江西省宁都县陂下地热地质特征及资源评价

刘伟 黄运翠瑶 范超

*收稿日期：20200417修订日期：20200825责任编辑：谭桂丽

基金项目：中国地质调查局“全国大地热流值测量与靶区优选（编号：DD20190128）”项目资助。

第一作者简介：刘伟，1988年生，男，工程师，主要从事地热水勘查工作。Email：356609331@qq.com。

摘要： 利用江西省宁都县陂下地区ZK1钻孔取得的相关数据，通过分析该区地温场、基底温度、循环深度、岩石生热率、大地热流、水化学等地热地质特征，对该区地热资源进行了初步评价，并计算了ZK1钻孔的可采资源量和地热产能。研究区地热水井口温度45 ℃，属于HCO3·SO4Na型地热水，可命名为氟水、硅水、温水、淡水;ZK1钻孔可开采资源量为759.89 m3/d，热功率为964.76 kW，年产能5.07×107 MJ。

关键词： 地热;宁都县;陂下;热储特征

中图分类号：P314.2

文献标识码：A

文章编号：20961871（2020）0437506

国外对地热资源的研究始于20世纪60年代，我国有一定规模的系统性地热研究起步于20世纪70年代初开展的地热资源普查和考察研究工作[1]。根据地质环境和热量传递方式，可将地热系统划分为对流型和传导型，进一步划分为火山型、非火山型、断裂深循环型、断陷盆地型和坳陷盆地型地热系统5个类型。地热能作为一种清洁、无污染的替代能源，对缓解当前社会能源供应压力、改善生态环境具有重要作用[1]。国内一些学者对江西省地下热水特征开展了广泛的讨论与研究[211]，认为赣州市温泉主要受NNE向、NE向和EW向多期活动断裂控制。陂下地热点是近几年新发现的地热点，地热勘查工作程度相对较低。在陂下地区施工钻孔1个，编号ZK1，孔深611 m，并进行了相应的测井、抽水试验、取样测试等工作。

本文以实測地质资料为基础，对陂下地区地温场、基底温度、循环深度、岩石生热率、大地热流、水化学等地热地质特征及资源进行初步评价，并计算了ZK1钻孔的资源量和地热产能，为该区今后地热勘查与开发利用提供基础资料。

1 地质背景

研究区位于南岭东段隆起带宁（都）于（都）坳陷，属华南地层区武功山—雩山地层小区及华南地层区南武夷地层小区。区内主要出露青白口纪神山组和岩浆岩（图1）。

神山组分布于研究区西部，岩性为灰色、浅灰色薄层状变质粉砂岩、变质千枚状粉砂岩、千枚岩，偶夹黑色含碳千枚岩，组成不等厚韵律互层，厚度>836.75 m。岩浆岩分布于研究区中部和东部，在西部神山组见岩体出露，岩性主要为粗粒黑云母钾长花岗岩、中细粒黑云母钾长花岗岩和中细粒黑云母花岗岩。

研究区主要发育NE向及NNE向断裂，其中NE向断裂规模较大，在区域上一般为控热、导热断裂。F1断裂走向NE，延伸>20 km，区域上控制了燕山期花岗岩的展布，破裂面呈强烈挤压状，破碎带宽几米至数十米，强烈硅化，剪节理极发育，带内常见挤压透镜体、构造角砾岩，构造角砾岩胶结物一般为硅质，胶结良好，常有石英脉贯入，沿脉有孔洞发育。

研究区位于武夷山山脉西侧、于山山脉东南侧，总体地势北高南低。最高点位于西北部凌云山，海拔1 454.9 m;最低处为南部陂下河出口，海拔约180 m。按山体标高、相对高差划分为中低山、高丘陵、河谷阶地等地貌。

2.1 钻孔揭露特征

F1断裂在钻孔井位处规模较大，具硅化，局部硅化强烈并发育孔洞，连通性较好，有利于形成断裂深循环型地热系统，是ZK1钻孔的选址依据。ZK1钻孔设计孔深600 m，施工深度611 m，主要目的是在深部揭露F1断裂特征，寻找地热水资源。该孔自浅至深依次揭露粗粒黑云母钾长花岗岩、中细粒黑云母钾长花岗岩，未见F1主断层（图2）。其中154.0～157.5 m、291.5～293.4 m、339.0～340.0 m、461.0～469.0 m、586.8～588.5 m孔段构造裂隙发育，推测为F1断裂的次级构造，是主要的出水位置。154.0～157.5 m岩性为粗粒黑云母钾长花岗岩，291.5～293.4 m、339.0～340.0 m、461.0～469.0 m岩性为中细粒黑云母钾长花岗岩，586.8～588.5 m为两期花岗岩接触位置，上部为中细粒黑云母钾长花岗岩，下部为粗粒黑云母钾长花岗岩。

2.2 垂向地温场

ZK1钻孔孔深611 m，最低温度为19.6 ℃，位于水面;最高温度为49.8 ℃，位于孔底;井温算术平均值为34.7 ℃，位于孔深190.4～192.5 m处。ZK1钻孔井温表现为渐增型（图3），随孔深增加，孔内温度逐渐升高，浅部增温快，深部增温慢，地温梯度为4.9 ℃/100 m。

