???qiáng), 李 嶸, 江越瀟, 蘇 呈, 王富強(qiáng)
(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治中心,湖北 武漢 430034;3.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051)
地?zé)豳Y源是一種新興的綠色能源,應(yīng)用廣泛,具有廣闊的開發(fā)前景。武漢市是中國中部地區(qū)的特大型城市,中部地區(qū)中心城市,地?zé)豳Y源開發(fā)市場前景大,但目前在武漢市內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)可供開發(fā)利用的優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源,為填補(bǔ)武漢市無地?zé)豳Y源開發(fā)的空白,前人對此做了大量的工作,認(rèn)為武漢地區(qū)具備“儲”、“熱”、“導(dǎo)”、“蓋”等地?zé)豳Y源形成的地質(zhì)條件。
武漢市位于鄂東北大別山丘陵和鄂東南幕阜山丘陵之間,處于江漢平原的東部,總的地形為北高南低,以丘陵和平原相間的波狀起伏地形為主。
武漢市跨兩個一級構(gòu)造單元(圖1),以襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂為界,北為南秦嶺—大別造山帶,出露元古界變質(zhì)巖系;南為揚(yáng)子陸塊區(qū),出露志留系—第四系,基巖出露不廣,多隱伏于新生界地層之下,除個別地層缺失外,發(fā)育了一套較完整的陸、海相沉積,志留系主要為粉砂巖、頁巖,泥盆系主要為石英砂巖,石炭系主要為白云巖、灰?guī)r,二疊系主要為灰?guī)r、硅質(zhì)巖,三疊系主要為灰?guī)r、白云巖,上三疊統(tǒng)—侏羅系主要為砂巖、頁巖,白堊系、古近系主要為礫巖、砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖,第四系以河流、湖泊相堆積為主,另外,根據(jù)鉆孔資料顯示,志留系下部為寒武—奧陶系灰?guī)r、白云巖。
武漢市北部和南部還零星分布有大別期、揚(yáng)子期、燕山期的侵入巖和產(chǎn)于白堊系—古近系東湖群地層中的噴出巖。
襄廣斷裂以北的構(gòu)造特征表現(xiàn)為一系列北西向向斜、背斜,并發(fā)育規(guī)模不等的北西、北北東向斷裂;襄廣斷裂以南大都被第四系覆蓋,志留系—三疊系構(gòu)成了走向近東西向的線狀褶皺,一般向斜窄、背斜寬,并發(fā)育NNE、NWW、NW向三組斷裂。新生代以來的活動性斷裂主要有襄廣斷裂、麻團(tuán)斷裂、英店斷裂、長江斷裂、天門河斷裂、石首斷裂等。同時,受襄廣斷裂和麻團(tuán)斷裂控制,發(fā)育有兩個凹陷,即:新洲凹陷和梁子湖凹陷。
武漢市地?zé)岬刭|(zhì)條件主要包括熱儲、熱源、導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造、蓋層、補(bǔ)給來源、熱顯示等方面。
根據(jù)熱儲巖性,將武漢市熱儲分為三類,即碳酸鹽巖熱儲、碎屑巖熱儲和變質(zhì)巖熱儲。
2.1.1碳酸鹽巖熱儲
碳酸鹽巖熱儲可分為石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲和寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲,二者之間為巨厚的志留系。地?zé)崃黧w主要賦存于巖溶裂隙和斷裂帶中。
