范 威， 蘇 呈， 江越瀟， 梁 川， 孫智杰， 于 瑤

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

2018年4月，習近平總書記視察湖北時，對推動長江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展作出重要指示；2018年底，湖北省委省政府勾畫出以“一芯兩帶三區(qū)”的區(qū)域和產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略布局。地熱資源是清潔穩(wěn)定安全高效的能源，節(jié)能效果明顯[1]。武漢城市圈是長江漢江交匯處，科學發(fā)展綠色地熱資源具有十分重大的意義。過去區(qū)內(nèi)地熱資源的勘查開發(fā)主要是針對天然出露的地熱流體，易發(fā)現(xiàn)，資源有保障；少部分為石油、礦產(chǎn)勘查鉆探揭露。這些地熱田中，有利用價值的基本已進行了不同程度的調(diào)查勘查以及開發(fā)工作。未來的地熱資源勘查需要向地球深部進軍，在沒有溫泉出露處尋找新的地熱資源。本文對武漢城市圈地熱地質(zhì)條件進行了較全面的論述，為各地地熱資源的勘查方向提供了重要參考，具有一定的指導意義。

1 研究區(qū)概況

如圖1所示，武漢城市圈地處長江中下游湖北省東部，面積61 347 km2，占湖北省總面積的33%。區(qū)內(nèi)地形起伏大，地勢北東、南東高，西部低，地貌基本輪廓為三面環(huán)山向西開口的不完整盆地，武漢居于盆地東側(cè)邊緣，地勢低平，周邊湖泊遍布，長江、漢江在此交匯。

武漢城市圈內(nèi)地層及各類巖相建造比較齊全，除缺失志留系上統(tǒng)和下泥盆系下統(tǒng)外，其余地層發(fā)育良好，層序比較完整。以青峰—襄廣斷裂為界，跨越大巴山—大別山地層區(qū)和揚子地層區(qū)兩個地層單元。北部為大巴山—大別山地層區(qū)，三疊系、侏羅系僅發(fā)育于揚子地層區(qū)，白堊系—第四系南北兩區(qū)均有分布；南部為揚子地層區(qū)，區(qū)域變質(zhì)作用僅限于前震旦系及九宮山一帶的震旦系下統(tǒng)。

圖1 武漢城市圈地理位置圖Fig.1 Geographical location map of Wuhan City Circle

2 深部地熱背景

研究區(qū)域地熱地質(zhì)條件，首先要了解該地區(qū)的深部地熱背景，深部地熱背景對于研究區(qū)的地熱活動情況具有一定的積極意義，大地熱流值較高、居里面較淺的地區(qū)是溫泉形成的有利區(qū)域，但不一定直接導致該區(qū)強烈的地熱活動，溫泉是否形成主要與該地區(qū)具體的地熱地質(zhì)條件有關(guān)。

2.1 地殼類型及厚度

北部大別山和南部幕阜山一帶地殼的視基性度(JS)<0.48，屬硅鋁質(zhì)地殼；武漢地區(qū)地殼的視基性度(JS)在0.48～0.50之間，為硅鋁—鐵鎂質(zhì)(偏硅鋁質(zhì))地殼。

莫霍面是地殼與上地幔間的界面，反映地殼厚度及深部構(gòu)造的基本面貌。一般來說地勢高，莫霍面深度大。據(jù)武漢城市圈莫霍面等深線圖(圖2)[2]，從莫霍面的起伏特征來看，武漢城市圈起伏變化小，大別山區(qū)深度>37 km，南部幕阜山最大深度為38 km，武漢地區(qū)約為31 km。武漢地區(qū)為上地幔隆起區(qū)，為城市圈莫霍面埋深最淺、地殼厚度最薄的部位。桐柏—大別幔陷帶主要反映地殼加厚和該區(qū)內(nèi)地殼層中硅鋁質(zhì)物質(zhì)相對加厚。在南部沒有明顯的重力梯度帶，莫霍面等深線變化平緩，顯示較平穩(wěn)的地殼—地幔坡度帶的特征，局部如九宮山等形成局部的地幔凹陷。莫霍面僅反映深部的物質(zhì)界面，而溫度界面則要用居里面表達，居里面雖然受到莫霍面的熱傳導影響，但主要受到地殼斷裂熱對流控制，兩者在形態(tài)上并不對應(yīng)，如武漢為莫霍面隆起區(qū)，卻是居里面凹陷區(qū)。

