湖北省黄陵断穹南东缘地下热水赋存条件与特征及其成矿模式研究

邓海涛， 牟宗玉， 袁金榜， 周 舟， 张权绪， 林肖荣

(湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100)

黄陵断穹南东缘，位处长江上游与中游结合部，在“长江经济带”发展中占据重要地位。按照“共抓大保护，不搞大开发”的要求，必须走生态优先、绿色发展的道路，而地下热水资源作为“热、矿、水”三位一体的资源，既属清洁环保能源，也是良好的保健旅游资源，故而加快对其开发利用的探索乃是必然。

近两年，随着湖北省地质局第七地质大队(以下简称“七队”)在黄陵断穹南东缘宜昌市上上城小区和城区北东面百里荒旅游区勘查与施工地下热水资源探采结合井的成功，进一步激发了本区开发利用地下热水资源的热潮。也为该区地下热水资源赋存与成矿规律的研究提供了丰富的资料支撑。未来区内地下热水资源的开发利用，必将进一步带动区内康养业和旅游业发展。

本文涉及范围为：北以雾渡河断裂为界，南至天阳坪断裂，西达寒武系碳酸盐岩分布区，东至百里荒南西面普溪坪—官庄—伍家岗一线，面积约1 000 km2，并以黄柏河以东长江以北和地热开发可能成井深度3 000 m以内(地热资源开采为最经济的—经济的)范围为重点。文中所述的“北部”指夷陵区官庄—雾渡河断裂之间长约15 km范围；“中部”为长江—官庄一带长约16 km范围。“南部”为长江以南—天阳坪断裂一带长约18 km范围，该地段目前无有效的钻探资料，故文中暂未予以叙述。

1 区域地质背景

1.1 区域构造特征

黄陵断穹南东缘在区域地质构造上，位处扬子准地台上扬子台坪鄂西褶隆区与江汉断陷盆地过渡带。断穹轴向为北东16°，南北长约73 km，东西宽约36 km。两翼不对称：东翼平缓，倾角在15°以内；西翼较陡，倾角30°～40°。核部出露地层为下元古界混合岩化崆岭群变质杂岩和扬子期的中、酸性岩体。区内断裂构造线主要呈北北东、北北西、北西和北东向。沉积盖层区褶皱不甚发育(图1)。

1.2 区域地层特征

黄陵断穹南东缘分布地层自老至新依次为以碎屑岩为主的上元古界莲沱组与南沱组和以碳酸盐岩为主的震旦系陡山沱组及灯影组、古生界寒武系以碎屑岩为主的水井沱组与石牌组及以碳酸盐岩为主的天河板组—娄山关组和亦以碳酸盐岩为主的奥陶系南津关组—宝塔组，以及以碎屑岩为主的志留系龙马溪组—纱帽组。在江汉断陷盆地区则普遍为晚中生界的白垩系褐红色河湖相沉积的含泥质碎屑岩。后者与前中生界地层均为不整合关系接触。在断穹东翼分布的上元古界、古生界以碳酸盐岩为主的各地层大都裸露于地表，并以倾角5°～15°往东和南东方向缓倾的单斜构造产出，于黄柏河以东则为白垩系(南东侧)或志留系(北东侧)地层覆盖，其埋深多在300～>1 000 m，并越往东和南东，埋深越大(图2)。

图2 研究区地质图Fig.2 Geological map of the study area1.第四系；2.侏罗系；3.石炭系；4.奥陶系；5.陡山沱组；6.岩浆岩脉；7.百里荒地热勘查钻井；8.古近系；9.三叠系；10.泥盆系；11.寒武系；12.南华系；13.实测正断层；14.上上城地热田位置及范围；15.白垩系；16.二叠系；17.志留系；18.灯影组；19.前震旦系；20.实测逆断层。

图1 区域构造图Fig.1 Regional structure map1.第四系；2.第三系；3.白垩系；4.侏罗系；5.上古生界(包括早中三叠纪)；6.下古生界(包括震旦系)；7.前震旦系；8.花岗岩类(晋宁期)；9.实测及推测多次活动性断裂；10.实测及推测断裂；11.张扭性断裂；12.扭性断裂；13.压性断裂；14.背斜构造；15.向斜构造；16.中生代盆地①.新华断裂；②.仙女山断裂；③.远安东部断裂；④.远安西部断裂；⑤.樟村坪断裂；⑥.雾渡河断裂；⑦.天阳坪断裂。

