广西柳州市北部地区地热资源调查及远景分析

莫亚军，区小毅，朱国器，杨富强，卢胜辉，黎海龙

(1.广西壮族自治区地球物理勘察院，广西 柳州 545005；2.中国-东盟地学合作中心(南宁)，广西 南宁 530023)

0 引言

地热作为一种新型环保能源，在国内的勘探开发与利用需求正迅速上升，并取得了显著的成效[1]。柳州市地处广西中部，是广西最大的工业城市和交通枢纽，同时也在不断推动文旅产业的迅速发展，目前在柳州东部、西部和北部均已发现温泉，显示出柳州周边地区拥有很好的地热资源潜力，而本研究区正处于吴六灵等[2]圈出的广西4个地热资源远景区之一；当地凤凰河温泉的商业性应用开发，证明了地热资源在柳州有着广阔的应用前景。作为地质勘探主要手段之一的物探技术，根据测量参数的不同可以分为直接测量法和间接测量法：前者总体上包含热力学方法、电阻率法、自然电位法等方法；后者则主要包含磁法测量、重力测量、地震方法测量[3-4]。由于实际工作中某一种参数并不能很好地反应地质背景及地质体的空间状态，综合几个物性参数通常能获得更好的解译结果，而本次研究采用的重力测量与可控源音频大地电磁法测深的有效物探方法组合也取得了较为理想的效果[5-7]。

1 区域地质概况

1.1 区域地质概况

柳州市位处桂中—桂东台陷之桂中凹陷区，周边出露(隐伏)火成岩体，内部存在的断层构造往往与外围火成岩形成同心圆，深大断裂是该地区地幔热液上涌的有利通道。研究区位于凹陷区的断陷式盆地之中，晚古生代沉积盖层广泛发育，褶皱基底深埋地下，岩浆活动微弱；区内断裂褶皱构造发育，地质构造方向主要以EW向为主、NE向次之；地层主要以石炭系为主，次为第四系、二叠系和白垩系(图1)。

图1 研究区区域地质简图

1.1.1 地层岩性

研究区内出露地层主要以石炭系为主，次为二叠系、白垩系和第四系。石炭系(C)分布面积最广，岩性为灰岩、白云岩，底部为碎屑岩；厚度>1500 m，经前人钻孔揭露，下伏地层为泥盆系，厚度>2500 m。二叠系(P)的岩性为硅质岩夹页岩，底部为灰岩。白垩系(K)的岩性为砂岩、泥岩，主要分布在小型断陷盆地中，厚度>600 m。第四系(Q)主要有残积、冲积、洞穴堆积和坡积等，厚度为0～100 m。

1.1.2 构造

研究区属桂中凹陷之宜山—鹿寨断褶带，位于宜山—柳城断裂带和桂林—来宾断裂带交汇处，地质构造方向主要以EW向为主，区内主要的断裂和褶皱构造包括：①宜山—柳城断裂带：走向为EW向，由一系列逆掩断层或逆冲断层组成，宽5～20 km，断面倾向南或北，倾角20°～70°，与印支期弧形褶皱相伴生，断裂切割泥盆系—白垩系，往东与桂林—来宾断裂带交汇，该断裂带已查明它的形成始于华力西期，定型于印支运动，燕山运动以来有活动，属深大断裂。②桂林—来宾断裂带：自来宾经柳州延至全州，走向NE，长350 km，东北段主要倾向NW，倾角30°～60°，为逆断层，断距为1 km；西南段倾向SE，倾角约50°，为正断层或逆断层，断距较小；该断裂带形成于燕山期，后期有不同程度的活动。③凤山向斜：EW走向，长20 km，轴部地层为白垩系，倾角10°～30°，两翼倾角40°～80°。④沙塘向斜：轴向EW，轴部地层为石炭系，轴线被断裂所切割，错移明显，两翼倾角15°～30°。

1.2 水文地质概况

研究区属桂中平原，区内以谷地为主，次为低山丘陵地貌，丘陵走向呈EW向。区内地形平坦，地面高程80～120 m，地表水系发育。研究区属亚热带气候，年平均气温为20.5℃，1月气温最低，8月气温最高，年平均降雨量为1489 mm，4—8月为雨季。

