湖北省保康县万年山地区地热地质特征与成因模式

2024-01-05张维江崔培龙

资源环境与工程 2023年6期

张禹,赵康,张维江,田碧,崔培龙,康昱,张战,蒋臣

(湖北省地质局第八地质大队,湖北襄阳 441002)

地热资源作为一种绿色低碳、利用高效、安全优质的可再生能源,因其具有分布范围广、资源量巨大、开发利用价值高等优点,一直以来受到全世界的广泛关注[1-4]。目前地热资源已广泛应用于地热发电、供暖、养殖、洗浴等方面[1-6],因地制宜地开发利用地热能,可以为调整能源产业结构、实现清洁低碳发展提供新方法、新思路[5-6],因此,开展区域性地热资源成因模式的研究具有重要的理论和实际意义。

目前,中深部地热资源勘探主要依靠地球物理方法,通常选择大地电磁法(MT)和可控源音频大地电磁法(CSAMT)[5,9-13],但MT易受人文等因素的强电磁干扰[5-6,10,13];CSAMT由于近场效应使得深部数据失真,有效探查深度一般不超过3 km[5-6,11-12]。广域电磁法作为一种新兴的电磁法,既克服了MT场源随机性和信号微弱的特点,又拓展了CSAMT的观测范围,增加了探测深度[14-16],已逐渐成为地热资源勘探的主要物探手段之一,并取得了良好的应用效果[7-9,17-18]。

湖北省保康县万年山地区中深部岩溶热储特征探查不明,地热资源尚未得到系统开发利用,因此有必要对该地区开展详细的地热资源勘查工作,以期为后续的深部地热资源开发利用提供地质依据。近期湖北省地质局第八地质大队对保康县万年山地区开展了地热勘查,通过综合水文地质调查、物探和地热深井钻探成果,并进行地热资源成矿条件分析及可行性技术论证,成功打出目前鄂西北地区出水温度最高、资源潜力最大的地热井1口,该地热井出水温度58.6℃,水量1 229 m3/d。本文通过地面调查、物探、钻探等手段对万年山地区的地层、构造、水文地质、地球物理、地热热储和地热流体化学特征等进行综合调查研究,总结分析地热发育规律及成因类型,建立地热模型,旨在对今后鄂西地区的地热资源勘查和开发利用提供一定的借鉴和指导。

1 地质概况

1.1 大地构造位置

神农架—保康地区地质构造复杂,以青峰断裂、阳日断裂、保康—漆家山断裂、新华断裂4条深大断裂为基本格架(图1),控制着区内地层、岩浆活动及矿产的分布[19]。研究区位于上扬子地块北缘之南大巴山前陆构造带东段之南大巴山断层褶皱带,行政区划属襄阳市保康县城关镇管辖,地理坐标:东经111°12′31″～111°14′48″,北纬31°52′59″～31°55′31″。区内出露的温泉地热点主要分布在新华断裂两侧[20-24],如保康县寺坪地热(泉点出露水温34℃,水量约700 m3/d),保康县马桥地热(泉点出露水温34℃,水量1 067 m3/d),神农架林区武山湖地热(泉点出露水温在34～45℃,水量为513～4 888 m3/d);其次分布在保康—漆家山断裂两侧,如保康县汤池峡地热(泉点出露水温37.7℃,水量约2 000 m3/d)。保康—漆家山断裂为区域上的深大断裂,切割深度较深[20,24],万年山地热田即位于保康—漆家山断裂附近。

图1 神农架—保康地区大地构造位置图

1.2 构造

研究区早期受由北向南逆冲推覆挤压作用,形成一系列近EW向同斜倒转褶皱和逆冲断层(F1、F4、F6);后期受近SN向新华断裂影响发育NW向(F3)和NE向(F2、F5)的共轭断裂,以逆断层性质为主兼具走滑性质切割了早期形成的近EW向断层及褶皱;NE向总体为一向斜构造,脆性断裂少发育(图2)。其中F3断裂规模最大,具多期性,为区内主要导热构造。

