劉 徽，沈 軍，李文濤，張超宇

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊,湖北 大冶 435100)

地?zé)豳Y源是儲藏于地殼內(nèi)部,集熱、礦、水于一體并能被人類在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟和地質(zhì)環(huán)境條件下科學(xué)地開發(fā)出來的地下熱能量及其伴生的有用成分[1-2]。它是清潔能源和可再生能源中的一個重要組成部分,具有廉價、清潔、易開采、可直接利用和可再生等優(yōu)點[3]。地?zé)崮茏钕缺蝗藗冇糜谙丛?后來一定規(guī)模的應(yīng)用于電力、供暖、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等各領(lǐng)域[4-5]。中國早在2 000多年前就開始了對溫泉的利用,但作為一門學(xué)科研究是在20世紀50年代。70年代初中國開始大規(guī)模地進行地?zé)峥碧脚c研究。此時,湖北省黃石地區(qū)也曾陸續(xù)開展過地?zé)豳Y源勘查工作,并初步分析了其章山地區(qū)地?zé)豳Y源形成機制。但是由于多種原因,這些勘查工作多限于地?zé)崃黧w天然露頭較集中、溫度相對較高地段的勘查與評價,而對于沒有溫泉出露的地?zé)衢_發(fā)利用潛力較大的地段勘查和研究程度較低[6]。隨著2017年1月《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》的出臺,地?zé)岙a(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段[7-8]。近年來多家地勘單位在章山溫泉周邊開展過“以礦找礦”的地?zé)峥辈楣ぷ?其主要找熱思路多表現(xiàn)為尋找與章山溫泉成因模式一致的主要受斷裂構(gòu)造控制呈帶狀分布的地?zé)豳Y源,地下水溫度多在38 ℃以下,水量也不大,找熱效果不佳。

黃石市作為長江經(jīng)濟帶重要節(jié)點城市,以《國土資源部關(guān)于大力推進淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的通知》、全國淺層地?zé)崮芘c地?zé)豳Y源管理工作會議精神和規(guī)劃為契機,積極開展該項研究工作可謂舉足輕重。黃石地區(qū)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)得到政府部門、地方企業(yè)的青睞,黃石市自然資源和規(guī)劃局、黃石市文化旅游投資有限公司等部門多次表明急需在黃荊山南麓尋找可供開發(fā)利用的地?zé)崴Y源。黃石黃荊山國際溫泉度假村、月亮山路新城溫泉村和大冶湖生態(tài)新區(qū)溫泉小鎮(zhèn)等項目急需得到一批可進一步開采利用的地?zé)崴Y源?；趪艺吖膭?、各級政府支持及社會需求,湖北省自然資源廳、黃石市自然資源和規(guī)劃局等部門在章山地區(qū)先后投入資金開展地?zé)峥辈楣ぷ鳌Ｒ虼吮疚南仁强偨Y(jié)以往地?zé)嵴业V工作成果,研究分析章山溫泉地?zé)岢梢驒C制,嘗試建立章山地區(qū)地?zé)岢梢蚰Ｊ礁拍钅Ｐ?發(fā)現(xiàn)以往找熱效果不佳的原因,從而探索受斷裂控制的中深部巖溶區(qū)地?zé)豳Y源的找礦思路,為本區(qū)地?zé)峥辈楣ぷ魈峁┱覠嵝路较騕9]。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 自然地理

研究區(qū)位于湖北省黃石市東南約9.5 km,東距長江10.9 km,北距西塞山區(qū)4.5 km,南距大冶湖1.5 km,西南距黃石園博園約7.0 km,屬湖北省大冶市汪仁鎮(zhèn)管轄。研究區(qū)緊鄰黃石—陽新一級公路,大棋路東西向橫穿全區(qū),縣級公路及村村通公路發(fā)達,交通便利。