圖1 武漢市大地構(gòu)造圖[1]Fig.1 Geotectonic map of Wuhan1.一級單元界線;2.二級單元界線;3.三級單元界線;4.四級單元界線;5.構(gòu)造單元編號。
石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲多裸露于地表,零星分布于襄廣斷裂以南的向斜帶中,熱儲的形成需要一定的構(gòu)造條件,如向斜與深大斷裂的交匯部位:葛店向斜與襄廣斷裂交匯帶、官家畈向斜與五通口—湯遜湖斷裂交匯帶;梁子湖凹陷帶石炭系—二疊系埋藏深度較大,可能形成熱儲。
寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲埋藏于巨厚的志留系之下,襄廣斷裂以南地區(qū)多有分布,埋深一般>500 m,局部地區(qū)超過2 000 m,基本與地表褶皺相對應(yīng),向斜區(qū)埋深大,背斜區(qū)埋深小。
2.1.2碎屑巖熱儲
熱儲巖性為白堊系—古近系公安寨組礫巖、砂巖,主要分布于襄廣斷裂以北的新洲凹陷,埋藏深度由北向南逐漸增大,南部深度超過2 000 m,地?zé)崃黧w主要賦存于碎屑巖孔隙、裂隙和斷裂破碎帶中。
2.1.3變質(zhì)巖熱儲
熱儲巖性為元古界片巖、片麻巖,局部為大理巖。分布于襄廣斷裂以北的變質(zhì)巖山區(qū),多裸露于地表。地?zé)崃黧w主要賦存于構(gòu)造裂隙帶中,大理巖裂隙巖溶帶也是地?zé)崃黧w儲存運(yùn)移的場所。
武漢市經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動,各期次巖漿活動頻繁,但多為大別期、揚(yáng)子期、燕山期的巖漿活動,距今超過幾千萬年,余熱早已散失,不能構(gòu)成巖漿熱源。因此武漢市地?zé)釤嵩粗饕獮榈厍騼?nèi)部的傳導(dǎo)熱,也有部分地殼巖石放射性衰變產(chǎn)生的熱能,地?zé)崃黧w的溫度取決于地溫梯度和流體循環(huán)深度。
區(qū)內(nèi)大地?zé)崃髯钚≈禐?7.3 mW/m2,最大值為54 mW/m2。平均值50.4 mW/m2,低于湖北省大地?zé)崃髌骄?53.7 mW/m2)和中國大陸大地?zé)崃髌骄?61 mW/m2)。
區(qū)內(nèi)地溫梯度一般為2~2.5 ℃/100 m,遠(yuǎn)低于全國平均值3.3 ℃/100 m。
斷裂破碎帶往往是地下水循環(huán)、運(yùn)移的主要通道,特別是深大斷裂、活動性斷裂更是地下水進(jìn)行深循環(huán)的重要通道,對地?zé)崽镄纬善鹬P(guān)鍵“加速”作用,地下水在沿斷裂深循環(huán)過程中將分散在巖體中的熱量加以吸收和積蓄,形成地?zé)崃黧w,部分地區(qū)深部熱液沿斷裂帶上涌,與淺部溫度較低的熱水混合,形成較高溫度的地下水,形成局部對流性地?zé)嵯到y(tǒng)。
區(qū)內(nèi)可能成為導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造的斷裂主要有:襄廣斷裂、麻團(tuán)斷裂,五通口—湯遜湖斷裂等及其次級斷裂。
另外發(fā)育于碳酸鹽巖中的裂隙巖溶系統(tǒng)是巖溶水運(yùn)移、儲存的主要通道,當(dāng)其發(fā)育深度較深或受深大斷裂控制時,將成為巖溶熱儲地?zé)崃黧w的主要導(dǎo)熱導(dǎo)水通道。
蓋層是覆于熱儲層之上不透水或弱透水的巖層,起隔水隔熱的封閉作用。
