英山县温泉镇芭茅街地热田地温场特征及其影响因素分析

何 春, 周玉玲, 刘学玺

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

英山县温泉镇芭茅街地热田地温场特征及其影响因素分析

何 春, 周玉玲, 刘学玺

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

在浅层测温和深层钻孔测温资料的基础上,系统分析英山县温泉镇芭茅街地热田地温场分布特征及影响地温场的多种因素。该地热田地温场与深部地温场联系密切,形态分布与断裂走向基本一致,主要受构造运动控制,地下水、岩土体岩性及结构是其地温场分布的重要影响因素。

地温场;分布特征;影响因素;英山

英山县位于湖北省东北部,大别山南麓,区域内构造复杂,地热资源丰富,开发历史悠久,是“中国地热综合利用开发示范县”之一。芭茅街地热田是英山县地热资源规划开发利用远景区,对英山县地热资源可持续开发利用有较高的实用价值和现实意义,地热田地温场对于了解地热资源的形成、开发利用起着重要作用,研究其分布特征,对探索地热资源分布规律、潜力评价及其开发利用都具有重要的理论意义。在全面收集和整理英山县温泉镇芭茅街地热田地温场数据的基础上,系统研究地质构造、地层岩性、地下水、地形地貌以及多种对地温场产生影响的因素,为合理评价地热田地温资源提供科学依据。

1 芭茅街地热田地质概况

英山县位于秦岭褶皱系大别山隆起东段大别造山带核部,处于淮阳山字型构造脊柱南部,受淮阳山字型构造影响较大,燕山期受新华夏系构造影响,岩浆活动频繁,变质作用多期。县域内以低山丘陵为主,中低山次之。地形呈现北、北东部高,南、南西低的特点,山脉、水系的展布多呈北东向或近南北向。芭茅街地热田位于英山县城区东约15 km处的东河河床及其两岸地带,包括丝茅岭、芭茅街等地,呈北东东向展布,高程125.0～135.0 m,地表为第四系残坡积层和全新统冲积的砂和砂砾石,下伏基岩为雷家店花岗片麻岩(PtLgni)(图1)。地热田内泉群出露,测量泉水最高温度39.5 ℃,钻探揭露地热流体温度30.5～49.0 ℃。

2 浅层地温场特征

地热资源所要利用的主要是蕴藏于地热流体中的热量,因此地温场特征是地热田研究的主要问题,地温场研究首先要获得可靠准确的地温资料,英山县地热田地热流体埋深浅,温度较高,沿断裂构造复合部位温泉出露较多,浅层热异常反映明显,因此通过研究浅层地温场可以较好的反映导热、导水构造与地热流体分布特征。本次先后在芭茅街地热田开展了两次浅层测温(1 m测温),另外收集了前人于2004年在该区开展的浅层测温资料。

2004年浅层测温等值线总体呈N30～36°E展布(图2),与庙山咀断层(F95)延伸方向基本一致,局部等值线出现向近南北方向偏转的现象,特别是测温显示的两个相对高温中心(43.6 ℃、43.5 ℃)呈近南北向展布,显示了近南北向断层的存在;本次第一次测温成果(图3)也证实了这一点,等温线总体呈N30°E展布,但在中部出现明显的向近南北方向的偏转,两个相对高温中心(43.3 ℃、31.2 ℃)呈近南北向展布;第二次测温区域主要位于东河左岸河堤内侧(图4),堤内地温异常不明显,温度多在13～15 ℃之间,但在局部可见北西向展布的串珠状异常;河堤附近及堤外地温异常明显,受测温范围限制,在等值线图上呈现为西侧未封闭的高温异常区,异常总体走向呈N30°E,异常区最高温度为33.2 ℃,紧邻高温异常区西侧出现一个低温异常区,最低温度14 ℃,这从侧面反映了地热田内地热流体主要受断层控制,呈脉状分布。

图1 英山县温泉镇芭茅街地热田地质剖面图Fig.1 Geologic section of Bamao street geothermal field in hot spring town,Yingshan County

图2 芭茅街地热田收集资料1 m地温等值线图Fig.2 Contour map of soil temperature at depth 1 m of Bamao street geothermal field

3 深层地温场特征

3.1 钻孔测温特征

图3 芭茅街地热田第一次测温1 m地温等值线图Fig.3 Contour map of the first phase of soil temperature at depth 1 m of Bamao street geothermal field

钻孔测温是获取地热田地温资料的主要手段,由于钻进过程中(包括停钻后短时间内)受钻探循环液等的影响,稳态温度(即钻孔温度与围岩温度平衡时的温度)需停钻后相当长一段时间(几个月甚至几年)后才能获取。受限于项目工作时间,本次主要采用跟钻测温与停钻后一定时间内的系统测温(非稳态温度)作为分析地温场的依据,它们能在客观程度上反映地温场的总体特征。时间间隔越长,所测量的温度受钻进的影响越小,越接近于稳态温度,系统测温较跟钻测温更能反映地温场的真实情况,因此在具体分析过程中,优先采用系统测温资料。