圖2 武漢城市圈莫霍面等深線圖Fig.2 Isobath map of moho surface of Wuhan City Circle

2.2 大地熱流

根據(jù)中國大陸地區(qū)大地熱流數(shù)據(jù)匯編和部分公開發(fā)表文獻中的統(tǒng)計數(shù)值[3-6]，共收集武漢城市圈大地熱流數(shù)據(jù)20個，編制了如圖3所示的武漢城市圈大地熱流分布圖。大地熱流值較高的區(qū)域是熱泉形成的有利區(qū)域，如黃石一帶地熱活動稍強，發(fā)育兩處溫泉，武漢地區(qū)則僅有一處，且溫度較低。由于數(shù)據(jù)缺乏，這一規(guī)律性在本地區(qū)并不明顯。

圖3 武漢城市圈大地熱流分布圖Fig.3 Land heat flow distribution map of Wuhan City Circle

受資料限制，咸寧、孝感以及大別山地區(qū)缺乏大地熱流數(shù)據(jù)。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，區(qū)內(nèi)大地熱流值范圍在41.9～69 mW/m2之間，平均值為53.7 mW/m2，遠低于中國大陸地區(qū)大地熱流平均值(61 mW/m2)和全球大陸地區(qū)大地熱流平均值(65 mW/m2)。大地熱流分布存在一定規(guī)律性，江漢盆地地區(qū)北低南高，往盆地中心有增加的趨勢，潛北斷裂以北，大地熱流平均值為47.8 mW/m2，以南為61.69 mW/m2。鄂東南地區(qū)熱流值為42～69 mW/m2，平均值為54 mW/m2；武漢地區(qū)熱流值為42～54 mW/m2，平均值為48.3 mW/m2；江漢盆地熱流值為41.9～66.4 mW/m2，平均值為52.9 mW/m2。區(qū)內(nèi)存在兩個相對高值異常帶[7]：黃石—大冶一帶大地熱流值最高達69 mW/m2，主要是由于地殼淺層巖石熱導率決定；江漢盆地的高值異常帶主要取決于>30 ℃/km的高地溫梯度，與良好的蓋層條件有關(guān)。

2.3 深部溫度與居里面形態(tài)特征

巖石圈居里面是地殼上部埋深幾十千米處存在的一個高低起伏不平的等溫面，可以大致反映出地殼深部溫度場的分布特征。在巖漿巖活動、地殼深部傳導、地殼斷裂熱對流等熱構(gòu)造事件活躍區(qū)，會導致居里面隆起；在穩(wěn)定地臺或冷的盆地區(qū)，會造成居里面下凹。它是地殼深部傳導熱、沿斷裂的熱對流、局部放射性熱效應(yīng)和上地幔熱輻射綜合作用的結(jié)果。居里面形態(tài)與地表的地熱異常具有較好的相關(guān)性，總體上隆起區(qū)地熱活動較廣泛，這在英山、羅田地區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯。

據(jù)武漢城市圈居里面分布特征(圖4)，可分成3個隆起區(qū)、1個凹陷區(qū)。黃岡居里面隆起區(qū)(Ⅰ區(qū))：隆起中心位于英山縣東北，最淺埋深為23 km。區(qū)內(nèi)溫泉分布廣泛，尤其在英山縣、羅田縣規(guī)模大、溫度高。潛江居里面隆起區(qū)(Ⅵ區(qū))：深度在25 km左右，該區(qū)北西向斷裂構(gòu)造發(fā)育，對應(yīng)居里面隆起部位是熱泉形成的有利部位，張港地熱井的揭露說明該區(qū)潛北斷裂以北具有較高的地熱開發(fā)潛力。咸寧—黃梅居里面隆起區(qū)(Ⅶ區(qū))：深度在23.5～25 km之間，區(qū)內(nèi)洪湖、嘉魚、咸寧地區(qū)溫泉分布廣泛，規(guī)模大，與淺居里面深度相對應(yīng)。孝感—武漢凹陷區(qū)(Ⅱ區(qū))：深度范圍約26～26.8 km，黃陂為凹陷中心，深度約26.8 km。據(jù)中國大陸各地現(xiàn)代地溫梯度值資料，武漢地區(qū)、江漢盆地地溫梯度值遠低于全國平均值33 ℃/km，說明該區(qū)地熱活動相對較弱，居里面相對凹陷，與地表溫泉較少是吻合的。