區(qū)內(nèi)熱儲蓋層主要有志留系、上二疊統(tǒng)—侏羅系、白堊系—古近系。志留系由頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)頁巖等組成,沉積厚度大(>837 m),分布穩(wěn)定,是一套良好的隔水保溫蓋層,對寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲中的地?zé)崃黧w起著保溫作用。白堊系—古近系為一套中—厚層狀粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖、礫巖,上部粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖對深部的砂巖、礫巖熱儲形成一定的保溫作用;上二疊統(tǒng)—侏羅系主要為硅質(zhì)巖、砂巖、灰?guī)r、頁巖,對梁子湖凹陷帶的石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲具有保溫作用。
區(qū)內(nèi)中部低丘區(qū)的石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲、北部山區(qū)的變質(zhì)巖熱儲沒有穩(wěn)定的保溫蓋層。
區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的補(bǔ)給來源主要為大氣降水和少量的古封存水。
石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲的補(bǔ)給來源于大氣降水,補(bǔ)給區(qū)主要位于向斜兩翼的碳酸鹽巖裸露區(qū),大氣降水通過裂隙巖溶系統(tǒng)或斷裂入滲地下進(jìn)行深循環(huán)形成地?zé)崃黧w,屬近源補(bǔ)給。
寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲的補(bǔ)給來源主要為大氣降水,少量古封存水。補(bǔ)給區(qū)一處位于大洪山區(qū)的碳酸鹽巖裸露區(qū),另一處是位于鄂東南低山丘陵區(qū)的碳酸鹽巖裸露區(qū),大氣降水通過裂隙巖溶系統(tǒng)或斷裂入滲地下進(jìn)行深循環(huán)形成地?zé)崃黧w,屬遠(yuǎn)源補(bǔ)給,其中前者已有部分資料佐證,后者還需驗(yàn)證。古封存水補(bǔ)給沒有持續(xù)性,隨著時間的延續(xù)出水量迅速衰減。
碎屑巖熱儲的補(bǔ)給來源于大氣降水,一部分為北部山區(qū)的變質(zhì)巖裂隙水向南側(cè)向補(bǔ)給進(jìn)入碎屑巖含水層中,順層或沿斷裂帶繼續(xù)向南徑流,隨著深度的增加逐漸受熱形成地?zé)崃黧w,屬遠(yuǎn)源補(bǔ)給;一部分為山前礫巖、砂巖出露區(qū),大氣降水通過裂隙、斷裂入滲形成地下水,再向南徑流形成地?zé)崃黧w,屬近源補(bǔ)給。
變質(zhì)巖熱儲層的補(bǔ)給來源于大氣降水,補(bǔ)給區(qū)包括區(qū)內(nèi)北部的低山區(qū)和大別山、桐柏山區(qū),補(bǔ)給區(qū)斷裂發(fā)育,大氣降水通過裂隙、斷裂入滲并沿斷裂帶進(jìn)行深循環(huán)形成地?zé)崃黧w,屬近源、遠(yuǎn)源混合型補(bǔ)給。
武漢市內(nèi)有一些地?zé)犸@示,分為地?zé)崽锖偷責(zé)岙惓#責(zé)崽锸侵妇?、泉具有穩(wěn)定的出水量,且出水口溫度≥25 ℃的地區(qū),其它則稱為地?zé)岙惓#饕ㄈ疁囟犬惓?、鉆孔異常、淺層測溫異常、地?zé)崽荻犬惓5?表1)。
表1 武漢市地?zé)犸@示統(tǒng)計表Table 1 Statistics table of geothermal display in Wuhan