图4 芭茅街地热田第二次测温1 m地温等值线图Fig.4 Contour map of the second phase of soil temperature at depth 1 m of Bamao street geothermal field

图5 芭茅街地热田YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2钻孔温深曲线图Fig.5 Temperature-depth curve for borehole of YR2004-1、YR2005-1 and YR2005-2 of Bamao street geothermal field

芭茅街地热田共有5个钻孔,其中收集4个钻孔(YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2、YR2005-3),对YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2进行了跟钻测温工作(图5),对YR2005-3进行了系统测温工作(图6),本次施工1个钻孔(YR2009-2),进行了跟钻测温与系统测温工作(图7)。

图6 芭茅街地热田YR2005-3孔钻孔温深曲线图Fig.6 Temperature-depth curve for borehole of YR2005-3 of Bamao street geothermal field

图7 芭茅街地热田YR2009-2孔钻孔温深曲线图Fig.7 Temperature-depth curve for borehole of YR2009-2 of Bamao street geothermal field

YR2004-1、YR2005-1、YR2005-2孔受钻进过程影响,测温数据波动较大。由温深曲线可以看出,总体上钻孔温度随深度逐渐增加,但在110～130 m井段,温度显著降低,推测该处存在冷热水混合的现象。

YR2005-3孔跟钻测温显示总体上钻孔温度随深度增加逐渐升高,但在185 m以下温度略有降低;系统测温显示25 m以上地热增温较快,为变温带;25 m以下,断层破碎带、裂隙发育带地热增温较快;在完整基岩段,受地热流体垂向运动的影响,地热增温不明显,局部(115～145 m段)出现温度降低的现象。

YR2009-2孔跟钻测温显示总体上钻孔温度随深度增加逐渐升高;100 m系统测温显示25 m以上曲线出现反转,表明该段为变温带,温度受大气温度影响强烈,25 m以下钻孔温度随深度线性增大;终孔系统测温为钻孔出现自流时进行的测温,受地热流体垂直运动影响显著,钻孔温度主要受下部地热流体温度控制,温度变幅仅1.7 ℃,但在25～40 m、120～160 m井段出现温度降低现象(跟钻测温在该段同样出现明显的温度降低),表明该段可能出现冷热水混合或高、低温热水混合现象。

3.2 地温剖面特征

芭茅街地热田北东向地温剖面显示(图1),温泉出露处地温最高,等值线表现为向上凸起,40 ℃等值线接近地表,等值线凸起部位对应于地热流体的上升通道,为北东向与近南北向断层的交汇部位。

3.3 深层地温等值线

深层平面地温场主要通过钻孔测温数据反映,它对研究地热田导水导热构造,确定地热田范围等具有重要作用。芭茅街地热田东部、西北部缺少钻孔控制,0 m、-50 m高程地温等值线曲线形态不完整,地温等值线总体呈N30°E展布,与两个相对高温中心延伸方向一致。西侧高温中心与芭泉1、芭泉2出露位置一致,地温等值线出现局部呈近南北向展布的特征;东侧高温中心与芭泉3出露位置一致,地温等值线由N30°E向E偏转,0 m高程比-50 m高程地温等值线偏转的角度更大(图8)。

由此可见,芭茅街地热田深部地温场主要受N30°E构造控制,浅部地温场则受近南北向、N60°E向构造影响。

3.4 地热增温率特征

地热增温率反映地热田地温随深度的变化率,根据地热田内各钻孔地热增温率特征,可以分析地热田不同部位地热增温率的分布情况。芭茅街地热田钻孔均分布于对流区内,钻孔地热增温率主要反映对流区内的地热增温率特征,主要表现为地热田中心低、外围高,地热田中心的YR2009-2、YR2005-3、YR2004-1孔地热增温率一般不超过5 ℃/100 m,而外围的YR2005-1、YR2005-2孔地热增温率>8 ℃/100 m;地热增温率随导热构造呈相间分布,即导热构造内地热增温率低,其外围则较低,距F85断层较近的YR2009-2孔地热增温率为4.63 ℃/100 m,距F85断层较远的YR2005-3孔则为2.21 ℃/100 m。

4 地温场影响因素分析

地温是地球深部热传导、热对流和太阳辐射共同作用的结果,地温场是不均一的,许多因素都直接或间接地影响地温场的分布。芭茅街地热田地温数值变化较大,地温场整体呈北东向展布。综合分析认为主要受区域地质构造、水文地质条件、岩土体岩性及结构等因素影响。

