廖 媛, 袁立为, 王 亮, 李 伟

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

湖北省地温场特征分析

廖 媛, 袁立为, 王 亮, 李 伟

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

根据湖北省大地热流和各地热田地热地质背景,综合分析研究湖北省地温场特征。研究表明:湖北省大地热流分布不均,最小值为41 mW/m2,最大值为69 mW/m2,平均值53.7 mW/m2,基本呈现出“南高北低,东高西低”的特征,且与莫霍面的相对埋深存在负相关关系。省内隆起山地型地热地温场特征为受断裂构造控制,其各向异性特征明显;平面上,山地地温和地温梯度较低,只在地热田范围内,有地热异常,且地温向四周扩散降低,在地热田外围温度恢复正常;剖面上,在热储层温度较高,穿过热储层后,温度降低。沉积盆地型地热地温场受区域地质构造的控制,温度随着深度的增加而增高。

大地热流;地温场特征;湖北省

湖北省地热资源较多,共有64处,其中隆起山地型58处,沉积盆地型6处,但各地热田的研究程度不一,总体来说,省内地热田研究程度不高。本文通过收集湖北省实测大地热流数据,及钻孔的测温资料,分析湖北省地温场特征,初步查明湖北省地热地质背景,为正确认识湖北省地热资源,建设“资源节约型、环境友好型”社会提供基础支撑。

1 大地热流

大地热流是地球内部热能传输到地表的一种现象,是地球内热在地表最为直接的显示,并能给出发生于地球内部深处各种作用过程间能量平衡的信息。它是地热场最重要的表征。在一维稳态条件下,热流量是岩石热导率和垂直地温梯度的乘积[1]。

1.1 湖北大地热流特征

根据中国大陆地区大地热流数据汇编[1-2]和部分公开发表文献中的统计数值[3-4],共收集湖北大地热流数据29个,绘制了湖北省大地热流图(图1)。

从图中可以看出,大地热流最小值为41 mW/m2,最大值为69 mW/m2,平均值为53.7 mW/m2,低于中国大陆地区大地热流平均值(61 mW/m2)和全球大陆地区大地热流平均值(65 mW/m2)。其中热流值<50 mW/m2的有9个,占总数的31%;50～60 mW/m2的有12个,占总数的41%;>60 mW/m2的有8个,占总数的28%。

省内大地热流分布不均,基本呈现“南高北低,东高西低”的特征。江汉盆地热流值为41.9～66.4 mW/m2,平均值为52.9 mW/m2,南襄盆地平均值为43 mW/m2,鄂东南地区热流值为42～69 mW/m2,平均值为54 mW/m2,鄂西地区热流平均值根据前人分析为49 mW/m2。

湖北省大地热流存在两个高值异常带,分别为黄石—大冶一带和江汉盆地一带。黄石—大冶最高达到69 mW/m2,这主要由于其地壳浅层热导率结构决定。据资料显示,黄石—大冶一带的石灰岩分布区其热导率高达3.34～3.61 W/m·K,而江汉盆地的高值异常带则主要取决于>30 ℃/km的高地温梯度[5]。

将湖北境内的莫霍面埋藏深度与大地热流分布对照分析,发现两者有很好的对应关系(图1)。省内地壳厚度总的变化趋势是东部薄、西部厚,在莫霍面深度较浅的地方,壳内存在着高热熔融物质的构造背景,大地热流值较高;而莫霍面较深的地方,大地热流值较小。说明湖北境内大地热流的分布与莫霍面的相对埋深存在负相关关系。

图1 湖北省大地热流图Fig.1 Heat flow map of Hubei

1.2 江汉盆地大地热流特征

江汉盆地是扬子板块中部的白垩系—新近系盆地,它紧邻秦岭—大别山造山带、黄陵隆起和江南构造带,受块体边界作用影响,在盆地内部产生了多次不同性质和特点构造变形,形成了复杂断裂系统和构造格局[6]。

