神农架林区武山湖地热发育规律与成因研究

肖友发，赵子良，秦志刚

(湖北省地质局 第四地质大队，湖北 咸宁 437100)

武山湖地热田位于神农架林区阳日镇西南的神农架武山湖大坪村三组关门河一带，隶属阳日镇行政管辖范围。南距武山湖磷矿白垭矿区约1.8 km，东北直线距阳日镇约4 km，有矿区运输的石子路直达阳日镇，2019年已开始建设旅游高速公路和高铁，交通较便利。

2017年7月—2019年1月，湖北省地质局第四地质大队对神农架林区阳日镇武山湖地区开展地热勘查，通过专项地热调查、物探和钻探工作，成功打出五口地热井，温度在35～45 ℃。本文分析研究武山湖地热田的形成机制，旨在对今后神农架林区的地热资源勘查和开发利用具有一定的借鉴和指导意义。

1 矿区水文地质条件

勘查区出露地层主要为古生界及元古界，含(隔)水层大致可分为以下几类：

(1)第四系全新统(Qhal+pl)孔隙潜水含水层。地层为冲洪积物，岩性为含砾粉质粘土及砂砾石层，零散分布于关门河河床及沿岸，层厚一般为0.5～14 m。

(2)寒武系—奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙潜水含水层。古生界奥陶系中—上统宝塔组(O2-3b):生物碎屑灰岩、泥质灰岩；古生界奥陶系下统牯牛潭与南津关组并层(O1n-g)生物碎屑灰岩、泥质瘤状生物屑灰岩；溶蚀现象较发育，见有溶孔、溶槽，未见泉水出露，层厚9.23～120.01 m。

图1 勘查区地热地质图

元古界震旦系下统陡山沱组(Z1d)：该层为神农架林区含磷主要层位，主要岩性为泥质白云岩。总层厚199～574 m。钻孔中未揭露该含水层，据对白垭磷矿区的访问，矿硐曾有水向上涌出地表，具有承压性，在地面调查中未发现泉点，岩石见少量溶孔及溶槽。

2 构造

2.1 区域构造格架

神农架—保康地区构造复杂，以青峰断裂、阳日—九道断裂、板桥断裂、新华断裂四条深大断裂为基本格架，控制着区内地层、岩浆活动及矿产的分布(见图2)。

图2 区域构造格架略图

区内出露的温泉地热点基本上分布在新华断裂两侧，如保康寺坪地热，泉点出露水温34 ℃，中化地质矿山总局湖北地质勘查院2019—2020年进行了勘查，施工了一个地热勘查井，为承压水，水温29 ℃，日出水量约700 m3。保康县马桥镇马桥地热，水温34 ℃，日出水量1 067 m3。阳日镇武山湖地热，水温在34～45 ℃。该地热位于新华断裂西部，初步判断武山湖地热田分布在新华断裂的次级断裂上。

综上所述，新华断裂为区域上的深大断裂，切割深度较深，成为深部地热流向地表的通道。

2.2 勘查区构造

勘查区位于北东走向背斜核部东翼，断裂较发育，主要有5条断裂，分别为近东西向、北西向、北东向和近南北向断裂(见图1)。

2.2.1近东西向断裂

F2：为压扭性断裂，走向近东西向，穿过勘查区中部，与F3、F7有交叉现象，可见长度1.2 km，断面呈“S”型，断面上部产状200°∠42°，下部产状208°∠71°。为阻水断裂。

F4：发育于勘查区南西，走向93°，断面产状3°∠78°，沿构造面见压性角砾岩，角砾层呈次圆状，成分为灰岩。整个破碎带宽度约2.5 m，可见长度约500 m，为正断裂。与其它断裂未见有关联。

2.2.2北西向断裂

F3：发育于勘查区中部，为正断层，走向310°，倾向北东，产状40°∠32°，上盘下降约24 m，长度约553 m。在武山湖水库中沿F3方向有密集的冒泡现象，宽度为20～30 m。

