神农架林区高家屋场地热资源成因类型探讨

李小勇， 伍姝珊， 张晓红

(1.湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100； 2.宜昌顺安地矿工程技术有限公司，湖北 宜昌 443000)

神农架林区红坪镇温水河村高家屋场地热异常区内分布有2处天然温泉，多年总自流量在2 600 m3/d左右，温度为17.5～28.0 ℃。通过对该地热异常区开展综合水文地质调查、物探和地热深井钻探，并进行地热资源成矿条件分析及可行性技术论证，最终在神农架林区实现地热资源勘查新进展(水温40.3 ℃，水量1 800 m3/d)。

1 地质概况

1.1 地形地貌

神农架林区自印支运动末至燕山运动初，发生了强烈的褶皱和大面积的掀斜，奠定了区内地貌骨架——构造侵蚀中山—高中山区。根据地貌形态特征和成因类型，可分为构造溶蚀地貌、溶蚀侵蚀地貌、剥蚀侵蚀地貌和堆积地貌等地貌单元。

林区山脉属大巴山脉余脉神农架山系，走向与区域构造线一致，呈近东西向延伸。区内峰峦叠嶂、峡谷纵横，总体地势表现为以神农顶为中心向四周逐渐降低。区内最高点为神农顶，海拔标高为3 105.4 m(也是华中地区最高点)，最低点为下谷坪乡的石柱河，海拔标高为398 m，相对最大高差2 707.4 m。

1.2 地质构造

神农架林区大地构造位置处于扬子陆块神农架基底穹隆。神农架基底穹隆在平面上呈近等轴状，穹隆核部为中元古界神农架群，构成两个背斜和一个向斜，自西向东依次是神农架短轴背斜、木鱼坪向斜、犁花坪背斜。南华系—古生界地层围绕神农架群周缘分布，并向四周倾斜。受后期构造影响，区内地层产状较零乱，倾向各异，倾角20°～55°不等。

区内断裂构造较发育，其中规模较大的断裂为新华断裂(正断层，全长约360 km)和阳日湾断裂(逆断层，全长>120 km)(图1)，两者在晚近期均有活动迹象，沿断裂带见温泉出露，并有地震发生。

黄宝坪断层位于神农架基底穹隆北翼，是高家屋场地热异常区的主要导水和导热构造。该正断层总体倾向25°～33°，倾角为70°～80°，至高家屋场一带转为倾向南西(倾向248°～255°，倾角46°～53°)，全长超过14 km，破碎带宽30～60 m，破碎带物质主要为构造角砾岩和构造碎裂岩，被白云质、泥质半胶结。黄宝坪断层具多次构造活动特征，在高家屋场地一带可见断裂中充填辉绿岩脉，并在岩脉中见不同方向的擦痕；沿断层下盘的断裂带出露2口温泉。

图1 湖北省地质构造略图

2 水文地质条件

2.1 气象与水文条件

神农架林区属北亚热带季风气候。区内多年平均气温在10 ℃左右，夏季湿润多雨，冬季温和少雨，年平均降水量为800～2 500 mm，降水量随海拔的增高而增加，年平均蒸发量为500～800 mm。全年80%的时间盛行东南风。

区内共有香溪河、沿渡河、南河和堵河四大水系，发育大小河流计317条。河谷具明显幼年期特征，横断面多呈“V”形，谷深陡险、地形坡降大、水流湍急。区内多年平均径流总量约22亿m3，水能资源十分丰富。

2.2 地下水类型及其补给、径流与排泄条件

2.2.1地下水类型

神农架基底穹隆核部由神农架群构成，神农架群岩性主要为白云岩与灰岩，次为以砂岩、页岩为主的碎屑岩类，再次为火山岩。环绕神农架群基底周缘分布下志留统、奥陶系、寒武系、震旦系和南华系沉积盖层，除下寒武统牛蹄塘组与石牌组、下震旦统陡山沱组下部与南华系多为碎屑岩外(构成隔水或相对隔水层)，余者主要由碳酸盐岩构成，约占分布区盖层总厚度的80%和出露总面积的90%。

神农架群基底岩石及其上覆的沉积盖层主要由具可溶性的碳酸盐岩(白云岩、灰岩)构成，含溶隙水与溶洞水，富水性中等—极强，泉流量一般为1～10 L/s，最大可达204.0 L/s。区内地下水类型主要为岩溶水，次为裂隙水。

神农架群上亚段石槽河组是高家屋场地热异常区的主要岩溶含水层。石槽河组(包含下伏大岩坪岩楔)总厚度>3 000 m，主要由白云岩和灰岩组成，夹粉(细)砂岩、页岩和砂砾岩等。受岩石组分、结构及岩溶裂隙发育程度等因素影响，石槽河组中的白云岩、灰岩与白云质灰岩含溶隙水，泥质与炭质白云(灰)岩、硅质岩及粉(细)砂岩等则具隔水或相对隔水性能。垂向上，石槽河组含水层(段)与隔水层(段)相间分布，具多层层状地下水结构。结合岩屑录井资料判断，在高家屋场地热钻井2 350 m深度范围内，自上而下可划分出14个含水层。天然状态下，石槽河组各含水层(段)之间的水力联系不密切。

2.2.2地下水补给、径流与排泄条件

高家屋场地热异常区位于神农架基底穹窿北翼，处于中元古界神农架群上亚段石槽河组大面积露头区的前缘倾伏端，并属地层总体倾向北北西—北东向(倾向342°～26°，倾角28°～55°)的单斜蓄水构造。

