湖北省神农架林区高家屋场地热田成因初探及地热流体温度衰减原因简析

雷深涵, 叶义成, 陈 雪

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020)

湖北省神农架林区高家屋场地热田成因初探及地热流体温度衰减原因简析

雷深涵, 叶义成, 陈 雪

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020)

高家屋场地热田热储层主要为神农架群石槽河组白云岩,热储盖层为元古代辉绿岩,但是该盖层并未完全覆盖热储层。初步分析,地下水沿岩层层面向深部汇集,为元古代侵入岩所阻,推测由于侵入岩具有较高温度,将地下水加热升温,形成地热。初步得出高家屋场地热田地热流体温度衰减的原因为高家屋场一带森林被大量砍伐,导致地表水大量入渗,混合于地热流体中,致其温度降低。

地热;温度衰减;黄宝坪断裂;热储

2010年9月,湖北省国土资源厅、湖北省财政厅下达了2010年度湖北省地质勘查基金项目计划任务,神农架林区高家屋场地热田项目被纳入其中,任务书编号为2010—Ⅰ—20。项目承担单位通过对该地热田进行钻探、物探,结合野外地热地质测量,基本查明了该地热田的热储层、盖层,建立了热储模型[1],在此基础上,对地热的形成进行了初步的探讨和研究。由于地热流体温度未达到预期,本文根据所取得的成果资料对其温度的衰减进行分析。

1 地质环境条件

1.1 地理概况

高家屋场地热田位于神农架林区红坪镇温水村,东距宜昌市230 km,南距长江三峡黄金水道114 km,北距十堰、武当山分别为220 km和270 km。地热田北部毗邻神农架机场,仅相隔4 km,北东距红坪镇12 km,南西至木鱼镇38 km、距神农顶风景区24 km,南距神农架滑雪场9 km。209国道从地热田西侧呈南北向纵贯而过,交通极便利。

1.2 地形地貌

地热田位于山字型构造西翼反射弧的紧密褶皱带,属构造侵蚀溶蚀中山区。区内海拔高1 500～2 579 m,相对高差100～1 000 m。其北西约4 km的大草坪山顶高程2 642 m,南东约10 km的老君山顶高程2 893.7 m，地势总体上呈南高北低。由于河流强烈下切,温水河流径区两岸大部分形成陡峭的峡谷地貌。温泉主要沿温水河东侧一北西西向槽谷展布,谷宽100～300 m,长约500 m。

1.3 地层岩性

地热田及其周边出露地层为中元古代神农架群、南华系南沱组、震旦系陡山沱组、上震旦—下寒武统灯影组。地层岩性特征如下：

1.3.1 中元古代神农架群石槽河组(Pt2s)

上部为灰、紫红色厚层泥质白云岩、白云岩夹砂岩、板岩,含铜;中部为肉红色中厚—巨厚层白云岩及浅灰色中厚层硅质条带灰岩;下部为紫红色中厚层泥质白云岩,浅灰、灰色碎屑白云岩、鲕状白云岩。沿黄宝坪断裂分布于高家屋场及黄宝坪—板仓一带。该层厚1 613 m。

1.3.2 南华系(Nh)

南华系(Nh)南沱组(Nh3n)冰碛岩段:为灰绿、深灰色厚—巨厚层冰碛砾岩、冰碛泥岩。预查区主要分布于黄宝坪断裂北侧黄宝坪—板仓一带。该层厚0～369.5 m。

1.3.3 震旦系(Z)

震旦系下统陡山沱组(Z1d):为灰黑、黑色炭质页岩、硅质板岩、泥质白云岩,夹磷块岩。预查区主要分布于黄宝坪断裂西部黄宝坪—板仓一带。该层厚57.8～261 m。

1.3.4 上震旦—下寒武统

图1 区域构造纲要图Fig.1 The outline map of regional tectonic 1.压性断裂;2.压扭性断裂;3.张性断裂;4.压性断裂及分支断裂;5.背斜及向斜;6.断层及编号;7.山字型构造体系;8.新华夏构造体系;9.北西向构造带;10.大巴山弧形构造延伸部分;11.古老构造及体系不明构造。