研究區(qū)地處亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,年平均氣溫在17 ℃,最熱月份(7月)平均29.2 ℃,最冷月份(1月)平均3.9 ℃。極端最高氣溫40.3 ℃,極端最低氣溫-11 ℃。無霜期年平均264 d,年平均降雨量1 382.6 mm,年平均降雨日132 d左右,年日照1 666.4—2 280.9 h。多東南風(fēng),年平均風(fēng)速為2.17 m/s。具有冬冷夏熱、四季分明的特點。

研究區(qū)內(nèi)地勢北高南低,位于低山丘陵區(qū)—湖盆區(qū)的過渡地帶,北面為近東西走向的黃金山,南面為地勢平緩的大冶湖盆區(qū),海拔標高多在15～500 m。按相對高度及地貌成因的不同,可分為低山—丘陵區(qū)、湖盆區(qū)和河谷沖積區(qū)。

1.2 地層巖性

研究區(qū)位于揚子準地臺下?lián)P子臺褶帶西端大冶凹褶斷束內(nèi)。區(qū)內(nèi)地層出露較齊全,自寒武系中上統(tǒng)至第四系均有出露,僅缺失中下泥盆統(tǒng)及下石炭統(tǒng)。寒武系中上統(tǒng)—奧陶系主要分布于研究區(qū)中部及中偏北部汪仁—章山一帶,總體呈北東東向展布,為汪仁—章山倒轉(zhuǎn)背斜核部。志留系主要分布于研究區(qū)北部,南部在王葉、貴卿灣等地零星出露,為區(qū)內(nèi)主要隔水層之一。泥盆系主要分布于研究區(qū)東北角,主要巖性為灰白色中厚層狀石英巖狀砂巖、石英砂巖,與下伏地層為平行不整合接觸。二疊系分布于研究區(qū)西北角徐斌一帶,白堊系—第三系分布于研究區(qū)內(nèi)王葉—貴卿灣以南,地表大部分為第四系沖、湖積層掩蓋,局部零星出露,是區(qū)內(nèi)重要的隔水層。第四系廣泛分布于地勢低洼地帶,主要為第四系沖洪積物、殘坡積及湖積層(圖1)。

圖1 章山地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Zhangshan area1.白堊系—第三系公安寨組;2.石炭系中統(tǒng);3.泥盆系中上統(tǒng)云臺觀組;4.志留系下統(tǒng)新灘組;5.奧陶系上統(tǒng);6.奧陶系中統(tǒng);7.寒武系上中統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng);8.實測性質(zhì)不明斷層、推測斷層。

1.3 構(gòu)造

工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,多期構(gòu)造疊加,變形強烈,褶皺和斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。

印支期,區(qū)內(nèi)受到南北向擠壓,寒武系—三疊系的地層褶皺變形,形成北西西—近東西向的章山倒轉(zhuǎn)背斜,北翼倒轉(zhuǎn),南翼正常。在倒轉(zhuǎn)背斜的核部四棵—汪仁—章山一線形成近東西向的走向斷裂,同時在羅橋—王葉—河口一線褶皺的核翼轉(zhuǎn)折部位形成平行的北西西—近東西向的走向斷裂,在倒轉(zhuǎn)背斜的南北兩翼,形成北北東、北北西向的共軛壓扭性斷裂,共同組成交叉的裂隙系統(tǒng)。南部大冶湖一帶褶皺凹陷,形成北西西向的大冶復(fù)向斜。

燕山期,區(qū)內(nèi)應(yīng)力場轉(zhuǎn)換,受到北西西向的擠壓,印支期形成的北西西—近東西向褶皺和斷裂構(gòu)造被疊加改造,章山倒轉(zhuǎn)背斜的軸面出現(xiàn)向北突出的弧狀彎曲,北西西—近東西向的走向斷裂由于受北西西向擠壓出現(xiàn)張性改造,裂隙進一步加大加深。同時,羅橋—王葉—河口一線的北西西—近東西向走向斷裂引長拉伸,形成大冶湖盆地凹陷的邊界斷裂。

