咸宁市北部空间地热资源预测研究

赵子良，肖友发，李 强，占 佳，汪 玮

(湖北省地质局 第四地质大队,湖北 咸宁 437100)

咸宁市素有“香城泉都”的美誉,地热资源十分丰富,目前地热产业已成为咸宁经济发展第三产业的龙头支撑点。随着《咸宁市北部新区生态基础设施规划暨重点区域概念性总体规划》的颁布与实施,北部空间将成为咸宁今后发展的重点,其中发展的主线即“大旅游、大健康、大文化”。因此,咸宁市北部空间兴起了地热康养的热潮。但目前在咸宁发现的地热资源,均属于构造对流型[1],且位于城区,无法满足驻地康养企业的用热要求。为配合咸宁市大健康示范区的打造,湖北省地质局第四地质大队对咸宁北部空间做了大量的地质工作,认为咸宁北部空间具备“源、通、储、盖”等地热资源发育的地质条件。

1 地热地质背景

咸宁市大地构造处于扬子准地台东端的下扬子台坪的大冶台褶带的梁子湖凹陷和咸宁台褶束以及幕阜台坳的通山台褶束等三个四级构造单元内,区内断裂褶皱发育。

研究区东起贺胜桥镇经横沟桥镇西—向阳湖镇,囊括了绿地梓山湖项目、长岛未来城项目等咸宁市近期重点项目。北西为嘉鱼—药姑山次级隆起带、东为鄂城—九宫山次隆起带,横跨梁子湖系—崇阳次级凹陷带[2](见图1)。

图1 区域构造纲要图Fig.1 Outline map of regional structure⑦.坑口背斜；⑧.黄石洞向斜；⑨.大幕背斜；⑩.徐立中向斜；.高桥向斜；.孙鉴铺背斜；.贾家山向斜；.狮子岩背斜；.随阳山背斜；.桐梓山—五洪山背斜；.蒲圻倒转向斜；.行将山背斜；.斗门桥—望江楼背斜；.洪山—大庄王向斜；.宝塔山—米铺背斜；.蜜泉湖向斜；.高铁背斜；.赤壁向斜；.猫儿洞背斜；F2.高桥—鸡笼山断裂；F3.徐家山断裂；F8.金水闸断裂；F9.马鞍山—金山店断裂；F10.嘉鱼沿江断裂；F13.咸宁—蒲圻断裂；F38.嘉鱼—新店断裂；F28.塘口断裂；F29、F31.梁子湖断裂带；F32、F34.黄沙断裂带；F36.武昌—羊楼洞断裂；F37.官桥—赵李桥断裂；F39.陆黄断裂；F42.黄青断裂；F43.陆水河断裂；F45.西凉湖—通山断裂；F50.嘉鱼—黄盖湖断裂。

研究区出露奥陶系—第四系,基岩出露较差,总体来说南部露头好于北部,北部地层多被新生界地层掩盖,据勘察及区域地质资料可知,研究区除个别地层缺失外,发育了一套较为完整的陆、海相沉积地层。奥陶系主要为灰岩；志留系主要为泥页岩、粉砂岩；石炭系主要为灰岩、白云岩；二叠系主要为薄层硅质岩、灰岩、云质灰岩；三叠系主要为灰岩、灰质白云岩；侏罗系主要为砂岩、页岩；白垩系、古近系主要为砂—砾岩、灰质砾岩、粉砂岩,第四系以残积及冲洪积为主。另据城区地热田钻孔显示,奥陶系下部为寒武系的灰岩、灰质白云岩、白云岩为主。

区内构造特征表现为发育紧密近东西向线性褶皱,并发育NNE、近EW及NW向三组断裂,其中新华夏晚期NNE向断裂附近多出露地热温泉。同时,受麻团断裂的控制,发育梁子湖—崇阳次级凹陷带。

2 地热地质特征

2.1 已有地热田地热地质特征

研究区内地热温泉较发育,其主要位于咸宁市潜山一带,为典型的构造对流型地热田,“源、通、储、盖”四个基础地热地质条件十分明显(见图2)。

图2 潜山地热田形成模式图Fig.2 Formation model of geothermal field in Qianshan1.亚粘土；2.页岩；3.粉砂质页岩；4.泥质灰岩；5.含角砾灰岩；6.灰岩；7.粉砂岩；8.断裂；9.温泉。

2.1.1源

源,即地热田的热源和水源。其水源主要来自大磨山裸露的同层位碳酸盐岩接受大气降水补给；热源来自于断裂沟通了深部的地热能。地下水在接受补给后,在重力的作用下,于碳酸盐岩径流系统中向北西进行深循环,在运移过程中吸收了大地热流所释放的热能而逐渐增温,当径流至潜山附近时,部分地热流体沿断裂破碎带往上涌,在低洼处以温泉的形式出露。

