鄧海濤， 牟宗玉， 袁金榜， 周 舟， 張權(quán)緒， 林肖榮

(湖北省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100)

黃陵斷穹南東緣，位處長江上游與中游結(jié)合部，在“長江經(jīng)濟帶”發(fā)展中占據(jù)重要地位。按照“共抓大保護，不搞大開發(fā)”的要求，必須走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的道路，而地下熱水資源作為“熱、礦、水”三位一體的資源，既屬清潔環(huán)保能源，也是良好的保健旅游資源，故而加快對其開發(fā)利用的探索乃是必然。

近兩年，隨著湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊(以下簡稱“七隊”)在黃陵斷穹南東緣宜昌市上上城小區(qū)和城區(qū)北東面百里荒旅游區(qū)勘查與施工地下熱水資源探采結(jié)合井的成功，進一步激發(fā)了本區(qū)開發(fā)利用地下熱水資源的熱潮。也為該區(qū)地下熱水資源賦存與成礦規(guī)律的研究提供了豐富的資料支撐。未來區(qū)內(nèi)地下熱水資源的開發(fā)利用，必將進一步帶動區(qū)內(nèi)康養(yǎng)業(yè)和旅游業(yè)發(fā)展。

本文涉及范圍為：北以霧渡河斷裂為界，南至天陽坪斷裂，西達寒武系碳酸鹽巖分布區(qū)，東至百里荒南西面普溪坪—官莊—伍家崗一線，面積約1 000 km2，并以黃柏河以東長江以北和地熱開發(fā)可能成井深度3 000 m以內(nèi)(地熱資源開采為最經(jīng)濟的—經(jīng)濟的)范圍為重點。文中所述的“北部”指夷陵區(qū)官莊—霧渡河斷裂之間長約15 km范圍；“中部”為長江—官莊一帶長約16 km范圍?！澳喜俊睘殚L江以南—天陽坪斷裂一帶長約18 km范圍，該地段目前無有效的鉆探資料，故文中暫未予以敘述。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

黃陵斷穹南東緣在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上，位處揚子準地臺上揚子臺坪鄂西褶隆區(qū)與江漢斷陷盆地過渡帶。斷穹軸向為北東16°，南北長約73 km，東西寬約36 km。兩翼不對稱：東翼平緩，傾角在15°以內(nèi)；西翼較陡，傾角30°～40°。核部出露地層為下元古界混合巖化崆嶺群變質(zhì)雜巖和揚子期的中、酸性巖體。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造線主要呈北北東、北北西、北西和北東向。沉積蓋層區(qū)褶皺不甚發(fā)育(圖1)。

1.2 區(qū)域地層特征

黃陵斷穹南東緣分布地層自老至新依次為以碎屑巖為主的上元古界蓮沱組與南沱組和以碳酸鹽巖為主的震旦系陡山沱組及燈影組、古生界寒武系以碎屑巖為主的水井沱組與石牌組及以碳酸鹽巖為主的天河板組—婁山關(guān)組和亦以碳酸鹽巖為主的奧陶系南津關(guān)組—寶塔組，以及以碎屑巖為主的志留系龍馬溪組—紗帽組。在江漢斷陷盆地區(qū)則普遍為晚中生界的白堊系褐紅色河湖相沉積的含泥質(zhì)碎屑巖。后者與前中生界地層均為不整合關(guān)系接觸。在斷穹東翼分布的上元古界、古生界以碳酸鹽巖為主的各地層大都裸露于地表，并以傾角5°～15°往東和南東方向緩傾的單斜構(gòu)造產(chǎn)出，于黃柏河以東則為白堊系(南東側(cè))或志留系(北東側(cè))地層覆蓋，其埋深多在300～>1 000 m，并越往東和南東，埋深越大(圖2)。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of the study area1.第四系；2.侏羅系；3.石炭系；4.奧陶系；5.陡山沱組；6.巖漿巖脈；7.百里荒地熱勘查鉆井；8.古近系；9.三疊系；10.泥盆系；11.寒武系；12.南華系；13.實測正斷層；14.上上城地熱田位置及范圍；15.白堊系；16.二疊系；17.志留系；18.燈影組；19.前震旦系；20.實測逆斷層。

