何 春, 周玉玲, 劉學(xué)璽

((湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

英山縣溫泉鎮(zhèn)芭茅街地熱田地溫場特征及其影響因素分析

何 春, 周玉玲, 劉學(xué)璽

((湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

在淺層測溫和深層鉆孔測溫資料的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析英山縣溫泉鎮(zhèn)芭茅街地熱田地溫場分布特征及影響地溫場的多種因素。該地熱田地溫場與深部地溫場聯(lián)系密切,形態(tài)分布與斷裂走向基本一致,主要受構(gòu)造運動控制,地下水、巖土體巖性及結(jié)構(gòu)是其地溫場分布的重要影響因素。

地溫場;分布特征;影響因素;英山

英山縣位于湖北省東北部,大別山南麓,區(qū)域內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜,地熱資源豐富,開發(fā)歷史悠久,是“中國地熱綜合利用開發(fā)示范縣”之一。芭茅街地熱田是英山縣地熱資源規(guī)劃開發(fā)利用遠景區(qū),對英山縣地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用有較高的實用價值和現(xiàn)實意義,地熱田地溫場對于了解地熱資源的形成、開發(fā)利用起著重要作用,研究其分布特征,對探索地熱資源分布規(guī)律、潛力評價及其開發(fā)利用都具有重要的理論意義。在全面收集和整理英山縣溫泉鎮(zhèn)芭茅街地熱田地溫場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地下水、地形地貌以及多種對地溫場產(chǎn)生影響的因素,為合理評價地熱田地溫資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 芭茅街地熱田地質(zhì)概況

英山縣位于秦嶺褶皺系大別山隆起東段大別造山帶核部,處于淮陽山字型構(gòu)造脊柱南部,受淮陽山字型構(gòu)造影響較大,燕山期受新華夏系構(gòu)造影響,巖漿活動頻繁,變質(zhì)作用多期?？h域內(nèi)以低山丘陵為主,中低山次之。地形呈現(xiàn)北、北東部高,南、南西低的特點,山脈、水系的展布多呈北東向或近南北向。芭茅街地熱田位于英山縣城區(qū)東約15 km處的東河河床及其兩岸地帶,包括絲茅嶺、芭茅街等地,呈北東東向展布,高程125.0～135.0 m,地表為第四系殘坡積層和全新統(tǒng)沖積的砂和砂礫石,下伏基巖為雷家店花崗片麻巖(PtLgni)(圖1)。地熱田內(nèi)泉群出露,測量泉水最高溫度39.5 ℃,鉆探揭露地熱流體溫度30.5～49.0 ℃。

2 淺層地溫場特征

地熱資源所要利用的主要是蘊藏于地熱流體中的熱量,因此地溫場特征是地熱田研究的主要問題,地溫場研究首先要獲得可靠準確的地溫資料,英山縣地熱田地熱流體埋深淺,溫度較高,沿斷裂構(gòu)造復(fù)合部位溫泉出露較多,淺層熱異常反映明顯,因此通過研究淺層地溫場可以較好的反映導(dǎo)熱、導(dǎo)水構(gòu)造與地熱流體分布特征。本次先后在芭茅街地熱田開展了兩次淺層測溫(1 m測溫),另外收集了前人于2004年在該區(qū)開展的淺層測溫資料。

2004年淺層測溫等值線總體呈N30～36°E展布(圖2),與廟山咀斷層(F95)延伸方向基本一致,局部等值線出現(xiàn)向近南北方向偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,特別是測溫顯示的兩個相對高溫中心(43.6 ℃、43.5 ℃)呈近南北向展布,顯示了近南北向斷層的存在;本次第一次測溫成果(圖3)也證實了這一點,等溫線總體呈N30°E展布,但在中部出現(xiàn)明顯的向近南北方向的偏轉(zhuǎn),兩個相對高溫中心(43.3 ℃、31.2 ℃)呈近南北向展布;第二次測溫區(qū)域主要位于東河左岸河堤內(nèi)側(cè)(圖4),堤內(nèi)地溫異常不明顯,溫度多在13～15 ℃之間,但在局部可見北西向展布的串珠狀異常;河堤附近及堤外地溫異常明顯,受測溫范圍限制,在等值線圖上呈現(xiàn)為西側(cè)未封閉的高溫異常區(qū),異?？傮w走向呈N30°E,異常區(qū)最高溫度為33.2 ℃,緊鄰高溫異常區(qū)西側(cè)出現(xiàn)一個低溫異常區(qū),最低溫度14 ℃,這從側(cè)面反映了地熱田內(nèi)地熱流體主要受斷層控制,呈脈狀分布。

圖1 英山縣溫泉鎮(zhèn)芭茅街地熱田地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geologic section of Bamao street geothermal field in hot spring town,Yingshan County

