湖南安仁县万田地热田空间定位及地热产出特征分析

彭文彪，王 波，陶 峰，邓海飞

湖南省核工业地质调查院，湖南长沙410011

湖南安仁县万田地热田空间定位及地热产出特征分析

彭文彪，王 波，陶 峰，邓海飞

湖南省核工业地质调查院，湖南长沙410011

常德-安仁断裂带、茶陵-临武断裂带及其派生断层、五峰仙岩体和岩关阶下段地层（C1y1）与万田地热田相关，其地热地质背景具专属性，热源、热储、盖层所组成的地热系统时空有效配置是地热产出的必要条件.该地热田主要热储层为C1y1白云质灰岩、白云岩，兼有层状热储和带状热储双重特征，属最经济的适宜开采的具理疗热矿水标准的低温地热资源，开发前景好.

地热；空间定位；产出特征；万田地热田；湖南省

万田地热田位于湖南省安仁县龙海镇万田村，该地段与永兴县毗邻，距省道S212线3 km，经S212线可达郴（州）、桂（阳），抵茶（陵）、攸（县），交通便利.由于地理位置较优，近年来该地热田得到了初步利用.

1 区域地质背景

万田地热田所在的湘东南地区处于南岭中段北缘，位于扬子地块与华南地块的接合部位，区内中生代构造、岩浆活动强烈，构造活化或新构造运动亦十分活跃.研究区内地面高程133～208 m，属于碎屑岩和岩溶丘陵地貌，由浅丘和洼地组成.区内为中亚热带湿润季风气候，雨量充沛，多年平均年雨量1465.78 mm.

该地热田处于湖南省主要的地热异常分带之一的湘东南郴州-宜章-汝城中低温地热异常带内［1］，带内分布有众多的温（热）水，热储主要为碳酸盐岩类型［2-3］.一般认为，这些温（热）水的形成与千里山、骑田岭、王仙岭、五峰仙等岩体和茶陵-临武（亦称郴州-临武）区域性深大断裂等有关.

2 地热田空间定位

2.1 范围与展布

万田地热田位于F2断层上盘，呈条带状沿北东向展布，长约1000 m，宽约350 m.已知在0.15 km2范围内存在温泉群和井采温热水（部分温热水井自流），推测该地热田面积约0.35 km2（图1），F2断层和C1y1与D3x2分层界线为地热田的边界线.

2.2 与地热田相关的地质体时空分布

万田地热田处于安仁-武功山隆起带，定位于茶陵-永兴盆地西外缘，北北东向茶陵-临武断裂与北西向常德-安仁断裂（即五峰仙-铁丝塘隐伏断裂）所组成的三角区（“y”字型构造）附近.

与地热田相关特定的地质体主要包括断裂构造、地层与岩浆岩，它们决定了万田地热田的热源、通道、热储及盖层的属性.

2.2.1 地层

万田地热田周围出露地层有第四系、侏罗系中统、石炭系下统和泥盆系上统，受构造影响，地层残缺.

第四系全新统（Qh）：主要沿河谷、沟谷分布，为冲积相黏性土、砂土，厚2～20 m.

侏罗系中统（J2）：分布于F1断层下盘，主要为一套石英砂质泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩互层，厚大于181 m.

石炭系下统（C1）：大塘阶测水段（C1d2）为一套石英砂岩、粉砂岩夹含页岩或互层，厚约113 m；岩关阶下段（C1y1）主要为白云质灰岩、白云岩，夹细砂岩，ZK2钻孔（孔深350.4 m）未揭穿.

泥盆系上统（D3）：有两个组.其一为锡矿山组上段（D3x2），为薄至中层含粉砂泥质，厚99～176 m，下段（D3x1）为白云质灰岩、隐晶质灰岩夹泥质灰岩；其二为佘田桥组（D3s），为厚层含粉砂质灰岩、中—厚层白云质、粉砂质灰岩，间夹泥质灰岩，厚273～276 m.

万田地热田主要热储为石炭系岩关阶下段（C1y1），岩性主要为白云质灰岩、白云岩，发育有覆盖型或埋藏型岩溶，地貌上呈现负地形，含岩溶水，是该地段唯一的强含水层.

2.2.2 岩浆岩

万田地热田内无岩浆岩出露，其西北方向约5 km处分布有五峰仙花岗岩岩体，该岩体为复式岩体，主体为印支期（γ51）黑云母花岗岩，补体为燕山早期（γ52-2）二云母花岗岩；东南方向约20 km为彭公庙花岗岩岩体（加里东期，包括γ31、γ32和γ33）.