根据收集的16个江汉盆地的大地热流数据(图1)和徐明等[7]研究绘制的大地热流等值线图(图2),反映出江汉盆地大地热流值范围在41.9～66.4 mW/m2之间,平均值为53.2 mW/m2,代表了江汉盆地区域平均大地热流密度,其值低于中国大陆地区大地热流平均值(61 mW/m2)和全球大陆地区大地热流平均值(65 mW/m2)。江汉盆地大地热流分布特征为盆地内部热流分布比较稳定,总体表现为西北部当阳复向斜和南部潜江复背斜稍高。

2 区域地温场特征

湖北省地热资源分为隆起山地型和沉积盆地型地热[8],两种地热类型的地温场特征不同。

2.1 隆起山地型地热地温场

湖北省隆起山地多为致密岩层,地温场上属地温和地温梯度低值区,如鄂东南下陆一带为1.95 ℃/100 m,杨武一带为2.1 ℃/100 m,赤壁桃花坪一带为1.71 ℃/100 m,鄂西南松宜夹岩河矿区为1.1 ℃/100 m。

图2 江汉盆地大地热流等值线图(引自江汉盆地钻井地温测量和大地热流分布[8])Fig.2 Contour map of heat flow of Jianghan Basin

省内隆起山地型地热资源数量较多,有58处,且分布广泛。其地热成因为大气降水通过断裂带及其他导水入渗系统汇集于深部,经过深部循环产生水热交换,然后,在地貌、构造等因素配置得当条件下,于地表泄溢成泉。地热流体水温,取决于地温场状况,如断裂褶皱等构造分布,热水循环深度,热储盖层岩性,热储层导热性能,热水排泄条件和浅层地下水活动等因素。其中地温场特征表现为平面上,山地地温和地温梯度较低,只在地热田范围内,有地热异常,且地温向四周扩散降低,在地热田外围温度恢复正常;剖面上,在热储层温度较高,穿过热储层后,温度降低。

(1) 浅层地温场特征。以罗田县界河地热田为例,该地热田位于罗田县城关南西,行政区域上隶属罗田县凤山镇许家冲村,与浠水县交界,地理坐标:东经115°20′15″,北纬30°45′06″。罗田县界河地热田地表热异常的显著特点是界河河谷水流堆积砂滩中小范围内有温泉出露,温泉涌水点变化特点与河水动态变化有很大的关系。当河水下跌时,温泉涌水赋存于砂、砂砾石间,孔隙水也依附河水位下降,热水透过砂砾石层上溢时还未溢出地表就顺着砂砾孔隙潜流补于河水;当河水上升时,砂砾孔隙全部充水堵塞了地下热水水平潜流,热水才涌出地表。

通过对罗田县界河地热田的浅层测温,圈定地温>25 ℃的面积约25 370 m2,地温>40 ℃的面积约5 969 m2(图3)。

罗田县界河平均气温在16.4 ℃,从图3可看出,深层地热异常明显,地温向四周逐渐降低,地热范围宽度上与地热田断裂破碎带宽度基本吻合,说明隆起山地型地热的热储为断层破碎带和裂隙发育带,呈脉状或带状,受断裂构造控制,其各向异性特征明显,地热流体的分布受断裂构造控制。

(2) 深部地温场特征。罗田县界河地热田热储层岩性为太古界大别群角闪二长片麻岩。其地温场特征在剖面上表现为在热储层地温较高,而穿过热储层后,温度逐渐降低。

从罗田县界河地热田的ZK1和ZK4钻孔跟钻测温和终孔后连续测温资料可知(图4、图5),ZK1钻孔跟钻测温曲线呈增减交错型,终孔后连续测温其孔温的增高与孔深的增加呈负相关。ZK1跟钻测温曲线表明罗田县界河地热田地质条件有利于热传导。主要热储层埋藏较浅,温度较高,热交替强烈,故钻孔测温曲线于主要热储层明显朝高温方向凸起,并保持温差较小的较高温度。穿过主要热储层后孔温渐减,曲线折向低温方向,继而随着孔深的增加又逐渐折向增温方向,地温梯度8 ℃/100 m左右。

