張福強，趙冠華,2，廖家隆,2，周立堅,2，韋夢蝶,2

(1.廣西煤炭地質(zhì)局，廣西柳州 545005； 2.廣西煤炭地質(zhì)一五〇勘探隊，廣西柳州 545005)

廣西合山煤田位于桂中坳陷中部，為二疊系上統(tǒng)海相聚煤盆地。自1905年開始民采，廣西煤炭地質(zhì)一五○勘探隊從1956年始，在合山煤田開展煤炭地質(zhì)勘查工作，積累了豐富的基礎地質(zhì)和科研資料。探明儲煤面積260 km2，煤炭資源量6.7億t，占廣西全區(qū)的1/3以上，是廣西最大的煤田，累計產(chǎn)煤約1億t，目前中淺部煤層已基本采空，大部分礦井老化實施關閉。2017年，合山市地區(qū)生產(chǎn)總值完成33.01億元，煤炭產(chǎn)量20.12萬t(最高產(chǎn)量為1989年250.34萬t，僅僅是最高產(chǎn)量的8%)，產(chǎn)值8 135萬元，占比為0.024 6%，已經(jīng)失去戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)地位[1-2]。2009年國務院確定合山市為全國第二批資源枯竭型城市。近年來，市委市政府大力推進經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，發(fā)展以礦山公園為代表的特色旅游，取得一定成效。1970年代，在合山聚煤盆地勘查和開采過程中，揭露里蘭、石村礦34～36℃的地下熱水資源，水量總計大于6 000m3/d[3-5]。開展合山地熱預可行性勘查，可以豐富旅游資源種類，增強發(fā)展后勁。

廣西煤炭地質(zhì)局，應合山市政府要求，以隱伏地熱為主攻目標，對合山煤田地質(zhì)勘查與開采資料進行“二次開發(fā)”，開展地下熱水“源(熱和水)、通、儲、蓋”等五個地熱系統(tǒng)分析，大致圈定了找礦靶區(qū)，預測了地熱資源量，屬于地熱資源調(diào)查階段[6]。經(jīng)研究，合山隱伏地熱具有勘查和開發(fā)前景，可以助力煤炭資源枯竭城市—合山轉(zhuǎn)型發(fā)展，開展相關勘查工作具有較好的社會意義和經(jīng)濟意義。

1 合山煤田地質(zhì)概況

合山煤田為一走向北北東，向東突出的弧形向斜構造[7-10]，向斜南北長約30 km，東西寬6～12 km，面積約300km2。向斜西翼平緩，傾角 12°～20°，東翼較陡甚至直立、倒轉(zhuǎn)，傾角 19°～90°，構成不對稱向斜。斷裂不發(fā)育，多為高角度逆斷層，主要分布在東翼并且切割破壞了含煤地層，其中北泗坳-河里斷層為區(qū)域性構造，延伸長度大于100km。

向斜地層巖性及厚度：

第四系(Q)。殘積物、坡積物和洞穴堆積物組成，總厚0～30m。

三疊系中統(tǒng)(T2)。百逢組(T2bf)粉砂巖、細砂巖夾泥巖，厚135～280m；

三疊系下統(tǒng)(T1)。北泗組(T1b)灰?guī)r，局部夾白云巖，厚240～530m；馬腳嶺組 ( T1m) 泥質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r、泥巖，厚約270m；

二疊系上統(tǒng)(P3)。大隆組(P3d)硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖，厚27～36m；合山組(P3h)灰?guī)r、燧石灰?guī)r夾煤層，為區(qū)內(nèi)重要煤系，厚110～200m；

二疊系中統(tǒng)(P2)。茅口組(P2m)灰?guī)r，局部夾白云質(zhì)灰?guī)r、硅質(zhì)巖，厚400～860m；棲霞組(P2q)燧石結(jié)核灰?guī)r、灰?guī)r，下部夾炭質(zhì)泥巖，厚364～415m。

聚煤盆地地層累計厚度1 182～2 176m。

2 找熱潛力分析

2.1 對流型地熱異常

2.1.1 里蘭煤礦地熱異常

里蘭煤礦位于合山向斜西翼中部，主采4煤層，1970年5月斜井動工，設計年產(chǎn)45萬t原煤，1974年12月竣工。在此期間，發(fā)現(xiàn)系列地熱異常。

2.1.1.1 里蘭煤礦井涌水量與水溫

里蘭煤礦正常生產(chǎn)時[3]，礦井涌水量約100 m3/h，這些涌水約50%的水溫在28℃左右，另外50%的涌水溫度30～32℃，少數(shù)涌水點水溫達35℃以上[3-5]。