地热学理论表明大地热流由地幔热流和地壳热流组成，放射性蜕变热为地壳热流主要部分［4-5］，放射性元素中铀对生热率的贡献最大.

图1 万田地热田地质图Fig.1 Geological map of Wantian geothermal field1—加里东期花岗岩（Caledonian granite）；2—印支期花岗岩（Indosinian granite）；3—地质界线（geological boundary）；4—正断层（normal fault）；5—逆断层（reverse fault）；6—平移断层（strike-slip fault）；7—温泉群（hot springs）；8—自流钻孔及编号（artesian spring and number）；9—剖面线位置（section line）；10—推测地热田范围（inferred geothermal field range）；11—水温（℃）（最高）/流量（m3/h）（降深，m）（temperature（max）/fluid discharge（drawdown））；12—研究区（study area）

五峰仙花岗岩岩体距万田地热田较近.根据伽玛能谱调查资料［6］，五峰仙岩体主体铀含量（质量分数）为7.8×10-6，钍为44.7×10-6，钾为4.44%；补体岩体铀含量为9.6×10-6，钍为44.5×10-6，钾为5.45%.据黎彤（1976）提出的地壳元素丰度值，铀为1.7×10-6，钍为5.8×10-6，钾为1.7%.该岩体放射性元素含量明显高出其在地壳元素丰度的2～4倍，与世界酸性岩平均铀含量（3.5×10-6～4.8×10-6，П·В·塔乌松、泰勒等）［7］对比，前者属含铀岩体，后者属高铀岩体.按照Rybach（1976）提出的计算公式进行放射性生热率的计算［8-13］，五峰仙岩体主体（γ51）岩石放射性生热率为5.31 μW/m3，补体（γ52-2）岩石放射性生热率为5.80 μW/m3，平均放射性生热率为5.56 μW/m3.

研究区古生界泥盆系—中生界侏罗系沉积岩放射性元素含量普遍较低，与其地壳元素丰度值相近.经计算，沉积层放射性生热率为0.835～2.564 μW/m3.据凤凰-茶陵地学剖面数据［14］，以古生界—中生界总厚度2.42～5.19 km计推算沉积岩层最大放射性生热热流为13.30 mW/m2，推算结果小于背景值，说明研究区大地热流存在其他来源，可能来自深部结晶基底或地幔热流.相关资料显示：研究区附近大地热流等值线为50 mW/m2左右［14］；根据中国大陆地区1°×1°网格平均热流和地壳厚度数据［15］，研究区（113.28°E，26.46°N）大地热流值为44.7 mW/m2；包括研究区在内的湘东前陆褶冲带［16］地表热流值为 39.1～66.0 mW/m2（平均49.1± 7.0 mW/m2）.

以凤凰-茶陵等地学剖面解剖为手段的湖南省深部构造研究还显示，湖南省平均地壳厚度为37.06 km，其中上地壳深至3.85 km，中地壳深至21.73 km，隐伏—半隐伏花岗岩体的底板埋藏深度一般为10～15 km，不超过地壳中层，多属壳源型（S型）花岗岩.以花岗岩体的底板埋藏深度上限计，该岩体平均放射性生热热流为83.4 mW/m2.与以上对背景值分析的对比，该岩体内大地热流值明显高于背景，是区域内可能的地热异常源.含（高）铀的五峰仙花岗岩体放射性元素含量是其地壳丰度值的2～4倍，岩体放射性生热热流值应该是周边其他地层的相应倍数，这一事实是不容忽视的.

五峰仙花岗岩岩体是含（高）铀岩体，其放射性生热率高，推测该岩体是研究区内地壳热源方之一.分析有两个主要途径：一是作为结晶基底提供地壳热源，重磁资料显示，五峰仙花岗岩体出露范围之外呈半隐伏状分布，可能构成万田地热田基底；二是通过常德-安仁断裂带、茶陵-临武断裂带两条深大断裂带及茶陵-临武断裂派生断层，传导岩体内部热能.

彭公庙花岗岩岩体与万田地热田隔茶陵-永兴断陷盆地相望，相距甚远，其放射性生热为万田地热田提供热源的可能性小.

2.2.3 断裂构造

1）常德-安仁断裂带

常德-安仁断裂带为一深大控岩断裂，走向约320°，沿断裂出现一系列密集的重力梯级带，该断裂切割结晶基底，导致断裂两侧莫霍面落差达3～5 km［14］.该断裂带为一地幔物质强烈活动带，深达岩石圈［17］.该断裂在印支运动中具基底左旋走滑，在断裂两侧均形成与区域构造线一致的北北东向褶皱.沿断裂带有武陵-雪峰、加里东、印支、燕山期多期次岩浆活动，出现了一些规模较大的岩体，如沩山岩体、歇马岩体，并切穿其东端出露的五峰仙岩体.