1.2.1 含水岩组及富水性

研究区内的石炭系含水岩组包括大埔组(C2d)、马平组(CP1m)和寺门组(C1s)。大埔组主要由白云岩组成，岩溶发育较弱，多为溶孔，溶洞少见，以裂隙含水为主；马平组由灰岩组成，岩溶发育，富含溶洞裂隙水；寺门组主要以基岩风化裂隙水为主，但渗透条件不利，水量甚少。第四系(Q)含水岩组岩层厚度小、变化大，主要成分为黏土及砂砾，含水性较差。

白云岩组是以裂隙孔洞发育为主的岩溶含水层，地下水径流为缓排型的隙流状态，局部地段径流集中，出露小型裂隙泉。研究区内及附近出露的4个泉点均为上升泉，流量为1.296～6.009 L/s。水文孔出水量为578.02～968.54 t/d。

灰岩组是以裂隙溶洞发育为主的岩溶含水层，地下水径流为畅排型的管道流为主，地下河发育，钻孔平均线岩溶率大于2%，大多透水而不含水。附近出露的泉点为上升泉，一般流量为1～9 L/s。

碎屑岩组地下水多以分散形式排泄于冲沟，局部运动于层间裂隙，泉水出露少，流量在0.01～0.4 L/s之间。

1.2.2 断裂构造赋水条件及富水性

研究区内地质构造较为复杂，褶皱、断裂发育，形态各异。区域性的近EW向宜山—鹿寨断褶带和NNE向桂林—来宾断褶带交汇于市区北东部的东泉附近，这两条断褶带构成了柳州地区的主要构造格架。北侧的宜山—柳城断裂带和东面的桂林—来宾断裂带均为区域性深大断裂，也是区内主要的控制性构造和热水通道。区内各组断裂切割交汇，造成岩石较为破碎、裂隙和岩溶发育，沿断裂破碎带或两组断裂交汇处地下水丰富，形成众多的出露水点，水量较大，而在断裂上下两盘则需根据其岩组含水性来决定。其中，寺门组碎屑岩地段水量较小，泉眼点少；大埔组和马平组等碳酸盐岩地段则含水较为丰富。EW向断层以压性为主，可能含水量较差，而NE、近SN向构造的含水量或两组断裂交汇处的地下水则较为丰富。

1.2.3 地下水化学特征及补径排条件

根据沙塘、长塘地区及其周围数十口水井取样分析结果，得出区内地下水主要化学特征：HCO3的浓度为208.8～334.37 mol/L，Ca的浓度为40.96～60.58 mol/L，Mg的浓度为22.34～31.6 mol/L，属重碳酸钙镁型(HCO3-Ca-Mg)，深部水含二价硫约1%(H2S)。

研究区地处凤山向斜和走马向斜处，走向EW，面积大于100 km2，轴部地层为白垩系，倾角10°～30°，两翼倾角40°～80°。地表汇水面积较宽，加上地区年降雨量丰富，水源补给充足。区内地下水的补给为大气降雨及水库水塘、河流渗漏等，向柳江排泄，研究区由于地表覆盖层较薄，地下水位对降雨敏感度很高。

2 地热地质背景

2.1 地层热性能特征

地热异常原因通常有两种：一是近代(小于10万年)岩浆侵入到地壳浅部形成热异常；二是地下深部的热传导到地壳浅部，在特定的地质条件下形成地热异常。后者又可分为两种情况：一是单纯的热传导形成地热异常；二是深部热水通过断裂上升到地表，或通过顶托补给上部含水层形成热异常，并引起水质变化。

柳州市及周边地区岩浆活动较弱，热异常主要是热传导的形式。沙塘地区的地热储盖层地质主体：上石炭统大埔组(C2d)白云岩，下石炭统的寺门组(C1s)泥岩、砂岩，黄金组(C1h)、鹿寨组(C1lz)灰岩夹泥灰岩、泥岩，上泥盆统五指山组(D3w)扁豆状灰岩。泥岩类的热导率较低，平均值为1.35 W/m·k；砂岩的热导率较高，干样平均值为1.96 W/m·k，饱水平均值为2.51 W/m·k；灰岩的热导率最高，平均值为4.80 W/m·k。

由此可见，不同地层岩性的热导率存在显著的差异，在垂向分布上，上部大埔组白云岩虽然热导率高，但直接出露地表，其中的地下水补给、径流、排泄循环速度快，没有隔热保温条件，不能形成热储层；寺门组泥岩热导率低，厚度较大，具有良好的隔热保温作用，为热储层的良好盖层；寺门组砂岩夹层，当其厚度较小、含水性较差时，其热导率也相对较低，亦对热储层有较好的隔热保温作用；下部鹿寨组、黄金组和五指山组等灰岩层热导率高，导热性能强，由于受上部泥岩或泥岩与砂岩对热流传导的阻隔作用，是热流传递、储集的有利层位；灰岩岩组中的泥岩、页岩夹层，构成区内次一级的良好热储盖层。