2.1.1.2 里蘭礦水溫異常

里蘭礦有兩處熱水異常涌出點[3-5]，一為8225下山副巷， 初始揭露水量200 t/h，水溫32℃，數(shù)月后穩(wěn)定水量130 m3/h，水溫35℃，埋深317m，合山向斜正常地溫為30.29℃(317m)，異常值4.71℃；一為8223北風巷，水量33 m3/h， 水量、水溫動態(tài)穩(wěn)定、水溫34.2～35℃，埋深281m，地溫場背景值29.46℃，異常值4.74～5.54℃。地熱增溫率分別為3.79℃/100m和3.99℃/100m，高于合山礦豎井2.15℃/100m和2416孔的2.3℃/100m，異常明顯。

異常點初始水溫和水量與穩(wěn)定水溫水量的差異，說明地下深部循環(huán)上升的熱水，有與淺部“冷水”混合的可能，導致水量增大、水溫降低；但是，淺部“冷水”水量小于深部“熱水”水量，所以，穩(wěn)定水量為下降趨勢，水溫呈上升趨勢，可以推斷，如果循導熱構造揭露，在深部可獲得更高水溫的地下熱水。

2.1.2 石村煤礦地熱異常

2.1.2.1 地熱異常

石村礦豎井1013橫穿熱水異常點[3]，始見水量240 m3/h，水溫32℃，涌水流量穩(wěn)定后，流量120 m3/h(2 880 m3/d)，水溫36℃(埋深300m)。“石村礦熱水點是在一走向北西西的張扭性正斷層的上盤運移的”[3]。

2.1.2.2 石村地溫場

石村二號井井田內(nèi)恒溫帶溫度為23.1℃，恒溫帶深度為20m，平均地溫梯度值為2.15℃/100m，礦井地溫在28.04～33.96℃[3]。地溫場背景值29.55℃，異常差值6.45℃。

2.1.3 對流型地熱系統(tǒng)分析

2.1.3.1 地熱異常特性

里蘭礦和石村礦地下熱水異常點的特性是始見水量大，水溫低，流量穩(wěn)定后，溫度略低，穩(wěn)定水量小1/3～1/2，水溫提高4℃。說明異常點受大氣降水和地表水影響較小，熱水通過近南北向的逆斷層與近東西向張扭性正斷層交匯部位的破碎帶，對流涌出，形成里蘭和石村礦井地熱異常，屬于以對流為主，兼有傳導熱復合的地熱系統(tǒng)類型。

2.1.3.2 地熱異常值

對里蘭礦和石村礦井地熱異常，從埋深，初始和穩(wěn)定水量水溫和正常地溫傳導值進行對比(表1)。

上述前人資料，明確說明，里蘭和石村礦井存在地熱異常，依據(jù)正常傳導型地溫場，埋深300m的地溫背景值為28℃，異常值為34.2～36℃，差值為6.2～8℃，異常明顯。

2.2 傳導型地溫場

合山煤田恒溫帶溫度為23.1℃[8]，恒溫帶厚度20m，埋深500m范圍內(nèi)，平均地熱增溫率為1.02℃/100m，埋深500～800m范圍內(nèi)，平均地熱增溫率為2.83℃/100m。合山煤田2416孔，孔深996m，孔底溫度46℃；2315孔，950m孔深，地溫48.7℃[9](合山煤田勘查地溫最高鉆孔)。在巖溶發(fā)育區(qū)域，垂向水動力強度大，迅速徑流到深部，地下水溫度偏低，如3902孔，-400m處，地溫23.6℃，與恒溫帶溫度相差無幾，井水溫度異常機制不是熱傳導或熱對流，而是水動力作用，參見圖1合山向斜鉆孔地溫曲線圖。

表1 合山向斜里蘭-石村地熱異常

圖1 合山向斜鉆孔地溫曲線圖Figure 1 Heshan syncline borehole geotemperature curve

合山向斜地溫梯度展布與向斜形態(tài)基本一致，淺(翼)部小，深(軸)部大，見圖2合山向斜地溫梯度等值線圖?？傊仙较蛐贝蟛糠謪^(qū)域?qū)儆谡鲗偷販貓觥?/p>