2 地下热水形成的地质环境条件

地下热水资源属可再生的液体矿产，其形成与特定的地层及地质构造紧密相关。首先作为储存地下热水的热储，要有足够的厚度、分布范围及足够的容水空间(裂隙、溶隙、溶洞或孔隙)；二是热储中地下水要有丰富的补给来源，包括大气降水、地表水或相邻含水层的越流补给；三是热储上覆要有隔水或相对隔水，且分布广的不透水或弱透水层，即盖层，从而使赋存于热储中的热能不致在地质历史中散失，热量得以保存；四是热源补给充足且稳定，包括来自深部断裂带的对流供热、地温梯度热传导以及太阳能供热等。

黄陵断穹南东翼广泛分布以碳酸盐岩为主的寒武系、奥陶系地层，总厚度1 100～1 400 m，于黄柏河以东出露面积>700 km2，且溶隙、溶洞皆较发育，其中寒武系娄山关组、覃家庙组、石龙洞组最为发育，奥陶系各层则次之。奥陶系、寒武系地层中含溶隙、溶洞无压水(浅部)和承压水(深部)，构成区内分布广、厚度大的热储层[1]。由于该热储广泛出露于地表，有利于大气降水和地表水体(主要是黄柏河水系)入渗补给。热储上覆的具弱透水—相对隔水的志留系砂页岩和白垩系泥质粉砂岩、泥岩夹泥质砂砾岩为主的地层组合，构成本区一带良好的热储盖层。

以上条件，均有利于地下热水的形成与存储。至于本区地下热水的热源，根据目前在本区中部(泛指官庄以南—长江一带)和北部(泛指官庄以北—雾渡河断裂之间范围)施工的探采结合井和物探资料成果判断，区内地下热水的热源有二：一是地球深部的热传导供热；二是地下水沿挽近期活动性断裂带(张扭性断裂带)进行深循环热对流供热。区内中部，主要为前者，其地热增温梯度多在1.6～1.8 ℃/100 m；区内北部上述一、二种热源均有之，这点与北西走向的挽近期活动断裂—雾渡河断裂的存在有关，其地温梯度可达2.21 ℃/100 m。

黄陵断穹南东缘，地下热水形成的热储与盖层条件、补给来源及热源诸方面都较完备。区内不同地段，由于热储中溶隙、溶洞发育的不均一性，导致热储的富水性存在差异。

3 地下热水赋存特征

本区地下热水均深埋于地表以下数百米—千余米，上覆具隔水性能的志留系、白垩系泥质碎屑岩盖层厚度大、分布面积广且较完整，致使在全区内地表均无热异常显示。

区内热储层主要由薄—厚层状细晶白云岩、云质灰岩夹泥质白云岩与灰岩构成。由于其中溶隙、溶洞在水平和垂直方向上的发育具有不均一性，因而其富水性亦具有不均一性的特点。在垂向上表现为寒武系碳酸盐岩岩溶和裂隙及富水性比上覆的奥陶系强；在水平方向则显示为北部比中部强的特点。与北部存在挽近期活动性断裂(雾渡河断裂)及其上升盘张裂隙发育以及存在隐伏的次级断裂有关；区内已施工钻井抽水试验的单位涌水量0.011～0.178 9 L/s·m(0.95～15.46 m3/d)，其变化系数达16.26。

由于热储中岩溶和裂隙发育具不均一性，故热储在垂向分布上呈现出多层结构产出的特点。根据在勘查区北部和中部先后施工的三个探采结合井岩屑编录及电测井资料综合判断，热储中岩溶和裂隙较发育，赋存地下热水的部位约占热储总厚度15%～20%。各分层热储间被完整性较好、隔水(或相对隔水)的含泥质或硅质的云岩(或泥质灰岩)分隔，因而区内地下热水大都为承压溶隙水类型，其压力水头高度多为725～1 250 m，静水位埋深在30～78 m。地下热水运移受区域排水基准面标高、江汉断陷盆地形态与产出状态及热储产状控制，总体为往东和南东方向运移。