圖1 區(qū)域構(gòu)造圖Fig.1 Regional structure map1.第四系；2.第三系；3.白堊系；4.侏羅系；5.上古生界(包括早中三疊紀)；6.下古生界(包括震旦系)；7.前震旦系；8.花崗巖類(晉寧期)；9.實測及推測多次活動性斷裂；10.實測及推測斷裂；11.張扭性斷裂；12.扭性斷裂；13.壓性斷裂；14.背斜構(gòu)造；15.向斜構(gòu)造；16.中生代盆地①.新華斷裂；②.仙女山斷裂；③.遠安東部斷裂；④.遠安西部斷裂；⑤.樟村坪斷裂；⑥.霧渡河斷裂；⑦.天陽坪斷裂。

2 地下熱水形成的地質(zhì)環(huán)境條件

地下熱水資源屬可再生的液體礦產(chǎn)，其形成與特定的地層及地質(zhì)構(gòu)造緊密相關(guān)。首先作為儲存地下熱水的熱儲，要有足夠的厚度、分布范圍及足夠的容水空間(裂隙、溶隙、溶洞或孔隙)；二是熱儲中地下水要有豐富的補給來源，包括大氣降水、地表水或相鄰含水層的越流補給；三是熱儲上覆要有隔水或相對隔水，且分布廣的不透水或弱透水層，即蓋層，從而使賦存于熱儲中的熱能不致在地質(zhì)歷史中散失，熱量得以保存；四是熱源補給充足且穩(wěn)定，包括來自深部斷裂帶的對流供熱、地溫梯度熱傳導以及太陽能供熱等。

黃陵斷穹南東翼廣泛分布以碳酸鹽巖為主的寒武系、奧陶系地層，總厚度1 100～1 400 m，于黃柏河以東出露面積>700 km2，且溶隙、溶洞皆較發(fā)育，其中寒武系婁山關(guān)組、覃家廟組、石龍洞組最為發(fā)育，奧陶系各層則次之。奧陶系、寒武系地層中含溶隙、溶洞無壓水(淺部)和承壓水(深部)，構(gòu)成區(qū)內(nèi)分布廣、厚度大的熱儲層[1]。由于該熱儲廣泛出露于地表，有利于大氣降水和地表水體(主要是黃柏河水系)入滲補給。熱儲上覆的具弱透水—相對隔水的志留系砂頁巖和白堊系泥質(zhì)粉砂巖、泥巖夾泥質(zhì)砂礫巖為主的地層組合，構(gòu)成本區(qū)一帶良好的熱儲蓋層。

以上條件，均有利于地下熱水的形成與存儲。至于本區(qū)地下熱水的熱源，根據(jù)目前在本區(qū)中部(泛指官莊以南—長江一帶)和北部(泛指官莊以北—霧渡河斷裂之間范圍)施工的探采結(jié)合井和物探資料成果判斷，區(qū)內(nèi)地下熱水的熱源有二：一是地球深部的熱傳導供熱；二是地下水沿挽近期活動性斷裂帶(張扭性斷裂帶)進行深循環(huán)熱對流供熱。區(qū)內(nèi)中部，主要為前者，其地熱增溫梯度多在1.6～1.8 ℃/100 m；區(qū)內(nèi)北部上述一、二種熱源均有之，這點與北西走向的挽近期活動斷裂—霧渡河斷裂的存在有關(guān)，其地溫梯度可達2.21 ℃/100 m。

黃陵斷穹南東緣，地下熱水形成的熱儲與蓋層條件、補給來源及熱源諸方面都較完備。區(qū)內(nèi)不同地段，由于熱儲中溶隙、溶洞發(fā)育的不均一性，導致熱儲的富水性存在差異。

3 地下熱水賦存特征

本區(qū)地下熱水均深埋于地表以下數(shù)百米—千余米，上覆具隔水性能的志留系、白堊系泥質(zhì)碎屑巖蓋層厚度大、分布面積廣且較完整，致使在全區(qū)內(nèi)地表均無熱異常顯示。