为黄褐、浅灰色粘土、粉质粘土夹块石、砂卵石,厚2～45 m,主要分布于沟谷及高家屋场槽谷区。

1.4 侵入岩

预查区广泛出露元古代侵入岩(βμ)，岩性为绿泥石化细碧岩、辉绿岩，呈脉状产出，沿黄宝坪断裂零星分布于高家屋场、黄宝坪及板仓一带。

1.5 地质构造

高家屋场地处古老构造及其它体系不明的构造部位,以黄宝坪断裂为主干构造。该断裂产状70°～80°∠72°～80°,断裂两侧白云岩强烈扭曲破碎,具擦光面及擦痕。断裂东部高家屋场垭口处见有约30 m宽的挤压破碎带。断裂两侧侵入岩脉(辉绿岩)被错开500 m,说明该断层属右行压扭性断层。断层东端有温泉出露。

据1998年物探资料,黄宝坪断裂在高家屋场一带断裂特征明显,破碎带宽5～10 m,断面上呈上缓下陡之波状,倾角72°～80°,断层北盘(上盘)覆盖有2～40 m松散堆积层。

F2断层呈近SN向发育,断层在滑雪场公路入口处见有约25 m宽的挤压破碎带,沿展布方向延伸,与黄宝坪断裂相交于高家屋场,推断为黄宝坪断裂的次生断裂,该断层与黄宝坪断裂相交处正好为地热异常带。

2 地热地质条件及成因分析

2.1 热储特征及其埋藏条件

神农架红坪—酒壶林场一带地形上具南高北低特点,出露地层大部分为碳酸盐岩类,岩溶较发育,区内丰富的大气降水经岩溶管道、裂隙大量入渗地下,补给地下水。由于岩层产状260°∠55°,地下水主要沿岩层层面发育的岩溶通道、裂隙向北北西方向的深部径流。1∶20万区域水文地质资料表明,测区内碳酸盐岩类枯季平均地下水径流模数>6 L/s·km2,多年枯水季节平均地下水径流模数为20 L/s·km2。

预查区内第四系松散堆积层及碳酸盐岩类为透水、含水层,由于松散堆积层呈零星分布,无实际供水意义,而碳酸盐岩类分布面积广、岩溶较发育,为区内有供水意义的含水层。调查表明,区内白云岩区地下水主要呈管道形式集中径流、排泄。黄宝坪断裂属区内导水通道,而侵入岩脉—辉绿岩则为主要阻水、隔水层。大气降水是预查区内的地下水补给源,地下水大致呈北北西方向径流,一般呈泉的形式于沟谷地带集中排泄。

预查区地下水由南及南偏东部大气降水补给,沿地层倾向顺层面径流至深部,由于预查区内侵入岩脉为区内阻水、隔水带,地下径流至此必然受阻加热升温。温水河一带出露温泉点平均温度18 ℃,而一般的泉点水温为7～11 ℃,说明经过热源点的地下水水温升温至少在7～11 ℃以上。

地下水径流至预查区内,由于侵入岩脉的阻隔及北北西向黄宝坪断裂带的拦截,使地下水沿破碎的断裂带向上径流,于高家屋场一带溢出地表。据调查统计,沿破碎带共有9处泉水出露,其中3处为17～21 ℃低温温泉。泉点分布见图2。

2.2 热储层

从已有资料分析,在276.10～281.72 m段为碎屑白云岩,呈灰白色、青灰色,碎屑结构,碎屑成分以白云岩碎块、岩屑为主,胶结物为白云石,按碎屑岩判断,为角砾状碎屑白云岩,角砾直径一般0.5～2 cm,最大达14 cm,多呈棱角状、次棱角状;主要发育一组裂隙,倾角75°～90°,岩芯易沿裂隙断开成两半,隙面粗糙,有黄色粘性土附着;溶孔较发育,多呈长条形、棱形,一般长0.5～10 cm,宽0.1～6 cm,并有大量方解石晶体富集。岩芯多呈10～49 cm柱状,其余呈3～9 cm块状。该段在钻进过程中有H2S气体。由此可以说明,高家屋场地热田热储层主要由神农架群石槽河组白云岩组成。

