广西合山煤田隐伏地热找矿前景分析

张福强，赵冠华,2，廖家隆,2，周立坚,2，韦梦蝶,2

(1.广西煤炭地质局，广西柳州 545005； 2.广西煤炭地质一五〇勘探队，广西柳州 545005)

广西合山煤田位于桂中坳陷中部，为二叠系上统海相聚煤盆地。自1905年开始民采，广西煤炭地质一五○勘探队从1956年始，在合山煤田开展煤炭地质勘查工作，积累了丰富的基础地质和科研资料。探明储煤面积260 km2，煤炭资源量6.7亿t，占广西全区的1/3以上，是广西最大的煤田，累计产煤约1亿t，目前中浅部煤层已基本采空，大部分矿井老化实施关闭。2017年，合山市地区生产总值完成33.01亿元，煤炭产量20.12万t(最高产量为1989年250.34万t，仅仅是最高产量的8%)，产值8 135万元，占比为0.024 6%，已经失去战略产业地位[1-2]。2009年国务院确定合山市为全国第二批资源枯竭型城市。近年来，市委市政府大力推进经济转型，发展以矿山公园为代表的特色旅游，取得一定成效。1970年代，在合山聚煤盆地勘查和开采过程中，揭露里兰、石村矿34～36℃的地下热水资源，水量总计大于6 000m3/d[3-5]。开展合山地热预可行性勘查，可以丰富旅游资源种类，增强发展后劲。

广西煤炭地质局，应合山市政府要求，以隐伏地热为主攻目标，对合山煤田地质勘查与开采资料进行“二次开发”，开展地下热水“源(热和水)、通、储、盖”等五个地热系统分析，大致圈定了找矿靶区，预测了地热资源量，属于地热资源调查阶段[6]。经研究，合山隐伏地热具有勘查和开发前景，可以助力煤炭资源枯竭城市—合山转型发展，开展相关勘查工作具有较好的社会意义和经济意义。

1 合山煤田地质概况

合山煤田为一走向北北东，向东突出的弧形向斜构造[7-10]，向斜南北长约30 km，东西宽6～12 km，面积约300km2。向斜西翼平缓，倾角 12°～20°，东翼较陡甚至直立、倒转，倾角 19°～90°，构成不对称向斜。断裂不发育，多为高角度逆断层，主要分布在东翼并且切割破坏了含煤地层，其中北泗坳-河里断层为区域性构造，延伸长度大于100km。

向斜地层岩性及厚度：

第四系(Q)。残积物、坡积物和洞穴堆积物组成，总厚0～30m。

三叠系中统(T2)。百逢组(T2bf)粉砂岩、细砂岩夹泥岩，厚135～280m；

三叠系下统(T1)。北泗组(T1b)灰岩，局部夹白云岩，厚240～530m；马脚岭组 ( T1m) 泥质灰岩夹灰岩、泥岩，厚约270m；

二叠系上统(P3)。大隆组(P3d)硅质岩、硅质页岩，厚27～36m；合山组(P3h)灰岩、燧石灰岩夹煤层，为区内重要煤系，厚110～200m；

二叠系中统(P2)。茅口组(P2m)灰岩，局部夹白云质灰岩、硅质岩，厚400～860m；栖霞组(P2q)燧石结核灰岩、灰岩，下部夹炭质泥岩，厚364～415m。

聚煤盆地地层累计厚度1 182～2 176m。

2 找热潜力分析

2.1 对流型地热异常

2.1.1 里兰煤矿地热异常

里兰煤矿位于合山向斜西翼中部，主采4煤层，1970年5月斜井动工，设计年产45万t原煤，1974年12月竣工。在此期间，发现系列地热异常。

2.1.1.1 里兰煤矿井涌水量与水温

里兰煤矿正常生产时[3]，矿井涌水量约100 m3/h，这些涌水约50%的水温在28℃左右，另外50%的涌水温度30～32℃，少数涌水点水温达35℃以上[3-5]。

