厦门凤南地热异常区地质特征及成因分析

裘中良

（福建省厦门地质工程勘察院，厦门，361008）

在当今社会，地热资源的社会、经济和环境效益越发显著，中国也越来越重视地热资源的勘探和开发使用，并通过各级政府部门积极推动东南沿海等地热资源丰富地区的开发利用[1-5]。前人通过对厦门地区地热资源的调查评价与勘查工作，认为厦门市杏林湾、东孚镇汤院等地热井（温泉）的地热类型均属Ⅱ- 2 型，为中低温热水小型地热田，以断裂构造控制的中、低温水热对流系统为特征，主要表现为北东向构造储热导热、北西向构造储水导水。其形成过程是一个近地表地下水沿地层的孔隙和岩石的节理、构造裂隙吸收热量下渗，形成压力差，推动地热水沿张性裂隙上升，导致地热水源源不断上涌的热对流循环系统[6-10]。

1 研究区地质背景

研究区位于厦门同安区凤南农场东南侧，开展地热调查的工作面积为10.5 km2。研究区属南亚热带海洋季风气候，温暖湿润、雨量充沛，年平均气温20.0 ℃，年平均降雨量1 350 mm，无霜期364 d，年平均日照长达2 233 h。

研究区属于丘陵台地与河流阶地地貌，地势为西北高东南低，最高点位于西北侧山体，标高为290 m，最低点位于东南侧河沟，标高为10 m。区内溪沟谷较为发育，地面水系由官浔溪及附近汇入官浔溪的小沟构成，官浔溪深度约为3 m，河沟断面呈“U”型，顺官浔溪水流方向，整体的地形坡度约为5°。

地热区微地貌由冲洪积阶地、坡残积台地和侵蚀丘陵3 个单元组成，区内溪沟呈西北-东南向展布，发育一、二级阶地。地热异常区主要分布于冲洪积的二级阶地上，高程为18 ～45 m。研究区西侧为坡残积台地和侵蚀丘陵，坡度为10°～25°。

2 区域地质概况

2.1 地层与侵入岩

区内地层主要由第四系残积层、上更新统冲洪积层、全新统冲洪积层及人工填土等组成。

残积层主要出露于台地和山坡一带，为花岗岩风化而成的残积砂质黏土，呈褐黄色、灰白色。上更新统冲洪积层主要分布于二级阶地上，分布较广；具二元结构，由褐灰色、灰黄色的黏土，褐黄色、浅黄色的中粗矿层组成。全新统冲洪积层主要分布于一级阶地上，沿现代河谷分布；具二元结构，由褐灰色、灰黄色的黏土，褐黄色、浅黄色的粗砂层组成，局部见深灰色厚度小于1 m 的湖沼相沉积的淤泥质土。人工填土分布在区内部分地区（包括耕植土），由黏性土组成，局部夹有少量碎石。

地热异常区内的侵入岩以燕山早期第三次侵入似斑状黑云母花岗岩为主，小范围分布燕山晚期第三次侵入细粒花岗岩，零星见有闪长玢岩脉和花岗斑岩脉侵入。

2.2 地质构造

厦门地区位于活动大陆（环太平洋带）的边缘，地处闽东燕山断坳带的东部，构造主要表现为断裂。受区域构造影响，区内北东向、北西向断裂奠定了该区的基本构造格局[11]。

区内北东向断裂极为发育，主要发育有大嶝－龙海港尾断裂、筼筜港断裂、新圩—西港断裂、造水—东孚断裂等较大型的断裂，并伴有小型的次一级断裂和羽状断裂，如碗窑断裂等。北西向断裂主要形成于燕山期和喜马拉雅期，由一系列接近平行的断层组成，具多期活动的特征，主要有田头—塔头、石兜—黄厝、后浦—东山和西源—大嶝等较大型的断裂带，并伴有次一级的小型断裂和羽状断裂，如祥溪林场—黄厝断裂等。

地热异常区地表未见较大的断裂破碎带出露。从区内地形（地貌）特征、地表调查及物探成果资料等综合分析，区内存在北东向断裂F15和北西向断裂F7，其中F15为控热构造，F7为导水断层。地热异常区位于北东向与北西向断裂带的复合部位附近（图1）。其中，北东向断裂F15属碗窑断裂带的一部分，断裂总体走向北东40°～45°，倾向南东或北西，倾角60°～85°；碗窑等地可见破碎带宽大于3 m，由一系列压剪性裂面把岩石切割成扁豆状，局部见糜棱岩化，断面上未见任何胶结物。北西向断裂F7属祥溪林场—黄厝断裂带的一部分，总体走向北西320°～325°，倾向北东，倾角60°。该断裂带由形成于燕山晚期压剪性断裂组成，破碎带宽为2 ～20 m，岩石破碎，多发育密集的剪节理，岩石被剪切成薄板状、页片状，断面上发育近水平擦痕。该断裂应表现为张性。

