湖南宜章县一六地区地热资源特征及成因研究

陈志永 朱天林

摘  要  通过对宜章一六地区地热资源区域地质背景、地质及化学特征的分析研究，发现该区地热资源为断裂型地热资源，地热能来源于深部的岩浆岩体。深部的热能沿深大断裂上升到地壳浅部的热储层中，以大气降水为主要来源的地热水在次级断裂、节理和岩溶裂隙等通道的作用下循环加热和升温，最终形成了该区丰富的地热水资源。

关键词  地热水;地质特征;化学特征;成因

中图分类号：P641.7               文献标识码：A

Research on Geological Features and Genesis of Geothermal Resources in Yiliu District， Yizhang County， Hunan Province

Chen Zhiyong ， Zhu Tianlin

（Southern Hunan Institute of Geology and Survey， Chenzhou Hunan 423000）

Abstract： The regional geological background， geological features and chemical characteristics of Yiliu District， Yizhang County， Hunan Province were studied and analyzed. The results show that the geothermal resources in the area belong to the fracture-type. Geothermal energy comes from deep magma rocks. The thermal energy from the deep-seated rises along the deep-large fault to the thermal reservoirs in the shallow part of the crust. Atmospheric precipitation is the main source of geothermal water and it is heated and warmed by the circulation of secondary fractures， joints and karst fissures and other channels.The rich geothermal water resources are formed finally.

Keywords： geothermal water; geological feature; chemical feature; genesis

地熱资源作为绿色能源之一，已被广泛应用于采暖、热供水、医疗、旅游、娱乐及养殖等领域和行业中[1， 2]。湖南省自显生宙以来中新生代特殊的地质构造背景，形成了丰富的地下水资源[3]。湖南宜章地区作为湖南省内地热资源异常区之一，其地热水多受断裂控制，多数地热水资源均可作为温泉疗养开发利用，具有巨大的开发利用前景[4]。

基于此，笔者在从事湖南省宜章县一六地区地热水资源勘查过程中（项目名称：湖南省宜章县一六地下热水资源预可行性勘查，项目编号：201203089），认为该区热异常明显，有良好的勘查潜力。因此，笔者在结合相应地质工作及采样分析数据基础上，对该区地热水的地质特征、化学特征及成因进行了较详细的探讨，以期为后续该区的相关勘查工作及开发利用提供某些启示。

1  区域地质背景

研究区位于南岭东西向复杂构造带的北端，加里东隆起带与印支—燕山凹陷带的交汇地[5]。在漫长的地质历史时期中，多期次构造运动的复合、叠加和改造作用导致区内构造条件错综复杂，形成了以北北东向断裂构造和褶皱为主的区域构造格架。区内出露的地层由老至新包括寒武系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系及第四系。在岩性特征上，寒武系主要为一套石英砂岩夹板岩，泥盆系和石炭系均为一套碳酸盐岩（以白云岩为主）夹砂岩和页岩，二叠系为一套灰岩、粉砂岩及页岩夹煤层，三叠系为一套砂岩夹页岩及煤层，白垩系为一套陆相沉积的砂砾岩夹页岩，以及第四系的残坡积松散堆积物。

区内出露的岩浆岩体主要为分布于潭源洞—通天蜡烛—天井山一带的大东山岩体，为燕山早期形成的中深成岩基侵入体，距区内地热源约8 km。在岩性上，大东山岩体中心相为粗粒斑状角闪石黑云母花岗岩，过渡相为粗粒黑云母花岗岩，边缘相是细粒斑状（或细粒）花岗岩和中粒斑状（或中粒）花岗岩，其中以中心相分布面积最大。大东山岩体作为主要的热源，为区内地热水的形成提供了热源。此外，区内矿产资源相对匮乏，金属矿产和非金属矿产资源少，仅在大东山岩体与围岩接触带附近有硅灰岩分布，在泥盆系和石炭系地层中有石灰石矿分布。

2  地热田地质特征

研究区内有出露温泉十三处，从岩体的中心至岩体和围岩的接触带，以至岩体的西边和北边的红层盆地中或灰岩褶皱中都有出露，均围绕大东山花岗岩岩体分布（图1）[6]。此外，研究区内地热水一般受地层岩性、地质构造等诸多因素的控制，断层和岩性通常为地热区的边界条件。规模较大的断裂带及其上盘的张性、张扭性裂隙系统在深部起着导热作用，次一级断裂带在浅部起着导热、导水和储存热能、热水的作用。通过项目区的40 km2 1：1万水文地质测量、900个综合物理点、600 m浅孔测温、1200 m地热钻探等工作，结合已有地质资料，获得以下地热田地质特征认知。