圖2 芭茅街地熱田收集資料1 m地溫等值線圖Fig.2 Contour map of soil temperature at depth 1 m of Bamao street geothermal field

3 深層地溫場特征

3.1 鉆孔測溫特征

圖3 芭茅街地熱田第一次測溫1 m地溫等值線圖Fig.3 Contour map of the first phase of soil temperature at depth 1 m of Bamao street geothermal field

鉆孔測溫是獲取地熱田地溫資料的主要手段,由于鉆進過程中(包括停鉆后短時間內(nèi))受鉆探循環(huán)液等的影響,穩(wěn)態(tài)溫度(即鉆孔溫度與圍巖溫度平衡時的溫度)需停鉆后相當長一段時間(幾個月甚至幾年)后才能獲取。受限于項目工作時間,本次主要采用跟鉆測溫與停鉆后一定時間內(nèi)的系統(tǒng)測溫(非穩(wěn)態(tài)溫度)作為分析地溫場的依據(jù),它們能在客觀程度上反映地溫場的總體特征。時間間隔越長,所測量的溫度受鉆進的影響越小,越接近于穩(wěn)態(tài)溫度,系統(tǒng)測溫較跟鉆測溫更能反映地溫場的真實情況,因此在具體分析過程中,優(yōu)先采用系統(tǒng)測溫資料。

圖4 芭茅街地熱田第二次測溫1 m地溫等值線圖Fig.4 Contour map of the second phase of soil temperature at depth 1 m of Bamao street geothermal field

圖5 芭茅街地熱田YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2鉆孔溫深曲線圖Fig.5 Temperature-depth curve for borehole of YR2004-1、YR2005-1 and YR2005-2 of Bamao street geothermal field

芭茅街地熱田共有5個鉆孔,其中收集4個鉆孔(YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2、YR2005-3),對YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2進行了跟鉆測溫工作(圖5),對YR2005-3進行了系統(tǒng)測溫工作(圖6),本次施工1個鉆孔(YR2009-2),進行了跟鉆測溫與系統(tǒng)測溫工作(圖7)。

圖6 芭茅街地熱田YR2005-3孔鉆孔溫深曲線圖Fig.6 Temperature-depth curve for borehole of YR2005-3 of Bamao street geothermal field

圖7 芭茅街地熱田YR2009-2孔鉆孔溫深曲線圖Fig.7 Temperature-depth curve for borehole of YR2009-2 of Bamao street geothermal field

YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2孔受鉆進過程影響,測溫數(shù)據(jù)波動較大。由溫深曲線可以看出,總體上鉆孔溫度隨深度逐漸增加,但在110～130 m井段,溫度顯著降低,推測該處存在冷熱水混合的現(xiàn)象。

YR2005-3孔跟鉆測溫顯示總體上鉆孔溫度隨深度增加逐漸升高,但在185 m以下溫度略有降低;系統(tǒng)測溫顯示25 m以上地熱增溫較快,為變溫帶;25 m以下,斷層破碎帶、裂隙發(fā)育帶地熱增溫較快;在完整基巖段,受地熱流體垂向運動的影響,地熱增溫不明顯,局部(115～145 m段)出現(xiàn)溫度降低的現(xiàn)象。

YR2009-2孔跟鉆測溫顯示總體上鉆孔溫度隨深度增加逐漸升高;100 m系統(tǒng)測溫顯示25 m以上曲線出現(xiàn)反轉(zhuǎn),表明該段為變溫帶,溫度受大氣溫度影響強烈,25 m以下鉆孔溫度隨深度線性增大;終孔系統(tǒng)測溫為鉆孔出現(xiàn)自流時進行的測溫,受地熱流體垂直運動影響顯著,鉆孔溫度主要受下部地熱流體溫度控制,溫度變幅僅1.7 ℃,但在25～40 m、120～160 m井段出現(xiàn)溫度降低現(xiàn)象(跟鉆測溫在該段同樣出現(xiàn)明顯的溫度降低),表明該段可能出現(xiàn)冷熱水混合或高、低溫熱水混合現(xiàn)象。

3.2 地溫剖面特征

芭茅街地熱田北東向地溫剖面顯示(圖1),溫泉出露處地溫最高,等值線表現(xiàn)為向上凸起,40 ℃等值線接近地表,等值線凸起部位對應(yīng)于地熱流體的上升通道,為北東向與近南北向斷層的交匯部位。