章山倒轉(zhuǎn)背斜軸向呈北東65°方向延伸,軸向延長約22 km,軸線呈北東30°方向突出的弧形彎曲,軸面南傾。組成背斜的核部地層為寒武系、奧陶系地層,翼部地層為志留系、泥盆系、石炭系、二疊系和三疊系地層。褶皺的北翼地層發(fā)育較全,地層傾向南南東,傾角10°～80°,南翼為近東西向斷裂切割,保存不完全,總體傾向南南東,傾角40°～55°。

大冶湖盆地北部斷裂帶西起保安,經(jīng)下陸,過章山,向東與長江溝通。斷裂帶走向延長約52 km,由背斜核部的周蘭生—章山斷裂、大冶湖盆地邊界的王葉—河口斷裂兩條平行的主干斷裂和與之平行的近東西向次級斷裂組成,總體傾向南,主干斷裂和北東、北西向的斷裂共同組成寬約2～3 km的斷裂帶,斷裂帶內(nèi)巖石破碎,節(jié)理、裂隙發(fā)育。斷裂帶西部溝通保安湖，中部與磁湖、大冶湖等地表水體相通,向東與長江主干流相連。區(qū)內(nèi)大氣降水沿地表裂隙系統(tǒng)下滲,在深部遇志留系砂頁巖隔水層,向南徑流,經(jīng)過深循環(huán),局部在北東向和近東西向斷裂交叉地段的低洼點溢出形成熱泉,大部分匯聚于主干斷裂帶內(nèi),自西向東徑流,最終匯入長江。

1.4 巖漿巖

研究區(qū)內(nèi)巖漿巖出露較少,僅在貴卿灣一帶,在寒武系碳酸巖層中穿插有北東向的輝綠玢巖巖脈;在章山南坡,寒武系碳酸巖層出露有南北向的石英閃長斑巖巖脈,由于以往沒開展專門地質(zhì)工作,相關(guān)資料較少。

據(jù)航磁資料,鄂東南地區(qū)的中酸性侵入巖具有中高磁性,已知巖體與航磁異常吻合程度高,隨著巖體的埋藏深度加大,巖體的磁性逐步減弱；章山西南部的曹家一帶有74—55號弱航磁異常,表明深部可能存在隱伏中酸性侵入巖。緊鄰工作區(qū)東部貴卿灣一帶地表出露的石英閃長斑巖巖脈可能為深部隱伏巖體的分枝巖脈。

1.5 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)含水層以碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層和構(gòu)造破碎帶裂隙含水層為主,次為砂巖風(fēng)化裂隙含水層和松散土體孔隙含水層。隔水層為白堊系—第三系深部未風(fēng)化的粉砂巖、志留系粉砂巖、泥巖以及第四系殘坡積粘土、亞粘土及沖湖積底部的粘土層。

區(qū)內(nèi)地下水徑流受地形、構(gòu)造等多方面因素影響,章山一帶裸露的碳酸鹽巖接受大氣降雨入滲補給,巖溶水一部分自北部依巖溶裂隙通道或斷層順地勢自高往低向南運移,另一部分沿較大的導(dǎo)水?dāng)嗔哑扑閹б源瓜驈搅鳛橹鲄⑴c深部水循環(huán)。平面上主要呈現(xiàn)向研究區(qū)南部大冶湖斷陷盆地邊緣匯集的趨勢,一部分在合適的地質(zhì)條件下以泉的形式排出地表,另一部分滲入深部后匯聚于南部的主干斷裂中,遇志留系或白堊系—第三系隔水層阻隔后,自西向東徑流,經(jīng)過長距離運移,最終排泄于長江。