断层在东南段斜切灯影组，在神汤温泉处与F2交叉，中北段切割牛蹄塘组及石牌组隔水层，在SHK05、SHK06中间与F7斜交。

地表可见破碎带宽5～23 m，在东南段神汤温泉附近见宽约20 m的硅帽，长度约330 m。钻孔内硅化现象发育，揭露厚度160～230 m，岩石破碎，溶蚀裂隙极发育。

F3切割了盖层和热储层，沟通了深部地热，成为本地热田的主要导热断裂。

2.2.3北东向断裂

F7：该断裂位于勘查区西南，正断层，南西—北东向延伸至中部，并与F2、F3相交。南西面可见长度约550 m，宽度40～50 m，中部宽度约30～80 m，断层走向30°，产状121°∠63°。构造破碎裂隙被石英脉充填，两盘见压性碎裂岩，角砾呈次圆状，成分为硅化碎裂白云岩。

2.2.4近南北向断裂

该断裂沿关门河近南北向发育，调查长度761 m，性质不详，沿关门河两岸发育有泉群，泉群水温26～39 ℃不等，在河道中间及河岸两边多见冒泡现象。各钻孔中均揭露断裂破碎带，全孔见强硅化白云岩，碎裂结构，岩芯破碎。为导热、导水构造。

综上所述，F2为压扭性断裂，断裂带未见明显硅化现象及泉水出现，导水性不强，为阻水断裂。F7为石牌组盖层层内断裂，未见有地热显示。F5呈南北方向，延伸761 m，几乎贯穿整个武山湖地热田，切穿灯影组热储层及石牌组、牛蹄塘组盖层，沟通了深度地热，导致热泉及钻孔内的地热异常，为主要导水导热构造；F3发育于勘查区中部，为正断层，为次要导水导热构造。

3 蚀变

武山湖东部山腰发育有厚度达10～20 m的硅化岩块，呈黄褐色，具隐晶质结块状构造，坚硬，刀刻不动，呈强硅化状态。钻孔中均见硅化白云岩，灰白色，见铁质浸染，具中等硅化强度，厚度160～230 mm。

硅化蚀变现象是中低温地热流体经过岩石时发生的一种交代蚀变作用，一般伴随着泉水的出露或浅部有温泉。

4 泉水的出露方式

从出露的位置来看，泉水出露的方式可归纳为3种：

逸出泉地热水在F2(阻水)与F3(导水)交汇导水逸出成热泉(神汤温泉)。

断层泉在石牌组隔水层分布区，由F5张扭性断层导水形成的断层泉，分布在F5断裂带沿关门河两岸发育的泉群，泉群水温26～39 ℃不等，在河道两岸和河道中间多见冒泡现象，如Q004、Q005、Q007、Q1002等。泉群的发育，直接证明了断裂构造F5的发育方向和宽度。

接触泉在灯影组与石牌组沿层面形成的接触泉(Q1006)。

总的来说，热泉的成因是大气降水从该区域碳酸盐岩沿节理裂隙、溶隙，向下渗透补给地下水，经过深部循环吸取地下热能，地下深部地热流体沿武山湖断裂破碎带及交汇复合地带向上运移，并溢出成泉。

5 地热田成因分析

5.1 武山湖地热田成因模型[1]

根据勘查区地热地质条件，建立了地热田成因模式，见图3。

图3 武山湖地热田成因模型

地热田补径排条件：神农架武山湖地热田位于神农架穹窿的北部，其补给区位于地热田南侧的神农架山区，当大气降水进入裸露地表的元古界碳酸盐岩地区后向下渗，在重力的作用下，于碳酸盐岩径流系统中向北进行深循环，在运移过程中吸收了大地热流所释放的热能而逐渐增温，当径流至武山湖关门河附近时，沿F3、F5、F7张性断裂破碎带的低洼地带以及震旦系灯影组与寒武系牛蹄塘组接触界面上涌，并以温泉群或其它热异常的方式显示于地表，形成地热田。

