宜昌市城区一带地下热水资源成因类型及成矿模式浅析

李小勇， 叶义成， 聂邦亮， 袁金榜， 邓海涛， 何小东

(1.湖北省地质局 第七地质大队，湖北 宜昌 443100; 2.湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 宜昌 443002)

1 地热地质环境

1.1 地形地貌、气象与水文

宜昌市地处鄂西山区与江汉平原过渡地带。地形西、南、北三面环山，中部丘陵起伏，东部与江汉平原接壤，总体地势自北西向南东倾斜。

宜昌市属亚热带季风性温湿气候。具有四季分明、水热同季、寒旱同季的气候特征。多年平均降水量1 215.6 mm，多年平均气温16.9 ℃。区内水系均属长江流域。长江自秭归县破水峡入境，经宜昌市城区至枝江县鸭子口出境，市域内流长237 km，发育的支流水系主要包括有沮漳河、黄柏河、香溪河和清江等；境内水资源总量约131亿m3，过境客水流量约4 572亿m3。

1.2 地质构造

宜昌市在大地构造上，位处扬子准地台的上扬子台坪鄂中褶断区西部的黄陵断穹东翼与江汉断陷盆地过渡带。区内地层总体倾向南东，倾角8°～15°。区域构造线主要为NNE、NNW—NW和NWW—近东西方向(见图1)。市域内地壳相对稳定。

1.3 地层及水文地质特征

黄陵断穹东翼，由断穹核部往东自新元古界至新生界各个地质时代的地层均有分布。其中除古生界的志留系、泥盆系，中生界的侏罗系、白垩系及新生界古近系主要为碎屑岩外(砂、页岩构成为主)，其余多由碳酸盐岩类地层组成。

宜昌市城区一带，自西向东、由老至新依次分布为白垩系下统石门组(K1)、五龙组(K1w)和上统罗镜滩组(K2l)、红花套(K2h)与跑马岗组(K2p)。白垩系总厚度>3 000 m，以泥质粉砂岩、泥岩、含砾粉砂岩为主夹砂砾岩的紫红色碎屑岩建造，整体上属弱含水—隔水或相对隔水层，局部弱含孔隙—裂隙水。受侵蚀、剥蚀程度的不同和原始地形的差异，白垩系不整合接触于前白垩系各地层之上。城区范围内，主要出露白垩系下统五龙组与石门组，下卧地层为志留系。

图1 宜昌市区域构造略图(1∶100万)
Fig.1 Regional structure sketch of Yichang City
1.张性断裂；2.张扭性断裂；3.扭性断裂；4.挽近期活动性断裂；5.性质不明断裂；6.推测断裂与隐伏断裂；7.侏罗纪盆地；8.中新生代与新生代盆地或槽地；9.第四系松散堆积物；10.第三系—白垩系碎屑岩；11.侏罗系碎屑岩；12.三叠系—震旦系碳酸盐岩夹碎屑岩；13.前震旦系变质岩；14.前震旦系岩浆岩。

城区西侧—黄陵断穹核部，绝大部分为奥陶系、寒武系和震旦系碳酸盐岩裸露区，其产状平缓(倾角一般在10°左右)，岩石裂隙与岩溶均较发育，是区内主要含水岩层(系)，含溶隙、溶洞水，并形成了以赋存岩溶水为主的缓倾单斜储水构造(见表1)。该水文地质单元区内，地下水在接受大气降水和地表水的补给后，总体受地层倾向控制自西而东朝区域最低侵蚀基准面(长江)方向运移、排泄，并具有补给较排泄条件有利和径流缓慢的特点(宜昌市城区处于径流区内)。

表1 宜昌市城区一带地层简表Table 1 Geological map of Yichang city

1.4 地下热水资源类型及特征

宜昌市城区内无天然热泉出露和地热异常。市域及周边，目前已知出露或揭露的地下热水点水温为29～52 ℃，均属于低温型的温水(25 ℃≤t<40 ℃)和温热水(40 ℃≤t<60 ℃)地热资源(见表2)。热储类型主要有两种：

(1) 层状热储(Ⅱ-1类型)。赋存地下热水的地层(热储层)主要为寒武系及奥陶系的云岩与灰质云岩，次为三叠系灰岩与云质灰岩。热储层上覆的保温盖层(热储盖层)主要是志留系砂页岩及白垩系泥质粉砂岩、泥岩，或为热储层上部的泥质灰岩、泥质云岩或炭质灰岩。

(2) 层状热储兼带状热储(Ⅱ- 3类型)。带状热储与区域性深大断裂存在密切相关：在宜昌市域内，有可能成生带状热储的断裂构造主要为北东走向的新华断裂及北北西走向的远安断裂、通城河断裂以及仙女山断裂(带)。

2 地下热水成因类型及成矿模式

2.1 地下热水形成条件

地下热水的成生必须具备“盖”、“储”、“通”、“源”、“滞”五个基本条件[1-2]，即：

表2 宜昌市域及周边主要地下热水资源简表Table 2 Brief table of main geothermal water resourcesin Yichang city and its surrounding areas