2.2 地壳构造及地热背景

根据广西重磁资料综合研究成果显示，广西地壳构造分层基本相似，均具四层结构，即沉积岩层(1～2 km)、浅变质岩层(2～3 km)、深变质岩层(12～16 km)及玄武岩岩层(10～26 km)。桂中地区莫氏面的深度为32～34 km，壳层各密度界面总体呈现南高北低的变化趋势，柳州市及周边地区为一呈NNE向的局部隆起区，西翼康氏面、结晶基底面局部隆起明显，深地震剖面成果同样显示，在深度20 km和6 km处分别存在一层低速层(厚度分别为6 km和2 km)，低速层可能是壳内拆离面(滑脱面)，为韧性剪切糜棱岩带(图2a、2b、2c)。

图2 广西地壳构造及研究区岩石组合柱状图

局部地壳的隆起区为地球深部热源向上传导、聚集提供有利的条件，区内6 km深度的低速层可能是良好的热储层；浅层的复式向北抬升的近EW叠瓦状构造是寻找地热的最有利地区。2001年11月初，柳州市留休村村民的自掘水井出现水温异常，经踏勘测定水温在30℃～40℃之间，表明该地区有地热活动迹象，是地下深部的热传导至地壳浅部，在特定地质条件下形成地热异常。而区内浅层上石炭统为碳酸盐岩沉积(灰岩、白云岩)，厚度>200 m，加之区内构造活动强烈，地表水丰富，岩层内岩溶、裂隙发育，多形成较大的溶洞、暗河，具有良好的储水空间；下石炭统为滨海—浅海碎屑岩、碳酸盐岩和潮间洼地硅质岩相沉积，总厚度超过1000 m，其中寺门组以泥岩、砂岩为主，主要由石英、岩屑等砂粒和胶结物(硅质、泥质)组成，局部含煤层，厚度约为700 m，碳酸盐岩夹碎屑岩区的地表水的入渗系数为0.05～0.13，岩层富水性弱，隔水性好；上泥盆统为中—深海相的灰岩、硅质岩沉积，构造活动强烈，易形成溶洞、裂隙等储水空间及通道。

3 物探成果推断解释

为了深入研究区内地质构造格局，首先在研究区内实施了100 km2的1∶5万高精度重力测量工作，网度为500 m×250 m，精度为0.2×10-5m/s2。结果显示研究区内基本构造格架主要以EW向为主，由南至北依次分布着一系列的褶皱：杨柳向斜—公岗背斜—沙塘向斜—古木坳背斜—沙埔向斜等。EW向断裂呈弧形状展开，被NNE向和NW向断裂切割，沿走向呈SN错移(图3)。

图3 研究区布格重力异常平面等值线图

区内最主要的断裂构造为龙卜断层西段，走向东西，属逆断层，由于受NE及NW向断层切割错移，沿走向呈曲折弯转状态；寺门组砂泥岩逆冲于大埔组白云岩之上，断面南倾，倾角40°～55°，破碎带宽数米，具压性透镜体和断层泥，断层明显具压性特征，最大断距达400 m。区内最主要的褶皱为古木坳背斜，主要属其北翼东端，走向近EW向，核部地层为下石炭统，翼部地层为中石炭统，长约10 km，宽约3 km。其中，沙塘地区基底构造在古生界沉积盖层之下呈现出凹凸不平的特征，最深处达8000 m，凸起处仅有4000 m，由南至北：古木隆起(基底埋深仅4000 m)—沙埔凹陷(基底埋深达8000 m)—石井塘凸起，最后向北为一向南倾的斜坡[8-12]。

从可控源音频大地电磁测深反演断面(图4)可见，浅层(1000 m以内)异常较复杂，垂向线性异常特征明显，充分展现了浅层电性不均匀特征，浅层构造裂隙发育产状较徒80°，多组构造交汇，切割深度超过1000 m；深部异常以近水平展布为主要特征，局部呈同步扭曲，表明电性分层明显，局部断裂构造切割，位于1000 m深度上下具有一明显的低阻层；各断面异常特征相近，表明该低阻层具有一定的规模，推断是区内富含水、岩溶发育的碳酸盐岩层(C1h)。