2.3 热储基底温度及循环深度估算

热储基底温度采用二氧化硅地热温标计算公式

t=1 3095.19-lgC1-273.15 ，（1）

式中：t为热储温度， ℃;C1为热水中溶解H4SiO4形式的SiO2含量， mg/L。

地热循环深度采用计算公式

H1=t1-t2I+H2，（2）

式中：H1为地热水循环深度，m;t1为热储基底温度，℃;t2为常温带温度，℃;I为地温梯度，℃/100 m;H2为常温带深度，m。

采用二氧化硅温标法计算的热储基底温度为118 ℃，按照地热循环深度计算公式计算的热储循环深度为2 018 m。

2.4 岩石放射性生热率

ZK1钻孔采集放射性岩石样品8件，检测U、Th、K含量，并计算了岩石放射性生热率。放射性生热率最小为3.35 μW/m3，放射性生热率最大为7.73 μW/m3，平均值为5.32 μW/m3，生热率分布情况见图4。

垂向上，孔内放射性生热率具有“两降两升”的特征，87.90～161.00 m放射性生热率由3.87 μW/m3降至3.35 μW/m3（孔内最低值），161.0～372.0 m放射性生热率由3.35 μW/m3升至7.73 μW/m3（孔内最高值），372.0～453.2 m放射性生热率由7.73 μW/m3降至5.44 μW/m3，453.2～608.0 m放射性生热率由5.44 μW/m3升至5.94 μW/m3，生热率垂向分布特征如图5所示。

按照岩性划分，采集粗粒黑云母钾长花岗岩样品5件，中细粒黑云母钾长花岗岩样品3件。粗粒黑云母钾长花岗岩放射性生热率为3.35～5.94 μW/m3，平均值为4.636 μW/m3;中细粒黑云母钾长花岗岩放射性生热率为5.45～7.73 μW/m3，平均值为6.46 μW/m3。总体而言，中细粒黑云母钾长花岗岩放射性生热率更大（图6）。

2.5 大地热流特征

大地热流是地球内部热量在地表的直接标志，是其在地表唯一可直接测得的物理量，是地温场的重要参数。大地热流计算公式为

q=-KdTdZ，（3）

式中：负号表示热流传导方向;q为大地热流值，mW/m2;K为岩石热导率， W/（m·K）;dTdZ为地温梯度，℃/km。

采用厚度加权法计算ZK1钻孔大地热流值（表1）。ZK1钻孔大地热流值为65.62 mW/m2，全球大陆平均热流值为（65±1.6） mW/m2，中国大陆平均热流值为（61±15.5） mW/m2。

2.6 水化学特征

2.6.1 主要组分

陂下地区地下热水中的阳离子以Na+为主，含量81.27 mg/L，水中的Na+含量主要受与温度有关的矿物流体平衡体系控制。其次为Ca2+，含量11.08 mg/L，Ca2+主要受水岩相互作用中各矿物（萤石等）溶解度及富钙铝硅酸盐（钙长石等）控制。地下热水中K+和Mg2+含量相对较低，阴离子HCO-3、SO2-4占优势，含量分别为115 mg/L和81.69 mg/L，Cl-含量为0.05 mg/L。

2.6.2 次要组分

次要组分指在水中含量介于主要组分和微量组分之间的组分，主要包括Fe2+、Fe3+、CO2-3、NO-3、偏硼酸、亚硝酸盐和溴化物等。陂下地热水中总Fe含量为0.22 mg/L，CO2-3含量为7.56 mg/L，NO-3、NO-2含量分别为0.009 4 mg/L和0.004 mg/L，偏硼酸含量为0.004 mg/L，Br-含量为0.006 8 mg/L。

2.6.3 微量组分

微量组分指地下水中极少见且含量一般<0.1%的组分和化合物。不同微量组分有特殊功能和性质，如锶与人体骨骼密切相关，硒具有抗癌、增强人体免疫力等医疗价值。陂下地热水中的锂、锶、锌、硒、钡、锰及鋁等微量元素含量分别为0.22 mg/L、0.13 mg/L、1.15 μg/L、0.26 μg/L、1.31 μg/L、0.0082 mg/L及0.29 mg/L。

2.6.4 理疗热矿水评价

对照理疗热矿水水质标准，陂下地区地热水F-含量为6.8 mg/L，可命名为氟水。偏硅酸含量为69.26 mg/L，可命名为硅水。井口（抽出水）温度为45 ℃，可命名为温水。溶解性总固体含量为306 mg/L，可命名为淡水。

2.6.5 水化学类型

将地热水水样按主要组分K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO-3、CO-3、SO2-4、Cl-的毫克当量百分比投影到Piper三线图（图7）上，对其水化学类型进行分析，可知陂下地热水属于HCO3·SO4Na型地热水。