3 地热地质条件

3.1 地温场特征

凤南地热异常区已施工85 个浅层测温孔及4个勘探孔（ZK1、ZK2、GK1、GK2），孔深为25 ～204 m。

3.1.1 平面地温变化特征

根据浅部测温钻探成果，圈定孔深25 m 地温等值线图呈似圆状分布（图2），温度由中心向两侧递减，超过30 ℃异常范围面积约0.3 km2，属于中低地热田Ⅱ-2 型类型，即带状热储。异常带内存在2 个明显的、呈北东向展布的相对地温高值区，相距约200 m，温度分别为48.8 ℃和46.0 ℃，分布于碗窑断裂带F15与祥溪林场—黄厝F7的复合部位。

图2 凤南地热异常区25 m 深度温度等值线图Fig.2 Temperature contour map at a depth of 25 m in Fengnan geothermal anomaly area

3.1.2 垂向地温变化特征

根据浅部钻探测温，区内地温从上往下随着孔深逐渐地增加。非异常区钻孔孔深5 ～25 m 综合地温梯度为1.5 ～3 ℃/100 m，平均增加温率为2.6 ℃/100 m；而在异常区孔深5 ～25 m 处综合地温梯度为20 ～40 ℃/100 m，平均增加温率为28 ℃/100 m，二者相差约10 倍。据实测，出热水钻孔ZK1、ZK2 揭露含水层后井温均明显升高，其中ZK2 的施工完成后井口自流温度为62 ℃，井深为200.39 m、孔底水温为66.6 ℃。

区内已勘探深度范围内大等于25 ℃的地热异常面积大于1.0 km2，且东部25 ℃等值线未闭合。采用较有代表性的ZK2 取样测试数据，根据地热水中SiO2含量（50 mg/L），按无蒸汽损失的石英温标公式计算，推测深部热储温度为101.8 ℃。

3.2 地球物理特征

该次可控源音频大地电磁测深（CSAMT）主要是了解地热异常区的构造位置特征，具有一定产状的条带状低阻带是该次CSAMT 反演成果的主要目标层。结合低阻异常电阻率值、地质和水文资料综合划分，区内断裂及裂隙较为发育，推测北东向、北西向断裂构造共计12 条（编号为CF1～CF12），以北西向断裂构造为主，北东向断裂构造次之，在断裂构造经过的地段均显示为低阻异常带，最大控制深度延伸超1 000 m，其中断裂构造CF3倾向南西、CF9倾向北西，其他断裂构造产状陡立、倾向不明显。其中CSAMT 剖面控制的北东向断裂构造4条，分别为CF1～CF4，断裂构造CF3与区域断裂F15位置较为吻合，分析认为断裂构造CF3应为该区的控热构造，具备同热源条件。在CSAMT 断面上，视电阻率值越低，高低阻界面视电阻率曲线梯度变化越大，则储水条件越有利。因此，地热区北东向断裂构造与北西向断裂构造交会地带圈定的有利储水条件的低阻异常带，具有一定的寻找地热水前景。

3.3 地下热水补径排条件

凤南地热水补给来源主要为大气降水下渗补给、周边地下水侧向补给、邻近地表水体下渗补给，补给区有周边剥蚀残丘、官浔溪等。北东向、北西向断裂构造形成或次生的构造裂隙、节理裂隙构成了地下水下渗补给和地热水上升排泄的有利通道，为径流区，经深循环加热而形成热水，在构造薄弱地带向上运动至近地表含水层，从地热水中氟离子含量为8.48 mg/L、氡含量为180 Bq/L的异常分析，其来源可能为上地幔挥发性物质，推测该温泉具有循环深度大、径流时间长的特点。

3.4 水化学特征

凤南地热异常区内的地热水主要受断裂构造控制，呈脉状分布。其中，ZK1 井深度为204.28 m，井口为直径300 mm 的玻璃钢管，水位为2.50 m，当降深为30.45 m 时，涌水量为199.01 m3/d，水温52.0 ℃，单位涌水量为6.54 m3/d·m；ZK2 井深度为200.39 m，井口为直径300 mm 的玻璃钢管，水位为4.00 m，自流量为25.8 m3/d，当降深为32.75 m时，涌水量为225.87 m3/d，水温为62.8 ℃，单位涌水量为6.90 m3/d·m。与自流试验孔（ZK2）观测成果对比，研究区水温为62 ℃、自流量为25.8 m3/d，总体较稳定，地热化学组分也较稳定，受季节性影响不明显。