2.1  地层岩性

研究区内出露地层主要为泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系及第四系。中泥盆统东岗岭组（D2d）和上泥盆统（D3）为一套浅海碳酸盐岩组合;下石炭系统岩关阶孟公坳段（C1ym）、大塘阶石磴子段（C1ds）、测水段（C1dc）、梓门桥段（C1dz）、上石炭统壶天群（C2h）为一套以白云岩为主的浅海相碳酸盐岩夹细碎屑岩及煤层组合;二叠系下统（P1）和上统龙潭组（P3l）均为一套浅海碳酸盐岩及碎屑岩夹煤层组合;上三叠统小坪群（T3xp）为一套砂岩夹页岩及煤层组合;上白垩统南雄群（K2n）为一套陆相粗碎屑岩组合;第四系（Q）为残坡积层或冲积层，位于丘陵谷地或沿冲沟分布。研究区内地热水的热储层主要包括孟公坳段（C1ym）、梓门桥段（C1dz）、壶天群（C2h）、龙潭组（P3l）、小坪群（T3xp）、南雄群（K2n）及大东山岩体（γ52）内。

2.2  地质构造

区内构造极为发育，主要表现为褶皱和断层构造。区内主要褶皱有天堂复向斜、观音寺向斜和马头庙倒转复背斜。天堂复向斜位于区内西侧狮子岭一带，由二叠系地层组成向斜核部，石炭系地层组成两翼，两翼发育有次级平行褶皱。观音寺向斜位于区内中部观音寺一带，由下石炭统大塘阶梓门桥段组成向斜核部，下石炭统大塘阶测水段和石磴子段、岩关阶孟公坳段和上泥盆统地层组成两翼。褶皱北东段两侧皆伴生有走向断裂，形成单斜构造。马头庙倒转复背斜位于区内东侧马头庙一带，由中泥盆统东岗岭组地层组成背斜核部，上泥盆统和下石炭统地层组成两翼。区内断层构造发育，断层纵横交错，组合复杂。断层走向主要呈北西向、北东向及北东东向三组。

2.3  巖浆岩体

研究区内岩浆活动强烈、频繁，岩浆岩体主要为酸性的大东山岩体。岩浆活动时期主要为燕山早期。岩性特征主要为斑状角闪石黑云母花岗岩及粗粒—细粒黑云母花岗岩。主要的矿物组合为石英、钾长石、斜长石和黑云母，次要矿物为角闪石，副矿物为磁铁矿、磷灰石、锆石及榍石等。

2.4  水文地质条件

根据水文地质条件分析结合研究区内的地层组合、岩性特征及地下水赋存条件，可将地下水划分为松散的孔隙水、岩溶水及基岩裂隙水三种类型。首先，孔隙水主要分布于河流阶地和河漫滩内，由第四系冲积含水层组成。上部主要为棕红色黏土、亚黏土;下部为砂砾卵石层。该层泉水出露少。其次，研究区内岩溶水含水岩组包括泥盆系中统东岗岭组、泥盆系上统、石炭系下统孟公坳组、石磴子段、梓门桥段、石炭系中上统壶天群、二叠系和白垩系上统南雄群灰岩、白云质灰岩、白云岩和砾岩，为覆盖型岩溶分布区，岩溶发育深度可达250 m左右，深部溶洞多为黏土、粉质黏土充填，区域内地下热水多赋存于该含水岩组。最后，基岩裂隙水含水岩组为寒武系下组、石炭系下统测水段、三迭系上统小坪群的石英砂岩、砂岩和燕山期花岗岩。该类含水层泉水出露少，含水量贫乏。

3  地热流体化学特征

通过对项目区40 km2 1：1万水文地质测量和水质分析（温泉水质化学全分析，由湖南省矿产测试研究所承担），以及通过地热钻探孔按规范执行抽水试验和地下水长期观测获取的温泉水温资料，获得以下地热流体化学特征认知。

3.1  地热流体特征

研究区内地热水补给主要来源为大气降水，区内断裂构造和节理裂隙为地热水的补给、径流和排泄提供了良好的通道。深大断裂带在深部起着导热作用的同时，次一级的浅层断裂在浅部起着导热、导水、储存热能及热水的作用。此外，碳酸盐岩地层中较为发育的溶洞和岩溶裂隙等也为地下水和热能的储存提供了有利的空间。通过对研究区内地热水的长期观测发现，其水位、水量和水温变化均不大，均属于稳定性。