图3 地热模式示意图Fig.3 Schematic diagram of geothermal model1.温泉出露点及编号;2.岩层产状;3.白云岩;4.辉绿岩;5.粉质粘土夹碎块石土;6.断层破碎带;7.冰碛砾岩;8.地下热水、冷水;9.验证孔。

图2 泉点分布图Fig.2 Distribution diagram of spring1.断层及编号；2.温泉及编号；3.泉点及编号；4.补充构造点及编号；5.岩溶点及编号。

2.3 热储盖层

地热田相对隔水层主要为元古代辉绿岩,初步分析高家屋场地热田热储盖层为元古代辉绿岩,但是该盖层并未完全覆盖热储层,部分盖层为神农架群石槽河组白云岩,由于该白云岩透水性较强,浅层地下水顺该地层入渗,将地下热水温度降低,这也是导致地表出露泉点温度较低的原因之一。

2.4 导热导水构造

高家屋场地热的形成与黄宝坪断裂构造关系密切。高家屋场地热田位于黄宝坪断裂带处,破碎带宽5～30 m,长约12 km,其中断裂西侧(温水河以西)段长1 600 m,破碎带角砾岩、碎裂岩发育。岩石的破碎利于溶蚀作用的进行。

黄宝坪断裂带附近出露地层主要为神农架群石槽河组，另出露元古代侵入岩，因地层缺失严重,使白云岩和侵入岩直接接触。黄宝坪断裂水平错距达500余米,其深度较大,深部热源能沿该深大断裂向上运移。地热上升通道是黄宝坪断层破碎带中的岩溶管道系统和构造裂隙。

2.5 热源

高家屋场一带温泉均出露于神农架群石槽河组与元古代侵入岩接触带附近,沿断裂溢出。初步分析,地下水沿岩层层面向深部汇集,遇元古代侵入岩所阻,推测由于侵入具有较高温度,将地下水加热,形成地热。黄宝坪断裂将侵入岩错断,地下水沿断裂破碎带上升,以温泉形式出现[2]。

3 水温、流量及水质动态特征

3.1 水温、流量动态

泉点温度及流量变化见表1。

从表1可以看出,J1在1998年的温度是19 ℃,2010—2011年其在15.6～19.2 ℃之间变化，根据监测资料，2011年4月11日降雨后，水温为15.6 ℃；J2在1998年的温度为18～19.3 ℃,2010—2011年温度为19.0～19.2 ℃;J3在1998年和2010年的监测中温度变化基本一致;1998年未对J4进行监测，2010年其温度在11.1～13.8 ℃之间变化；J5在2010—2011年取得的数据跟1998年相比,降幅为3.2～0.69 ℃。在2010—2011年中，5个观测点的最低水温均出现在降雨之后。由此说明,降雨入渗对出露泉点的温度有一定影响。各观测点流量、水温、流量变化曲线见图4-图8。

表1 泉点温度及流量观测成果表Table 1 Results table of spring temperature and flow observation

注：W3(C2),W3为本次预查泉点编号,(C2)为1998年泉点编号。

图4 J1 气温、水温、流量曲线图Fig.4 Curve of J1 air temperature,water temperature and flow

图5 J2 气温、水温、流量曲线图Fig.5 Curve of J2 air temperature,water temperature and flow

图6 J3 气温、水温、流量曲线图Fig.6 Curve of J3 air temperature,water temperatureand flow

图7 J4气温、水温、流量曲线图Fig.7 Curve of J4 air temperature,water temperature and flow

从流量比较来看，除J5与1998年流量相差不大外，其余观测点由于无1998年流量数据，无法进行比较。

图8 J5 气温、水温、流量曲线图Fig.8 Curve of J5 air temperature,water temperature and flow

3.2 水质动态

J2地热流体1998年及2010年两次水质动态变化资料见表2。

表2 J2地热流体水质动态变化表Table 2 Dynamic change of J2 geothermal fluid of water quality

据调查分析,引起地热流体水质变化的主要原因是地热流体与地表冷水混合。

4 地热流体温度衰减原因分析

高家屋场地热田地表浅层地温场显示特征主要为温泉形式出露,其他地段没有异常反映。

高家屋场地热田以温泉形式出露,主要泉点3处(J2、J3、J5),呈近东西向排列,最远两泉相距约1 000 m。W3泉水温度19～19.2 ℃,流量约1 460 m3/d。据高家屋场5处监测点一年监测结果,降雨入渗对出露泉点的温度有一定影响。