2）茶陵-临武断裂带

茶陵-临武断裂带大体沿茶陵-郴州-临武重力梯度带分布，是加里东以来武功山-诸广山地块由南东向北西仰冲所形成的碰撞逆冲推覆断裂带.该断裂带为茶陵-永兴断陷盆地西边缘，具有多期活动并伴有相应的岩浆侵入活动（在南端切穿了印支期骑田岭花岗岩）的特征，表现为逆冲推覆或走滑活动，断裂的走滑活动和中—下地壳的拆离活动相当强烈［18］，是区域性控盆深大断裂带，属地壳断裂（切穿莫霍面）.

茶陵-临武断裂带还派生有系列断层或规模较小的破碎带，研究区内主要分布有F1和F2断层.F2是F1的分支断层，组合形态为倒扣的“y”字型，断层性质与茶陵-临武断裂带类似，均以逆冲推覆为主要特点，倾向北西，并以构造破碎带（角砾岩或碎裂岩）形式存在，钻探证实F2主要以构造角砾岩带（真厚度14.8～36.9 m，图2）存在.

区域性深大断裂及派生断层的存在，是地热形成的主要通道，它们沟通深部（地幔或岩石圈）热源，导流地幔热流和地壳热流.

另一方面，茶陵-临武断裂带同时也是一条活化的新构造，历史上有地震活动，1640年11月于郴州附近发生过4.75级地震；现今也有地震发生，1982年11月16日,在湖南省宜章、临武和广东省连县交界处发生了一次ML 4.0级地震［19］.王春林［20］对湖南省活动构造、地震和温泉的关系研究认为，断裂活动主要有两种方式，即：黏滑（发震）和稳滑（蠕动，不发震或只发生弱震），前者以弹性波形式释放能量，从而发生强震（5级及以上地震），后者主要以机械能转化为地热的方式释放能量，从而形成浅源地热.湖南省地热异常区是新构造活动强烈的地区，近期活动断裂多以稳滑形式活动.

图2 A-A′地质剖面图Fig.2 Geological section A-A′1—黏土（clay）；2—砂土（sandy soil）；3—泥质粉砂岩（argillaceous siltstone）；4—石英砂岩（quartz sandstone）；5—白云质灰岩（dolomitic limestone）；6—构造角砾岩（tectonicbreccia）；7—碎裂岩（cataclasite）；8—逆断层（reversefault）；9—推测断层（inferredfault）；10—井中测温曲线（boreholetemperature curve）

构造活化释放的热流是地热田形成的附加热流.地幔热流和地壳热流（放射性元素蜕变热流）是一种稳态地热流,而各种热事件产生的热流则是一种非稳态的附加热流.

实事证明，茶陵-临武断裂带是湘南地区控制地热分布的主干断裂带，沿该断裂呈线（带）状分布有除万田地热田以外的许家洞、下眉桥、郴州市区、邓家湾、吊钟岭等多处地热田［21-22］.

3 地热田特征

3.1 地温场

在万田地热田的热水塘地段出露有温泉（群）一处，水温38.0℃，总流量为113.4 m3/h，现有地热井（共7井）或钻孔均自流，井（孔）口温度37.8～43.8℃.井中测温表明，万田地热田350 m以浅的地温场温度较平均（43.0～45.3℃），无明显浓集中心.

ZK1钻孔5～300 m水温为24.3～43.0℃，最高温度在深度255 m处，该钻孔在255 m内的地温梯度为7.333℃/hm；ZK2钻孔5～350 m水温为32.7～43.2℃（抽水后变为42.5～45.3℃），该钻孔在240 m内的地温梯度为4.375℃/hm，最高温度在深度240 m（抽水后在深度280 m处），温度突增段对应F2构造角砾岩带.

以上钻孔地温梯度比中国南方地温梯度平均值（2.41℃/hm）［23］高出很多，呈现明显异常.

3.2 热储与盖层

3.2.1 热储

万田地热田主要热储层为石炭系岩关阶下段（C1y1），岩性为白云质灰岩、白云岩，该层是强岩溶含水层.ZK1孔深150 m以上溶孔发育，以下裂隙发育，钻至254 m时地下水水位高出地表40 cm，孔口自溢；ZK2裂隙、溶隙发育，钻至310 m时地下水水位高出地表100 cm，孔口自溢.