3.3 深層地溫等值線

深層平面地溫場主要通過鉆孔測溫數(shù)據(jù)反映,它對研究地熱田導(dǎo)水導(dǎo)熱構(gòu)造,確定地熱田范圍等具有重要作用。芭茅街地熱田東部、西北部缺少鉆孔控制,0 m、-50 m高程地溫等值線曲線形態(tài)不完整,地溫等值線總體呈N30°E展布,與兩個相對高溫中心延伸方向一致。西側(cè)高溫中心與芭泉1、芭泉2出露位置一致,地溫等值線出現(xiàn)局部呈近南北向展布的特征;東側(cè)高溫中心與芭泉3出露位置一致,地溫等值線由N30°E向E偏轉(zhuǎn),0 m高程比-50 m高程地溫等值線偏轉(zhuǎn)的角度更大(圖8)。

由此可見,芭茅街地熱田深部地溫場主要受N30°E構(gòu)造控制,淺部地溫場則受近南北向、N60°E向構(gòu)造影響。

3.4 地熱增溫率特征

地熱增溫率反映地熱田地溫隨深度的變化率,根據(jù)地熱田內(nèi)各鉆孔地熱增溫率特征,可以分析地熱田不同部位地熱增溫率的分布情況。芭茅街地熱田鉆孔均分布于對流區(qū)內(nèi),鉆孔地熱增溫率主要反映對流區(qū)內(nèi)的地熱增溫率特征,主要表現(xiàn)為地熱田中心低、外圍高,地熱田中心的YR2009-2、YR2005-3、YR2004-1孔地熱增溫率一般不超過5 ℃/100 m,而外圍的YR2005-1、YR2005-2孔地熱增溫率>8 ℃/100 m;地熱增溫率隨導(dǎo)熱構(gòu)造呈相間分布,即導(dǎo)熱構(gòu)造內(nèi)地熱增溫率低,其外圍則較低,距F85斷層較近的YR2009-2孔地熱增溫率為4.63 ℃/100 m,距F85斷層較遠的YR2005-3孔則為2.21 ℃/100 m。

4 地溫場影響因素分析

地溫是地球深部熱傳導(dǎo)、熱對流和太陽輻射共同作用的結(jié)果,地溫場是不均一的,許多因素都直接或間接地影響地溫場的分布。芭茅街地熱田地溫數(shù)值變化較大,地溫場整體呈北東向展布。綜合分析認為主要受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、巖土體巖性及結(jié)構(gòu)等因素影響。

4.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

影響地溫場的因素很多,其中起主導(dǎo)作用和全局性影響的是構(gòu)造的性質(zhì),一般認為區(qū)域性構(gòu)造條件控制不同地質(zhì)單元的地溫分布,新構(gòu)造運動決定現(xiàn)代地溫場和地殼的熱狀態(tài)。基底形態(tài)是地溫重新分布的重要影響因素,基底起伏與地溫的橫向變化呈正相關(guān)關(guān)系,表現(xiàn)為凹陷帶低地溫,凸起帶高地溫;斷裂使基巖強烈破碎或抬升,裂隙的形成為深部熱源提供了良好的通道,從而使斷裂附近地溫較高。芭茅街地熱田深部地溫場主要受N30°E構(gòu)造控制,淺部地溫場則受近南北向、N60°E向構(gòu)造影響,展布方向與構(gòu)造斷裂方向基本一致,具有明顯相關(guān)性。地熱田受淮陽山字型和新華夏構(gòu)造影響,北東向深大斷裂發(fā)育,具備深循環(huán)條件,斷裂帶附近巖層節(jié)理裂隙發(fā)育,具有較好的滲透性,地下水在滲流過程中將分散在較大范圍地殼中的熱量集中到滲透性較好的斷裂破碎帶中,從而形成熱儲。在儲熱、導(dǎo)熱破碎帶內(nèi),地下水在補給徑流過程中,依靠水的對流不斷吸取巖層中的熱量,使得地下水不斷增溫形成地熱流體,熱水沿斷裂破碎帶上涌至排泄區(qū),在地熱田外圍遠離斷層破碎帶地段以熱傳導(dǎo)為主,主要依巖石的導(dǎo)熱性能傳遞熱能。

4.2 水文地質(zhì)條件

地下水具有獨特的物理性質(zhì)和熱物理性質(zhì),既能搬運能量又能儲存一定能量,構(gòu)造運動形成導(dǎo)水節(jié)理、裂隙,地下水以對流導(dǎo)熱方式與周圍巖石進行熱交換,對傳導(dǎo)傳熱地溫場形成局部或區(qū)域的影響,其影響程度與地貌特征、構(gòu)造發(fā)育程度、含水層分布及其水動力特征密切相關(guān),當基底中具有良好的水對流通道和比較一致的地下水化學(xué)成分時,地下水把熱量帶到地表或更遠的排泄區(qū)。芭茅街地熱田為正常的地熱增溫率增溫,熱水溫度主要取決于地下水的循環(huán)深度及徑流排泄條件,熱水的賦存及分布嚴格受斷裂構(gòu)造控制。地熱田地熱流體來源于大氣降水,補給區(qū)位于英山縣北部、東部的中低山區(qū)。大氣降水在補給區(qū)向地熱田不斷運移的過程中,隨著深度的增大,吸收巖體中的熱量形成地熱流體。地熱流體在地質(zhì)條件有利的部位,即沿著斷裂交匯帶上涌至地表,形成高溫中心及斷裂對流型中低溫地熱系統(tǒng)。