圖4 武漢城市圈居里面等深線圖Fig.4 Isobath map of Curie-point surface of Wuhan City Circle

3 區(qū)域地熱地質(zhì)條件

3.1 熱源

就時間尺度來說，熱源包括地殼淺部巖漿侵入體一類壽命比較短的熱源(瞬態(tài)熱源)和殼巖內(nèi)半衰期長達109-1010年的天然放射性元素放熱一類持續(xù)時間相當長的熱源(穩(wěn)態(tài)熱源)。地球的熱源絕大部分來自深部放射性同位素的蛻變，即穩(wěn)態(tài)熱源[8]。其余熱源如地球轉(zhuǎn)動熱、化學反應(yīng)熱、太陽輻射熱、潮汐摩擦熱等則相對說來極為有限。

武漢城市圈熱源主要為地殼巖石放射性元素衰變產(chǎn)熱，不存在巖漿余熱，酸性巖漿巖放射性生熱對大地熱流有一定貢獻。地殼巖石圈中含有大量的鈾(238U)、釷(232Th)、鉀(40K)和鐳(226Ra)等放射性衰變元素，這些放射性同位素衰變產(chǎn)生的熱是地熱水熱源的主要組成部分。地殼上部酸性巖石，如區(qū)內(nèi)在大別山、大冶、幕阜山區(qū)等地多處出露的中生代花崗巖，其含有的大量放射性元素衰變產(chǎn)熱同樣是區(qū)內(nèi)地熱水的重要熱源之一。

地球上地幔溫度達到1 300 ℃，但近地表常溫帶溫度為20 ℃左右，這種內(nèi)外溫差使得深部較高溫度向地殼淺部進行熱量傳遞。一般正常地溫梯度值為10.0～30.0 ℃/km。由前文內(nèi)容可知，武漢城市圈地溫梯度為25.6～39.32 ℃/km，可見，上地幔隆起給武漢城市圈自下而上帶來了較高溫度的地熱能。大地熱流的來源主要是來自上地幔[9]，向地殼淺部傳遞。

3.2 熱儲

熱儲類型按巖性可劃分為碳酸鹽巖溶熱儲、碎屑巖溶熱儲、結(jié)晶巖溶熱儲；按空隙類型可劃分為孔隙型熱儲、裂隙型熱儲和巖溶裂隙型熱儲；按成因類型可劃分為盆地增溫型熱儲和斷裂構(gòu)造帶熱儲；按地熱流體的賦存條件可分為層狀熱儲和帶狀熱儲。武漢城市圈地熱田共28處(表1)，主要分布在城市圈東北部、南部、東南部，總結(jié)其熱儲特征，熱儲的劃分以地熱流體賦存介質(zhì)為依據(jù)，根據(jù)熱儲的地層時代和巖性等因素，共劃分為5類熱儲(見圖5)。

表1 武漢城市圈地熱田熱儲分類表Table 1 Classification table of heat storage of geothermal fieldin Wuhan City Circle

白堊系—新近系孔隙熱儲(A)：分布在漢川市、仙桃市、潛江市、天門市等地區(qū)，地熱流體賦存于白堊系—新近系紅層碎屑巖孔隙中。

石炭系—三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(B)：該層主要分布在武漢市江夏區(qū)、黃石市、武穴市等地區(qū)，地熱流體主要賦存于斷裂疊加部位的斷層破碎帶和裂隙帶的空隙中，受斷裂帶和斷裂帶附近的巖溶管道系統(tǒng)雙重控制，沿斷裂帶或其周圍巖溶管道系統(tǒng)運移、聚集。

上震旦統(tǒng)—奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(C)：分布在天門市、漢川市、應(yīng)城市、咸寧市、大冶市等地區(qū)。熱儲主要是上震旦統(tǒng)—奧陶系碳酸鹽巖，熱儲巖性為白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等，受斷裂帶和斷裂帶附近的巖溶管道系統(tǒng)雙重控制。

古元古界大別巖群變質(zhì)巖裂隙熱儲(D)：分布在英山縣、羅田縣及黃陂北部地區(qū)。熱儲層由變質(zhì)巖斷層破碎帶和裂隙發(fā)育帶組成，熱儲巖性為壓碎巖、角礫巖等。地熱流體主要賦存于深斷裂破碎帶相交處或深斷裂與其橫向張性、張扭性斷裂相交處。