图2 研究区地质图

F1断裂地表出露长度约1 700 m,产状350°～10°∠35°～55°;地貌上为一线状沟谷,平直,切割较深,破碎带宽2～5 m,破碎带内一般为棱角状角砾,具多期活动性。

F2断裂地表出露长度2 880 m,产状330°～350°∠30°～55°;断裂两侧岩石破碎明显,断面平直,其上发育擦痕及阶步,断裂具逆断兼右行走滑特征。

F3断裂地表出露长度约3 240 m,产状320°∠55°～70°;断层破碎带内发育断层角砾岩、碎裂岩,并见构造泥,硅化;断层受新华断裂影响,具右旋走滑特征,形成右旋走滑正断层;F3为区域深大断裂,切穿志留系盖层及寒武系—奥陶系热储层,沟通深部大地热流,为区内主要导水导热构造。

F4断裂地表出露长度约530 m,产状348°～15°∠30°～58°;断裂与地层展布方向一致,后期有方解石脉沿裂隙充填;断层破碎带主要由碎粒岩、构造透镜体、断层泥等组成,断裂内指向标志表明为由北向南的逆冲断层。

F5断裂地表出露长度约1 610 m,产状350°～10°∠45°～55°;后期有方解石脉沿裂隙充填,两侧岩石挤压破碎强烈、地质体错位明显,显示右行平移。

F6断裂地表出露长度约7 200 m,宽约10～50 m,产状355°～10°∠54°;断裂与地层展布方向一致,断层破碎带内断层角砾岩0.5～2 cm,个别十几厘米,沿断裂带有一系列泉眼分布,带内岩石破碎,节理、裂隙发育,遥感影像中线状构造发育。

1.3 水文地质条件

研究区地层属华南地层大区扬子地层区上扬子地层分区之保康地层小区,出露地层主要有寒武系、奥陶系和志留系(图2)。

研究区含(隔)水层大致可分为以下几类:

(1) 第四系孔隙潜水含水层。该层主要赋存于沟谷地带出露的第四系残坡积物、冲洪积物中,主要由冲洪积黏土、粉砂土、砂砾石层构成,厚2～5 m。地下水由大气降水、地表水、基岩水补给。黏土层富水性差,粉砂土、砂砾石层富水性中等,富水性和汇水条件与含水层岩性关系密切。

(2) 寒武系中—上统覃家庙组、天河板组及奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。该层主要由泥质白云岩、泥质条带白云质灰岩及灰色细砂岩夹灰岩和页岩、龟裂纹灰岩、泥质瘤状灰岩、夹暗紫红色龟裂纹状泥质灰岩组成。岩体中岩溶不发育,仅见沿碳酸盐岩层面发育小型溶洞、溶孔,富水性极不均匀,受断裂影响,局部裂隙发育,但地层中泥质含量较高,水量贫乏—中等。

(3) 寒武系娄山关组、石龙洞组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。该层主要由白云岩、微结晶白云岩组成,岩体较破碎,水量中等,是万年山地区地热的主要热储层之一。

(4) 震旦系灯影组碳酸盐岩岩溶裂隙承压水含水层。该层主要由微晶白云岩、含炭质或铁质微晶白云岩、灰质白云岩、纹状白云质灰岩、泥质白云岩、含磷粉砂质页岩、粉砂质白云岩组成,岩体中岩溶裂隙发育,地下水储存于裂隙和岩溶管道之中,水量较丰富,是万年山地区地热的主要热储层之一。

2 地球物理特征

本次物探工作手段为广域电磁法测深测量,共布设3条剖面。其中W1、W2线大致垂直于区内已知断裂F3布设,剖面方位40°,剖面长均为3.95 km(图2),根据野外初步反演结果,W1、W2线对构造反映比较明显。由于W1、W2线与区内地层走向呈小角度斜交(夹角约40°),不能很好地反映地层展布特征,因此在W1、W2线施工完毕后,又布设了W3线,剖面方位345°,大致垂直于地层总体走向。经后期验证,W3线二维反演成果与钻孔施工结果较为一致。

