湖南安化县东坪镇辰溪口地热资源特点及成因分析

殷美珠，张艳军，王 海

（湖南省核地质调查所，湖南 长沙 410010）

近年来，安化县各级政府高度重视开发利用地下热水资源，积极推进其资源勘查工作。2019—2021年，对安化县东坪镇辰溪口地段进行了可行性勘查，共施工ZK01（1 800.15 m）、ZK02（1 401.22 m）2口地热深井，平均出水温度34.5 ℃，为该县第一个新开地热田。热储温度为45.0 ℃，地下热水循环深度为1 580 m。该地热田地热储量为5.49×109MJ，地热流体的可开采量555.50 m3/d，其中探明的开采量498.53 m3/d，控制的开采量56.97 m3/d，地下热水可开采量的热功率为486.12 kW，地下热水可开采量每年可提供 28 400×109J的热能。

1 区域地热地质条件

1.1 区域地质条件

区内出露地层主要为青白口系到奥陶系下统沉积岩及变质岩，岩性多为砂岩、板岩、灰岩和页岩等，主要有板溪群五强溪组二段砂质板岩，其呈黄青色，变余结构，板状构造；震旦系下统江口群观音田组、群鹤岭组、南沱组、金家洞组、留茶坡组，岩性主要为黄绿色、灰色中粗粒长石石英砂岩、青灰色炭质板岩、板岩、含砾泥岩夹含砾砂岩、炭质板岩及硅质岩等。

勘查区位于雪峰山加里东弧形褶皱隆起带上，处于安化—黔阳北东向构造带与桃江—新化新华夏系构造带的中间部位，北东向构造是勘查区最显著的构造形迹。区内安化—黔阳、桃江—新化区域性构造发育规模大，长度大于100 km，断面倾向东南，倾角约为60°，断裂带有强烈的挤压破碎现象，挤压带宽达数十至数百米，有糜棱岩或断层泥出现，破碎带含水性较好，为含水断裂带，沿断裂构造与其他多条断裂带相互切割，断裂构造发育（图1）。

图1 勘查区构造纲要图Fig.1 Outline of structure of exploration area

勘查区内构造非常发育，以节理裂隙密集发育为主要特征，局部可见硅质石英脉充填裂隙中，可见沟谷、断层三角面等构造标志；构造以北东向为主（F2，F3，F4和F7），次为北西向（F5）、北北东向（F6），受区域构造影响显著。

调查及地面物探推断发现北西向构造F4、F5和北北东向构造F6（表1），3条构造于勘查区辰溪口地段交汇，根据实际钻探成果，发现区域性F4、F6断裂还派生有系列断层或规模较小的破碎带，是地热形成的主要通道，沟通深部（地幔或岩石圈）热源。

表1 区内主要构造特征统计表Table 1 Statistical table of main structural features in the area

1.2 水文地质条件

1.2.1 地下水类型

根据区内地下水的赋存条件和含水层岩性等，将区内地下水类型主要划分为松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水。

（1）松散堆积层孔隙水主要分布于溪两岸，黏质砂土、砂、砂卵石，层厚为5~25 m。含孔隙潜水，水量中，水位埋深0.53~6.17 m，HCO3-Ca型水，pH 6.8~7.1，总硬度4.95~11.70德度，矿化度0.21~0.34 g/L。

（2）基岩裂隙水，其中奥陶系中统硅质岩和寒武系下统灰岩含水层水量中等，面裂隙率为2.42%，含裂隙水，水量中等。泉流量一般 为 0.080~1.070 L/s，最大 4.132 L/s，径流模数 1.046~1.67 9 L/（s·km2），HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca，·Na型 水，pH 5.5~7.8， 总 硬 度0.69~4.95 °dH，矿化度 0.026~0.102 g/L。奥陶系上统变质粉砂岩、砂质板岩和寒武系中统变质砂岩、板岩含水层水量贪乏，面裂隙率为0.54%，泉流量一般为0.014~0.080L/s，径流模数0.476L/（s·km2），HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg 型水，pH5.6~6.6，矿化度 0.033~0.044 g/L。