异常区水化学类型为Cl-Na·Ca 型，pH 值为6.64 ～7.46，矿化度为2.26 ～2.55 g/L，总硬度为553.4 ～632.1 ml/L，氟离子浓度为8.48 mg/L，氡含量为180 Bq/L，偏硅酸浓度为68.45 mg/L。参照地热资源地质勘查规范[12]附录E 理疗热矿泉水水质标准，该区地下热水中氟、氡、偏硅酸达到了理疗用热矿水的命名标准，可命名为“硅水、氟水、氡水”，可以作为理疗热矿水使用。

4 地热异常区成因分析

4.1 地热异常区形成的要素

地热异常区形成要素包括热能的来源（热源）、储水储热的场所（热储）、相对低透水性起到隔水隔热的岩土层（盖层），以及热储中热水的补给来源、径流、排泄通道，即对流型地热系统（图3）。

图3 地热异常区成因模式图Fig.3 Schematic diagram of the geothermal genesis

4.2 影响地热水的因素

影响地热水的因素主要有足够深度的断裂、地下水的补给、地热水流经的岩性。此外，要形成温泉则还需要具备地热水向地表径流的通道，以及便于地热水排泄的地形（地貌）条件。

（1）深断裂：热源来自地壳深部，深切的断裂构造是浅表地热异常的必要条件之一，影响着深部热能的聚集、传导和散失，在某种条件下断裂构造可成为地热水循环对流的通道，对区域地温有着明显的控制作用。

（2）地下水补给：地热水离不开地下水的参与和补给，当一个地热异常区的地下水补给量很少时，则地热异常区的允许开采量也就很小，反之亦然。另外，参与地热水补给的地下水，其成分已对地热水成分产生重大影响。

（3）岩性：地热水的成分组成除与参与补给的地下水有关外，还与地热水流经的岩石组成相关。

（4）地形（地貌）条件：地热水要上升到地表形成温泉，应具备适合的排泄通道和相适应地形（地貌）条件。任何排泄通道的变化(如地震引起的通道封闭)、地形的改变（回填）都可能引起已有温泉的消失和变化。

4.3 地热异常区的形成机制及特征

凤南地热异常区位于北东向碗窑断裂带与北西向祥溪林场—黄厝断裂带的复合部位附近。其中，北东向断裂，为地热异常区的储热导热构造，北西向断裂为地热异常区的储水导水构造。北西向祥溪林场—黄厝断裂带形成的张性裂隙或导水裂隙与北东向碗窑断裂带的深部导热裂隙组合将地表与深部连通，构成了地热水有利的补给、径流和排泄通道，其形成过程是一个近地表地下水沿地层的孔隙和岩石的节理、构造裂隙吸收热量下渗，形成压力差，推动地热水沿张性裂隙上升，导致地热水源源不断上涌的热对流循环系统。

在该地热异常区存在的北东向、北西向断裂带中的张性裂隙有利于地热水的上升，由于基岩埋藏相对较浅，且上部覆盖有相对隔水层，故地热水沿构造角砾岩、张性裂隙上涌、储存和散热，形成了该地热异常区。

凤南地热异常区平面地温变化特征表现为温度由中心向两侧递减，存在2 个明显的、呈北东方向展布的相对地温高值区；垂向地温变化特征表现为从上往下随孔深逐渐增加，且异常区内除地温高于正常水平外，其垂向增温梯度明显高于非异常区。区内的地热水主要受断裂构造控制，呈脉状分布，地下热水中氟、氡、偏硅酸达到了理疗用热矿水的命名标准，可命名为“硅水、氟水、氡水”，可以作为理疗热矿水使用。

5 结论

（1）凤南地热异常区位于北东向与北西向断裂带的复合部位附近，其中北东向断层为控热构造，北西向断层为导水断层。受构造断裂控制，热储呈带状，地热田规模较小。区内已探测热水最高温度为66.6 ℃，该地热点属于Ⅱ- 2 类型中低温地热田。对其形成机制及特征的研究验证了前人提出的厦门地热资源形成理论，同时也为寻找新的地热点提供了实际案例的依据。

（2）寻找新地热首先根据已有地热资源分布规律，结合地质构造勾划出地热异常区；接着通过对目标区进行拉网式的民访和民井调查，了解目标区历史上是否出现过地热异常现象；在现有的民井中进行水温测量，进一步选定目标；最后在目标区进行浅层测温孔施工，并进行温度异常追踪，可获取地热异常的范围和高温中心。这是找到隐伏地热水资源的最直接有效方法。