區(qū)內(nèi)熱儲層主要由薄—厚層狀細晶白云巖、云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖與灰?guī)r構(gòu)成。由于其中溶隙、溶洞在水平和垂直方向上的發(fā)育具有不均一性，因而其富水性亦具有不均一性的特點。在垂向上表現(xiàn)為寒武系碳酸鹽巖巖溶和裂隙及富水性比上覆的奧陶系強；在水平方向則顯示為北部比中部強的特點。與北部存在挽近期活動性斷裂(霧渡河斷裂)及其上升盤張裂隙發(fā)育以及存在隱伏的次級斷裂有關(guān)；區(qū)內(nèi)已施工鉆井抽水試驗的單位涌水量0.011～0.178 9 L/s·m(0.95～15.46 m3/d)，其變化系數(shù)達16.26。

由于熱儲中巖溶和裂隙發(fā)育具不均一性，故熱儲在垂向分布上呈現(xiàn)出多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)出的特點。根據(jù)在勘查區(qū)北部和中部先后施工的三個探采結(jié)合井巖屑編錄及電測井資料綜合判斷，熱儲中巖溶和裂隙較發(fā)育，賦存地下熱水的部位約占熱儲總厚度15%～20%。各分層熱儲間被完整性較好、隔水(或相對隔水)的含泥質(zhì)或硅質(zhì)的云巖(或泥質(zhì)灰?guī)r)分隔，因而區(qū)內(nèi)地下熱水大都為承壓溶隙水類型，其壓力水頭高度多為725～1 250 m，靜水位埋深在30～78 m。地下熱水運移受區(qū)域排水基準面標高、江漢斷陷盆地形態(tài)與產(chǎn)出狀態(tài)及熱儲產(chǎn)狀控制，總體為往東和南東方向運移。

4 地下熱水的水化學特征

4.1 水化學類型的分布與特征

鑒于本區(qū)熱儲均深埋于地下，地下熱水總體往南東和東方向緩慢運移，從而為地下熱水與介質(zhì)造就了充分的水化學作用環(huán)境與時間。根據(jù)在區(qū)內(nèi)北部和中部不同探采結(jié)合井采取的水化學樣分析結(jié)果(承擔水化學分析單位為“中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所中心化驗室”，以下簡稱“水環(huán)所化驗室”)，北部的水化學類型為SO4、HCO3-Ca、Mg微咸的溫熱水，中部為SO4、Cl-Ca、Mg、Na微咸溫熱水，其咸度有自北向南增加趨勢[2]。熱水中鍶(Sr)和硫化氫(H2S)的含量亦是如此；區(qū)內(nèi)北部Sr和H2S含量分別為4.532 mg/L和0.567 mg/L，中部則分別為11.92 mg/L和10.72 mg/L；另外，熱水中溶解性總固體的含量中部和北部也存在較明顯差異：中部為2 126～2 716 mg/L，北部為1 042～1 123 mg/L，兩者相差一倍以上。北部和中部地下熱水水化學分析結(jié)果的典型庫爾洛夫式分別為：

從上述熱水中主要陰陽離子和溶解性總固體含量的變化反映出：北部的地下熱水屬礦化作用第二階段的水，而中部礦化作用則已由第二階段后期步入第三階段，這點與前述區(qū)內(nèi)地下水主要運移方向也是相吻合的。

本區(qū)無論是北部還是中部的地下熱水，氟、鍶、偏硅酸和水溫等，均達到中國現(xiàn)行理療熱礦水濃度標準。區(qū)內(nèi)中部地段水中鍶和硫化氫的含量甚至達到鍶水和硫化氫水的命名標準。

4.2 同位素和放射性元素的含量與特征

對放射性同位素、穩(wěn)定同位素及放射性元素進行檢測是地下熱水資源評價工作中重要且不可缺少的一環(huán)。根據(jù)七隊以往對區(qū)內(nèi)三個探采結(jié)合井采取專門水分析樣送“水環(huán)所化驗室”的檢測結(jié)果，水中氘、氚、鈾、Rn、226Ra放射性、總α與總β放射性含量及放射性強度均較低。各項目的檢測結(jié)果見表1。