（3）碳酸岩裂隙岩溶水，含水层为寒武系上统深灰色中至厚层灰岩、泥质灰岩、砂质条带板岩。面裂隙率为0.12%，溶洞，地下河不发育。泉流量为0.405~10.267 L/s，钻孔单位涌水量 19.633 m3/（d·m），径流模数 1.979 L/（s·km2），HC03-Ca 型水，pH6.2~7.5，矿化度 0.098~0.178 g/L。

1.2.2 含水岩组及富水性

区内共划分4组含水岩组。

（1）水量贫乏的中等的松散堆积层孔隙水含水层，主要分布于资水及其支流两岸地段。由第四系松散物形成，含水岩性为坡积相、冲积相、河流漫滩相等的砂、砾石层组成，厚度变化较大，为1~35 m。

（2）水量中等的碳酸盐岩裂隙溶洞水含水层，为寒武系上统深灰色中至厚层灰岩、泥质灰岩、砂质条带板岩。

（3）水量贫乏的中等浅变质岩裂隙水含水层，分布面积较大，含水层由震旦系上统安化群南沱组灰黑色含砾砂岩、震旦系上统安化群金家洞组炭质板岩、震旦系上统安化群留茶坡组硅质砂岩和板溪群五强溪组二段砂质板岩组成，其中板溪群五强溪组二段砂质板岩富水性贫乏。

（4）水量贫乏的碎屑岩裂隙水含水岩组，呈NE向展布，分布于勘查区中部，F4下盘地带。含水岩组为寒武系下统小烟溪炭质页岩黑色炭质页岩，地表见泉水出露S002点、S003点，泉流量为 0.01~0.50 L/s。

1.2.3 地下水动态和补给、径流、排泄条件

工作区属亚热带季风性湿润气候。地下水的水位、流量、化学成分和水温等随季节变化明显，区内地下水的补给、径流、排泄受地形起伏及构造控制。工作区地貌属低山丘陵区，地势相对较高的山区为地下水的补给区，接受大气降雨的补给，雨水渗入地下，受地势控制，一部分由高往低径流，汇集至山间沟谷地带、相对平缓地带，以河流形式排泄，另外一部分沿断裂构造破碎带，往下渗透补给地下水，形成深部构造裂隙水，部分经深循环后以泉水的形式排泄。

1.3 热源及控热因素分析

地球内部是一个庞大的热库，由内向外有源源不断的热流放出。区域性深大断裂及派生断层是地热形成的主要通道，沟通深部（地幔或岩石圈）热源，导流地幔热流和地壳热流。

根据F4、F5和F6断裂地质构造背景及物探成果，结合水文地质调查情况及钻孔测温成果，发现工作区内无岩浆岩出露，地下热水热源主要为热传导加热地下水深循环对流，即深达基底的F4、F6断裂为地下水在深部循环对流提供有利场所，地下水在对流过程中通过热传导被加热后，储存在构造破碎带及与其连通的裂隙中，成为地热资源。

2 地热田地热地质条件

2.1 地热田边界条件

确定辰溪口地热田边界主要根据地下水温度、地层结构和构造边界3个条件。地热田位于F4、F5和F6相互切割的破碎空间区块一带，呈楔块形，长约为780 m，宽约为500 m，面积为0.226 km2。地热田以F4和F6构造北西和南东向边界，以寒武系小烟溪炭组页岩、震旦系下统江口群南沱组砂岩与震旦系下统江口群观音田组、鹤岭组、板溪群五强溪板岩的分层界线为地热田的上下边界线，岩性主要为冰碛砾岩和砂质板岩。

2.2 热储特征

2.2.1 地球物理解译热储特征

地球物理勘查主要采用的物探方法为高密度电法及可控源音频大地电磁测深法，查明区内3条断裂构造在深部的空间展布规律，其中北东向断裂构造3条（F4、F5、F6），断裂带走向和产状连续稳定。其中F4和F6构造含水性较好，为控热导水断裂，F5发育于浅部，为导水断裂。平面解译4处隐伏热储层（体），即RC01、RC02、RC0和RC04,均匀分布在断裂带F4与F6的上盘。这些异常体面积分别为 9 133 m2， 9 877 m2和 18 891 m2（图2）。

