刘 徽，沈 军，李文涛，张超宇

(湖北省地质局 第一地质大队,湖北 大冶 435100)

地热资源是储藏于地壳内部,集热、矿、水于一体并能被人类在当前技术经济和地质环境条件下科学地开发出来的地下热能量及其伴生的有用成分[1-2]。它是清洁能源和可再生能源中的一个重要组成部分,具有廉价、清洁、易开采、可直接利用和可再生等优点[3]。地热能最先被人们用于洗浴,后来一定规模的应用于电力、供暖、农业、工业等各领域[4-5]。中国早在2 000多年前就开始了对温泉的利用,但作为一门学科研究是在20世纪50年代。70年代初中国开始大规模地进行地热勘探与研究。此时,湖北省黄石地区也曾陆续开展过地热资源勘查工作,并初步分析了其章山地区地热资源形成机制。但是由于多种原因,这些勘查工作多限于地热流体天然露头较集中、温度相对较高地段的勘查与评价,而对于没有温泉出露的地热开发利用潜力较大的地段勘查和研究程度较低[6]。随着2017年1月《地热能开发利用“十三五”规划》的出台,地热产业进入快速发展阶段[7-8]。近年来多家地勘单位在章山温泉周边开展过“以矿找矿”的地热勘查工作,其主要找热思路多表现为寻找与章山温泉成因模式一致的主要受断裂构造控制呈带状分布的地热资源,地下水温度多在38 ℃以下,水量也不大,找热效果不佳。

黄石市作为长江经济带重要节点城市,以《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》、全国浅层地热能与地热资源管理工作会议精神和规划为契机,积极开展该项研究工作可谓举足轻重。黄石地区地热产业得到政府部门、地方企业的青睐,黄石市自然资源和规划局、黄石市文化旅游投资有限公司等部门多次表明急需在黄荆山南麓寻找可供开发利用的地热水资源。黄石黄荆山国际温泉度假村、月亮山路新城温泉村和大冶湖生态新区温泉小镇等项目急需得到一批可进一步开采利用的地热水资源。基于国家政策鼓励、各级政府支持及社会需求,湖北省自然资源厅、黄石市自然资源和规划局等部门在章山地区先后投入资金开展地热勘查工作。因此本文先是总结以往地热找矿工作成果,研究分析章山温泉地热成因机制,尝试建立章山地区地热成因模式概念模型,发现以往找热效果不佳的原因,从而探索受断裂控制的中深部岩溶区地热资源的找矿思路,为本区地热勘查工作提供找热新方向[9]。

1 研究区地质背景

1.1 自然地理

研究区位于湖北省黄石市东南约9.5 km,东距长江10.9 km,北距西塞山区4.5 km,南距大冶湖1.5 km,西南距黄石园博园约7.0 km,属湖北省大冶市汪仁镇管辖。研究区紧邻黄石—阳新一级公路,大棋路东西向横穿全区,县级公路及村村通公路发达,交通便利。

研究区地处亚热带温暖湿润季风气候区,雨量充沛,年平均气温在17 ℃,最热月份(7月)平均29.2 ℃,最冷月份(1月)平均3.9 ℃。极端最高气温40.3 ℃,极端最低气温-11 ℃。无霜期年平均264 d,年平均降雨量1 382.6 mm,年平均降雨日132 d左右,年日照1 666.4—2 280.9 h。多东南风,年平均风速为2.17 m/s。具有冬冷夏热、四季分明的特点。

研究区内地势北高南低,位于低山丘陵区—湖盆区的过渡地带,北面为近东西走向的黄金山,南面为地势平缓的大冶湖盆区,海拔标高多在15～500 m。按相对高度及地貌成因的不同,可分为低山—丘陵区、湖盆区和河谷冲积区。

1.2 地层岩性

研究区位于扬子准地台下扬子台褶带西端大冶凹褶断束内。区内地层出露较齐全,自寒武系中上统至第四系均有出露,仅缺失中下泥盆统及下石炭统。寒武系中上统—奥陶系主要分布于研究区中部及中偏北部汪仁—章山一带,总体呈北东东向展布,为汪仁—章山倒转背斜核部。志留系主要分布于研究区北部,南部在王叶、贵卿湾等地零星出露,为区内主要隔水层之一。泥盆系主要分布于研究区东北角,主要岩性为灰白色中厚层状石英岩状砂岩、石英砂岩,与下伏地层为平行不整合接触。二叠系分布于研究区西北角徐斌一带,白垩系—第三系分布于研究区内王叶—贵卿湾以南,地表大部分为第四系冲、湖积层掩盖,局部零星出露,是区内重要的隔水层。第四系广泛分布于地势低洼地带,主要为第四系冲洪积物、残坡积及湖积层(图1)。