2.1.1.2 里兰矿水温异常

里兰矿有两处热水异常涌出点[3-5]，一为8225下山副巷， 初始揭露水量200 t/h，水温32℃，数月后稳定水量130 m3/h，水温35℃，埋深317m，合山向斜正常地温为30.29℃(317m)，异常值4.71℃；一为8223北风巷，水量33 m3/h， 水量、水温动态稳定、水温34.2～35℃，埋深281m，地温场背景值29.46℃，异常值4.74～5.54℃。地热增温率分别为3.79℃/100m和3.99℃/100m，高于合山矿竖井2.15℃/100m和2416孔的2.3℃/100m，异常明显。

异常点初始水温和水量与稳定水温水量的差异，说明地下深部循环上升的热水，有与浅部“冷水”混合的可能，导致水量增大、水温降低；但是，浅部“冷水”水量小于深部“热水”水量，所以，稳定水量为下降趋势，水温呈上升趋势，可以推断，如果循导热构造揭露，在深部可获得更高水温的地下热水。

2.1.2 石村煤矿地热异常

2.1.2.1 地热异常

石村矿竖井1013横穿热水异常点[3]，始见水量240 m3/h，水温32℃，涌水流量稳定后，流量120 m3/h(2 880 m3/d)，水温36℃(埋深300m)。“石村矿热水点是在一走向北西西的张扭性正断层的上盘运移的”[3]。

2.1.2.2 石村地温场

石村二号井井田内恒温带温度为23.1℃，恒温带深度为20m，平均地温梯度值为2.15℃/100m，矿井地温在28.04～33.96℃[3]。地温场背景值29.55℃，异常差值6.45℃。

2.1.3 对流型地热系统分析

2.1.3.1 地热异常特性

里兰矿和石村矿地下热水异常点的特性是始见水量大，水温低，流量稳定后，温度略低，稳定水量小1/3～1/2，水温提高4℃。说明异常点受大气降水和地表水影响较小，热水通过近南北向的逆断层与近东西向张扭性正断层交汇部位的破碎带，对流涌出，形成里兰和石村矿井地热异常，属于以对流为主，兼有传导热复合的地热系统类型。

2.1.3.2 地热异常值

对里兰矿和石村矿井地热异常，从埋深，初始和稳定水量水温和正常地温传导值进行对比(表1)。

上述前人资料，明确说明，里兰和石村矿井存在地热异常，依据正常传导型地温场，埋深300m的地温背景值为28℃，异常值为34.2～36℃，差值为6.2～8℃，异常明显。

2.2 传导型地温场

合山煤田恒温带温度为23.1℃[8]，恒温带厚度20m，埋深500m范围内，平均地热增温率为1.02℃/100m，埋深500～800m范围内，平均地热增温率为2.83℃/100m。合山煤田2416孔，孔深996m，孔底温度46℃；2315孔，950m孔深，地温48.7℃[9](合山煤田勘查地温最高钻孔)。在岩溶发育区域，垂向水动力强度大，迅速径流到深部，地下水温度偏低，如3902孔，-400m处，地温23.6℃，与恒温带温度相差无几，井水温度异常机制不是热传导或热对流，而是水动力作用，参见图1合山向斜钻孔地温曲线图。