在W1线上,80号测点附近为寒武系娄山关组与志留系新滩组的分界,135号测点附近穿过F3断裂,160号测点为志留系新滩组与罗惹坪组的分界(图3-a)。大致以保康—漆家山断裂(F3)为界,南西侧(5-135号测点)可大致分为低阻—高阻—中(低)阻3层,北东侧(135-400号测点)可大致分为中低阻—高阻—中低阻—中高阻—低阻—中高阻—中低阻7层(图3-a)。

a.W1线二维反演结果;b.W2线二维反演结果;c.W3线二维反演结果

在W2线上,90号测点附近穿过F3断裂,断裂以北主要出露地层为志留系新滩组;160号测点为志留系新滩组与罗惹坪组的分界(图3-b)。其电性分层与W1线相似。

在W3线上,10-15号测点之间穿过F3断裂,断裂以北主要出露地层为志留系新滩组;215号测点为志留系新滩组与罗惹坪组的分界(图3-c)。W3线电性层自上而下可分为:中低阻—中高阻—低阻—中高阻—中低阻—高阻6层。

钻孔ZK1布设于W3线85号测点附近,根据地质调查成果、钻孔ZK1施工结果以及W3线二维反演成果,初步建立了研究区志留系、奥陶系、寒武系以及震旦系地层的电性层识别标志(图3、表1)。

志留系地层一般表现为连续的中低阻异常带(近地表),但需要注意的是,在Fwt9北侧,志留系罗惹坪组中的结晶灰岩透镜体表现为连续的呈带状展布的高阻异常(厚约200 m)。研究区内奥陶系地层岩石泥质含量较高,其平均电阻率明显低于寒武系上统地层,加之构造影响(钻孔内见2处含水层),总体表现为中低阻异常(W3线),与下伏寒武系上统地层引起的具有一定规模的中高阻异常区分明显(图3)。

根据广域电磁法二维反演结果,结合地质工作成果,共推测了6条断裂,其中F3断裂与地质填图成果吻合较好,因此采用地质填图编号;其余5条断裂地表覆盖严重或者具有一定深度,因此采用物探推测断裂编号,即Fwt7-Fwt11(图2-图3,表2)。

表2 断裂综合解译表

3 热储特征

3.1 热储埋藏特征

3.1.1含水层特征

万年山地热田地表无热泉及热异常显示,据ZK1地热井揭露结果,区内热储层大体可划分为2层:

(1) 寒武系娄山关组—天河板组岩溶裂隙含水层。该热储层岩性主要为白云岩,热储埋深611～1 246.46 m、厚度635.46 m,其上热储盖层为志留系页岩、泥质粉砂岩等。该热储层800～950 m段井底温度为40～41.5℃,为主要含水段,钻遇该段时井口涌水,为承压含水层,水头高出孔口30 m,井口水温为34.2℃,涌水量为130 m3/d。采用套管封闭深度至634 m后对该热储层进行了试抽水,抽水时长为72.4 h,稳定流量为530 m3/d,稳定时段平均降深为352.72 m、出水水温为40.4～41.2℃。

(2) 寒武系顶部牛蹄塘组岩溶裂隙含水层。该热储层岩性主要为深灰—灰色白云质灰岩、浅灰—灰色微晶白云岩,热储埋深1 376.36～1 562.26 m、厚度186.90 m,其上热储盖层为寒武系石牌组页岩、粉砂岩。该热储层1 423.7～1 493.7 m段井底温度为63.8～67.1℃,为主要含水段,钻遇该段时井口涌水,为承压含水层,井口静水压力为1.05 MPa,井口水温为52.6℃,涌水量为507 m3/d。对该上下两层热储层进行混合抽水,抽水时长为80.4 h,最大降深稳定流量为1 229 m3/d,稳定时段平均降深为302.26 m、出水水温为58.0～58.6℃。

3.1.2深部地温场特征

据地热井孔底测温数据(图4),区内钻孔温度整体多呈骤然增温,往往在揭穿盖层时温度骤然升高,继而在一定范围内波动,尤其在揭穿主控断裂后孔内温度升高极为显著,反映出较为典型的断层控制地热现象。钻孔全孔平均地温梯度为3.29℃/100 m,热储构造导热导水性良好。