4.1 区域地质构造

影响地温场的因素很多,其中起主导作用和全局性影响的是构造的性质,一般认为区域性构造条件控制不同地质单元的地温分布,新构造运动决定现代地温场和地壳的热状态。基底形态是地温重新分布的重要影响因素,基底起伏与地温的横向变化呈正相关关系,表现为凹陷带低地温,凸起带高地温;断裂使基岩强烈破碎或抬升,裂隙的形成为深部热源提供了良好的通道,从而使断裂附近地温较高。芭茅街地热田深部地温场主要受N30°E构造控制,浅部地温场则受近南北向、N60°E向构造影响,展布方向与构造断裂方向基本一致,具有明显相关性。地热田受淮阳山字型和新华夏构造影响,北东向深大断裂发育,具备深循环条件,断裂带附近岩层节理裂隙发育,具有较好的渗透性,地下水在渗流过程中将分散在较大范围地壳中的热量集中到渗透性较好的断裂破碎带中,从而形成热储。在储热、导热破碎带内,地下水在补给径流过程中,依靠水的对流不断吸取岩层中的热量,使得地下水不断增温形成地热流体,热水沿断裂破碎带上涌至排泄区,在地热田外围远离断层破碎带地段以热传导为主,主要依岩石的导热性能传递热能。

4.2 水文地质条件

地下水具有独特的物理性质和热物理性质,既能搬运能量又能储存一定能量,构造运动形成导水节理、裂隙,地下水以对流导热方式与周围岩石进行热交换,对传导传热地温场形成局部或区域的影响,其影响程度与地貌特征、构造发育程度、含水层分布及其水动力特征密切相关,当基底中具有良好的水对流通道和比较一致的地下水化学成分时,地下水把热量带到地表或更远的排泄区。芭茅街地热田为正常的地热增温率增温,热水温度主要取决于地下水的循环深度及径流排泄条件,热水的赋存及分布严格受断裂构造控制。地热田地热流体来源于大气降水,补给区位于英山县北部、东部的中低山区。大气降水在补给区向地热田不断运移的过程中,随着深度的增大,吸收岩体中的热量形成地热流体。地热流体在地质条件有利的部位,即沿着断裂交汇带上涌至地表,形成高温中心及断裂对流型中低温地热系统。

4.3 岩性

岩石地层是地壳中地温能储存、传递、散失的物质基础,热导率是岩石地层热物理性质的重要参数之一,不仅决定地温场的展布形态,而且也是地温能资源量计算和开发利用计算的关键因素。一般来说,岩石的热导率随地质年龄的增加而加大,较老的致密岩石热导率高,热阻率小;上覆较新的沉积岩,特别是新生界的半固结或松散的沉积物热导率低,热阻率大。芭茅街地热田的基本地质结构比较单一,从上至下可分为三个主要层次,即第四系沉积物、基岩风化壳和新鲜基岩。其中,新鲜基岩受构造影响,发育断层破碎带、裂隙带等储水构造。钻孔测温资料表明,较均一岩层钻孔的深度—温度曲线为一条较平滑的直线,热物理性质差异较大的岩层钻孔的深度—温度曲线则成直线,不同岩性段的分界面处钻孔的深度—温度曲线常有转折,地热增温率有明显变化。

5 结论

(1) 芭茅街地热田地温场分布受淮阳山字型构造和新华夏系构造控制,深部地温场主要受N30°E构造控制,浅部地温场则受近南北向、N60°E向构造影响,展布方向与构造断裂方向基本一致,地温场分布与构造相吻合,表明构造是控制地温分布的主要因素。

(2) 芭茅街地热田为正常的地热增温率增温,热水温度主要取决于地下水的循环深度及径流排泄条件,地热田地热流体来源于大气降水,补给区位于英山县北部、东部的中低山区,热水的赋存及分布严格受断裂构造控制。

(3) 芭茅街地热田地温场的温深曲线受岩石地层影响明显,岩土体岩性、物质成分、结构及其所处地质构造位置对岩石地层热物理性质有较大影响。

[1] G·邦特巴斯.地热学导论[M].易志新,熊亮萍,译.北京:地震出版社,1988.

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[4] 何春,周玉玲,刘学玺.湖北省英山县温泉镇地热资源勘查报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2012.

[5] 何春,刘学玺,叶腾升.英山县温泉镇芭茅街地热田地热地质条件及开发利用保护建议[J].资源环境与工程,2015,29(6):839-843.

(责任编辑：陈姣霞)

Characteristics and Influencing Factors of the Bamao Street Geothermal Fieldin Hot Spring Town,Yingshan County

HE Chun, ZHOU Yuling, LIU Xuexi

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

Based on the data of shallow layer thermometry and deep borehole temperature,the authors systematically analyze the distribution characteristics of the Bamao Street geothermal field in hot spring town,Yingshan County and several influencing factors.There is a close relationship between the geothermal field and the deep geothermal field in this area.The distribution of the geothermal field is basically consistent with the strike of major active faults,mainly controlled by new tectonic movement.In addition,groundwater, lithology and structure of rock and soil mass are also important influencing factors.

geothermal field; distribution characteristics; influencing factors; Yingshan

2016-08-29;改回日期:2016-10-09

何春(1986-),男,助理工程师,水文与水资源专业,从事水工环地质工作。E-mail:372205665@qq.com

P314

A

1671-1211(2016)06-0899-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.018

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.020.html 数字出版日期:2016-10-26 09:07