2.1.2通

据勘查资料可知,潜山地热田内构造十分发育,岩石十分破碎,且岩溶现象密集发育,断裂带的裂隙及岩溶的孔洞,为地下热水的运移提供了充足的通道。

2.1.3储

潜山地热田的热储层主要为寒武系—奥陶系的碳酸盐岩,该层在研究区南部咸宁市幕阜山及大磨山广泛分布,为较稳定的碳酸盐岩岩溶裂隙含水层,为潜山地热田的热储层。

2.1.4盖

盖层是覆于热储层之上或周边的不透水或若透水岩层,起隔水保温的作用。

在潜山背斜东侧至大磨山背斜北西翼之间的地层为志留系地层,岩性为泥质粉砂岩、页岩、粉细砂岩等岩石组成,总厚度约1 762～2 856 m,成“U”型箱状覆盖在寒武系—奥陶系的碳酸盐岩之上,由于岩石中泥质成分含量高,阻止了热量的散失,对下伏热流场的热源起到了保温作用,为区域热储盖层。

2.2 地温场特征

2.2.1大地流体值特征

省内大地热流分布不均,基本呈现“南高北低,东高西低”特征,其中异常高值点主要在深大断裂带分布。江汉盆地热流值41.9～69 mW/m2,平均值为53.2 mW/m2,南襄盆地平均值为45 mW/m2,鄂东南地区热流值42～69 mW/m2,平均值为54 mW/m2,鄂西地区热流平均值根据前人分析为49 mW/m2。

2.2.2地温梯度特征

根据地温场资料数据,湖北省内地温梯度为1.8～5.4 ℃/100 m,平均为2.8 ℃/100 m,略低于全国地温梯度平均值(3 ℃/100 m)。

本次收集了咸宁市崇阳、嘉鱼及通山三个地方500 m以上水文井的测温资料(见表1),根据测温资料可知,咸宁市的恒温带温度在15.6～18.3 ℃,恒温带为35～100 m之间,平均地温梯度为2.07 ℃/100 m[3]。

表1 钻孔测温统计表Table 1 Statistical table of borehole temperature measurement

3 地热赋存模式

根据地热地质条件及地层组合关系,将咸宁市北部空间分为“三型五区”(见图3、图4),即：构造对流型勘探区、混合型勘探区、盆丘结合带隐伏型勘探区、盆地中部隐伏型勘探区及盆地边缘隐伏勘探区。各区带具有不同的地热赋存模式。

图3 咸宁市北部空间地热分区图Fig.3 Spatial geothermal zoning map of northern Xianning City1.构造对流型勘探区；2.混合型勘探区；3.盆丘结合带隐伏型勘探区；4.盆地中部隐伏型勘探区；5.盆地边缘隐伏型勘探区。

图4 咸宁市北部空间部分地区地热赋存模式图Fig.4 Geothermal occurrence pattern of some areas in the northern space of Xianning City1.第四系；2.白垩系—第三系；3.石炭系—二叠系；4.志留系；5.震旦系—青白口系；6.泥质粉砂岩；7.断层；8.角度不整合接触；9.平行不整合接触；10.盆丘结合带隐伏型勘探区；11.盆地中部隐伏型勘探区；12.盆地边缘隐伏型勘探区。

3.1 构造对流型勘探区

该区主要受断裂控制,勘探深度<1 000 m,地表多有热泉、沸波涌现,位于咸宁市潜山一带,即已有的地热田范围,第二节已详细介绍其“源、通、储、盖”,本节不再赘述。

3.2 混合型勘探区

混合型指其热源来自两方面,一个是来自构造导热,另外一个来自地温梯度增温,其主要位于温泉办事处—地质队集贸市场—十六潭公园一带,为潜山地热田控热构造的一个延伸段,其地热赋存模型式见图5。

图5 混合型地热赋存模式图Fig.5 Pattern of mixed geothermal occurrence1.第三系；2.新滩组；3.寒武系—奥陶系；4.砾岩；5.灰岩；6.泥质粉砂岩；7.破碎带；8.断裂；9.拟布设钻孔；10.温泉。

其热储层与潜山地热田的热储层一致为寒武系—奥陶系的碳酸盐岩,埋深约1 000 m,热储层上部覆盖志留系的泥质粉砂岩、泥岩,为保温层,潜山及大磨山背斜核部大面积裸露的同层位碳酸盐岩为补给区,接受补给后,地下水向北东、北西低洼处径流,径流过程中接受围岩及导热构造的热源补给,形成地热流体,碳酸盐岩的岩溶及构造引起的破碎带为地热流体的富集、运移及储存提供了良好的通道及空间,地热赋存模式为近源—中埋深型。根据潜山地热田的温度和水量可推测,该区极可能发现水温约50 ℃,单井涌水量达800 m3/d的地热流体。