图1 章山地区地质图Fig.1 Geological map of Zhangshan area1.白垩系—第三系公安寨组;2.石炭系中统;3.泥盆系中上统云台观组;4.志留系下统新滩组;5.奥陶系上统;6.奥陶系中统;7.寒武系上中统—奥陶系下统;8.实测性质不明断层、推测断层。

1.3 构造

工作区内地质构造复杂,多期构造叠加,变形强烈,褶皱和断裂构造十分发育。

印支期,区内受到南北向挤压,寒武系—三叠系的地层褶皱变形,形成北西西—近东西向的章山倒转背斜,北翼倒转,南翼正常。在倒转背斜的核部四棵—汪仁—章山一线形成近东西向的走向断裂,同时在罗桥—王叶—河口一线褶皱的核翼转折部位形成平行的北西西—近东西向的走向断裂,在倒转背斜的南北两翼,形成北北东、北北西向的共轭压扭性断裂,共同组成交叉的裂隙系统。南部大冶湖一带褶皱凹陷,形成北西西向的大冶复向斜。

燕山期,区内应力场转换,受到北西西向的挤压,印支期形成的北西西—近东西向褶皱和断裂构造被叠加改造,章山倒转背斜的轴面出现向北突出的弧状弯曲,北西西—近东西向的走向断裂由于受北西西向挤压出现张性改造,裂隙进一步加大加深。同时,罗桥—王叶—河口一线的北西西—近东西向走向断裂引长拉伸,形成大冶湖盆地凹陷的边界断裂。

章山倒转背斜轴向呈北东65°方向延伸,轴向延长约22 km,轴线呈北东30°方向突出的弧形弯曲,轴面南倾。组成背斜的核部地层为寒武系、奥陶系地层,翼部地层为志留系、泥盆系、石炭系、二叠系和三叠系地层。褶皱的北翼地层发育较全,地层倾向南南东,倾角10°～80°,南翼为近东西向断裂切割,保存不完全,总体倾向南南东,倾角40°～55°。

大冶湖盆地北部断裂带西起保安,经下陆,过章山,向东与长江沟通。断裂带走向延长约52 km,由背斜核部的周兰生—章山断裂、大冶湖盆地边界的王叶—河口断裂两条平行的主干断裂和与之平行的近东西向次级断裂组成,总体倾向南,主干断裂和北东、北西向的断裂共同组成宽约2～3 km的断裂带,断裂带内岩石破碎,节理、裂隙发育。断裂带西部沟通保安湖，中部与磁湖、大冶湖等地表水体相通,向东与长江主干流相连。区内大气降水沿地表裂隙系统下渗,在深部遇志留系砂页岩隔水层,向南径流,经过深循环,局部在北东向和近东西向断裂交叉地段的低洼点溢出形成热泉,大部分汇聚于主干断裂带内,自西向东径流,最终汇入长江。

1.4 岩浆岩

研究区内岩浆岩出露较少,仅在贵卿湾一带,在寒武系碳酸岩层中穿插有北东向的辉绿玢岩岩脉;在章山南坡,寒武系碳酸岩层出露有南北向的石英闪长斑岩岩脉,由于以往没开展专门地质工作,相关资料较少。

据航磁资料,鄂东南地区的中酸性侵入岩具有中高磁性,已知岩体与航磁异常吻合程度高,随着岩体的埋藏深度加大,岩体的磁性逐步减弱；章山西南部的曹家一带有74—55号弱航磁异常,表明深部可能存在隐伏中酸性侵入岩。紧邻工作区东部贵卿湾一带地表出露的石英闪长斑岩岩脉可能为深部隐伏岩体的分枝岩脉。

1.5 水文地质条件

研究区内含水层以碳酸盐岩岩溶裂隙含水层和构造破碎带裂隙含水层为主,次为砂岩风化裂隙含水层和松散土体孔隙含水层。隔水层为白垩系—第三系深部未风化的粉砂岩、志留系粉砂岩、泥岩以及第四系残坡积粘土、亚粘土及冲湖积底部的粘土层。

区内地下水径流受地形、构造等多方面因素影响,章山一带裸露的碳酸盐岩接受大气降雨入渗补给,岩溶水一部分自北部依岩溶裂隙通道或断层顺地势自高往低向南运移,另一部分沿较大的导水断裂破碎带以垂向径流为主参与深部水循环。平面上主要呈现向研究区南部大冶湖断陷盆地边缘汇集的趋势,一部分在合适的地质条件下以泉的形式排出地表,另一部分渗入深部后汇聚于南部的主干断裂中,遇志留系或白垩系—第三系隔水层阻隔后,自西向东径流,经过长距离运移,最终排泄于长江。