在研究区内的十三处温泉中最高温度为47℃。其中，40℃以上的有六处，40～30℃的占五处，23～30℃的有二处。这些温泉都不同程度地与地表水及地下水相混，表现出水量增大而温度相应下降的特征。一般在流量7.0L/S以下的温度较高，当流量大于7.0L/S时则温度较低。另一方面，地热水的化学性质亦随其出露条件及与地下水、地表水相混程度的有所不同。出露于大东山花岗岩几中或与龙潭组灰岩接触带的为HCO3—Ca型水，矿化度﹤0.2 g/L，二氧化硅含量45～90 mg/L，氟含量﹥4 mg/L;离开岩体在灰岩或在红层中的为HCO3—Ca（Mg）型（西部）或SO4·HCO3-Ca·Mg型水（西北部），矿化度﹥0.2 g/L，在北部﹥0.7 g/L，最高达1.62 g/L，二氧化硅含量为15～53 mg/L（个别达90 mg/L，氟含量﹤6.0 mg/L）。一般而言，水温较高的温泉，其中二氧化硅及氟的含量较高。

3.2  地热流体化学成分

根据研究区内地热水的温度，可将其化学成分分为两种类型，即较高温度的地热水和常温地热水。较高温地热水的水化学类型以SO4·HCO3—Ca·Mg为主，SO42-含量特别高，为378.62～815.14mg/L。其次为HCO32-、Ca2+、Mg2+、H2SiO3和F-，分别为189.16～360.02 mg/L、84～286 mg/L、16.29～48.31 mg/L、11.89～43.31 mg/L和0.22～1.35 mg/L。对其水质进行分类，属于极硬水。同时，地热水中还含有高含量的Sr（2.26～5.93 mg/L）和溶解性总固体（908.26～1418.58 mg/L）。

常温地下水化学类型以HCO3—Ca为主，除HCO32-含量较高外（85.43～311.2 mg/L），其余Ca2+（43.76～143.8 mg/L）、Mg2+（3.47～17.14 mg/L）、SO42-（15.14～217.37 mg/L）、F-（0.08～0.24 mg /L）、H2SiO3（6.91～8.03 mg/L）等含量均较低。此外，地热水中也表现出较低含量的Sr（0.139～0.209 mg/L）和溶解性总固体（302.72～816.6 mg/L）。

4  地热水成因分析

4.1  热源

从大地构造位置上看，研究区内构造和岩浆活动频繁。区内岩浆岩体主要为大东山花岗岩基，且区内出露的十三处地热水均主要分布于岩体内或岩体于围岩的外接触带附近。表明在大东山花岗岩基形成后，该区的热带活动仍然频繁且强烈，并在深部可能存在较高温度的燕山晚期侵入体，使地下水在深部循環过程中受岩浆岩体的余热升温，并沿断层破碎带迁移至地表。此外，对该区地热水进行镭含量采样分析。分析结果显示地热水中镭含量较低，为2.29×10-13 ～54.46×10-13g/L，指示放射性元素衰变释放热能对地热水的加热作用不是很明显。因此，上述分析表明大东山花岗岩基是区内地热水热能的主要来源。

4.2  构造条件

研究区自显生宙以来经历了加里东运动、印支运动、燕山运动及喜马拉雅运动等多期次构造运动的复合、叠加作用，形成了极为发育的构造条件。野外调查和已有地质资料显示，研究区内断裂构造主要发育有北西向、北东向及北东东向三组。北北东向为主的深大断裂作为连接深部热源的通道，对地热水起着的循环和加热的作用。北西向和北东向的次一级断裂为地热水的补给、径流、排泄、导热、导水及储存热能等方面提供了有利的空间和通道。

4.3  成因模式

基于上述研究分析，本文对湖南宜章一六地区地热水资源提出如下成因模式（图2）。

北北东向的深大断裂作为区内的导热构造，将深部的岩浆岩体热能传递到地壳浅部的次一级断裂构造并进入地壳浅部的热储层中。同时，以大气降水为主要来源的地下水随基岩裂隙、岩溶孔隙和断层破碎带下渗到下石炭系统岩关阶孟公坳段（C1ym）、大塘阶石磴子段（C1ds）、上石炭统壶天群（C2h）、上二叠统龙潭组（P3l）、上三叠统小坪群（T3xp）、上白垩统南雄群（K2n）以及大东山岩体内等热储层中。地下水在这些热储层中沿着次一级断裂和裂隙构循环流动过程中，不断吸收热能使水温升高。最后，以砂岩及页岩为主的下石炭统大塘阶测水段（C1dc）和地壳表层的黏土及砂砾石层作为稳定的隔水层，对地热水起到保温作用的同时，也有效阻止了地热水的流失。

5  结论

湖南宜章一六地区地热水资源明显受断裂构造的控制。北北东向的深大断裂将深部的岩浆岩体热能传递到地壳浅部，以大气降水为主的地表水沿着节理、断裂构造以及岩溶裂隙进入到相应的热储层中循环、加热和升温，形成地热水。同时，在下石炭统大塘阶测水段（C1dc）和地壳表层的黏土及砂砾石层作为隔水层的作用下，对地热水起到保温和隔水作用，形成了该区丰富的地热水资源。

参考文献/References

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