2 地?zé)豳Y源形成機理及成因模式分析

2.1 章山溫泉地?zé)岬刭|(zhì)特征

汪仁鎮(zhèn)章山溫泉熱異常帶位于章山倒轉(zhuǎn)背斜南翼,熱水點有沿北北東向隱伏斷層展布的趨勢,說明地?zé)崴鞘軜?gòu)造斷裂帶控制的。熱水中礦化度、硫酸根離子、氟離子、可溶性二氧化硅等特征組分的含量明顯高于冷水,一般認為是地下水參與深部循環(huán)溶濾的結(jié)果。熱水中硫酸根離子含量大于氯根離子含量約1 000倍,應(yīng)屬于中深度循環(huán)水;礦化度較高,但仍屬于低礦化水,未超過3 g/L,說明熱水的循環(huán)條件是較好的。地下水在沿斷裂破碎帶向深部循環(huán)過程中,被地溫或者深部巖漿巖加熱,然后又順合適的斷裂通道上升至地表。熱水水溫不高的原因(未超過40 ℃),可能是上升過程中造成的,一是因為表層地溫低,上升速度緩慢而降溫;二是混入了冷水,混入的冷水越多,溫度也越低,水質(zhì)變化就越大,而趨近于冷水的化學(xué)成分。

2.2 章山地區(qū)地?zé)豳Y源形成機理分析

地?zé)豳Y源的形成,主要受熱源、熱儲、通道、蓋層四大要素控制[10],就研究區(qū)而言,其四要素產(chǎn)生所具備的條件如下。

2.2.1熱源條件

據(jù)航磁資料,研究區(qū)周邊極可能有隱伏的侵入巖分布,巖漿巖中的放射性元素富集,產(chǎn)生熱量大,形成附加熱源。地下水循環(huán)過程中,當(dāng)其流經(jīng)侵入巖影響區(qū)時,即可獲得巖漿巖體的熱度而增溫。

據(jù)測試資料可知，章山地區(qū)的地?zé)崴锌扇苄远趸琛⒎?、硫酸根離子及礦化度均明顯高于周邊(冷)地下水,可證明是熱水參與深部循環(huán)溶濾的結(jié)果。

根據(jù)黃石地區(qū)鉆孔井溫測量成果,本區(qū)地溫梯度一般在2 ℃/100 m左右,而研究區(qū)為黃石市已知的兩個地?zé)岙惓｜c之一,地溫梯度理應(yīng)更高。

章山溫泉出露表明，研究區(qū)及周邊地下水通過深大的導(dǎo)水?dāng)嗔堰M行深循環(huán),利用地溫梯度吸取深部巖石熱量,再通過地下水對流將熱量運移到淺部。

綜上,研究區(qū)地?zé)崴疅嵩礊榈厍蛏畈看蟮責(zé)崃鲗α鞴岷蛶r漿巖供熱的綜合影響。

2.2.2熱儲和通道條件

根據(jù)以往資料得知,目前揭露的熱水出露于寒武系地層的斷裂帶附近,主要含水層為巖溶裂隙含水層和構(gòu)造破碎帶裂隙含水層,這兩個含水層互相接觸,之間無隔水層分布,宏觀上為同一含水單元,但伴隨斷裂而生的構(gòu)造裂隙、巖溶一般更發(fā)育,滲透性和導(dǎo)水性要強于巖溶裂隙含水層,且發(fā)育深度更大。

(1) 巖溶裂隙含水層。該層由章山倒轉(zhuǎn)背斜核部寒武系—奧陶系白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r等碳酸鹽巖類組成,其巖溶發(fā)育規(guī)律和區(qū)域上基本一致,大致體現(xiàn)為自地表往下巖溶發(fā)育漸弱、淺部滲透性高于深部的特點,在地表亦可見溶洞(章山洞為較大溶洞),鉆探巖芯揭露溶蝕孔洞、巖溶裂隙較發(fā)育,地下水運移以沿巖溶通道順地勢自高往低徑流為主。在研究區(qū)內(nèi)多隱伏于第四系之下,僅在丘陵頂部局部出露;在章山一帶大面積裸露于地表,為大氣降水入滲補給地下水的重要區(qū)域。當(dāng)達到一定深度后,巖溶發(fā)育程度逐漸變差,導(dǎo)致該含水層的深部水循環(huán)僅依靠與其相連通的構(gòu)造裂隙間接進行,本層含水層對沿破碎帶上升的熱水有摻和，使其成為降溫的衍生泉水。