根據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)條件及其組合關(guān)系,將武漢市分為四帶兩區(qū)(圖2),即:襄廣斷裂帶、西部盆山結(jié)合帶、南部凹陷帶、東部麻團(tuán)斷裂帶、北部山區(qū)、中部低丘區(qū)。各區(qū)帶具有不同的地?zé)豳x存模式。
圖2 武漢市地?zé)岱謪^(qū)圖Fig.2 Geothermal district map of Wuhan City1.地?zé)岱謪^(qū);2.主要斷裂及隱伏斷裂;①.襄廣斷裂帶;②.西部盆山結(jié)合帶;③.南部凹陷帶;④.東部麻團(tuán)斷裂帶;⑤.北部山區(qū);⑥.中部低丘區(qū)。
該區(qū)帶主要受襄廣斷裂帶控制,北部屬新洲凹陷,以英店斷裂為界,南至茅廟集—青山向斜南翼,東西至武漢市界。
地?zé)豳x存模式有兩種,以襄廣斷裂為界,北部為層控—深埋型,南部為近源—斷裂型(圖3)。
層控—深埋型:地?zé)崃黧w賦存于新洲凹陷深部的公安寨組砂巖、砂礫巖裂隙孔隙中,呈多層不連續(xù)分布,其間為透水性差的粘土巖阻隔,稱之為“層控”[2],局部斷裂破碎帶、裂隙帶富集,賦存于熱儲中的熱水來源于山區(qū)變質(zhì)巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給和山前大氣降水入滲補(bǔ)給,地下水在徑流過程中受巖溫加熱,向南隨著熱儲埋藏深大的增大,溫度逐漸升高,受襄廣斷裂阻隔富集于斷裂沿線,特別是多組斷裂交匯帶利于地?zé)崃黧w的富集,熱儲層埋藏深度達(dá)兩千多米,水順層流動,因此稱之為層控—深埋型。
近源—斷裂型:地?zé)崃黧w賦存于葛店向斜南翼的石炭系—二疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶中,熱儲大體沿襄廣斷裂帶呈北西西向分布,熱儲層中的地?zé)崃黧w通過向斜南翼碳酸鹽巖出露區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給,屬近源補(bǔ)給,大氣降水入滲沿襄廣斷裂帶控制的裂隙巖溶向深部運(yùn)移,徑流過程中獲取圍巖的熱量,形成地?zé)崃黧w,在北東向斷裂與襄廣斷裂的交匯部位深部地?zé)崃黧w向上運(yùn)移賦存于淺部并與淺部冷水混合,形成溫度異常的地下水,如青熱1孔、青熱3孔、天興洲淺層測溫異常。
該區(qū)帶主要是指江漢盆地與武漢斷褶區(qū)的結(jié)合部位,東以舵落口斷裂為界,北以天門河斷裂為界,南以石首斷裂為界。
地?zé)豳x存模式為遠(yuǎn)源—深埋型(圖4)。
圖3 襄廣斷裂帶地?zé)豳x存模式圖Fig.3 Geothermal occurrence model map of Xiangguang fault zone1.志留系;2.泥盆系;3.石炭系—二疊系;4.白堊系—古近系;5.第四系;6.元古界;7.玄武巖8.含礫砂巖;9.粗砂巖;10.粉砂巖;11.泥巖;12.斷裂;13.地下水流動方向。
圖4 武漢西部盆山結(jié)合帶地?zé)豳x存模式圖Fig.4 Geothermal occurrence model map of the western basin edge in Wuhan1.寒武系—奧陶系;2.志留系;3.泥盆系;4.石炭系;5.二疊系;6.三疊系;7.白堊系;8.古近系;9.新近系;10.第四系;11.斷裂。