圖2 合山向斜地溫梯度等值線圖Figure 2 Isogram of geotemperature gradients in Heshan syncline

2.3 熱源條件

合山煤田東翼河里樟村至羊角村一帶，云斜煌斑巖呈巖床侵入煤層和煤系灰?guī)r中，侵入時代為華力西晚期或晚于華力西期[9]。

在合山煤田于主采四煤層底部發(fā)現(xiàn)過輝銻礦、透閃石等低溫熱液礦物[3]，推測合山深部可能有隱伏火成巖體存在，為整個向斜提供傳導性熱源，為深切的北北東向和北西西向(近東西向)含水斷裂提供深部對流型熱源[3]。因此，本區(qū)熱源主要來自地殼深部的上地幔及其上部花崗巖殼的熱傳導，局部可能受斷裂影響形成對流式熱傳遞，云斜煌斑巖巖床，由于時代老、體量小放射性產(chǎn)熱貢獻較小。

2.4 水源條件

合山煤田外緣為巖溶峰林環(huán)抱[10]，里蘭和石村地熱異常區(qū)位于合山煤田西北部。自西往北西至南東，依次有高嶺、人嶺、老虎山、合山、大利山、四月八嶺、鳳凰山、思煙山、馬鞍山和雷山等山脈，構成分水嶺。

地表屬流河(石榴河)水系，支流有東亭河、柳花嶺河和瀑布水三支流在古樓村公所南部匯合，經(jīng)貢模村北面注入紅水河。流河與其支流總長50.45km，集雨面積 134.32km2。河床寬10～20m，最大流量60m3/s，最小流量1.5560m3/s，年徑流量90 786km3。年降雨量719.9～1 862.4mm，平均1 160.3mm，集雨面積內(nèi)平均降水量155 850 km3。水量充沛，有利于補給深部熱水循環(huán)。西部的紅水河對地下水亦有所貢獻。

2.5 儲熱層條件

合山向斜巖溶發(fā)育嚴格受各類斷裂裂隙控制，屬裂隙-巖溶型地熱儲層。

對流型地熱熱儲層。里蘭對流型地熱的儲熱層主要為北西西向(近東西向)斷裂帶含水層[11-12]，以正斷層為主，逆斷層次之，推測為先張后壓的張扭性斷裂。最佳熱儲層可能是北西西向和北北東向兩組斷裂交匯部位，有巖溶孔隙型和節(jié)理裂隙型2種，以前者為主。

圖3 合山向斜周邊山峰及構造綱要圖Figure 3 Heshan syncline peripheral peaks and structural outline map

深部(埋深500m以下)以節(jié)理裂隙儲熱為主，巖溶孔隙型次之；大氣降水與深部熱源可形成有效對流，通道連續(xù)活躍。北西西向斷裂既是導熱構造也是儲熱構造，地下熱水溫度較高，水量補給充分，是本次工作的主要目標層位，推測埋深1 300m地(水)溫為75℃左右。

傳導型地熱熱儲層。合山煤田淺部的儲熱層為二疊系上統(tǒng)合山組上段中強巖溶含水層、合山組下段強巖溶含水層、二疊系中統(tǒng)茅口組上段強巖溶含水層[11-12]，巖性為中-厚層狀泥晶灰?guī)r夾煤層。巖溶發(fā)育，連通性好，主要為承壓水。受淺部裸露區(qū)降水補給和深部地下水徑流補給，徑流距離長，合山煤田南部的2315孔，950m孔深，地溫48.7℃。

合山向斜已經(jīng)整體勘查完畢，四煤層埋深最大1 100m，考慮到合山組下段(厚65～115m)和茅口組(厚400～860m)，熱儲層埋深可達到2 000m，推測地(水)溫為75℃左右。

2.6 導水構造條件

2.6.1 主要控熱構造

合山向斜總體為北北東向構造，中三疊世末，由于本區(qū)受西太平洋板塊影響，盆山轉(zhuǎn)換結(jié)束了海相沉積歷史。受西太平洋板塊由南東向北西和東南亞地塊由南向北的聯(lián)合擠壓作用，產(chǎn)生燕山一喜山期擠壓抬升運動，導致合山向斜受到擠壓，抬升煤田，東翼發(fā)育逆沖推覆構造[13-15]。

東翼逆沖推覆構造，走向北北東，走向長大于100km?？刂屏撕仙较蛐睎|翼的形態(tài)。

對整個合山向斜進行構造行跡的力學分析，可以看到向斜和東翼逆斷層走向方向，處于應變橢圓的拉伸方向，主應力為西太平洋板塊由南東向北西的壓應力，相應的在壓應力方向產(chǎn)生了NWW向的張性斷裂。石村礦于-207m水平發(fā)生的突水，水量高達3 400 m3/h，實地觀測為NWW方向上的斷裂，而且與NE向斷裂沒有溝通。熱儲及通道為與逆斷層聯(lián)通的北西西向(局部為近東西向)正斷層，里蘭煤礦井下8223北風巷和8225下山副巷地下熱水涌出異常點的連線方向，即為290°(北西西向)，可為上述地應力分析佐證(圖4)。