4 地下热水的水化学特征

4.1 水化学类型的分布与特征

鉴于本区热储均深埋于地下，地下热水总体往南东和东方向缓慢运移，从而为地下热水与介质造就了充分的水化学作用环境与时间。根据在区内北部和中部不同探采结合井采取的水化学样分析结果(承担水化学分析单位为“中国地质科学院水文地质环境地质研究所中心化验室”，以下简称“水环所化验室”)，北部的水化学类型为SO4、HCO3-Ca、Mg微咸的温热水，中部为SO4、Cl-Ca、Mg、Na微咸温热水，其咸度有自北向南增加趋势[2]。热水中锶(Sr)和硫化氢(H2S)的含量亦是如此；区内北部Sr和H2S含量分别为4.532 mg/L和0.567 mg/L，中部则分别为11.92 mg/L和10.72 mg/L；另外，热水中溶解性总固体的含量中部和北部也存在较明显差异：中部为2 126～2 716 mg/L，北部为1 042～1 123 mg/L，两者相差一倍以上。北部和中部地下热水水化学分析结果的典型库尔洛夫式分别为：

从上述热水中主要阴阳离子和溶解性总固体含量的变化反映出：北部的地下热水属矿化作用第二阶段的水，而中部矿化作用则已由第二阶段后期步入第三阶段，这点与前述区内地下水主要运移方向也是相吻合的。

本区无论是北部还是中部的地下热水，氟、锶、偏硅酸和水温等，均达到中国现行理疗热矿水浓度标准。区内中部地段水中锶和硫化氢的含量甚至达到锶水和硫化氢水的命名标准。

4.2 同位素和放射性元素的含量与特征

对放射性同位素、稳定同位素及放射性元素进行检测是地下热水资源评价工作中重要且不可缺少的一环。根据七队以往对区内三个探采结合井采取专门水分析样送“水环所化验室”的检测结果，水中氘、氚、铀、Rn、226Ra放射性、总α与总β放射性含量及放射性强度均较低。各项目的检测结果见表1。

表1 黄陵断穹南东缘主要同位素及放射性元素检测结果表Table 1 Table of results of detection of major isotopes and radioactiveelements in the southern margin of Huangling fault

上表反映本区地下热水中具放射性的氚的含量仅1.5±0.9 T.U，显示区内地下热水为20世纪50年代初期在大气中进行核爆试验前的大气降水和地表水。由此也说明目前由探采结合井中抽出的地下热水其形成年龄距今不少于67年。另外，稳定同位素氘和18O的检测值分别较国际公认的维也纳标准值低6.7%～6.8%和0.99%～1%，表明矿区内地下热水属于对人体健康有益的低氘水(即“生命之水”)；同时，18O主要来源于大气，也说明区内地下热水的补给来源主要为大气降水。虽然区内地下热水中总α和总β的检测结果超过目前中国《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《饮用天然矿泉水》(GB 8537—2008)标准的限量值，不宜直接饮用，但是作为理疗热矿水是适宜的，水中Sr、F、H2S、H2SiO3和水温均达到中国现行理疗热矿水的命名或有医疗价值的浓度标准，属得天独厚的优良天然热矿水资源地。

5 热储温度及地下热水循环深度

5.1 热储温度估算

根据本区北部、中部地下热水水化学全分析检测结果计算的热储温度见表2。其中按无蒸汽损失的二氧化硅地热温标计算[3]，北部为76.2 ℃，中部为77.2 ℃，均代表SiO2在随地下热水上升过程中其溶解度达到平衡状态时，与上部较冷的地下水混合发生稀释、沉淀的温度。钾钠和钠钾地热温标在相同地段，计算结果较接近：北部为366.4～367.4 ℃，平均为366.9 ℃；中部为241.8～255.3 ℃，平均248.6 ℃，该结果指示地下热水在深部与围岩进行水化学作用达到平衡状态的温度。

表2 黄陵断穹南东缘中部及北部热储温度计算结果表Table 2 Calculation results of heat storage temperature in the central and northern parts of the southern margin of Huangling fault