熱儲層為深埋于志留系之下的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖,埋深>1 000 m,局部地區(qū)超過2 000 m,地?zé)崃黧w賦存于碳酸鹽巖的裂隙巖溶或斷裂破碎帶中,初步判斷熱儲中的地?zé)崃黧w為大洪山區(qū)的大氣降水遠(yuǎn)源補(bǔ)給,補(bǔ)給區(qū)出露寒武系—奧陶系碳酸鹽巖,斷裂、裂隙巖溶發(fā)育,地下水主要沿深大斷裂或發(fā)育于深部的裂隙巖溶系統(tǒng)向東穿越江漢盆地到達(dá)本區(qū),位于江漢盆地東部邊緣的馬口地?zé)峋衣读嗽摕醿樱瘜W(xué)資料(低氯,TDS<2 g/L,水化學(xué)類型為硫酸鈣型水)顯示該處的地下水處于地下水系統(tǒng)的徑流區(qū)[3],推測地下水仍會向東繼續(xù)徑流并賦存于本區(qū)內(nèi)的熱儲層中,形成地?zé)崽?,蔡甸天驕城附近的高地溫梯度異??赡芫褪谴祟惖責(zé)崽镌跍\部的反映。
該區(qū)帶在區(qū)域上位于梁子湖凹陷與中部褶皺山地的交接地帶,北至貓耳洞背斜南翼,南至武漢市界,東與麻團(tuán)斷裂帶相接,西以舵落口斷裂為界。
地?zé)豳x存模式為近源—深埋型(圖5)。
圖5 南部凹陷帶地?zé)豳x存模式圖Fig.5 Geothermal occurrence model map of southern sags1.古近系;2.侏羅系;3.三疊系下統(tǒng);4.二疊系中統(tǒng);5.二疊系上統(tǒng)—石炭系;6.泥盆系;7.志留系;8.斷裂;9.地下水流動方向。
熱儲層為石炭系—二疊系碳酸鹽巖,熱儲埋深向南部凹陷中心逐漸增大,最深處可能超過3 000 m,熱儲上覆地層為上二疊統(tǒng)—侏羅系砂巖、泥巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖,為保溫蓋層,北部邊界附近熱儲層出露于地表,接受大氣降水補(bǔ)給,屬近源補(bǔ)給。近源補(bǔ)給的地下水主要通過裂隙巖溶順層向下運(yùn)移,地下水溫度隨著深度的增加逐漸升高,深大斷裂發(fā)育部位有助于巖溶通道的形成,加速了地下水向深部的運(yùn)移過程。
該區(qū)帶主要受麻團(tuán)斷裂控制,北以襄廣斷裂為界,西以北西西向褶皺傾伏端為界,東、南至武漢市界。
地?zé)豳x存模式為近源—淺埋型(圖6)。
熱儲層為石炭系—二疊系碳酸鹽巖,位于近東西向褶皺東部傾伏端,大體由西向東傾伏,向斜傾伏端熱儲埋藏較深,背斜傾伏端熱儲埋藏較淺,補(bǔ)給區(qū)位于向斜兩翼的石炭系—二疊系碳酸鹽巖出露區(qū)或背斜傾伏端的碳酸鹽巖出露區(qū),屬近源補(bǔ)給,來源于大氣降水,大氣降水通過裂隙巖溶通道或斷裂破碎帶入滲形成地下水,并向巖層傾伏方向徑流,受麻團(tuán)斷裂帶內(nèi)的巖漿巖體阻隔,地下水在此富集并不斷聚集熱量形成地?zé)崽铩?/p>
圖6 東部麻團(tuán)斷裂帶地?zé)豳x存模式圖Fig.6 Geothermal occurrence model map of eastern Matuan fault zone1.奧陶系;2.志留系;3.泥盆系;4.石炭系—二疊系上統(tǒng);5.二疊系中統(tǒng);6.三疊系上統(tǒng);7.三疊系下統(tǒng);8.侏羅系;9.玄武巖;10.斷裂;11.地下水流向。
該區(qū)主要指英店斷裂以北的低山區(qū)。
地?zé)豳x存模式為混合—斷裂型(圖7),熱儲巖性主要為片巖、片麻巖,巖層本身裂隙率低,滲透性很差,地?zé)崃黧w賦存于斷裂破碎帶或局部裂隙交匯破碎帶中,地下水在沿斷裂帶向深部徑流過程中逐漸將分散在巖體中的熱量加以吸收和積蓄,形成地?zé)崃黧w,多出現(xiàn)在斷裂破碎帶或兩組不同方向斷裂的交匯部位[4],如蔡店鄉(xiāng)源泉村泉水溫度異常點(diǎn),即為北東向與北西向斷裂的交匯部位。地?zé)崃黧w的補(bǔ)給主要來源于大氣降水,補(bǔ)給區(qū)包括近源的低山區(qū)和遠(yuǎn)源的大別山區(qū)和桐柏山區(qū),可稱之為混合源補(bǔ)給。地?zé)崃黧w的溫度主要取決于參與對流循環(huán)的地下水量、循環(huán)深度以及熱背景,上述源泉村泉流量較大可能是泉水溫度不高的一個因素。