4.3 巖性

巖石地層是地殼中地溫能儲存、傳遞、散失的物質(zhì)基礎(chǔ),熱導(dǎo)率是巖石地層熱物理性質(zhì)的重要參數(shù)之一,不僅決定地溫場的展布形態(tài),而且也是地溫能資源量計算和開發(fā)利用計算的關(guān)鍵因素。一般來說,巖石的熱導(dǎo)率隨地質(zhì)年齡的增加而加大,較老的致密巖石熱導(dǎo)率高,熱阻率小;上覆較新的沉積巖,特別是新生界的半固結(jié)或松散的沉積物熱導(dǎo)率低,熱阻率大。芭茅街地熱田的基本地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較單一,從上至下可分為三個主要層次,即第四系沉積物、基巖風(fēng)化殼和新鮮基巖。其中,新鮮基巖受構(gòu)造影響,發(fā)育斷層破碎帶、裂隙帶等儲水構(gòu)造。鉆孔測溫資料表明,較均一巖層鉆孔的深度—溫度曲線為一條較平滑的直線,熱物理性質(zhì)差異較大的巖層鉆孔的深度—溫度曲線則成直線,不同巖性段的分界面處鉆孔的深度—溫度曲線常有轉(zhuǎn)折,地熱增溫率有明顯變化。

5 結(jié)論

(1) 芭茅街地熱田地溫場分布受淮陽山字型構(gòu)造和新華夏系構(gòu)造控制,深部地溫場主要受N30°E構(gòu)造控制,淺部地溫場則受近南北向、N60°E向構(gòu)造影響,展布方向與構(gòu)造斷裂方向基本一致,地溫場分布與構(gòu)造相吻合,表明構(gòu)造是控制地溫分布的主要因素。

(2) 芭茅街地熱田為正常的地熱增溫率增溫,熱水溫度主要取決于地下水的循環(huán)深度及徑流排泄條件,地熱田地熱流體來源于大氣降水,補給區(qū)位于英山縣北部、東部的中低山區(qū),熱水的賦存及分布嚴格受斷裂構(gòu)造控制。

(3) 芭茅街地熱田地溫場的溫深曲線受巖石地層影響明顯,巖土體巖性、物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及其所處地質(zhì)構(gòu)造位置對巖石地層熱物理性質(zhì)有較大影響。

[1] G·邦特巴斯.地熱學(xué)導(dǎo)論[M].易志新,熊亮萍,譯.北京:地震出版社,1988.

[2] 徐世光,郭遠生.地熱學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[3] L.Pybach.L.J.P.Muffler地熱系統(tǒng)—原理和典型地熱系統(tǒng)分析[M].北京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系地熱研究室,譯.北京:地質(zhì)出版社,1986.

[4] 何春,周玉玲,劉學(xué)璽.湖北省英山縣溫泉鎮(zhèn)地熱資源勘查報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2012.

[5] 何春,劉學(xué)璽,葉騰升.英山縣溫泉鎮(zhèn)芭茅街地熱田地熱地質(zhì)條件及開發(fā)利用保護建議[J].資源環(huán)境與工程,2015,29(6):839-843.

(責任編輯：陳姣霞)

Characteristics and Influencing Factors of the Bamao Street Geothermal Fieldin Hot Spring Town,Yingshan County

HE Chun, ZHOU Yuling, LIU Xuexi

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

Based on the data of shallow layer thermometry and deep borehole temperature,the authors systematically analyze the distribution characteristics of the Bamao Street geothermal field in hot spring town,Yingshan County and several influencing factors.There is a close relationship between the geothermal field and the deep geothermal field in this area.The distribution of the geothermal field is basically consistent with the strike of major active faults,mainly controlled by new tectonic movement.In addition,groundwater, lithology and structure of rock and soil mass are also important influencing factors.

geothermal field; distribution characteristics; influencing factors; Yingshan

2016-08-29;改回日期:2016-10-09

何春(1986-),男,助理工程師,水文與水資源專業(yè),從事水工環(huán)地質(zhì)工作。E-mail:372205665@qq.com

P314

A

1671-1211(2016)06-0899-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.018

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.020.html 數(shù)字出版日期:2016-10-26 09:07