据现场访问及收集前人资料初步分析,高家屋场温泉泉水温度总体上呈下降趋势。据当地老年村民介绍,50年前,将生鸡蛋放入温泉W3中,几天后取出可熟;1983年湖北省水文地质大队进行1∶20万神农架幅区域水文地质调查时W3温泉实测温度为19 ℃(6月16日测),W4温泉实测温度为26 ℃(6月18日测);本次野外工作期间W3、W4泉水温度分别为19.0～19.2 ℃、13.2～16.81 ℃。

据《神农架志》[3](1996年)记载,1958年大办钢铁厂时,房县、兴山县曾抽调大批强壮劳力到神农架砍树烧炭炼铁,加上公共食堂大量增加,砍伐了大量树木;1960—1979年间,在神农架的开发建设中,采用大面积皆伐和落后的集材方式,森林资源破坏严重,加之农村存在的毁林开荒、乱砍滥伐现象,森林覆盖率急剧下降。

据此分析,由于高家屋场一带森林被大量砍伐,导致地表水大量入渗,混合于地热流体中,致其温度降低。

5 认识与结论

神农架林区高家屋场一带水温在7～11 ℃之间,高家屋场地热田地下热水(水温13.3～19.3 ℃)主要赋存于黄宝坪断裂破碎带附近,热储层主要为神农架群石槽河组、震旦—寒武灯影组的泥质白云岩、白云岩、白云质灰岩、鲕状白云岩。

地热田南及南偏东部,岩溶较发育,大气降水通过岩溶管道(或裂隙)源源不断地补给岩溶裂隙水,受地形的影响,地下水向黄宝坪断裂高家屋场一带富集,因此该地热田有足够的地下水源。

通过勘查工作验证,初步得出高家屋场地热田地热流体温度衰减的原因为高家屋场一带森林被大量砍伐,导致地表水大量入渗,混合于地热流体中,致其温度降低。

[1] 地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队.水文地质手册[M].北京：地质出版社，1978.

[2] 雷深涵,郭峰.神农架林区高家屋场地热田地热资源预查报告[R].武汉：湖北省地质环境总站,2012.

[3] 湖北省神农架林区地方志编纂委员会.神农架志[M].武汉：湖北科学技术出版社,1996.

[4] GB/T 11615—2010地热资源地质勘查规范[S].北京：中国标准出版社,2011.

(责任编辑：陈姣霞)

LEI Shenhan， YEI Yicheng， CHEN Xue
(HubeiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Jingzhou,Hubei434020)

Preliminary Study of Cause of Gaojiawuchang Geothermal Field in Shennongjia Forest Region and Brief Analysis of Cause of Temperature Attenuation of Geothermal Fluid

Gaojiawuchang Geothermal Heat Reservoir is mainly the subgroup of Shicaohe dolomite in Shennongjia area,the geothermal reservoir caprock is diabase which dates back to Proterozoic era but not completely covered by the thermal reservoir storage.Through the preliminary analysis the authors found that the groundwater collect along the stratum layers,towards for a deep direction and resisted by proterozoic intrusive rocks.The intrusive rocks are magmatite with high temperature.It can get a preliminary conclusion that the reasons of the temperature attenuation of this area (Gaojiawuchang geothermal heat reservoir) are as follows:A lot of forests around are cut down,causing a lot of surface water infiltrate,mix in the geothermal fluid,lead to the decay of its temperature.

Geothermal;temperature attenuation; Huangbaoping fracture; geothermal reservoir

2014-08-15；改回日期：2014-09-29

本项目为2010年度湖北省地质勘查基金项目，编号2010-Ⅰ-20。

雷深涵(1983-),男,工程师,土木工程专业,从事水工环地质及地质灾害防治工作。E-mail：723263035@qq.com

P314.1

A

1671-1211(2015)02-0181-05

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150204.1045.006.html 数字出版日期:2015-02-04 10:45