2 地热资源形成机理及成因模式分析

2.1 章山温泉地热地质特征

汪仁镇章山温泉热异常带位于章山倒转背斜南翼,热水点有沿北北东向隐伏断层展布的趋势,说明地热水是受构造断裂带控制的。热水中矿化度、硫酸根离子、氟离子、可溶性二氧化硅等特征组分的含量明显高于冷水,一般认为是地下水参与深部循环溶滤的结果。热水中硫酸根离子含量大于氯根离子含量约1 000倍,应属于中深度循环水;矿化度较高,但仍属于低矿化水,未超过3 g/L,说明热水的循环条件是较好的。地下水在沿断裂破碎带向深部循环过程中,被地温或者深部岩浆岩加热,然后又顺合适的断裂通道上升至地表。热水水温不高的原因(未超过40 ℃),可能是上升过程中造成的,一是因为表层地温低,上升速度缓慢而降温;二是混入了冷水,混入的冷水越多,温度也越低,水质变化就越大,而趋近于冷水的化学成分。

2.2 章山地区地热资源形成机理分析

地热资源的形成,主要受热源、热储、通道、盖层四大要素控制[10],就研究区而言,其四要素产生所具备的条件如下。

2.2.1热源条件

据航磁资料,研究区周边极可能有隐伏的侵入岩分布,岩浆岩中的放射性元素富集,产生热量大,形成附加热源。地下水循环过程中,当其流经侵入岩影响区时,即可获得岩浆岩体的热度而增温。

据测试资料可知，章山地区的地热水中可溶性二氧化硅、氟、硫酸根离子及矿化度均明显高于周边(冷)地下水,可证明是热水参与深部循环溶滤的结果。

根据黄石地区钻孔井温测量成果,本区地温梯度一般在2 ℃/100 m左右,而研究区为黄石市已知的两个地热异常点之一,地温梯度理应更高。

章山温泉出露表明，研究区及周边地下水通过深大的导水断裂进行深循环,利用地温梯度吸取深部岩石热量,再通过地下水对流将热量运移到浅部。

综上,研究区地热水热源为地球深部大地热流对流供热和岩浆岩供热的综合影响。

2.2.2热储和通道条件

根据以往资料得知,目前揭露的热水出露于寒武系地层的断裂带附近,主要含水层为岩溶裂隙含水层和构造破碎带裂隙含水层,这两个含水层互相接触,之间无隔水层分布,宏观上为同一含水单元,但伴随断裂而生的构造裂隙、岩溶一般更发育,渗透性和导水性要强于岩溶裂隙含水层,且发育深度更大。

(1) 岩溶裂隙含水层。该层由章山倒转背斜核部寒武系—奥陶系白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩、灰岩等碳酸盐岩类组成,其岩溶发育规律和区域上基本一致,大致体现为自地表往下岩溶发育渐弱、浅部渗透性高于深部的特点,在地表亦可见溶洞(章山洞为较大溶洞),钻探岩芯揭露溶蚀孔洞、岩溶裂隙较发育,地下水运移以沿岩溶通道顺地势自高往低径流为主。在研究区内多隐伏于第四系之下,仅在丘陵顶部局部出露;在章山一带大面积裸露于地表,为大气降水入渗补给地下水的重要区域。当达到一定深度后,岩溶发育程度逐渐变差,导致该含水层的深部水循环仅依靠与其相连通的构造裂隙间接进行,本层含水层对沿破碎带上升的热水有掺和，使其成为降温的衍生泉水。

(2) 构造破碎带裂隙含水层。该层虽然在研究区内因第四系覆盖多未出露,但依据以往物探剖面资料及钻孔资料,可以发现该层伴随导水断裂而生,分布于导水断裂两侧。

本层地下水除了接受寒武系—奥陶系岩溶含水层的侧向补给外,同时因各断裂延伸长、纵横交错的缘故也接受区域其他含水层的补给。由于区内断裂切割深度大,地下水在运移过程中产生深循环形成增温,在合适部位再通过断裂上涌,故构造破碎带裂隙含水层既是热储含水层,又是导热构造。需要指出在热水沿破碎带上升过程中,随着寒武系—奥陶系地层岩溶发育的增强，混入其中的冷水导致温度降低,这也是造成章畈村早期出露的温泉水温不高的原因之一。

综合上述,工作区内的热储含水层为构造破碎带裂隙含水层,尤其以切割寒武系—奥陶系地层的构造破碎带裂隙含水层为主。

2.2.3盖层条件

工作区南部地表分布志留系坟头组、泥盆系云台观组、白垩系—第三系以及第四系残坡积等隔水层,地层均南倾,寒武系—奥陶系岩溶含水层及其中的构造破碎带裂隙含水层隐伏于隔水层之下,埋深一般20～800 m。上述隔水层,透水透热性能差,组成了隔水隔热层即盖层,对区内南部热水起到了很好的保温作用。