圖7 北部山區(qū)地?zé)豳x存模式圖Fig.7 Geothermal occurrence model map of northern mountain region1.新元古代紅安群;2.第四系全新統(tǒng);3.地下水流向;4.泉;5.推測斷裂。
該區(qū)主要是指武漢中部的低丘區(qū),北至葛店向斜南翼,南至貓耳洞背斜南翼,西以舵落口斷裂為界,東以麻團(tuán)斷裂帶相接。
地?zé)豳x存模式有兩種,淺部為近源—混合型,深部為封存—深埋型(圖8)。
圖8 中部低丘區(qū)地?zé)豳x存模式圖Fig.8 Geothermal occurrence model map of central hilly region1.寒武系—奧陶系;2.志留系,3.泥盆系;4.石炭系—二疊系上統(tǒng);5.二疊系中統(tǒng);6.三疊系上統(tǒng);7.斷裂;8.地下水流向。
近源—混合型:地?zé)崃黧w賦存于石炭系—二疊系碳酸鹽巖的裂隙巖溶中,熱儲一般規(guī)模較小,呈點(diǎn)狀分布于向斜與深大斷裂的交匯部位,地?zé)崃黧w的補(bǔ)給主要為同一向斜內(nèi)的地下水,屬近源補(bǔ)給,局部地區(qū)熱儲上部覆蓋二疊系上統(tǒng)、三疊系,具有一定的保溫作用,熱儲層下部為志留系頁巖,透水性差,地下水循環(huán)深度受此限制,循環(huán)深度僅幾百米,因此地?zé)崃黧w溫度不高,如三門湖長山頭地?zé)崽锛礊榇朔N情況。
封存—深埋型:熱儲層為深埋于志留系之下的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖,埋深>760 m,局部地區(qū)超過2 000 m,地?zé)崃黧w賦存于碳酸鹽巖的裂隙巖溶或斷裂破碎帶中,區(qū)外大洪山區(qū)、鄂東南地區(qū)同類型巖溶水很難徑流進(jìn)入本區(qū),或僅有少量進(jìn)入本區(qū),使得區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w很難獲得外部補(bǔ)給,同時區(qū)內(nèi)淺部的地下水難以通過巨厚的志留系頁巖下滲補(bǔ)給,因此該熱儲層內(nèi)多為古封存水,如武五井在揭露熱儲層后噴出高礦化的氯化、硫酸鈉型水,隨著時間的延續(xù)水量迅速衰減,另外在熱儲相對淺埋區(qū),淺部可能會出現(xiàn)地溫異常,如北湖、市電訊局—原新華路汽車站、集家咀—仁壽路、武昌南湖—炭黑廠—省體校等地。
武漢地區(qū)中深層地?zé)豳x存模式的提出,有助于下一步地?zé)豳Y源勘查工作的開展,使勘查工作目標(biāo)更為明確,工作布置更有針對性。隨著地?zé)峥辈?、研究工作的深入,對武漢地區(qū)地?zé)豳x存模式的認(rèn)識將會進(jìn)一步加深。
根據(jù)各區(qū)帶的地?zé)岬刭|(zhì)條件和地?zé)豳x存模式提出如下勘查建議:
(1) 優(yōu)先勘查西部盆山結(jié)合帶、襄廣斷裂帶、南部凹陷帶,再勘查北部山區(qū)、中部低丘區(qū)、東部麻團(tuán)斷裂帶。
(2) 北部山區(qū)以斷裂帶狀熱儲為主要勘查目標(biāo),襄廣斷裂帶北側(cè)以深埋的層狀砂礫巖熱儲為主要勘查目標(biāo),其他地區(qū)則以深部碳酸鹽巖巖溶熱儲為主要勘查目標(biāo)。
(3) 區(qū)內(nèi)地?zé)峥辈樯疃容^大,應(yīng)充分考慮各種物探、化探及其他新技術(shù)方法、手段的應(yīng)用,獲取深部地?zé)岬刭|(zhì)信息,為鉆探揭露提供充分依據(jù)。