表1 合山向斜里兰-石村地热异常

图1 合山向斜钻孔地温曲线图Figure 1 Heshan syncline borehole geotemperature curve

合山向斜地温梯度展布与向斜形态基本一致，浅(翼)部小，深(轴)部大，见图2合山向斜地温梯度等值线图。总之，合山向斜大部分区域属于正常传导型地温场。

图2 合山向斜地温梯度等值线图Figure 2 Isogram of geotemperature gradients in Heshan syncline

2.3 热源条件

合山煤田东翼河里樟村至羊角村一带，云斜煌斑岩呈岩床侵入煤层和煤系灰岩中，侵入时代为华力西晚期或晚于华力西期[9]。

在合山煤田于主采四煤层底部发现过辉锑矿、透闪石等低温热液矿物[3]，推测合山深部可能有隐伏火成岩体存在，为整个向斜提供传导性热源，为深切的北北东向和北西西向(近东西向)含水断裂提供深部对流型热源[3]。因此，本区热源主要来自地壳深部的上地幔及其上部花岗岩壳的热传导，局部可能受断裂影响形成对流式热传递，云斜煌斑岩岩床，由于时代老、体量小放射性产热贡献较小。

2.4 水源条件

合山煤田外缘为岩溶峰林环抱[10]，里兰和石村地热异常区位于合山煤田西北部。自西往北西至南东，依次有高岭、人岭、老虎山、合山、大利山、四月八岭、凤凰山、思烟山、马鞍山和雷山等山脉，构成分水岭。

地表属流河(石榴河)水系，支流有东亭河、柳花岭河和瀑布水三支流在古楼村公所南部汇合，经贡模村北面注入红水河。流河与其支流总长50.45km，集雨面积 134.32km2。河床宽10～20m，最大流量60m3/s，最小流量1.5560m3/s，年径流量90 786km3。年降雨量719.9～1 862.4mm，平均1 160.3mm，集雨面积内平均降水量155 850 km3。水量充沛，有利于补给深部热水循环。西部的红水河对地下水亦有所贡献。

2.5 储热层条件

合山向斜岩溶发育严格受各类断裂裂隙控制，属裂隙-岩溶型地热储层。

对流型地热热储层。里兰对流型地热的储热层主要为北西西向(近东西向)断裂带含水层[11-12]，以正断层为主，逆断层次之，推测为先张后压的张扭性断裂。最佳热储层可能是北西西向和北北东向两组断裂交汇部位，有岩溶孔隙型和节理裂隙型2种，以前者为主。

图3 合山向斜周边山峰及构造纲要图Figure 3 Heshan syncline peripheral peaks and structural outline map

深部(埋深500m以下)以节理裂隙储热为主，岩溶孔隙型次之；大气降水与深部热源可形成有效对流，通道连续活跃。北西西向断裂既是导热构造也是储热构造，地下热水温度较高，水量补给充分，是本次工作的主要目标层位，推测埋深1 300m地(水)温为75℃左右。

传导型地热热储层。合山煤田浅部的储热层为二叠系上统合山组上段中强岩溶含水层、合山组下段强岩溶含水层、二叠系中统茅口组上段强岩溶含水层[11-12]，岩性为中-厚层状泥晶灰岩夹煤层。岩溶发育，连通性好，主要为承压水。受浅部裸露区降水补给和深部地下水径流补给，径流距离长，合山煤田南部的2315孔，950m孔深，地温48.7℃。

合山向斜已经整体勘查完毕，四煤层埋深最大1 100m，考虑到合山组下段(厚65～115m)和茅口组(厚400～860m)，热储层埋深可达到2 000m，推测地(水)温为75℃左右。

2.6 导水构造条件

2.6.1 主要控热构造

合山向斜总体为北北东向构造，中三叠世末，由于本区受西太平洋板块影响，盆山转换结束了海相沉积历史。受西太平洋板块由南东向北西和东南亚地块由南向北的联合挤压作用，产生燕山一喜山期挤压抬升运动，导致合山向斜受到挤压，抬升煤田，东翼发育逆冲推覆构造[13-15]。