如地热水在F2(阻水断裂)与F3(导水断裂)交汇处逸出成热泉(神汤温泉)；在灯影组与石牌组沿层面形成接触泉(Q1006)；在F5断裂发育的河谷(侵蚀底洼地带)形成泉群，如Q004、Q005、Q007、Q1002等，F5不仅切穿灯影组白云岩热储层，还切穿了相对隔水层石牌组、牛蹄塘组砂页岩，体现出F5的导水性。

地热田的热水化学类型为HCO3·Ca·Mg型水，矿化度为223.29～236.96 mg/L，与周边地下水冷水的化学类型差不多，体现了近源补给的特点。

5.2 成因机制[2-3]

(1)热源：从区域来说，新华断裂为区域上的深大断裂，切割深度较深，成为深部地热流向地表的通道，断裂带两侧发育有寺坪地热、马桥地热，初步判断阳日镇武山湖地热也受新华断裂的控制，发育在新华断裂的次级构造上。

地下水在岩层通道中循环运移并加温后，沿着断裂及岩溶裂隙通道向上涌，最终形成热泉。通过δ18计算分析，武山湖地热田地热流体补给高程为621～1 388 m，说明该处地热流体除了有远程补给外，也有浅部地层岩溶地下水混合(见表1)。

表1 同位素分析一览表

(2)盖层：勘查区中部往北，地面以下3～120 m均为古生界寒武系下统石牌组粉砂质页岩及牛蹄塘组含炭泥质灰岩，层厚25～120 m。盖层厚度由南向北，逐渐增厚。据钻孔资料，在该岩层中基本无冲洗液消耗，隔水保温性能较好，为下部地热的储存提供了良好的隔水保温盖层。

(3)热储层：寒武系下统牛蹄塘组含炭泥质灰岩下伏岩层为大面积震旦系上统灯影组硅质白云岩及硅化碎裂岩岩溶裂隙含水层，热储层顶板埋深42～103 m，由南向北顶板埋深逐渐加大。岩石硅化现象强烈，岩层及层间节理裂隙及岩溶裂隙发育，为区内地热水提供了良好的储水空间，成为该区域的热储层。

钻孔未能穿过该岩层，揭露深度41～109 m。在钻孔中该段岩石硅化强烈，岩芯较破碎，多呈短柱状、块状、碎块状，局部呈碎屑颗粒状，RQD值0～35%。其单位涌水量0.145～1.38 L/s·m,渗透系数0.107～0.932 m/d，属中等—强富水含水层。钻孔出水温度较高，为35～45 ℃。各钻孔在该岩层中水头均高出含水层顶板33～125 m，具有一定的承压性，为承压含水层。

(4)地热通道：勘查区内断裂发育，该地热田主要受F3、F5、F7控制，断裂的切割致使震旦系上统灯影组的白云岩十分破碎，节理裂隙十分发育，为地下水运移和热水的富集提供了良好的通道。F5为主要导水导热构造，F3、F7为次要导水导热构造。

F3在神汤温泉处与F2交叉，F2为压扭性断裂，局部具有一定的阻水性，地下热水沿F3向上运移，受F2压扭性断裂阻挡，在半山腰形成了神汤温泉，F2的南部河道中均无热泉出露和冒泡现象。

F5断裂带沿关门河发育有泉群，泉群水温26～39 ℃，在河道中间多见冒泡现象。

F7为正断层，东西向延伸，长度约550 m，为导水断裂，与F3在钻孔SHK05与SHK06之间相交，在交叉处有热泉泉群发育。

6 地热流体特征

6.1 形态特征

武山湖地热田根据主要导热断裂F3的分布范围及形态，结合热泉温度和钻探及物探成果，用内插法进行圈定，其走向350°，长约1 260 m，宽约600 m，面积626 289 m2，即0.6 km2。其北到白垭磷矿地磅站，南到神汤温泉以南220 m的白垭磷矿边界，东西边界包括关门河两岸200～300 m的范围。地热田平面形态为主轴南北向，呈椭圆形(见图4)。