表1 黃陵斷穹南東緣主要同位素及放射性元素檢測結(jié)果表Table 1 Table of results of detection of major isotopes and radioactiveelements in the southern margin of Huangling fault

上表反映本區(qū)地下熱水中具放射性的氚的含量僅1.5±0.9 T.U，顯示區(qū)內(nèi)地下熱水為20世紀50年代初期在大氣中進行核爆試驗前的大氣降水和地表水。由此也說明目前由探采結(jié)合井中抽出的地下熱水其形成年齡距今不少于67年。另外，穩(wěn)定同位素氘和18O的檢測值分別較國際公認的維也納標準值低6.7%～6.8%和0.99%～1%，表明礦區(qū)內(nèi)地下熱水屬于對人體健康有益的低氘水(即“生命之水”)；同時，18O主要來源于大氣，也說明區(qū)內(nèi)地下熱水的補給來源主要為大氣降水。雖然區(qū)內(nèi)地下熱水中總α和總β的檢測結(jié)果超過目前中國《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)和《飲用天然礦泉水》(GB 8537—2008)標準的限量值，不宜直接飲用，但是作為理療熱礦水是適宜的，水中Sr、F、H2S、H2SiO3和水溫均達到中國現(xiàn)行理療熱礦水的命名或有醫(yī)療價值的濃度標準，屬得天獨厚的優(yōu)良天然熱礦水資源地。

5 熱儲溫度及地下熱水循環(huán)深度

5.1 熱儲溫度估算

根據(jù)本區(qū)北部、中部地下熱水水化學全分析檢測結(jié)果計算的熱儲溫度見表2。其中按無蒸汽損失的二氧化硅地熱溫標計算[3]，北部為76.2 ℃，中部為77.2 ℃，均代表SiO2在隨地下熱水上升過程中其溶解度達到平衡狀態(tài)時，與上部較冷的地下水混合發(fā)生稀釋、沉淀的溫度。鉀鈉和鈉鉀地熱溫標在相同地段，計算結(jié)果較接近：北部為366.4～367.4 ℃，平均為366.9 ℃；中部為241.8～255.3 ℃，平均248.6 ℃，該結(jié)果指示地下熱水在深部與圍巖進行水化學作用達到平衡狀態(tài)的溫度。

表2 黃陵斷穹南東緣中部及北部熱儲溫度計算結(jié)果表Table 2 Calculation results of heat storage temperature in the central and northern parts of the southern margin of Huangling fault

5.2 地下熱水增溫梯度與循環(huán)深度

5.2.1北部地熱增溫梯度及地下熱水循環(huán)深度

本區(qū)北部、百里荒景區(qū)南西側(cè)的探采結(jié)合井，終井后進行綜合電測井結(jié)果，二開止水套管以下620～2 320 m，井溫為45.33～66.44 ℃。鉆井施工過程中，在井深820 m時進行了地溫測量，結(jié)果顯示當?shù)睾銣貛疃葹?5 m。按2 320 m的井內(nèi)地溫為66.45 ℃和當?shù)啬昶骄鶜鉁貫?6.7 ℃計算，該區(qū)地熱增溫梯度為2.21 ℃/100 m(圖3)。按上述無蒸汽損失的石英溫標計算地下熱水的SiO2溫標為76.2 ℃，依此推算該區(qū)地下熱水在上升過程中SiO2溶解度達到平衡狀態(tài)時的循環(huán)深度H則為：H=[(76.2-16.7)/2.21]×100=2 692.3 m。這一循環(huán)深度已大大超過奧陶系、寒武系兩熱儲地層的底板埋深，反映與區(qū)內(nèi)存在挽近期活動性的霧渡河斷層及其次級斷層，從而導致巖溶地下水沿斷層破碎帶進行深循環(huán)有關(guān)。