2.3 地热成因模式分析

章山地热的成因模型为水热对流型地热系统,区域近东西向、北北西、北北东向等纵横交错的导水断裂带构成地热流体的径流网。北部汪仁—章山一带高地势岩溶裸露区接受大气降水补给后,碳酸盐岩地层地下水补给构造破碎带裂隙含水层,沿破碎带向下进行深部循环,受地形、水头差等因素影响,地下水通过北北东、北北西向的导水断裂自北向南运移,在研究区南部大冶湖断陷盆地北侧遇隔水层阻挡后,汇集于近东西向的断裂带,然后呈东西向径流。地下水循环深度大,径流路径长,运移过程中受到地温自然梯度以及岩浆岩放热综合影响而增温。断陷盆地北部隔水层与寒武系—奥陶系地层呈断层式接触,倾向南,白垩系—第三系、泥盆系、志留系地层构成了工作区南部很好的地热保温盖层,使得赋存于断层破碎带中的热水不易散热降温(图2)。

图2 章山地区地热资源成因模型分析示意图Fig.2 Schematic diagram of genetic model analysis of geothermal resources in Zhangshan area1.第四系残坡积;2.白垩系—第三系公安寨组粉砂岩;3.三叠系嘉陵江组白云岩;4.三叠系大冶组含泥质灰岩;5.二叠系上统含硅质条带灰岩;6.二叠系下统含燧石结核灰岩;7.石炭系白云岩、灰岩;8.泥盆系中上统云台观组石英砂岩、含砾石英砂岩;9.志留系泥质粉砂岩;10.奥陶系含泥质生物碎屑灰岩;11.寒武系白云岩;12.闪长玢岩;13.断裂;14.构造角砾岩;15.溶洞;16.泉点;17.地下水运移方向;18.大气降水。

3 地热找矿思路

3.1 地热找矿潜力分析

3.1.1地热异常范围的确定

根据前人工作成果,地热田的分布范围平面形态呈带状,沿断层南北向展布,地热异常中心位于章畈温泉附近,形成一个封闭的椭圆区,异常中心的温度在35.2～40.0 ℃,往南北温度则慢慢降低。地热田属小型温水地热田,热源中心在SHK01附近,受冷水的混合作用及远离热源影响,水温由热源中心向外围扩散并逐渐降低。大致推测黄金山地热田温水分布面积约为80 400 m2。

3.1.2热储层基准温度

对热储层温度进行地球化学温标计算。根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)所推荐的公式,选用钾镁地热温标进行计算，其公式为：

(1)

式中：t为热储温度,℃;c1为水中钾的浓度,mg/L,取平均值为4.99 mg/L;c2为水中镁的浓度,mg/L,取平均值为95.27 mg/L。代入上式,可得t=65.53 ℃。作为该地热田热储层的基准温度,即t=65.53 ℃。

3.2 地热找矿方向

根据前人工作成果及找热方向,多将章山地热田划分为Ⅱ-2型。章山地区大致查明了地热田的控热构造、热流体的温度、盖层和热储埋藏条件,要想通过钻孔揭露F1断裂与次级北北东、北北西向的断裂交汇部位，寻找地热的可能性及成功率并不高,即“以矿找矿”前景不大。结合区域地质资料,章山地区地热资源具有热源、热储、通道和盖层四大要素,为了寻找水温更高、水量更大的优质地热资源,可从大冶湖凹陷盆地北部边界接触带寻找新的地热资源,在盖层厚度较大时,地下水增温到一定温度的情况下,通过钻孔揭露到富水性较强的岩溶发育破碎带部位(盆地边界接触带),也是本区寻找优质地热资源的可供选择的一个方向与思路。因此,试图揭露大冶湖盆地边界接触带是寻找章山地热的另一个重要方向。

4 结论

章山地热田位于章山背斜南翼的寒武系与志留系接触带,上部地层由志留系泥岩、白垩系—第三系粉砂岩及第四系粘土组成了盖层,下部地层由寒武系—奥陶系的白云岩、灰岩组成,岩溶发育,岩石破碎,为主要储热储水层。地热田的分布范围明显受区域上黄金山隆起带断裂及伴生次级北北东向张扭性断裂带的控制,地下水的分布范围平面形态呈带状[11]。章山背斜南翼深部寒武系与白垩系—第三系接触破碎带部位是今后章山地区寻找地热的一个重要方向[12]。

致谢：本文的撰写得到金尚刚和肖友发两位正高职高级工程师的大力支持和帮助,在此深表感谢！