该热储层位于F2断层上盘，通过F2断层将C1y1地层逆掩于C1d2地层之上.由于该断层是导热含水构造，且F2断层与层状热储有成生关系，因而兼具带状热储特征.钻孔揭露，该热储层含承压温热水，水量丰富，是万田地热田主要的热储层.热储所在地层发育厚大于300 m，主要热储层厚度28～92 m.用钾镁地热温标计算，热储层温度为45.6～46.3℃，但孔内实测水温已达45℃，计算数据明显偏小，原因是井口采取的水样可能混合有第四系孔隙水.根据地温梯度和实际经验推测本热储层温度为80～100℃左右.用前述的热储层特征参数估算水循环深度为891～1917 m.

该热储层发育的温热承压水越流补给上覆的第四系全新统（Qh）砂土层（砂、砾和卵，厚5～15 m），与孔隙冷水混合，溪流两岸部分地段第四系全新统（Qh）砂土层中有温水分布.

3.2.2 盖层

从垂直剖面看，下层为锡矿山组上段（D3x2）薄至中层含粉砂泥质，为弱含水的或不含水岩层，是热储层底板.主要热储层（C1y1）中岩溶和裂隙不发育段为相对隔水层，构成热储盖层，而C1y1逆掩于C1d2之上，C1d2砂、页岩组合层实际上不构成热储层盖.此外，热储层上覆的第四系全新统（Qh）表层（2～5 m）为黏性土层，是地热田的盖层之一.

3.3 地热流体

3.3.1 地热流体的产量与温度

地热钻孔降压试验表明，热流体单位产量69.67～122.37 m3/（d·m），井口地热流体温度43.0～45.3℃.属温热水，适宜开采.

3.3.2 化学特征

对地热液体采样进行化学分析，地热田地热流体的化学类型以HCO3·SO4-Ca型为主，pH值6.46～6.56，矿化度为617.84～620.05 mg/L，属含偏硅酸（26.34～28.13 mg/L）具医疗价值的理疗热矿水，其氟（0.97 mg/L）接近有医疗价值浓度（1 mg/L），含有一定锶（1.29～1.32 mg/L）.

3.4 地热资源开发利用评价

万田地热田热储层浅埋（小于350 m），地热流体为温热水，属最经济的适宜开采的具理疗热矿水标准的低温地热资源，可作为理疗、洗浴、采暖、温室、养殖等使用，地热田的开发前景好.

4 地热田形成机理

地热的形成主要具备“源、通、储、盖”四大条件.地幔热流和地壳热流（放射性元素蜕变热流）是万田地热田主要的地热源，构造活化释放的热流是该地热田形成的附加热流；地热田及周围区域性深大断裂和其派生断层的存在，是地热形成的主要通道，它们沟通和导流地幔热流和地壳热流；该地热田主要热储层为石炭系岩关阶下段（C1y1）白云质灰岩、白云岩；热储层中相对隔水层和上覆的第四系黏性土层，构成盖层.

平面上呈“y”字型组合的常德-安仁断裂带和茶陵-临武断裂带两条深大断裂及倒扣的“y”字型组合的派生断层（F1和F2）可以传导地壳热能（放射性蜕变热）和地幔软流圈上涌热能，叠加茶陵-临武断裂带机械运动产生稳滑（蠕动）热能，形成线状热流带，断裂带传导热流带不断向上释放，与含水层（带）的冷水发生热量交换，形成对流，从而使冷水加热变为温、热水储存在热储层（带）中，得到了盖层的隔热隔水保护.这些因素叠加形成了地热系统，是形成热田的根本原因.

研究区地热成生条件和地球化学环境等显示，万田地热田地热系统属典型的中低温对流型地热系统.

5 结论

空间定位特征表明，万田地热田与特定的地质条件相关，反映了地热地质背景的专属性.地幔热流和近热田的五峰仙花岗岩岩体放射性蜕变热流是主要热源，茶陵-临武断裂带稳滑（蠕动）产生的机械能是地热田的附加热源；深大断裂及其派生断层是地热形成的主要通道；石炭系岩关阶下段（C1y1）白云质灰岩、白云岩强含水层是地热田的主要热储层，其分布决定地热田的范围、展布与大小.

该地热田主要热储层为石炭系岩关阶下段（C1y1）白云质灰岩、白云岩，其分布受深大断裂带派生断层（F1和F2）控制，且F2断层与层状热储有成生关系，该热储层兼有层状热储和带状热储双重特征.

地热产出特征鲜明，万田地热田是热源、通道、热储层、盖层所组成的地热系统时空有效配置的产物.