图2 物探测深S5号线解译与钻孔揭露对照图Fig.2 Interpretation of deep line S5 and comparison of drill hole exposure

2.2.2 钻探揭露热储特征

据测井资料可知，ZK01地热井深部断裂破碎带（F4）附近的构造裂隙水水温为46.5~53.4℃，ZK02地热井断层破碎带（F6）水温为30.7~38.2℃，均有明显地热异常。钻探及测温揭露热储地层：其中ZK01地热井热储层厚度170 m，共分为4层；ZK02地热井热储层厚度167.2 m，共分为4层（表2）。热储层主要为F4，F5和F6断裂交汇错断后于震旦系岩层形成的张性、张扭性裂隙系统，热储层厚度为167.2~170.0 m。热储为构造裂隙发育—较发育的碎屑岩类，多隐伏，热异常中心地段经钻孔揭露，顶底板高程 420~1235 m。

表2 辰溪口地热田多层热储统计表Table 2 Statistics of multi-layer thermal storage in Chenxikou geothermal field

2.3 地温场

通过对工作区内泉水、民井和钻孔等进行系统测温，查明工作区内地温场浅部特征，地热异常点集中分布于北东东向F4断裂带与北北西向F5断裂及北北东向F6断裂交汇处（辰溪口一带）。确定辰溪口地段F4，F5和F6构造交汇地段为地热异常区，面积0.056 km2。

ZK01和ZK02孔温度变化较大，各孔段表现不一，增温段增温率0.44~8.87 ℃/（100 m），局部发生增温突变。按全孔考虑，不考虑温度变化趋势，地温梯度平均约为2.09℃/（100 m），整体温度平缓，略高于正常地温梯度，水温随钻孔深度增大而增大。

分别采用钾镁地热温标法、热水中可溶二氧化硅浓度计算热储温度，与地热流体温度对比，热储温度为45℃。

2.4 地热流体流场特征及动态

地热流体循环深度采用公式如下：

H=（T-t）/K+h

式中：H为地热流体循环深度；T为热储温度，t为恒温层温度，取16.2℃；K为地热梯度；h为恒温层距地面厚度，取30 m。经计算，辰溪口地热田地下热水循环深度H为1587 m。

对辰溪口地热田ZK01和ZK02地热钻孔进行了长期动态观测，在1.5个水文年内通过对温度、水量和水质监测，发现该地下热水的水位、水温动态变化较稳定。

2.5 地热盖层及通道

辰溪口地段ZK01和ZK02号孔钻探显示寒武系小烟溪组炭质页岩是相对较好的隔水、隔热地层。根据测温资料来看，该地层（400 m以浅）地热增温梯度为0.44~0.71℃/（100 m），表明其透水、导水、导热性均较差，是该区域的良好隔热保温层，有效地保持了地下热能的散发。

钻孔资料显示，F5断裂在浅部与F4断裂交汇，起导水作用，F4和F6断裂为张性构造，在震旦系岩层形成构造裂隙，为地下水的储存提供了空间和运移通道。物探成果显示，F4和F6断裂为深大断裂，切割较深，且延伸长度较长，为该区域地下热水的主要补给运移通道（图2）。

3 地热流体化学特征

区内采取具有代表性的地热流体（钻孔、泉）样品进行水质全分析和个别微量元素的分析。

3.1 地热流体化学组分特征

通过物探解译及钻探验证，发现ZK01和ZK02孔地热流体受不同构造控制，地热流体的水化学特征不同。ZK01孔地热流体为HCO3-Na型，ZK02孔则为HCO3-Ca·Mg型。两口地热井偏硅酸平均值为19.73 mg/L；锶平均值为0.32 mg/L，达到锶矿泉水界限标准；总碱度平均值为 159.67 mg/L；总硬度平均值为 96.17 mg/L，为微硬地热水；溶解性总固体平均值为198.17 mg/L，为低矿化度地热水；pH平均值为7.83，为弱碱性地热水。