5.2 地下热水增温梯度与循环深度

5.2.1北部地热增温梯度及地下热水循环深度

本区北部、百里荒景区南西侧的探采结合井，终井后进行综合电测井结果，二开止水套管以下620～2 320 m，井温为45.33～66.44 ℃。钻井施工过程中，在井深820 m时进行了地温测量，结果显示当地恒温带深度为65 m。按2 320 m的井内地温为66.45 ℃和当地年平均气温为16.7 ℃计算，该区地热增温梯度为2.21 ℃/100 m(图3)。按上述无蒸汽损失的石英温标计算地下热水的SiO2温标为76.2 ℃，依此推算该区地下热水在上升过程中SiO2溶解度达到平衡状态时的循环深度H则为：H=[(76.2-16.7)/2.21]×100=2 692.3 m。这一循环深度已大大超过奥陶系、寒武系两热储地层的底板埋深，反映与区内存在挽近期活动性的雾渡河断层及其次级断层，从而导致岩溶地下水沿断层破碎带进行深循环有关。

5.2.2中部地热增温梯度及地下热水循环深度

本区中部，即宜昌市上上城小区施工的探采结合井于井深2 650.1 m测定的井温为64.4 ℃，恒温带深度为30 m，当地年平均气温为16.8 ℃。依此计算，地热增温率为1.82 ℃/100 m(图4)。据上述表2的结果，按石英温标计算的热储温度为77.2 ℃。依此推算该区地下热水在自下而上运移过程中，SiO2的溶解度达平衡状态时的循环深度H为：H=[(77.2-16.8)/1.82]×100=3 318.7 m。与前述相同，此深度亦远超过热储层的底板埋深，推测与钻井附近存在隐伏断裂的因素密不可分。

图3 区内北部井温与井深关系曲线图Fig.3 Relationship between well temperatureand well depth in the northern part of the region

6 地热成因类型及地下热水成矿模式探讨

如前所述，黄陵断穹南东缘地下热水资源的热储类型有两种：一是带状热储(形成带状热储的断裂构造为导水的张扭性断裂)；二是层状热储，而且大都为两种类型共存，但主次存在一定差异。北部由于有挽近期具活动性的雾渡河断裂存在，热储类型属以带状热储为主[4]，层状热储次之；中部断裂构造为隐伏存在，其热储类型以层状热储为主，带状热储次之。

图4 区内中部井温与井深关系曲线图Fig.4 Curve of relationship between welltemperature and well depth in central area

根据本区地质环境条件及热储赋存特征判断，区内地热田的成矿模式主要为：以带状热储为主的北部，地下水通过其断层破碎带及西侧补给区接受大气降水和地表水入渗补给，并沿破碎带渗入地下进行深循环，在深部接受地热加温后沿破碎带对流运移，其水量较丰富，单位可采水量一般>10.0 m3/d·m，且地热增温梯度亦较大(一般>2 ℃/100 m)；层状热储的地下热水主要是在其露头区接受大气降水和地表水补给后进行侧向渗流，热源主要来自地球深部的热传导。其水量大小取决于热储层厚度、热储层中容水空间的大小与发育程度，单位可采水量多<5 m3/d·m，地热增温梯度亦<2 ℃/100 m。区内两种地下热水资源热储类型的成矿模式示意图参见图5及图6。

图5 带状热储为主、层状热储为辅类型地下热水成矿模式示意图Fig.5 Schematic diagram of metallogenic model of geothermal waterwith zonal heat storage as the main type and layeredheat storage as the auxiliary type1.志留系；2.奥陶系+寒武系；3.牛蹄塘组+石牌组。

图6 层状热储类型地下热水成矿模式示意图Fig.6 Schematic diagram of geothermal fluid metallogenicmodel of layered heat storage type1.白垩系；2.志留系；3.奥陶系+寒武系；4.牛蹄塘组+石牌组。

7 结语

本文根据近年来该队在宜昌市上上城小区和分乡镇百里荒施工的探采结合井的实际资料成果，结合对黄陵断穹南东缘区域地质环境条件和物探资料予以综合分析而得。黄陵断穹南东缘一带具备良好的地下热水资源成矿条件，存在至少两种热储类型，即北部以带状热储为主，层状热储为辅；中部以层状热储为主，带状热储次之。区内南部，由于目前开发程度低，地热资源成功开发的案例少，故暂不进行分析，有待后期继续探索完善。总体来看，黄陵断穹南东缘一带，地下热水资源具备广阔的开发利用前景。