ZK4钻孔位于ZK1钻孔西约85 m,与ZK1钻孔相比,跟钻测温和终孔后连续测温曲线有一定的变化。跟钻测温曲线表明,ZK4钻孔在揭露角闪二长片麻岩至埋深90.79 m时温度曲线陡然上升,埋深110 m以下,温度升高放缓;而终孔后物探连续测温显示,在孔深90.79 m时温度达到最大,推测此处为出热水段,而此后水温开始急速下降,在107.80～114.80 m之间到达最低,推测此处为出冷水段。不同孔深地下水温度场温度曲线在90.79 m之前波动较小,此后温度变化幅度增大,在98.89 m后温度变化幅度又变小,并保持较小增幅的震荡波动,波动范围在52.8～54.4 ℃之间,地温梯度22 ℃/100 m左右[9]。

图3 罗田县界河地热田浅层温度场分布等值线图Fig.3 Contour map of shallow temperature field distribution of Jiehe geothermal field in Luotian county

2.2 沉积盆地型地热地温场

以江汉盆地为例,其主要热储层为荆沙组、新沟嘴组、沙市组和渔洋组的砂岩。

本文收集了江汉油田长期监测的部分油井和废弃注水井的测温资料。地温数据来自石油部门的油井测温资料及水文钻孔资料。收集了近419个测温钻孔,602组测温数据。测温钻孔的最大深度为5 010 m,由于钻孔测温实际测量的是井液温度,井液与围岩温度达到平衡时的温度才是地层的真实温度,而井液与围岩温度达到平衡则需要相当长时间。收集的数据是长期监测钻孔的测温数据,可视为井液与围岩温度达平衡后的温度,可以间接地反映地下温度分布特征。

图4 罗田县界河地热田ZK1孔温度曲线图 Fig.4 The temperature curve of ZK1 hole of Jiehe geothermal field in Luotian county

图5 罗田县界河地热田ZK4孔温度曲线图Fig.5 The temperature curve of ZK4 hole of Jiehe geothermal field in Luotian county

通过整理分析钻孔的测温资料及收集的资料,绘制出江汉盆地的地温分布图和地温梯度图,可对江汉盆地的地温分布有一个基本认识。

(1) 不同深度的地温分布图。根据王钧等的《中国地温分布特征》[10]及收集的不同深度的地温数据,绘制江汉盆地1 000 m、2 000 m、3 000 m深地温分布图和地温梯度图,基本反映出江汉盆地地温分布的基本面貌。

从江汉盆地1 000 m深地温分布图可知(图6),地温一般在40～50 ℃。其中盆地中部的白马寺镇、潜江、沙市、新沟镇、熊口镇及浩口镇一带,地温多超过50 ℃;仙桃、洪湖、监利等地的地温一般在45～50 ℃;枝江、当阳一带地温一般在40～45 ℃。

江汉盆地2 000 m深的地温平均在70～90 ℃(图7),最高地温分布在白马寺镇、沙市、熊口镇及公安以东地区,地温可达90 ℃以上。潜江、浩口镇、新沟镇等地区,地温多在85～90 ℃;其外围仙桃东部、天门、枝江、洪湖等地区地温在70～80 ℃左右。地温等值线的延展方向在南边,主要为北东和北西向,与长江流向基本一致,而在盆地北部呈近东西向。

图6 江汉盆地1 000 m深地温分布图Fig.6 The temperature distribution at 1 000 m of Jianghan Basin

图7 江汉盆地2 000 m深地温分布图Fig.7 The temperature distribution at 2 000 m of Jianghan Basin

江汉盆地3 000 m深地温分布与1 000 m、2 000 m深地温分布情况类似,其3 000 m深地温多在90～120 ℃之间(图8)。在潜江、白马寺镇、新沟镇、沙市、熊口镇和公安的东部等地区地温多超过120 ℃,为盆地较高地温分布区。向外地温逐渐降低,至天门、仙桃、监利地区地温多在100～110 ℃之间,至盆地外围的边缘地区地温下降到90 ℃以下。