3 地热资源量

3.1 抽水试验

ZK1钻孔静止水位1.76 m，采用深井热水泵进行3个降深的抽水试验。最大降深44.61 m，抽水流量695.26 m3/d，抽水延续时间52 h，井口水温45 ℃;第二降深27.07 m，抽水流量496.53 m3/d，抽水延续时间28 h，井口水温45 ℃;第三降深16.39 m，抽水流量338.88 m3/d，抽水延续时间20 h，井口水温45 ℃。

3.2 单井资源量

根据ZK1钻孔抽水试验资料拟合QS曲线，拟合结果为ZK1钻孔QS曲线为幂函数型，表达式为lgQ=0.717 7 lgS+1.661 4。

采用QS曲线外推法计算，降深至50 m时ZK1钻孔地热水可开采量为759.89 m3/d，其中控制的可开采资源量为695.26 m3/d，推断的可开采资源量为64.63 m3/d，井口水温为45 ℃。

3.3 年产能

地热产能采用公式

Wt=4.186 8QT-T0，（4）

式中：Wt为热功率，kW;Q为地热流体可开采量，L/s;T为地热流体温度，℃;T0为当地多年平均温度，℃;4.186 8为单位换算系数。

地热流年产能利用热能量计算公式

∑Wt=86.4DWtK，（5）

式中：∑Wt为开采一年可利用的热能，MJ;D为全年开采天数，d;K为热效比，按燃煤锅炉热效率0.6计算;86.4为单位换算系数。

根据前述计算公式，计算ZK1钻孔热功率Wt为964.76 kW，年产能∑Wt为5.07×107 MJ。

4 地热成因探讨

4.1 热源

研究区地热来源分别是隐伏深部燕山期侵入的花岗岩体残余热，NE向、NNE向活动性断裂深循环热和花岗岩中U、Th、K等元素放射性衰变热。研究区周边地热点均分布于NE向、NNE向断裂带上，该方向断裂带形成时代晚，切割深度大，活动时间长，测温资料显示温度随深度增加而升高，推测活动性断裂深循环热是该区地热的主要热源。

4.2 导热通道

NE向断裂规模较大，对沟通深部热源具有重要作用。NE向断裂是一条活动性导热断裂，强烈的构造活动造成带内岩石破碎，裂隙网络发育，为地热水的对流、运移提供通道。ZK1钻孔地温梯度为4.9 ℃/100 m，大地热流值为65.62 mW/m2，地热异常明显，证明该区断裂对流导热的可能性较大。

4.3 热储层

根据ZK1钻孔资料，共揭露5层热储，均为构造裂隙型热储，岩性为粗粒黑云母钾长花岗岩和中细粒黑云母钾长花岗岩，第5层热储层分布于上述两期花岗岩接触带附近。综上所述，区内热储层主要位于花岗岩构造裂隙（主构造带及次级构造）和两期花岗岩接触破碎带中，热储分布受NE向断裂和岩浆活动共同影响。

4.4 盖层

根据ZK1钻孔资料，盖层岩性为粗粒黑云母钾长花岗岩，钻遇厚度284.11 m，该套花岗岩极完整，钻进过程中有多个回次取出完整岩心，裂隙不发育，是地热的良好盖层。区内地表大面积出露粗粒黑云母钾长花岗岩，热储保温条件好。

5 结 论

（1）NE向断裂是宁都县陂下地区控热、导热断裂，该断裂通过的区域是地热水有利富集区，可作为地热勘查远景区。该区地温梯度为4.9 ℃/100 m，具浅部增温快、深部增温慢的特点。该区热储基底温度为118 ℃，地热水循环深度为2 018 m，大地热流值为65.62 mW/m2。

（2）宁都县陂下地区地热水水质类型为HCO3·SO4Na型，可命名为氟水、硅水。

（3）宁都县陂下地区ZK1钻孔地热水可采资源量为759.89 m3/d，井口水温为45 ℃，热功率为964.76 kW，年产能5.07×107 MJ。

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Geological characteristics and resource evaluation of Pixia geotherm in Ningdu County， Jiangxi Province

LIU Wei， HUANG Yuncuiyao， FAN Chao

（Gannan Geological Survey Party， Bureau of Geology and Exploration and Development of Mineral Resources of Jiangxi Province， Ganzhou 341000， China）

Abstract：Based on the relevant data obtained from borehole ZK1 in Pixia area of Ningdu County， Jiangxi Province， the geothermal characteristics and resources are preliminarily evaluated and the recoverable resources and geothermal capacity of ZK1 borehole are calculated by analyzing the geothermal field， base temperature， circulation depth， heat generation rate of rocks， terrestrial heat flow and hydrochemistry. The wellhead temperature of geothermal water in the study area is 45 ℃， belonging to HCO3·SO4Na type， which can be named as fluorine water， silicon water， warm water and fresh water. The recoverable resource of borehole ZK1 is 759.89 m3/d， with the Wt thermal power of 964.76 kW and annual capacity of 5.07×107 MJ.

Key words：geotherm; Ningdu County; Pixia; geothermal reservoir characteristics