(1) 盖(热储盖层)，要有分布范围较广和厚度较大的保温盖层，如透水性差并具隔水(或相对隔水)隔热的泥岩、页岩及粉砂岩等。

(2) 储(热储层)，是盖层以下要有厚度大或较大，且具有一定容水空间的层状或带状地层，如可溶性的碳酸盐岩、裂隙或孔隙发育地层及充(导)水断裂带等。

(3) 通，是要有畅通的地下水补给与径流条件，以及导水(热)的构造、节理裂隙、溶隙等通道。

(4) 源，即要有丰富的热源、水源和矿物质来源。

(5) 滞，必须具备深层承压水的滞留环境条件(如长距离的水平径流滞缓带、向斜蓄水或阻水构造)，为地热流体在深循环过程中充分吸收围岩和地球深部等热能创造条件。

2.2 地下热水成因类型及成矿模式

2.2.1地下热水成因类型

根据均处于地下水深埋径流区，目前通过施工深井所揭露的宜昌市城区伍家岗区上上城住宅小区(钻井深3 005 m)及城区北西部夷陵区百里荒(2 388 m)地下热水资源资料初步显示，两者的成因类型均属于隐伏沉积盆地、多层热储叠加的大地热流传导供热的地热资源。热源主要来自地壳深部的热传导。成生的基本模式可概括为：层状热储—侧向径流补给—大地热流传导供热(图2和表3)[3]。

表3 地下热水资源探采结合钻井成果一览表Table 3 List of combined drilling results of exploration and production of underground hot water resources

2.2.2地下热水成矿模式

宜昌市城区地层自上而下依次分布为白垩系下统五龙组与石门组、志留系、奥陶系、寒武系和震旦系。白垩系红色河湖相沉积物厚度1 000～>1 500 m(厚度不全，总体具有自西向东厚度逐渐增大的趋势)，其下卧的志留系地层厚度约300 m(厚度亦不全)。白垩系以泥质粉砂岩和泥岩构成为主，志留系主要由页(泥)岩、砂质页岩夹粉细砂岩构成，两者总体上皆属弱透水的隔水—相对隔水层，是构成城区一带地下热水资源的良好热储盖层。

如前所述，奥陶系和寒武系的碳酸盐岩是宜昌市域及周边一带的主要热储层，次为三叠系碳酸盐岩。宜昌市城区西部为奥陶系和寒武系地层大片分布区，两者总厚度>1 200 m，出露总面积约5 130 km2，其岩溶和裂隙均较发育，在露头区充分接受大气降水及地表水(长江支流——黄柏河)的补给后受地层倾向控制(倾角8°～15°)自西向东径流，并在运移过程中受地球深部热源的增温作用而使岩溶地下水的温度增高。至城区内，奥陶系和寒武系地层埋深已达地下千余米。因位于奥陶系和寒武系热储层上部的白垩系及志留系热储盖层普遍分布且厚度大，以致在城区及周边一带均未发现有天然热泉出露和地热异常现象，必须通过施工深孔，穿过保温的热储盖层到达热储层一定深度后，才有可能揭露地下热水(地下热水资源成生的推测模式见图3)。

宜昌市域及周边地热增温梯度多在1.2～1.5 ℃/100 m(自然增温梯度，未考虑导热构造因素影响。倘若钻井遇到导热构造，则温度会有明显的增高)；恒温带深度因地形切割深度不同而异：在平原区多为20～30 m，在山区多>100 m。区内降雨充沛(多年平均降水量1 215.6 mm)，为奥陶系和寒武系热储层在城区西侧的露头区(即补给区)提供了丰富的地下水补给来源。据上上城和百里荒两个探采结合钻井单井出水量和水温类比，按当地年平均气温16.9 ℃、恒温带深度50 m、地热增温梯度1.3 ℃/100 m估算：钻井在2 000～3 000 m深度部分揭露(或揭穿)热储层时，单井出水量可达数百～>1 000 m3/d，井口处出水温度在28.9～40.5 ℃之间(井底水温较井口水温高13.4～14.8 ℃)，总体上属于温水型(25 ℃≤t<40 ℃)和温热水型(40 ℃≤t<60 ℃)的低温地下热水资源类型。

大力开发利用可再生绿色能源、发展低碳经济，可持续发展和建设资源节约环境友好型社会是必然趋势。根据上述的地下热水资源成因类型及成矿模式分析，宜昌市域内地下热水资源丰富，补给来源充沛，成矿条件有利，开发利用潜力巨大。以政府为主导，政策为导向，社会各方共同努力，遵循科学发展原则，紧密联系时下国内外发展状况，结合地方自身发展需求，差异性、针对性地统筹规划与实施地下热水资源的勘查、开发与利用，不仅有助于打造地方经济发展的新引擎，带动旅游与农业等领域发展，更好地服务地方经济，并可辐射周边清洁能源矿产的飞速成长。未来宜昌市地热能资源的发展前景可期。

3 结语

通过对宜昌地区多年水文地质工作的总结，结合现有地热地质勘查成果，本文初步分析并预测建立了隐伏沉积盆地型地下热水资源的成因类型与成矿模式，由于影响地下热水的成生、赋存与运移因素繁多且成矿条件苛刻，而在本次预测模型中只考虑了具主要制约意义的因素，尚存在一些不足之处有待今后在实践中逐步修正完善。