圖4 合山向斜應變橢圓示意圖Figure 4 A schematic diagram of Heshan syncline strain ellipsoid 說明：A-A′為北北東向，發(fā)育北北東向逆斷層；C-C′為北西西向，發(fā)育先張后扭正斷層。后期配套發(fā)育北東向、北西向較弱的剪性(平移)斷層。

NNE向北泗坳—河里逆斷層屬于區(qū)域性的大塘-北泗大斷裂中部，延伸大于100km，據(jù)2016年9月的新聞報道[16]，合山市附近發(fā)生4.1級地震，震源深度5km，為溝通地殼深部的導熱構造。據(jù)此，以2℃/100m的地熱增溫率估算，NNE向逆斷層切割深度的熱源溫度也在120℃以上。

2.6.2 新構造對導水通道的影響

垂直升降運動。廣西新構造活動主要是繼承性的[17-18]，表現(xiàn)在垂直運動上為全區(qū)性抬升。具體形式是：全區(qū)掀斜性抬升，局部掀斜性抬升和抬升作用有明顯間歇性。斷裂存在垂直差異運動。廣西地震部門依據(jù)1957—1987年大地水準測量資料，計算桂中最大抬升速率為0.7mm/a，在桂北，該速率達4.7mm/a，桂西也達3.0mm/a，東南沿海的抬升速率僅有0.47mm/a。桂西地區(qū)，拾升速率在南寧只有1.27mm/a，比其西的田林抬升速率小1.73mm/a。玉林附近抬升速率比東南沿海高0.51mm/ a。桂林-柳州-南寧-憑祥一線的差異性升降，導致在合山發(fā)育深度較大的北西西向正斷層產(chǎn)生，有利于地下水的深循環(huán)。

圖5 廣西近期地殼垂直形變速率圖Figure 5 Recent vertical crustal deformation rates in Guangxi

頻繁的地震活動。近年來，新構造時有發(fā)生。1984年11月，里蘭東南面發(fā)生1.6級地震[10]。2016年9月，合山市附近(北緯23.64度，東經(jīng)108.95度)發(fā)生4.1級地震[16]，震源深度5km；本次地震周邊20km內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有遷江鎮(zhèn)、平陽鎮(zhèn)、河里鄉(xiāng)、橋鞏鄉(xiāng)、石陵鎮(zhèn)、嶺南鎮(zhèn)等；震中距合山市20km，距來賓市30km，距南寧市112km(圖5)。

此類構造時代新，膠結(jié)差，導水賦水性強，往往構成地熱系統(tǒng)中熱水通道和淺部熱水分布的控制性構造，為良好的導水通道和熱儲層。

2.7 蓋層條件

合山熱儲層“有蓋有墊”。合山煤田的隔水層由新至老依次有中三疊統(tǒng)百逢組隔水層、下三疊統(tǒng)馬腳嶺組下部及底部隔水層、上二疊統(tǒng)大隆組隔水層、合山煤層隔水層、合山組底部隔水層、棲霞組下段隔水層。

在合山煤田未采動區(qū)，有2層隔水層，主要的馬腳嶺組下部和底部隔水層與大隆組隔水層總厚大于300m，蓋層條件良好。

棲霞組下段隔水層組成向斜獨立水文單元的邊界，厚364～415m，是二疊系上統(tǒng)合山組上段中強巖溶含水層、合山組下段強巖溶含水層、二疊系中統(tǒng)茅口組上段強巖溶含水層等傳導型熱儲層的下伏地層，從熱儲(水)角度分析屬極佳的“兜底層”，使得熱儲層水量豐富，不至于“有熱無水”。