图4 D10线和D25线CSAMT二维反演断面等值线图

研究区地处凤山复式向斜的中部，局部为相对隆起区，岩层产状相对较平缓(倾角10°～30°)，且正好处于几条区域性断裂构造(F2、F7、F8、F9、F11)交汇区域，次级构造也十分发育，在可控源音频大地电磁测深断面上电阻率曲线呈明显的错断，或是低阻线性异常呈垂向线性展布；通过研究区的主要构造有F13和F12，F13可能是F7的延伸部分，F12呈近SN展布，倾向东、倾角约65°；切割深度大于1000 m，与深部低阻层相连。根据地层岩石组合柱状剖面推断，在其下部(1400～1600 m)存在着两层碳酸盐岩层(C1lz、D3w)，因物探推断的构造切割深度较大，易形成破碎、溶蚀，且该区段的地温较高，地下热水储集主要以构造裂隙、溶蚀孔洞储集为主，局部层位含少量孔隙水，因此是本次研究的重点目标层位。

4 地热条件远景分析

4.1 地温场分析

通过地面测温工作成果可知，研究区的含水组顶板埋深为5～20 m，水温21℃～22℃，主要反映了第四系松散沉积物的地温状况；而柳北一带机井井深一般为80～120 m，水温22℃～23℃，比一般的地下水温度略高。在深井温度测量方面，据桂中石油勘探凉亭1#、凉亭2#测温结果显示：凉亭1#井深600 m，井下50 m开始测温为30.5℃，至590 m测温为38.5℃；凉亭2#井深532m，井下70 m开始测温为26.2℃，至530 m测温为33.8℃。根据以上测温情况分析，地表由于构造发育，水量充足，在100 m以内地温增加较小，地温梯度小于1℃/100 m；100 m以下地温梯度逐步增大，从2个深孔的测温结果可见，孔深在500～590 m之间时，地温梯度升高幅度大于4℃，说明地温梯度非线性增长，而是随着深度增加，地温梯度越大。

根据上述2个深井的测温资料，按公式(1)计算全孔的平均地温梯度值为3℃/100 m[13-16]。

(1)

式中：G为地温梯度；T为井底温度；t0为恒温层温度，取20℃；H为井深；h0为恒温层厚度，取30 m。

另据邻区桂林市永福县实施过的一口深井资料，该井自上而下的情况：①泥岩和砂岩层，厚251.30 m；②灰岩夹泥灰岩层，厚99.03 m；③灰岩、白云岩层，厚283.07 m；④下至1380.40 m均为灰岩与泥岩、砂岩互层或夹层。该井同样位于永福活动区域大断裂带附近，地热地质条件与研究区较为相似。根据该深井的测温资料，按照式(1)计算得到地温梯度为2.8℃/100 m，但与之相比，研究区的主要热储盖层寺门组砂岩、泥岩厚度更大，厚约769 m，盖层的保温条件比上述深井更理想[19]。

4.2 热储层分析

研究区内有利于热水储集的岩层：①灰岩及其质纯程度、厚度、裂隙发育程度；②灰岩和碎屑岩的组合情况。根据这些特征条件，可把区内热储层划分三类：

Ⅰ类为良好热储层。为五指山组扁豆状灰岩层在区域断裂和次级断裂的作用下，岩石质纯、裂隙发育、连通性好，易发生岩溶作用形成溶蚀裂隙甚至溶洞，为储存热水的良好热储层。该热储层厚度较大(大于100 m)，埋藏深度约在1600 m，埋深及水温都比较适中，且该类热储层岩性及厚度分布较为稳定。

Ⅱ类为一般热储层。包括四排组、东岗岭组、鹿寨组和黄金组中的灰岩层，这些灰岩含泥质，同时夹泥岩、页岩等碎屑岩，岩溶裂隙等岩溶作用不甚发育，热储介质主要特征为构造裂隙系统。该类热储层分布稳定，一般埋深较大，热水温度也相应较高。

Ⅲ类为较差热储层。包括泥盆系、石炭系岩组中的砂岩、泥灰岩层，这类岩层在地质构造作用下，裂隙也较发育，但由于岩组中的泥质岩夹层或互层使其中的裂隙容易被泥质充填，连通性较差，热水储集和径流条件不佳。