综上所述,江汉盆地3 000 m以浅深度地温分布具有以白马寺镇、沙市为中心由高地温向外围逐渐降低的特点。

图8 江汉盆地3 000 m深地温分布图Fig.8 The temperature distribution at 3 000 m of Jianghan Basin

(2) 区域地温梯度特征。根据江汉盆地测温资料显示,江汉盆地的地温都是随着深度增加而逐渐升高的(见图9),这也是沉积盆地传导型地温场的重要特征。

图9 江汉盆地地温梯度曲线Fig.9 The geothermal gradient curve of Jianghan Basin

江汉盆地的地温梯度一般在3.0～3.5 ℃/100 m左右,盆地中心的白马寺、新沟镇、沙市、潜江等地区的地温梯度多在3.5 ℃/100 m,盆地边缘为2.0～3.5 ℃/100 m。

江汉盆地的地温和地温梯度与区域构造相关。江汉盆地是由燕山运动末期形成的数个断陷和断隆所组成,是经过喜马拉雅山运动的拉张下陷接受沉积或回返上升等振荡运动而形成,其沉积中心在潜江、白马寺、新沟等地区,是江汉盆地中新生代沉积最厚的地区,也是盆地中地温最高的分布区,凹陷中由于基底和盖层岩性组合的影响使地温分布发生局部的变化。盆地南侧地温分布形成沿长江的二条陡变带,与沿长江的西北方向和东北方向的二条深断裂带相吻合。由此可知,盆地的区域地质构造特征对地温分布有着重要的控制作用[1,11-12]。

3 结论

(1) 湖北省大地热流分布不均,最小值为41 mW/m2,最大值为69 mW/m2,平均值为53.7 mW/m2,基本呈现“南高北低,东高西低”的特征,且存在两个高值异常带,分别为黄石—大冶一带和江汉盆地一带。

(2) 湖北省大地热流的分布与莫霍面的相对埋深存在负相关关系。

(3) 地热流体水温,取决于地温场状况,如断裂褶皱等构造分布,热水循环深度,热储盖层岩性,热储层导热性能,热水排泄条件和浅层地下水活动等因素。其中地温场特征表现为平面上,山地地温及地温梯度较低,只在地热田范围内,有地热异常,且地温向四周扩散降低,在地热田外围温度恢复正常;剖面上,在热储层温度较高,穿过热储层后,温度降低。

(4) 沉积盆地型地热地温场受区域地质构造控制。江汉盆地1 000～3 000 m深度地温分布具有以沙市、潜江为中心由高地温向外围逐渐降低的特点,且温度随着深度的增加而增高。

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(责任编辑：陈姣霞)

The Characteristics of Geothermal Field in Hubei Province

LIAO Yuan, YUAN Liwei, WANG Liang, LI Wei

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

This paper is aimed at analyzing the characteristics of the geothermal field in Hubei Province based on studying the terrestrial heat flow and geothermal geological background of geothermal field.The results exhibit that the terrestrial heat flow in Hubei province is uneven distribution which the terrestrial heat flow in south is higher than the north,the east is higher than west.The minimum value is 41 mW/m2,the maximum value is 69 mW/m2,the average value is 53.7 mW/m2.And the terrestrial heat flow is a negative correlation between the depth of moho.The characteristics of mountain ridges geothermal field is that controlled by fracture structure and obvious anisotropy;the mountain temperatures and geothermal gradient is lower in the plane,but there is geothermal anomaly only in geothermal field.On the section,there is a higher temperature in geothermal reservoir while the temperature decreases when go through the geothermal reservoir.The characteristics of geothermal field of sedimentary basin geothermal geothermal field is controlled by regional geological structure.The temperature rises with the increase of depth.

terrestrial heat flow; characteristics of geothermal field; Hubei Province

2016-08-29;改回日期:2016-10-09

廖媛(1988-),女,助理工程师,地下水科学与工程专业,从事水工环及地热调研工作。E-mail:liaoyuan18@aliyun.com

P314

A

1671-1211(2016)06-0876-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.015

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.016.html 数字出版日期:2016-10-26 09:07