东翼逆冲推覆构造，走向北北东，走向长大于100km。控制了合山向斜东翼的形态。

对整个合山向斜进行构造行迹的力学分析，可以看到向斜和东翼逆断层走向方向，处于应变椭圆的拉伸方向，主应力为西太平洋板块由南东向北西的压应力，相应的在压应力方向产生了NWW向的张性断裂。石村矿于-207m水平发生的突水，水量高达3 400 m3/h，实地观测为NWW方向上的断裂，而且与NE向断裂没有沟通。热储及通道为与逆断层联通的北西西向(局部为近东西向)正断层，里兰煤矿井下8223北风巷和8225下山副巷地下热水涌出异常点的连线方向，即为290°(北西西向)，可为上述地应力分析佐证(图4)。

图4 合山向斜应变椭圆示意图Figure 4 A schematic diagram of Heshan syncline strain ellipsoid 说明：A-A′为北北东向，发育北北东向逆断层；C-C′为北西西向，发育先张后扭正断层。后期配套发育北东向、北西向较弱的剪性(平移)断层。

NNE向北泗坳—河里逆断层属于区域性的大塘-北泗大断裂中部，延伸大于100km，据2016年9月的新闻报道[16]，合山市附近发生4.1级地震，震源深度5km，为沟通地壳深部的导热构造。据此，以2℃/100m的地热增温率估算，NNE向逆断层切割深度的热源温度也在120℃以上。

2.6.2 新构造对导水通道的影响

垂直升降运动。广西新构造活动主要是继承性的[17-18]，表现在垂直运动上为全区性抬升。具体形式是：全区掀斜性抬升，局部掀斜性抬升和抬升作用有明显间歇性。断裂存在垂直差异运动。广西地震部门依据1957—1987年大地水准测量资料，计算桂中最大抬升速率为0.7mm/a，在桂北，该速率达4.7mm/a，桂西也达3.0mm/a，东南沿海的抬升速率仅有0.47mm/a。桂西地区，拾升速率在南宁只有1.27mm/a，比其西的田林抬升速率小1.73mm/a。玉林附近抬升速率比东南沿海高0.51mm/ a。桂林-柳州-南宁-凭祥一线的差异性升降，导致在合山发育深度较大的北西西向正断层产生，有利于地下水的深循环。

图5 广西近期地壳垂直形变速率图Figure 5 Recent vertical crustal deformation rates in Guangxi

频繁的地震活动。近年来，新构造时有发生。1984年11月，里兰东南面发生1.6级地震[10]。2016年9月，合山市附近(北纬23.64度，东经108.95度)发生4.1级地震[16]，震源深度5km；本次地震周边20km内的乡镇有迁江镇、平阳镇、河里乡、桥巩乡、石陵镇、岭南镇等；震中距合山市20km，距来宾市30km，距南宁市112km(图5)。

此类构造时代新，胶结差，导水赋水性强，往往构成地热系统中热水通道和浅部热水分布的控制性构造，为良好的导水通道和热储层。

2.7 盖层条件

合山热储层“有盖有垫”。合山煤田的隔水层由新至老依次有中三叠统百逢组隔水层、下三叠统马脚岭组下部及底部隔水层、上二叠统大隆组隔水层、合山煤层隔水层、合山组底部隔水层、栖霞组下段隔水层。

在合山煤田未采动区，有2层隔水层，主要的马脚岭组下部和底部隔水层与大隆组隔水层总厚大于300m，盖层条件良好。

栖霞组下段隔水层组成向斜独立水文单元的边界，厚364～415m，是二叠系上统合山组上段中强岩溶含水层、合山组下段强岩溶含水层、二叠系中统茅口组上段强岩溶含水层等传导型热储层的下伏地层，从热储(水)角度分析属极佳的“兜底层”，使得热储层水量丰富，不至于“有热无水”。