3.2 地热流体化学组分动态变化

取ZK01和ZK02孔丰水期（3月）、平水期（7月）和枯水期（12月）水样进行分析，地热流体水化学分析结果见表3。地热流体中矿化度和主要化学组分浓度受大气降水补给影响，在枯水季含量相对高，丰水季节相对低，但整体变化较小，矿化度和主要化学组分浓度变化均小于20%，基本不随季节变化，说明地热流体为深循环状，动态基本稳定。

表3 地热流体水化学分析结果表Table 3 Hydrochemical analysis results of geothermal fluids

3.3 氢氧同位素化学特征

ZK01地热井δ(D)为 -50.0‰～ -50.1‰，δ（18O） 为 -8.7‰；ZK02地 热 井δ（D） 为 -53.5‰~-53.6‰，δ（18O）为-9.0‰~-9.1‰。用地下热水中δ（D）和δ（18O）的测试结果数据作图，对比大气降水线，地下热水中的δ(D)和δ（18O）偏离大气降水线（克雷格降水线）并偏向降水线的下方（图3）。稳定同位素氘(D)与氧(18O)含量随大气降水渗入地下后经过长期径流过程中溶滤岩层中的盐类成分而增高，说明地下热水的补给源为大气降水。

图3 辰溪口地段氢氧同位素散点图Fig.3 Scatter map of hydrogen and oxygen isotopes in Chenxikou section

4 地热田成因探讨

“源、通、储、盖”是地热形成四大条件。辰溪口地段及其周边无岩浆岩出露，地幔热流是辰溪地热田主要的地热源，构造活化释放的热流是该地热田形成的附加热流；地热田及周围区域性深大断裂和其派生断层的存在，如F5构造在浅部与F4、F6构造交汇，起导水导热作用。中部震旦系地层(420~1235m)受陡倾构造F4和F6切割影响，岩石节理裂隙较发育，形成张性、张扭性构造裂隙，是地热形成的主要通道和储存空间，它们沟通和导流地幔热流；该地热田主要热储层为震旦系砂岩、冷家溪群板岩地层；隔水隔热的寒武系小烟溪组页岩（420 m以浅）构成盖层（图4）。

图4 地下热水形成示意图Fig.4 Schematic diagram of formation of underground hot water

平面上呈“人”字形组合的F4和F6深大断裂及北西向的F5可以传导地壳热能和地幔软流圈上涌热能，叠加断裂带机械运动产生稳滑（蠕动）热能，形成线状热流带，断裂带传导热流带不断向上释放，与含水层（带）的冷水发生热量交换，形成对流，从而使冷水加热变为温、热水储存在热储层（带）中，得到了盖层的隔热隔水保护。这些因素叠加形成了地热系统，是形成热田的根本原因。

该区地热生成条件和地球化学环境等显示，辰溪地热田属典型的低温对流型地热系统。

5 结论

（1）辰溪口地热田与特定的地质条件相关，反映了地热地质背景的专属性。地幔热流是主要热源，F4和F6断裂带稳滑（蠕动）产生的机械能是地热田的附加热源；深大断裂及其派生断层是地热形成的主要通道；震旦系砂岩、冷家溪群板岩地层是地热田的主要热储层，其分布决定地热田的范围和展布。地热产出特征鲜明，辰溪口地热田是热源、通道、热储层、盖层所组成的地热系统时空有效配置的产物。

（2）辰溪口地热田地热流体属温热水、淡水、富锶偏硅酸水，其地热流体无色、透明、无味；pH为7.66~7.99，呈弱碱性；矿化度为166~228 mg/L， 总 硬 度 为 54~139 mg/L， 属 低矿化弱碱性微硬水；水化学类型为HCO3-Na、HCO3-Ca·Mg 型。

（3）辰溪口地热田具有交通方便、水量丰富、温度适宜等特点，适宜在理疗洗浴、医疗保健、休闲度假、温池游泳、温室种植、温泉养殖和供热取暖等方面进行开发利用，适合小型规模开采。地热资源的开发，社会效益突出，经济效益显著。