图4 ZK1孔温度随深度变化曲线

从ZK1孔井温测井曲线(图5)上可以看出,在穿过隔水层后井温均有“阶跃式”升高,进入含水层后,水温升高则不明显,2处“阶跃式”升高位置与钻孔实际揭露的2处涌水段一致。

图5 ZK1孔井温测井曲线

3.2 地热流体化学特征

3.2.1样品采集与测试

为了解研究区地热流体的水化学特征,采集了6组水质全分析样,包括2组地表水样、1组冷泉水样、1组隧道涌水样、2组地热流体样(地热流体样品均取自于ZK1地热钻孔中);采集了4组同位素样品,取自于ZK1地热钻孔、隧道涌水、大气降水;采集了2组放射性样品,取自于ZK1地热钻孔中(取样位置见图2)。样品使用专用容器,严格按照采样技术规范要求进行采取,现场测定水温、pH 值,地热流体样品均于抽水试验结束前采集,冷泉水样品在主泉口采集,地表水样品在水面以下20～50 cm处采集并按相关要求添加保护剂,于当日或次日送达实验室进行水质全分析、微量元素和同位素测试分析。

3.2.2水化学特征

地球化学测试结果如表3所示。本次研究绘制了6组水样的Piper图解(可用于分析区域地下热水的水化学演变规律),如图6所示。根据6组水样的水化学类型分析,研究区上层地热流体水化学类型为SO4-Ca·Mg型,溶解性总固体(TDS)含量为1 410 mg/L,pH为7.73;上下两层混合地热流体水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Mg型,TDS含量为485 mg/L,pH为7.07。

表3 地热流体、隧道涌水、冷泉水和地表水水化学分析结果

图6 地热流体、隧道涌水、冷泉水和地表水Piper三线图

由表3可知,地热流体各项化学组分除重碳酸根、碳酸根、硝酸根外均大于冷泉水及地表水,说明地热流体补给距离较远,循环条件良好,地下水通过深循环后,温度升高,溶解了众多岩石中的部分元素,含量大幅度增加,其中硫酸盐、F-和Ca2+含量增幅最为明显。地热田南西部灯影组地层中发现有萤石、重晶石矿体,显示地热流体补给来源于南西部大面积裸露的灯影组地层。

3.2.3同位素地球化学特征

区内地热流体、隧道涌水及大气降水的氢氧同位素分析结果见表4。

表4 H-O同位素分析结果统计表

从表4可见,该地热田地热流体δD和δ18O值都在大气降水氢氧同位素组成范围(δD=+50‰～-500‰,δ18O=+10‰～-50‰)内。根据克雷格(Craig)1961年对全球大气降水样品同位素资料的研究得出,大气降水的δD与δ18O值之间具有δD=8δ18O+10的线性关系。将本次工作同位素检测结果数值投影到δD-δ18O直线图(图7)上,可以看出区内地热流体同位素组成的坐标点分布于当地大气降水线值附近,二者近乎重合,表明区内地热流体来源于大气降水,其中地热流体中的δD和δ18O值比当地大气降水的δD和δ18O值要低,这是由于大气降水存在“高程效应”所致[25];地热流体相对于全球大气降水线未见明显的“氧同位素重化漂移”,表明区内地热流体赋存环境相对开放,循环条件较好,滞留时间相对较短,赋存期间水—岩同位素交换反应的速度较慢。

图7 地热流体、隧道涌水δD-δ18O关系图

由于大气降水的δD、δ18O值具有高程效应,因此可以用于确定地热流体的补给高程,其计算公式如下:

H=(δS-δP)/K+h

(1)

式中:H为地热流体补给区高程(m);h为取样点高程(m);δS为地热流体δD、δ18O同位素组成;δP为大气降水δD、δ18O同位素组成;K为同位素高度梯度(n‰/100 m),根据湖北省大气降水同位素梯度的分析经验值,选用KD=-2.7‰/100 m、K18O=-0.46‰/100 m。