(2) 構(gòu)造破碎帶裂隙含水層。該層雖然在研究區(qū)內(nèi)因第四系覆蓋多未出露,但依據(jù)以往物探剖面資料及鉆孔資料,可以發(fā)現(xiàn)該層伴隨導(dǎo)水?dāng)嗔讯?分布于導(dǎo)水?dāng)嗔褍蓚?cè)。

本層地下水除了接受寒武系—奧陶系巖溶含水層的側(cè)向補給外,同時因各斷裂延伸長、縱橫交錯的緣故也接受區(qū)域其他含水層的補給。由于區(qū)內(nèi)斷裂切割深度大,地下水在運移過程中產(chǎn)生深循環(huán)形成增溫,在合適部位再通過斷裂上涌,故構(gòu)造破碎帶裂隙含水層既是熱儲含水層,又是導(dǎo)熱構(gòu)造。需要指出在熱水沿破碎帶上升過程中,隨著寒武系—奧陶系地層巖溶發(fā)育的增強，混入其中的冷水導(dǎo)致溫度降低,這也是造成章畈村早期出露的溫泉水溫不高的原因之一。

綜合上述,工作區(qū)內(nèi)的熱儲含水層為構(gòu)造破碎帶裂隙含水層,尤其以切割寒武系—奧陶系地層的構(gòu)造破碎帶裂隙含水層為主。

2.2.3蓋層條件

工作區(qū)南部地表分布志留系墳頭組、泥盆系云臺觀組、白堊系—第三系以及第四系殘坡積等隔水層,地層均南傾,寒武系—奧陶系巖溶含水層及其中的構(gòu)造破碎帶裂隙含水層隱伏于隔水層之下,埋深一般20～800 m。上述隔水層,透水透熱性能差,組成了隔水隔熱層即蓋層,對區(qū)內(nèi)南部熱水起到了很好的保溫作用。

2.3 地?zé)岢梢蚰Ｊ椒治?/h3>

章山地?zé)岬某梢蚰Ｐ蜑樗疅釋α餍偷責(zé)嵯到y(tǒng),區(qū)域近東西向、北北西、北北東向等縱橫交錯的導(dǎo)水?dāng)嗔褞?gòu)成地?zé)崃黧w的徑流網(wǎng)。北部汪仁—章山一帶高地勢巖溶裸露區(qū)接受大氣降水補給后,碳酸鹽巖地層地下水補給構(gòu)造破碎帶裂隙含水層,沿破碎帶向下進行深部循環(huán),受地形、水頭差等因素影響,地下水通過北北東、北北西向的導(dǎo)水?dāng)嗔炎员毕蚰线\移,在研究區(qū)南部大冶湖斷陷盆地北側(cè)遇隔水層阻擋后,匯集于近東西向的斷裂帶,然后呈東西向徑流。地下水循環(huán)深度大,徑流路徑長,運移過程中受到地溫自然梯度以及巖漿巖放熱綜合影響而增溫。斷陷盆地北部隔水層與寒武系—奧陶系地層呈斷層式接觸,傾向南,白堊系—第三系、泥盆系、志留系地層構(gòu)成了工作區(qū)南部很好的地?zé)岜厣w層,使得賦存于斷層破碎帶中的熱水不易散熱降溫(圖2)。