万田地热田属最经济的适宜开采的具理疗热矿水标准的低温地热资源，可作多种用途使用，利用价值高，开发前景好.该地热田有望成为湘南地区又一个温泉旅游、娱乐、休闲和综合开发利用中心，其地热资源的开发利用对于提升郴州市“中国温泉之乡”品牌价值有极大的促进作用.

［1］彭头平，李超文，彭冰霞.湖南地热资源的构造制约与勘查标志［J］.湖南地质,2002,21（1）:57—60.

［2］李超文，彭头平.湖南地热资源分布及远景区划［J］.湖南地质,2001, 20（4）:271—275.

［3］曹汝贤.湖南地热资源及其开发利用［J］.矿产综合利用,1993（2）: 31—34.

［4］饶松，胡圣标，朱传庆，等.准噶尔盆地大地热流特征与岩石圈热结构［J］.地球物理学报,2013,56（8）:2760—2769.

［5］周江羽，吴冲龙，庄新国.浙闽粤东部地热场研究及其意义［J］.地质科技情报,1997,16（2）:7—11.

［6］沈赵明，颜小莲.湘南五峰仙岩体γ能谱区调成果分析［J］.国土资源导刊,2009（5）:74—76.

［7］冯明月，何德宝.华南富铀花岗岩和产铀花岗岩特征［J］.铀矿地质, 2012,28（4）:199—207.

［8］邱楠生.中国西北部盆地岩石热导率和生热率特征［J］.地质科学, 2002,37（2）:196—206.

［9］Brich H.Heat flow radioactivity［C］:Faul H,ed.Nuclear Geology.New York:John&Wiley,1954:148—174.

［10］Rybach L.Radioactive heat flow production in rocks and its relation to other petrophysical parameters［J］.Pure and Applied Geophysics,1976, 114（2）:309—318.

［11］李庆阳，蔡惠蓉，陈彦.地热场与深部铀矿的关系研究及应用［J］.中国地质,2010,37（1）:198—203.

［14］饶家荣，王纪恒，曹一中.湖南深部构造［J］.湖南地质,1993（增刊）: 1—96.

［15］黄少鹏.我国大陆地区大地热流与地壳厚度的变化［J］.地球物理学报,1992,35（4）:441—450.

［17］柏道远，熊延望，王先辉，等.湖南常德-安仁NW向断裂左旋走滑与安仁“y”字型构造［J］.大地构造与成矿学,2005,29（4）:435—442.

［18］梁新权，郭定良.湖南深部构造活化及其浅部响应［J］.地质科学, 2002,37（3）:332—341.

［19］肖和平，缪卫东.湘东南地区地震构造环境分析［J］.大地测量与地球动力学,2010,30（增刊1）:100—110.

［20］王春林.试论湖南浅源地热之成因［J］.湘潭师范学院学报,1999, 20（6）:110—115.

［21］朱天林.郴州市许家洞地下热水［J］.工程勘察,2006（10）:35—37.

［22］刘声凯，景营利.湖南省宜章县用口地区地热流体特征及成因浅析［J］.地下水,2014,36（1）:12—14.

［23］袁玉松，马永生，胡圣标，等.中国南方现今地热特征［J］.地球物理学报,2006,49（4）:1118—1126.

ANALYSIS ON THE SPATIAL LOCALIZATION AND OCCURRENCE OF WANTIAN GEOTHERMAL FIELD IN ANREN COUNTY,HUNAN PROVINCE

PENG Wen-biao,WANG Bo,TAO Feng,DENG Hai-fei

Hunan Institute of Geological Survey for Nuclear Industry,Changsha 410011,China

Present study on the geothermal system in Wantian geothermal field reveals the relationships between the geothermal characteristics and geological composition.The Wantian geothermal field is associated with particular geological conditions,such as Changde-Anren fault,Chaling-Linwu fault and their derived faults,Wufengxian granite body and the strata of Lower Carboniferous（C1y1）,with specific geothermal geological background.The effective allocation in time-space of geothermal system consisting of heat source,reservoir and cap rock is a necessary condition for geothermal occurrence. The main geothermal reservoir of the geothermal field is the Lower Carboniferous dolomitic limestone or dolomite,including both of stratified reservoir and zoned reservoir.The Wantian geothermal field is a kind of economical low temperature geothermal resources with medical hot mineral water quality,suitable for mining and with developing prospects.

geothermal;spatial localization;occurrence;Wantian geothermal field;Hunan Province

1671-1947（2015）06-0587-06

P314.3

A

2014－11－13；

2015-06-05.编辑：张哲．

彭文彪（1965—），男，高级工程师，现主要从事水工环地质勘查工作，通信地址湖南省长沙市韶山北路256号，E-mail//pjgpwb2280@163.com