区内石槽河组分布面积约45 km2，其在露头区充分接受大气降水补给后，受构造影响与控制，地下水自穹窿核部向北北西—北东方向运移，在浅部以泉水和谷底泄出的方式排泄，在深部则沿岩溶裂隙和构造裂隙等向区域最低排水基准面(汉江)缓慢运移、排泄。

区内地下水在径流途中，由于受充填于黄宝坪断层(带)及两侧破碎岩体中具阻水性的辉绿岩脉阻隔，限制了地下水向当地最低排水基准面(温水河)运移，导致上、下各岩溶含水层(段)中的地下水均滞留于高家屋场一带。黄宝坪断层深切地层并经多次后期构造活动影响，沟通了集聚于高家屋场一带的浅部和深层地下水，并与断裂带水混合后沿断层破碎带以上升泉的形式出露地表(图2)。

图2 高家屋场一带地热资源成矿模式图

3 地下热水形成条件和成因类型

3.1 地下热水形成条件

地下热水的成生条件较苛刻，影响因素繁多，但必须具备“盖”、“储”、“通”、“源”、“滞”五个基本条件[1-2]。盖(热储盖层)，是指要有分布范围较广和厚度较大的保温盖层，如透水性差并具隔水隔热或相对隔水隔热的泥岩、页岩及粉砂岩等。储(热储层)，是指盖层以下要有厚度大或较大，且具有一定容水空间的层状或带状地层，如可溶性的碳酸盐岩、裂隙或孔隙发育地层及充(导)水断裂带等。通，是要有畅通的地下水补给与径流条件，以及导水(热)构造、节理裂隙、溶隙等通道。源，即要有丰富的热源、水源和矿物质来源。滞，是指必须具备深层承压水的滞留环境条件(如长距离的水平径流滞缓带、向斜蓄水或阻水构造)，为地热流体在深循环过程中充分吸收围岩和地球深部等热能创造条件。

3.2 地下热水成因类型

3.2.1热储层和热储盖层的分布与特征

从地层岩性、地质构造及地下水的补径排条件综合分析，高家屋场地热异常区兼具层状热储和带状热储。

(1) 层状热储。石槽河组因物质成分、结构构造及岩溶裂隙发育程度的不同，在白云岩、灰岩和白云质灰岩岩性段中含溶隙水，构成赋存地下热水的层状热储层；而泥质与炭质白云(灰)岩和碎屑岩岩性段具隔水(热)或相对隔水(热)性质，是本区良好热储盖层。由于区内石槽河组中的含水层与隔水层相间产出，故具备形成多层热储层的条件。

(2) 带状热储。黄宝坪断层呈近东西向展布于石槽河组露头区北缘。该断层历经多次构造运动的改造与叠加，破碎带宽30～60 m，胶结疏松，有利于地下深部的热源通过断裂带导热，继而形成带状热储。区内主要为自然梯度增温，总体上具有温度随深度增加而逐渐升高的特点，增温率为0.78 ℃/100 m(图3)。此外，由于地下深部热源通过带状热储的持续导热和增温，增强了断层两侧碳酸盐岩类地层的岩溶作用，扩大层状热储的容水空间。而充填于断裂带中的辉绿岩脉和分布于石槽河组中的热储盖层，则是防止带状热储输送到地表出现热量散失的保障(表1)。

图3 高家屋场地温测量成果图

多层层状热储和带状热储为形成地下热水资源提供了较为广阔的容矿空间，然而由于受当地及周边地形深切影响(石槽河组露头分布区地形高差最大>1 200 m)，位于本区地热增温带(图3)之上的各热储盖层的完整性和保温性均不理想，且各热储盖层之间均赋存有较丰富的低(常)温水，从而使深部的(当地地热增温带以下)地下热水在上升过程中受冷热交换作用影响而降温。而在当地地热增温带以下，热储盖层才能较好的发挥其保温性，但需实施深井穿过热储盖层一定深度，并有效封闭上部的低温含水层(段)后才有可能取得较理想的地下热水。高家屋场地热钻井采用套管封闭深度至1 600 m，取得了良好的效果(图2)。

表1 高家屋场地下热水资源成果一览表

3.2.2地下热水成因类型

如前文所述，石槽河组在露头区接受大气降水补给后，形成的地下水主要顺地层倾向自南向北径流，并在运移过程中受地球深部热源的增温作用影响而升温。地下水运移至高家屋场附近，受到充填于黄宝坪断层带中的辉绿岩脉阻隔，导致在此滞留、集聚的石槽河组各层岩溶地下水通过断层破碎发生混合，并接受构造导热增温，最终沿导水断裂带以低温热泉(17.5～28.0 ℃，高出当地多年平均气温7.5～18.0 ℃)的形式在地表自流并显示地热异常。由于区内可供开发利用、较理想的地下热水资源埋深过大(约900 m，即位于当地地热增温带以下)，只能通过施工深井才能提取。

综上所述，高家屋场地热资源为“侧向径流补给—层状热储+带状热储—大地热流传导供热”模式，即层状热储—张扭性断裂带导水的深层循环地下热水资源成因类型。

4 结论与建议

本文系统总结了高家屋场地热的水文地质条件、地下热水形成条件，提出该地热为层状热储—张扭性断裂带导水的深层循环地下热水资源类型，建立了高家屋场地热资源成矿模式，对同类型地热资源勘查工作具有参考意义。

建议加强水文地质工作和地热资源成矿条件与成矿规律研究，并以求是务实精神执行可行性技术论证，助推地热资源勘查工作的良性发展。