圖2 章山地區(qū)地?zé)豳Y源成因模型分析示意圖Fig.2 Schematic diagram of genetic model analysis of geothermal resources in Zhangshan area1.第四系殘坡積;2.白堊系—第三系公安寨組粉砂巖;3.三疊系嘉陵江組白云巖;4.三疊系大冶組含泥質(zhì)灰?guī)r;5.二疊系上統(tǒng)含硅質(zhì)條帶灰?guī)r;6.二疊系下統(tǒng)含燧石結(jié)核灰?guī)r;7.石炭系白云巖、灰?guī)r;8.泥盆系中上統(tǒng)云臺觀組石英砂巖、含礫石英砂巖;9.志留系泥質(zhì)粉砂巖;10.奧陶系含泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r;11.寒武系白云巖;12.閃長玢巖;13.斷裂;14.構(gòu)造角礫巖;15.溶洞;16.泉點;17.地下水運移方向;18.大氣降水。

3 地?zé)嵴业V思路

3.1 地?zé)嵴业V潛力分析

3.1.1地?zé)岙惓７秶拇_定

根據(jù)前人工作成果,地?zé)崽锏姆植挤秶矫嫘螒B(tài)呈帶狀,沿斷層南北向展布,地?zé)岙惓Ｖ行奈挥谡骂矞厝浇?形成一個封閉的橢圓區(qū),異常中心的溫度在35.2～40.0 ℃,往南北溫度則慢慢降低。地?zé)崽飳傩⌒蜏厮責(zé)崽?熱源中心在SHK01附近,受冷水的混合作用及遠離熱源影響,水溫由熱源中心向外圍擴散并逐漸降低。大致推測黃金山地?zé)崽餃厮植济娣e約為80 400 m2。

3.1.2熱儲層基準溫度

對熱儲層溫度進行地球化學(xué)溫標計算。根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010)所推薦的公式,選用鉀鎂地?zé)釡貥诉M行計算，其公式為：

(1)

式中：t為熱儲溫度,℃;c1為水中鉀的濃度,mg/L,取平均值為4.99 mg/L;c2為水中鎂的濃度,mg/L,取平均值為95.27 mg/L。代入上式,可得t=65.53 ℃。作為該地?zé)崽餆醿拥幕鶞蕼囟?即t=65.53 ℃。

3.2 地?zé)嵴业V方向

根據(jù)前人工作成果及找熱方向,多將章山地?zé)崽飫澐譃棰?2型。章山地區(qū)大致查明了地?zé)崽锏目責(zé)針?gòu)造、熱流體的溫度、蓋層和熱儲埋藏條件,要想通過鉆孔揭露F1斷裂與次級北北東、北北西向的斷裂交匯部位，尋找地?zé)岬目赡苄约俺晒β什⒉桓?即“以礦找礦”前景不大。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,章山地區(qū)地?zé)豳Y源具有熱源、熱儲、通道和蓋層四大要素,為了尋找水溫更高、水量更大的優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源,可從大冶湖凹陷盆地北部邊界接觸帶尋找新的地?zé)豳Y源,在蓋層厚度較大時,地下水增溫到一定溫度的情況下,通過鉆孔揭露到富水性較強的巖溶發(fā)育破碎帶部位(盆地邊界接觸帶),也是本區(qū)尋找優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源的可供選擇的一個方向與思路。因此,試圖揭露大冶湖盆地邊界接觸帶是尋找章山地?zé)岬牧硪粋€重要方向。

4 結(jié)論

章山地?zé)崽镂挥谡律奖承蹦弦淼暮湎蹬c志留系接觸帶,上部地層由志留系泥巖、白堊系—第三系粉砂巖及第四系粘土組成了蓋層,下部地層由寒武系—奧陶系的白云巖、灰?guī)r組成,巖溶發(fā)育,巖石破碎,為主要儲熱儲水層。地?zé)崽锏姆植挤秶黠@受區(qū)域上黃金山隆起帶斷裂及伴生次級北北東向張扭性斷裂帶的控制,地下水的分布范圍平面形態(tài)呈帶狀[11]。章山背斜南翼深部寒武系與白堊系—第三系接觸破碎帶部位是今后章山地區(qū)尋找地?zé)岬囊粋€重要方向[12]。

致謝：本文的撰寫得到金尚剛和肖友發(fā)兩位正高職高級工程師的大力支持和幫助,在此深表感謝！