经计算,该地热田地热流体的补给区高程在1 031～1 210 m,补给区为南西部神农架穹隆一带1 000～1 500 m的中低山区。

3.2.4热储温度与循环深度

在地热区,可利用地热温度计来估算热储温度。鉴于万年山地热田的产出特征,本次采用钠钾钙地热温度计估算热储温度,其温度为95.3℃。

根据万年山地热田地温梯度、多年平均大气温度、常温带深度及热储温度,可估算地热田热储埋深。其计算公式如下:

(2)

式中:Z为热储埋深(m);T为热储温度(℃),取95.3℃;G为地热梯度(℃/100 m),取ZK1孔地热梯度3.29℃/100 m;T0为多年平均气温(℃),取保康县城关镇年平均气温16.0℃;Z0为常温带平均深度(m),取12 m。

计算得地热流体循环径流深度最大可达2 422 m。

4 地热成藏模式研究

4.1 地热成藏条件

地热流体的成生条件较苛刻,影响因素繁多,但必须具备“源”、“通”、“储”、“盖”、“滞”五个基本条件。

4.1.1热源

热源主要为大地热流与保康—漆家山断裂沟通的深部热对流。大地热流为主要热源,一部分来自深部岩石中放射性元素衰变释放的地壳热流,一部分为上地幔热流,供热方式为热传导。地热田南西部补给区接受大气降水补给,沿深大断裂附近发育的岩溶裂隙进行深部径流,径流循环深度达2 422 m。径流区具有较厚的相对隔热保护层,地下水在径流过程中遇深部热源加热且不致过量散失,高温、高压水(汽)沿断裂径流到地质条件适宜的地段形成地热田。

4.1.2通道

研究区内断裂发育,该地热田主要受保康—漆家山断裂控制,该断裂为张性陡倾右行走滑正断层,倾角70°～80°。物探测量成果显示该断裂切割深度大,致使震旦系—寒武系的碳酸盐岩较破碎、节理裂隙发育,为地下水运移和地热流体的富集提供了良好的通道。保康—漆家山断裂为万年山地热田主要的导水、导热构造。

4.1.3热储层

根据万年山地区地热流体的产出特征,结合地热钻孔揭露,笔者认为万年山地区地热流体主要赋存于寒武系娄山关组—天河板组及牛蹄塘组顶部的碳酸盐岩岩溶裂隙中,空间上分布于NW向保康—漆家山断裂构造及其两侧影响带中。断裂破碎带中地热流体在垂向上进行对流型热交换,水量丰沛,水温较高。沿断裂破碎带两侧地热能以传导形式向周边扩散。

4.1.4盖层

志留系页岩、泥质粉砂岩,寒武系石牌组页岩、粉砂岩等透水性差,有效阻隔了浅部低温地下水下渗,其下伏地层中地热流体温度均有明显升高,为地热流体的保温及地表水的混合起到了良好的保护作用。

4.1.5滞水条件

保康—漆家山断裂上盘为一复式向斜构造,发育巨厚的志留系页岩盖层,加热后的地热流体受保康—漆家山断裂上盘厚度巨大的志留系页岩盖层阻隔,滞留于下盘沿张性断裂带附近顺层发育的岩溶裂隙中,形成承压含水层。

4.2 地热成藏模式

根据研究区地热地质条件,建立了地热田成因模型(图8)。

图8 保康县万年山地热田成因模型

地热田补径排条件:保康县万年山地热田位于神农架穹窿东部边缘,其补给区处于地热田南西侧的偏头山一带,当大气降水进入裸露地表的震旦系碳酸盐岩地层后下渗,在重力作用下,于碳酸盐岩径流系统中向NE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,当径流至城关镇万年山附近时,受保康—漆家山断裂上盘厚度巨大的志留系页岩盖层阻隔,滞留于下盘沿张性断裂带附近顺层发育的岩溶裂隙中,形成地热田。

综上所述,保康县万年山地热田为“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热流体资源成因类型。