—奥陶系碳酸盐岩，埋深>760 m，局部地区超过2 000 m，地热流体赋存于碳酸盐岩的裂隙岩溶或断裂破碎带中，区外大洪山区、鄂东南地区同类型岩溶水很难径流进入本区，或仅有少量进入本区，使得区内地热流体很难获得外部补给，同时区内浅部的地下水难以通过巨厚的志留系页岩下渗补给，因此该热储层内多为古封存水，如武五井在揭露热储层后喷出高矿化的氯化、硫酸钠型水，随着时间的延续水量迅速衰减，另外在热储相对浅埋区，浅部可能会出现地温异常，如北湖、市电讯局—原新华路汽车站、集家咀—仁寿路、武昌南湖—炭黑厂—省体校等地。

4 结语

武汉地区中深层地热赋存模式的提出，有助于下一步地热资源勘查工作的开展，使勘查工作目标更为明确，工作布置更有针对性。随着地热勘查、研究工作的深入，对武汉地区地热赋存模式的认识将会进一步加深。

根据各区带的地热地质条件和地热赋存模式提出如下勘查建议：

(1) 优先勘查西部盆山结合带、襄广断裂带、南部凹陷带，再勘查北部山区、中部低丘区、东部麻团断裂带。

(2) 北部山区以断裂带状热储为主要勘查目标，襄广断裂带北侧以深埋的层状砂砾岩热储为主要勘查目标，其他地区则以深部碳酸盐岩岩溶热储为主要勘查目标。

(3) 区内地热勘查深度较大，应充分考虑各种物探、化探及其他新技术方法、手段的应用，获取深部地热地质信息，为钻探揭露提供充分依据。