3.3 盆丘结合带隐伏型勘探区

该区主要指梁子湖凹陷周边的中低丘陵地带,主要分为两块：一块为贺胜桥—长岛·未来城区域,以凹陷北部边缘为界；一块以凹陷南部边缘为界,涵盖永安办事处—广东畈—凤凰山区域。其地热赋存模式为远程—深埋隐伏型(见图4中4-1)。

地表出露地层为石炭系—二叠系的灰岩、志留系的泥岩、粉砂岩,地层厚度1 800～3 700 m之间(局部见逆冲推覆构造,致使地层叠加),为热储盖层。热储层为寒武系—奥陶系的碳酸盐岩,整体形态呈现揉皱状,据咸宁市全域地热调查评价氡气测量结果可知,该两区域次级构造较为发育,地层的揉皱及次级构造的叠加,使得刚性岩石破碎、节理裂隙较发育,为地下水的运移和富集,提供了良好的通道。

地下水的补给来源为南部幕阜山地区大面积裸露的碳酸盐岩接受大气降水补给而来,接受补给后,同层为径流,补给路径达数十千米,属远程补给。地下水在运移过程中,不断吸收周边岩石的热能及放射热源,使得地下水升温,变成地热流体。根据咸宁市地热场情况可推测,该区若在合适地区施工钻孔揭露寒武系—奥陶系碳酸盐岩,则可发现出水水温45 ℃,单井涌水量达400 m3/d的地热流体。

3.4 盆地中部隐伏型勘探区

该区主要位于梁子湖凹陷中部,在咸宁北部空间主要涵盖向阳湖、大洲湖湿地公园、恒大养生谷及横沟桥部分地区。其地热模式属于越流—深埋隐伏型(见图4中4-2)。

地热流体主要赋存于梁子湖凹陷深部的石炭系—二叠系的碳酸盐岩中,地层埋深1 800～2 200 m,且局部存在逆冲推覆构造,致使石炭系—二叠系碳酸盐岩视厚度超1 000 m,上覆白垩系公安寨组砾岩,属弱含水层,保温效果良好,其热源为地热增温。热储层多呈断陷阶梯状,部分不连续,间夹弱透水含水层,当含水层之间存在较大的水头差时,水头高的含水层中的水通过弱透水层向水头低的含水层中排泄的现象称为越流[4]。其补给来源主要为含水层中的越流补给,故称越流—深埋隐伏型。据长岛·未来城供水水井可知,浅部的石炭系—二叠系的碳酸盐岩单位涌水量为1.8 L/(m·s),属强富水含水层,且两处水头高差大于1 800 m,故水源补给有充足保障。预测该区若在合适地区施工钻孔,则可发现出水水温约50 ℃,单井涌水量达400 m3/d的地热流体。

3.5 盆地边缘隐伏型勘探区

该区主要指梁子湖凹陷NW及SE边缘,主要分为两块,一块为杨下村—东外环区域,以银泉大道为界；一块靠近斧头湖,主要为咸宁服务区—咸宁北高速出口以东区域。其地热赋存模式为远程—深埋隐伏型(见图4中4-3)。

地层层序自上而下依次为白垩系砾岩、二叠系—石炭系的灰岩、志留系的粉砂岩、页岩,据钻孔显示,此区域石炭系—二叠系碳酸盐岩埋深较浅,且厚度较薄,水温水量满足不了实际生产需求。故热储层位为寒武系—奥陶系的碳酸盐岩,补给来源为南部幕阜山地下水远程补给,热储层埋深为1 500～2 800 m,热源来自地下水远程径流过程中吸收地热能而来。地热流体的温度与径流循环的深度成正相关关系。预测该区若在合适地区施工钻孔,则可发现出水水温约46 ℃,单井涌水量达600 m3/d的地热流体。

4 结语

咸宁市北部空间中深层地热赋存模式的提出,为咸宁市北部空间地热勘查提供了更为明确的目标,并根据不同岩性组合和地质条件,概略出了勘查井大致施工深度,为下一步咸宁市高质量发展“大康养、大健康”的北部空间奠定了有利的地质基础。随着经济的投入、技术手段的更新、研究的深入,对北部空间的地热赋存模式的认识将会有进一步的加深。

根据多年工作经验、各区的地热赋存模式及地质条件,提出如下勘查建议：

(1) 优先勘查南部地质队集贸市场混合型地热勘探区、南部盆丘结合带隐伏型地热勘探区,再勘探中部盆地中部隐伏型勘探区,最后勘查北部的隐伏型勘探区。

(2) 区内地热勘探深度较大,红盆地层覆盖较厚,应着重对构造破碎带的研究,因大地构造致使北部空间多呈紧密线性构造,其地热流体主要受断裂构造控制呈带状分布,避免施工钻孔出现有热无水的情况。