3 討論

3.1 地下熱水成礦前景

礦井地熱(害)，首先是作為礦山井巷開采有害因素研究和治理的，我國自新中國成立后，才開始研究礦熱，進入21世紀開始作為旅游資源和能源研究和開發(fā)[19-21]。多年研究證明：礦熱(害)以高溫巖層傳導散熱為主，高溫熱水涌出對流為輔。傳導散熱受巖石性質(zhì)制約，金屬礦物、結(jié)晶鹽巖、膏巖及石英具有高的熱傳導率，致密堅硬的灰?guī)r、花崗巖、變質(zhì)石英巖、石英巖等，同樣較高，煤層、泥頁巖和粉砂質(zhì)巖石較低。據(jù)測試及統(tǒng)計，煤的熱傳導率小于0.5W/(m·K)，灰?guī)r的熱傳導率大致在2～3W/(m·K)之間，這很好解釋了合山組地層既是蓋層同時也是儲層。煤系之下的茅口灰?guī)r為良好的熱儲層，通過合山向斜內(nèi)部的小規(guī)模斷層，茅口灰?guī)r蘊含的熱源，主要以斷層構造熱水對流形式，在淺部的煤層下盤形成迅速、大量的熱交換，其次通過巖層的傳導形式形成緩慢、小量的熱交換。合山煤礦存在的明顯地熱異常，即屬于中低溫對流-傳導復合型地熱系統(tǒng)。

3.1.1 對流型地熱找熱前景分析

依據(jù)合山向斜地溫條件，恒溫帶溫度為23.1℃，恒溫帶深度為20m，對流型地熱梯度4℃/100m。埋深600m地溫可達47℃，埋深1 000m地溫可達63℃，1 300m埋深地溫可達75℃，尋找地下熱水前景優(yōu)良。對流型地熱為本次工作的主攻目標。

3.1.2 傳導型地熱找熱前景分析

依據(jù)合山向斜地溫條件，恒溫帶溫度為23.1℃，恒溫帶深度為20m，傳導型地熱梯度2.15℃/100m。埋深900m地溫可達42.5℃，1 300m埋深地溫在50℃左右，可以達到溫泉洗浴用水水溫要求。合山煤田地溫最高的2315孔，950m埋深溫度為48.7℃。

自中二疊統(tǒng)茅口組至三疊系百逢組，合山向斜卷入地層累計厚度1 182～2 176m。茅口組是理想的熱儲層，其埋深在1 000～1 500m，預測地溫45～60℃。

3.2 找熱方法分析與建議

合山煤田地下熱水僅僅在礦井中發(fā)現(xiàn)，地表沒有溫泉出露，屬于隱伏型地熱。地下熱水主要受斷裂構造控制、地溫增溫率不一定為線性[25-26]，不可預見因素較多，找礦難度大。在預可行性勘查階段，要加強綜合研究，發(fā)掘前人資料，了解煤井施工礦熱詳細資料，實施高精度重力剖面測量、微動測深、可控源音頻大地電磁測深等綜合物探方法，查明區(qū)內(nèi)地熱資源地球物理組合響應表現(xiàn)，綜合地溫、橫向波速、電阻和重力梯度帶等異常特征[27-29]，分析掌握導熱、控熱、儲熱構造的賦存狀況，圈定地熱驗證鉆孔孔位，實施地熱異常揭露。

4 結(jié)論

合山煤田是廣西地質(zhì)工作程度最高的煤炭生產(chǎn)基地，積累了大量的煤炭地質(zhì)勘查和開采的資料，獲得地熱異常的溫度、埋深、增溫率等地溫場參數(shù)。本次研究對前人獲取的寶貴資料開展“二次開發(fā)”。分析總結(jié)了區(qū)域內(nèi)的地層、構造和巖漿巖條件，從“源(熱、水)、通、儲、蓋”等五個地熱系統(tǒng)分析找礦前景；依據(jù)分析結(jié)果得出如下結(jié)論。

(1)熱源以地殼深部為主，通過深切斷層產(chǎn)生對流型地熱，通過巖石傳輸熱量產(chǎn)生傳導型地熱；

(2)水源主要為大氣降水，水量充沛，大致在合山向斜獨立水文單元循環(huán)；

(3)北北東向區(qū)域大斷層大塘-北泗，為溝通深部熱源的導熱構造；

(4)北西西向張扭性斷層，先張后扭，喜山期地殼差異性上升，進一步予以“松弛”成為良好的儲熱構造；

(5)熱儲蓋層厚300m、下伏“蓋”層厚364～415m，頂?shù)纂p全，熱儲介質(zhì)(水)不易流失逸散，使得熱儲層水量豐富，不至于“有熱無水”；

(6)初步認為合山向斜含水層深度可以達到1 000～1 500m以深，如果施工地熱深孔，在800m～1 300m之間予以揭露，可能獲得對流型孔底水溫56～75℃，傳導型孔底水溫40～55℃的地下熱水，水量總計大于6 000t/d，可以滿足17 000人洗浴需求，具有傳導和對流復合型地下熱水找礦前景，建議盡快實施勘查驗證。