巖漿巖裂隙熱儲(E)：分布在通城縣、通山縣、蘄春縣等地區(qū)。熱儲層由燕山期花崗巖、侏羅系侵入的云母二長花崗巖的斷層破碎帶和裂隙發(fā)育帶組成，熱儲巖性為壓碎巖、角礫巖等。地熱流體主要賦存于燕山期花崗巖斷裂帶中或是巖體與圍巖間的斷裂接觸帶的空隙中。

圖5 武漢城市圈地熱田及熱儲類型分布圖Fig.5 Distribution map of geothermal fields and heat storage types in Wuhan City Circle

按熱儲產(chǎn)出的形態(tài)特征，對于變質(zhì)巖和巖漿巖，地下熱水主要沿斷裂帶及其周圍裂隙運移、匯集，其賦存具有典型的脈狀特點，為條帶狀熱儲。碳酸鹽巖中普遍發(fā)育有不同程度的巖溶現(xiàn)象，地下熱水的運移、聚集也主要沿斷裂帶進行，但一些巖溶洞穴和溶道系統(tǒng)也為地下熱水生成提供運移、賦存的良好途徑和場所，地下熱水蘊藏量較豐富，為條帶狀兼層狀熱儲。碎屑巖中砂巖和泥巖交互疊置的沉積構(gòu)造，為地下熱水的儲集和保溫提供了良好的地質(zhì)環(huán)境，為層狀熱儲。

3.3 蓋層

白堊系—新近系孔隙熱儲蓋層為第四系松散堆積物和白堊系—新近系巖性為頁巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r等地層。石炭系—三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲在黃梅盆地、江漢盆地區(qū)的蓋層為第四系堆積物和白堊系—新近系碎屑巖、泥巖、含膏巖；在武漢地區(qū)、大冶—武穴地區(qū)沒有明顯的蓋層，因此溫度較低。上震旦統(tǒng)—奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲在江漢盆地、黃梅盆地地區(qū)，蓋層為第四系堆積物和白堊系—新近系碎屑巖、泥巖、含膏巖以及石炭系—三疊系碳酸鹽巖、志留系頁巖；在武漢地區(qū)、咸寧地區(qū)蓋層為石炭系—三疊系碳酸鹽巖、志留系頁巖，分布連續(xù)厚度大，具有很好的保溫隔熱作用。古元古界大別巖群變質(zhì)巖裂隙熱儲蓋層為第四系松散堆積層和弱含冷水的強風化片麻巖或裂隙不發(fā)育的新鮮片麻巖，不具嚴格的保溫隔熱作用。巖漿巖裂隙熱儲蓋層為第四系亞砂土、亞粘土、砂夾卵礫石等，屬弱隔熱層，不具嚴格的保溫隔熱作用或沒有明顯的蓋層。

3.4 通道

白堊系—新近系孔隙熱儲沒有集中的通道，地熱流體主要賦存于巖層孔隙、裂隙中。多層平行疊置的熱儲層，層間水力聯(lián)系較差。

石炭系—三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲和上震旦統(tǒng)—奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲通道主要為斷裂及巖溶通道，由斷裂組成的破碎帶，巖石十分破碎，膠結(jié)較差，導水性能良好，再加上沿破碎帶的徑流侵蝕，使地面高程降低，為溫泉的出露創(chuàng)造了有利的條件，同時斷裂也控制著地熱流體的分布和賦存。石炭系—三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲由于熱儲層下伏志留系隔水層，熱水循環(huán)深度有限，褶皺發(fā)育，斷裂及巖溶通道規(guī)模一般不大。上震旦統(tǒng)—奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲埋深大、厚度厚，因此導熱控熱構(gòu)造一般為區(qū)域性斷裂及由斷裂控制的巖溶通道，規(guī)模一般較大。

古元古界大別巖群變質(zhì)巖裂隙熱儲控熱導熱構(gòu)造為斷裂，斷裂破碎帶和裂隙帶有利于水熱循環(huán)，形成地熱。在斷裂構(gòu)造帶以上地段增溫顯著，斷裂構(gòu)造帶內(nèi)溫度基本恒定，斷裂構(gòu)造帶以下的溫度增加不明顯，甚至表現(xiàn)為降溫。英山縣及羅田縣地區(qū)由于橫向張性或張扭性斷裂與主干斷裂相交接，破碎帶將主干斷裂深部的脈狀裂隙熱水導出地表。由于其形成有其特定的地質(zhì)構(gòu)造條件，因而數(shù)量較少。