图4 温泉出露条件图

6.2 垂直方向地热流体温度变化特征

根据五个地热孔(SHK01、SHK02、SHK03、SHK05、SHK06)测温资料，在盖层中，从上往下水的温度随着深度变化而逐渐增加，每相隔10 m增加0.1～1 ℃，揭穿盖层后，水温明显升高3 ℃，水位也随着明显上升，充分显示出构造控热的特征。各孔的地温梯度为4.3～10.0 ℃/100 m(见表2)。

表2 盖层厚度与温度、地温梯度一览表

6.3 水平方向地热流体温度变化特征

在水平方向上，由南向北逐渐增高，体现出随着盖层厚度的增加而温度逐渐增加，而且地温梯度逐渐增高，由4.3 ℃/100 m增加到10.0 ℃/100 m。

6.4 地热流体化学特征

地热流体的pH值在7.80～8.35，为弱碱性水；矿化度在223.29～236.96 mg/L，为淡水；地热田的热水化学类型为HCO3·Ca·Mg型水，其中碳酸根离子浓度为187.17～238.45 mg/L，钙离子为38～45 mg/L，镁离子为18～22 mg/L。

矿物质方面：偏硅酸含量为28.34～35.07 mg/L，为偏硅酸矿泉水；氟含量为1.159 mg/L，不适合饮用，适合洗浴。

SHK01—SHK06，主要成分偏硅酸含量为28.34～35.07 mg/L，氟离子含量为0.697～1.293 mg/L，有逐步增高的现象，说明浅部盖层厚度小，有冷水渗入，偏硅酸和氟被稀释，含量稍低；而向北盖层厚度增大时，深部无冷水渗入，由南向北矿物成分缓慢增加。

6.5 地热流体动态特征

各个地热井出水温度比较稳定，而且SHK03、SHK05、SHK06三孔自流，流量和温度都比较稳定，波动非常小。

7 结论与建议

(1)勘查类型：研究区地热异常较明显，呈带状分布，受褶皱和断裂控制，沿河谷成泉群，以上升泉形式出露地表，地热田规模为小型。根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)，勘查类型属Ⅱ-2型。

(2)构造：F3、F5、F7切割了盖层和热储层，沟通了深部地热水，成为该地热田的主要导水断裂。

(3)盖层均为古生界寒武系下统石牌组粉砂质页岩及牛蹄塘组含炭泥质灰岩，层厚25～120 m。盖层厚度由南向北，盖层越厚，温度越高。

(4)热储层为震旦系上统灯影组硅质白云岩及硅化碎裂岩，硅化现象强烈，岩石破碎，地表有硅帽出露，岩溶裂隙水具承压性。

(5)地热流体温度35～45 ℃；动态变化较为稳定，波动小；主要矿物质为偏硅酸和氟，达到理疗矿泉水标准，其中偏硅酸含量28.34～35.07 mg/L，为偏硅酸矿泉水；氟含量为1.159 mg/L。

(6)从前期的勘查情况来看，该区沿着F5断裂带向北，地热田盖层变厚，地热水温度越高，因此该区沿着F5断裂带向北还可以打出更高温的地热流体。由于前期的勘查未能完全查明F5断裂的性质、倾角和倾向，建议在今后的勘查过程中，应侧重利用物探剖面测量(垂直于F5断层方向布设剖面)及钻探手段，查明F5断裂的性质、断层破碎带的宽度及延伸长度。

(7)开采过程中应加强流量、水位、温度和水质的监测和动态变化情况，若发生水位下降速率过大，温度降低较大，应适当减少开采量，避免过量开采而引发水质变差、水位下降速率过大、温度降低的情况或其它环境地质问题。