4.3 地下热水补运储分析

4.3.1 地下热水的补给

研究区内地下水的补给主要包括大气降雨及地表水、水库水塘、河流下渗等。根据水文地质调查结果显示，研究区属凤山复式向斜的杨柳向斜西段，面积约45.38 km2，年降雨量为1452 mm，平均入渗系数为0.3403，降雨入渗补给量2242万m3/a，碎屑岩侧向及其他补给量为206万m3/a，地表水补给充足。

4.3.2 地下热水运移方式与途径

从地质构造条件分析，控制研究区的主干断裂为EW向和NNE向，构造活动性强，大气降水通过周边丘陵、山地汇到盆地，渗入到地下深部，通过断裂、裂隙、孔隙运移，在运移过程中逐渐被加热形成热水，在特定的地质构造条件下形成地热异常区。根据研究区地形地貌和地质构造特征，区内呈现一向斜构造，是具有相对独立补、径、排系统的水文地质单元。

大气降水在水头压力的作用下，沿断裂破碎带、层面裂隙和构造裂隙等裂隙通道向斜构造轴部渗流补给，尤其是区内的断裂破碎带，在多期(次)构造活动特别是新构造运动的作用下，张性好、胶结很差或者无胶结作用，断裂带的补给形成强径流通道，且断裂带深切本区各个层组的热储，通过断裂带的来水向各热储的裂隙溶隙弥散和对流运移。研究区的断裂带在热水的补给、运移、贮存等方面起到重要的作用，其中近SN向的张性断裂带切割深度大于1000 m。

4.3.3 地下热水储集条件

通过实施的高精度重力与可控源音频大地电磁测深成果可知，研究区内构造切割深度较大，易形成破碎、溶蚀，且该区段的地温较高，地下热水储集主要以构造裂隙、溶蚀孔洞储集为主，局部层位含少量孔隙水。结合地震、凉亭石油钻井等成果资料的综合解释，半定量—定量推断出研究区内地质构造及大地岩性空间展布特征，分析认为柳州市沙塘地区的地热系统为一向斜构造与地层复合基本圈闭的低温水热对流地热系统。

在平面上，整个系统包括补给区和汇水径流区。在垂向上，上部为厚769 m的泥岩、砂岩盖层；中部为灰岩热储层及灰岩一般热储层与泥岩、页岩次级盖层交替出现；下部以寒武系砂岩等碎屑岩为基底，作为石炭系、泥盆系热储基底的导热层；底部为结晶基底，顶面埋深约8 km，厚约11 km(康氏面埋深约19 km)，其下为硅镁质下壳层即莫氏面，埋深约33.4 km，再向深部至上地幔。热源主要为地壳深部大地热流，水源为大气降雨通过断裂带、灰岩露头等补给，经断裂破碎带、岩石裂隙系统向斜轴部渗流，在渗流过程中吸收围岩热能而增温，并与相对较高温度热储中的热水进行对流混合，侧向补给进入热储层(图5)。根据热传导的特征，地下热水在地下下石炭统寺门组、下石炭统鹿寨组中上段的泥岩、砂岩层(热储盖层)下部(900～1100 m和1500～1600 m)可能存在明显的两层相对高地温梯度带地温梯度大于，4℃/100 m。其中，第一层地温预测在40℃～45℃之间，第二层地温预测在60℃～65℃之间(图6)。

图5 研究区物探综合推断地质剖面图

图6 研究区地热系统模型图

5 结论

1)通过综合分析认为，柳州市北部地区具有良好的地热前景，热储盖层厚度大，地下热水运移通道分布广泛，深部地温梯度较大，生热、储热条件优越；地下2000 m以内存在着多层并具有一定富水性的灰岩岩层，亦是寻找岩溶裂隙水的理想层位。

2)研究区内主要热储层五指山组(D3w)埋藏深度适中(约1600 m)，厚度超过100 m，按区内地温梯度值3℃/100 m计算，其水温可达67℃；主要热储层上覆次级一般热储层黄金组(C1h)，深度约为900 m，温度在48℃～67℃之间；主要热储层下伏次一般热储层的温度将大于67℃，按区内东岗岭组(D2d)最大埋深2417 m计算，热储最高温度可达91.6℃。

3)结合柳州市北部地区地热地质条件，确定研究区有利勘探开发靶区范围位于向斜轴部及其附近两翼，即地下热水主要汇集部位，断裂构造对热水的补给、径流以及贮集均十分有利；综合前期的水文地质、地热地质及钻探工程等成果资料，建立了研究区及周边地区的地热系统模型，为该地区今后的地热资源调查工作提供重要的指导。