巖漿巖裂隙熱儲控熱導熱構(gòu)造均為斷裂。在地熱出露處均有斷裂通過，斷層破碎帶和裂隙帶有利于水熱循環(huán)，形成地熱。巖漿巖區(qū)溫泉都分布在燕山期花崗巖斷裂帶中或是巖體與圍巖間的斷裂接觸帶中，這是因為中、酸性巖體，尤其是酸性巖體能形成規(guī)模巨大的巖基式巖體，發(fā)育規(guī)模較大的斷裂帶，為地下水深循環(huán)提供空間條件。作為巖基式巖體，燕山期花崗巖距今時代較新，其中斷裂形成的時代也可能較新，或至少在燕山期有過強烈活動的老斷裂，同時還由于花崗巖區(qū)斷裂帶中泥質(zhì)充填物少，因此，破碎帶中的含水透水性一般較強?？刂茙r體邊緣的區(qū)域性斷裂帶由于巖體冷凝產(chǎn)生空隙，增強了其含水透水的性能。

4 區(qū)域地熱勘查的指示意義

當前，武漢城市圈內(nèi)地熱勘查進入相對瓶頸期，急需探尋新的地熱資源，向地球深部進軍。咸寧、武漢地區(qū)地熱勘查應(yīng)以深部寒武系—奧陶系巖溶熱儲為主，深部寒武系—奧陶系地層分布連續(xù)性好，地熱流體具有較好的補徑排條件，具備形成大型巖溶熱儲的條件。這些地區(qū)以往的地熱勘查對象主要是天然出露的地熱流體，未來的勘查方向應(yīng)在研究現(xiàn)有地熱田形成機制的基礎(chǔ)上，總結(jié)巖溶熱儲的分布規(guī)律，加強導熱控熱構(gòu)造、深部巖溶發(fā)育規(guī)律的研究，對深部大型巖溶熱儲進行勘查。

江漢平原地區(qū)地熱勘查應(yīng)重點關(guān)注潛江潛北斷裂以北地區(qū)[10]。該區(qū)位于盆地邊緣，上震旦統(tǒng)—奧陶系碳酸鹽巖地層、石炭系—三疊系碳酸鹽巖地層埋藏深度相對較淺，深部巖溶地層分布連續(xù)，地熱流體補給區(qū)位于大洪山區(qū)，補給條件好，具備形成大型巖溶熱儲的條件。對于盆地中心的白堊系—新近系孔隙熱儲由于地熱流體賦存條件較差，地下熱水水礦化度高，受斷層切割的斷塊限制，熱水徑流范圍小、高產(chǎn)期短、產(chǎn)水量小[11]，因此價值較小。

大別山地區(qū)地熱流體主要賦存于深大斷裂帶中，該區(qū)應(yīng)重點關(guān)注具備較好地熱流體補徑排條件的深大斷裂，加強英山、羅田地區(qū)溫泉地熱田的形成機制研究，對具備類似條件的斷裂帶開展地熱地質(zhì)工作。同時大別山區(qū)巖漿巖分布廣泛，還應(yīng)加強對該地區(qū)干熱巖資源的研究。

5 結(jié)論及建議

(1) 居里面大致反映出區(qū)內(nèi)地殼深部溫度場的分布特征，與地表的地熱異常具有一定的相關(guān)性，隆起區(qū)地熱活動較廣泛。區(qū)內(nèi)孝感、咸寧、大別山區(qū)大地熱流數(shù)據(jù)缺乏，建議加強這方面的研究。

(2) 武漢城市圈熱源主要為地殼巖石放射性元素衰變產(chǎn)熱，不存在巖漿余熱，酸性巖漿巖放射性生熱對大地熱流有一定貢獻。熱儲分布具有明顯的規(guī)律，襄廣斷裂以北為巖漿巖、變質(zhì)巖構(gòu)造裂隙帶狀熱儲，襄廣斷裂以南主要為巖溶熱儲，受斷裂及巖溶通道雙重控制，其中寒武系—奧陶系地層具備形成大型巖溶熱儲的條件。

(3) 武漢、咸寧、潛北地區(qū)應(yīng)重點關(guān)注深部大型巖溶熱儲，加強巖溶熱儲分布規(guī)律的研究；大別山地區(qū)應(yīng)加強斷裂帶、裂隙帶狀熱儲研究，重點關(guān)注導熱控熱以及賦水深大斷裂。