5.2.2中部地熱增溫梯度及地下熱水循環(huán)深度

本區(qū)中部，即宜昌市上上城小區(qū)施工的探采結(jié)合井于井深2 650.1 m測定的井溫為64.4 ℃，恒溫帶深度為30 m，當?shù)啬昶骄鶜鉁貫?6.8 ℃。依此計算，地熱增溫率為1.82 ℃/100 m(圖4)。據(jù)上述表2的結(jié)果，按石英溫標計算的熱儲溫度為77.2 ℃。依此推算該區(qū)地下熱水在自下而上運移過程中，SiO2的溶解度達平衡狀態(tài)時的循環(huán)深度H為：H=[(77.2-16.8)/1.82]×100=3 318.7 m。與前述相同，此深度亦遠超過熱儲層的底板埋深，推測與鉆井附近存在隱伏斷裂的因素密不可分。

圖3 區(qū)內(nèi)北部井溫與井深關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between well temperatureand well depth in the northern part of the region

6 地熱成因類型及地下熱水成礦模式探討

如前所述，黃陵斷穹南東緣地下熱水資源的熱儲類型有兩種：一是帶狀熱儲(形成帶狀熱儲的斷裂構(gòu)造為導水的張扭性斷裂)；二是層狀熱儲，而且大都為兩種類型共存，但主次存在一定差異。北部由于有挽近期具活動性的霧渡河斷裂存在，熱儲類型屬以帶狀熱儲為主[4]，層狀熱儲次之；中部斷裂構(gòu)造為隱伏存在，其熱儲類型以層狀熱儲為主，帶狀熱儲次之。

圖4 區(qū)內(nèi)中部井溫與井深關(guān)系曲線圖Fig.4 Curve of relationship between welltemperature and well depth in central area

根據(jù)本區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件及熱儲賦存特征判斷，區(qū)內(nèi)地熱田的成礦模式主要為：以帶狀熱儲為主的北部，地下水通過其斷層破碎帶及西側(cè)補給區(qū)接受大氣降水和地表水入滲補給，并沿破碎帶滲入地下進行深循環(huán)，在深部接受地熱加溫后沿破碎帶對流運移，其水量較豐富，單位可采水量一般>10.0 m3/d·m，且地熱增溫梯度亦較大(一般>2 ℃/100 m)；層狀熱儲的地下熱水主要是在其露頭區(qū)接受大氣降水和地表水補給后進行側(cè)向滲流，熱源主要來自地球深部的熱傳導。其水量大小取決于熱儲層厚度、熱儲層中容水空間的大小與發(fā)育程度，單位可采水量多<5 m3/d·m，地熱增溫梯度亦<2 ℃/100 m。區(qū)內(nèi)兩種地下熱水資源熱儲類型的成礦模式示意圖參見圖5及圖6。

圖5 帶狀熱儲為主、層狀熱儲為輔類型地下熱水成礦模式示意圖Fig.5 Schematic diagram of metallogenic model of geothermal waterwith zonal heat storage as the main type and layeredheat storage as the auxiliary type1.志留系；2.奧陶系+寒武系；3.牛蹄塘組+石牌組。

圖6 層狀熱儲類型地下熱水成礦模式示意圖Fig.6 Schematic diagram of geothermal fluid metallogenicmodel of layered heat storage type1.白堊系；2.志留系；3.奧陶系+寒武系；4.牛蹄塘組+石牌組。

7 結(jié)語

本文根據(jù)近年來該隊在宜昌市上上城小區(qū)和分鄉(xiāng)鎮(zhèn)百里荒施工的探采結(jié)合井的實際資料成果，結(jié)合對黃陵斷穹南東緣區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件和物探資料予以綜合分析而得。黃陵斷穹南東緣一帶具備良好的地下熱水資源成礦條件，存在至少兩種熱儲類型，即北部以帶狀熱儲為主，層狀熱儲為輔；中部以層狀熱儲為主，帶狀熱儲次之。區(qū)內(nèi)南部，由于目前開發(fā)程度低，地熱資源成功開發(fā)的案例少，故暫不進行分析，有待后期繼續(xù)探索完善。總體來看，黃陵斷穹南東緣一帶，地下熱水資源具備廣闊的開發(fā)利用前景。