3 讨论

3.1 地下热水成矿前景

矿井地热(害)，首先是作为矿山井巷开采有害因素研究和治理的，我国自新中国成立后，才开始研究矿热，进入21世纪开始作为旅游资源和能源研究和开发[19-21]。多年研究证明：矿热(害)以高温岩层传导散热为主，高温热水涌出对流为辅。传导散热受岩石性质制约，金属矿物、结晶盐岩、膏岩及石英具有高的热传导率，致密坚硬的灰岩、花岗岩、变质石英岩、石英岩等，同样较高，煤层、泥页岩和粉砂质岩石较低。据测试及统计，煤的热传导率小于0.5W/(m·K)，灰岩的热传导率大致在2～3W/(m·K)之间，这很好解释了合山组地层既是盖层同时也是储层。煤系之下的茅口灰岩为良好的热储层，通过合山向斜内部的小规模断层，茅口灰岩蕴含的热源，主要以断层构造热水对流形式，在浅部的煤层下盘形成迅速、大量的热交换，其次通过岩层的传导形式形成缓慢、小量的热交换。合山煤矿存在的明显地热异常，即属于中低温对流-传导复合型地热系统。

3.1.1 对流型地热找热前景分析

依据合山向斜地温条件，恒温带温度为23.1℃，恒温带深度为20m，对流型地热梯度4℃/100m。埋深600m地温可达47℃，埋深1 000m地温可达63℃，1 300m埋深地温可达75℃，寻找地下热水前景优良。对流型地热为本次工作的主攻目标。

3.1.2 传导型地热找热前景分析

依据合山向斜地温条件，恒温带温度为23.1℃，恒温带深度为20m，传导型地热梯度2.15℃/100m。埋深900m地温可达42.5℃，1 300m埋深地温在50℃左右，可以达到温泉洗浴用水水温要求。合山煤田地温最高的2315孔，950m埋深温度为48.7℃。

自中二叠统茅口组至三叠系百逢组，合山向斜卷入地层累计厚度1 182～2 176m。茅口组是理想的热储层，其埋深在1 000～1 500m，预测地温45～60℃。

3.2 找热方法分析与建议

合山煤田地下热水仅仅在矿井中发现，地表没有温泉出露，属于隐伏型地热。地下热水主要受断裂构造控制、地温增温率不一定为线性[25-26]，不可预见因素较多，找矿难度大。在预可行性勘查阶段，要加强综合研究，发掘前人资料，了解煤井施工矿热详细资料，实施高精度重力剖面测量、微动测深、可控源音频大地电磁测深等综合物探方法，查明区内地热资源地球物理组合响应表现，综合地温、横向波速、电阻和重力梯度带等异常特征[27-29]，分析掌握导热、控热、储热构造的赋存状况，圈定地热验证钻孔孔位，实施地热异常揭露。

4 结论

合山煤田是广西地质工作程度最高的煤炭生产基地，积累了大量的煤炭地质勘查和开采的资料，获得地热异常的温度、埋深、增温率等地温场参数。本次研究对前人获取的宝贵资料开展“二次开发”。分析总结了区域内的地层、构造和岩浆岩条件，从“源(热、水)、通、储、盖”等五个地热系统分析找矿前景；依据分析结果得出如下结论。

(1)热源以地壳深部为主，通过深切断层产生对流型地热，通过岩石传输热量产生传导型地热；

(2)水源主要为大气降水，水量充沛，大致在合山向斜独立水文单元循环；

(3)北北东向区域大断层大塘-北泗，为沟通深部热源的导热构造；

(4)北西西向张扭性断层，先张后扭，喜山期地壳差异性上升，进一步予以“松弛”成为良好的储热构造；

(5)热储盖层厚300m、下伏“盖”层厚364～415m，顶底双全，热储介质(水)不易流失逸散，使得热储层水量丰富，不至于“有热无水”；

(6)初步认为合山向斜含水层深度可以达到1 000～1 500m以深，如果施工地热深孔，在800m～1 300m之间予以揭露，可能获得对流型孔底水温56～75℃，传导型孔底水温40～55℃的地下热水，水量总计大于6 000t/d，可以满足17 000人洗浴需求，具有传导和对流复合型地下热水找矿前景，建议尽快实施勘查验证。