荆门城区地热系统成因及地质模式分析

刘 波， 李红梅， 蓝 坤

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队，湖北 荆州 434020)

荆门市位于湖北省中部，是中国中西部地区极具经济发展活力的城市之一。自20世纪80年代在荆门城区十里牌一带发现掩埋型地热水以来，湖北省地质局等单位先后实施了多个区段的地热资源勘查项目，取得了丰硕的地热地质成果，表明荆门城区具有丰富的中低温对流型地热资源[1-4]。中低温对流型地热系统最本质的特征为：①没有特殊热源，主要依靠正常或略偏高的区域背景大地热流供热；②必须有足够的水量才能形成从补给、径流到排泄的整个环流系统；③要具备一定的地质构造条件使得地下水受迫对流得以产生[5]。本文基于荆门城区地质、水文地质和地热地质等勘查成果，通过系统分析荆门城区地热系统热源、水源和构造等特征，总结中低温地热系统的成因和地质模式，为该区中低温对流型地热勘查开发提供理论依据。

1 研究区概况

荆门市位于江汉平原西北缘，地处荆山山脉余脉向东南延伸的低山—丘陵地带。区内地势西北高、东南低，山脉走向NNE，由胜景山—小垭—斗笠寨山组成西郊分水岭边界。区内最高点为胜景山(海拔560.3 m)，最低点在东南郊低洼处(海拔58.3 m)。

研究区地处扬子地层区，早古生界志留系—新生界第四系均有出露。地层分布受构造控制，东部分布白垩系—新近系红色碎屑岩建造，西部主要为侏罗系碎屑岩建造，北部居中部位分布志留系—三叠系碳酸盐岩—碎屑岩建造，西南部平原区则堆积第四系松散堆积物。研究区在大地构造位置上处于扬子准地台上扬子台坪之远安台褶束与钟祥台褶束交界部位。荆门断裂是区内主要断裂，其东侧为荆门断凸，西侧为荆当向斜盆地，北部居中部位为荆山弧形褶皱带(图1)。

图1 研究区区域构造纲要图Fig.1 Outline map of regional structure in study area1.背斜；2.向斜；3.压性断裂；4.张性断裂；5.扭性断裂；6.压扭性断裂；7.张扭性断裂；8.性质不明及推测断裂；9.震旦系中统—志留系中统；10.泥盆系中统—石炭系中统；11.二叠系—三叠系中统；12.三叠系上统—侏罗系中统；13.白垩系—新近系；14.第四系；15.晋宁期花岗岩；16.印支期—燕山期辉绿岩；17.整合地质界线；18.角度不整合地质界线；19.温泉；20.掩埋型地热水。

20世纪80年代湖北省地质局实施了荆门市城市供水初步勘察项目，首次发现荆门城区存在掩埋型地热水[1]。通过陆续开展荆门市十里牌地热田地质普查、荆门市巴黎都市小区地下水勘查等项目[2-4]，在6个勘探钻孔中发现了地热资源(表1)。地热钻孔集中分布于荆门隐伏断裂带附近(图2)，最大钻进深度为769.55 m，最大流量为2 555.52 m3/d，地热水以热水、温热水为主，最高温度为50.2℃，均为中低温对流型地热资源[6]。

图2 荆门城区地热孔分布图Fig.2 Distribution of geothermal boreholes in Jingmen urban area1.第四系更新统洪冲积层；2.新近系掇刀石组；3.古近系始新统洋溪组与牌楼口组；4.古近系古新统龚家冲组；5.白垩系中统跑马岗组；6.侏罗系下统桐竹园组；7.三叠系上统九里岗组；8.三叠系中统巴东组；9.三叠系下—中统嘉陵江组；10.三叠系下统大冶组；11.二叠系下统茅口组；12.地质界线；13.实测断裂；14.隐伏断裂；15.地层产状；16.地热孔及编号。

表1 荆门城区地热资源现状Table 1 Current status of geothermal resources in Jingmen urban area

2 地热系统成因

2.1 热源分析

对一个地热系统开展热源分析，主要从四个方面进行：①分析地热系统所在地区的区域热背景，即区域背景大地热流值有多高；②分析地壳浅部是否有生热率特别高的放射性热源；③分析地壳浅部是否有尚未固结或正在冷却中的酸性岩浆侵入体；④分析是否存在能将深部热量携带上来的物质流[7]。

2.1.1区域热背景

据中国大陆地区大地热流数据汇编(第四版)[8]、湖北省地热资源现状调查评价与区划报告[9]显示，荆门城区及周边地区大地热流值为43.0～66.4 mW/m2，平均为51.7 mW/m2，低于湖北大地热流平均值(53.7 mW/m2)和全国大地热流平均值(61.5 mW/m2)，因此荆门城区地热系统的区域热背景值不高。

2.1.2放射性热源

根据一维热传导原理，假设地壳最上部10 km范围内放射性元素均匀分布，则在地壳一定深度范围内产生的放射性衰变热流增量为：

Δq=A·Δz

(1)

式中：A为岩石放射性生热率(mW/m3)；Δz为深度变化范围(m)。

区内以往地热勘探工作未对岩石放射性元素含量及其释热流进行测定，因此本次研究对其进行估算。假设荆门城区地壳上部10 km以浅范围内放射性元素均匀分布，取岩石放射性生热率平均值为0.42～2.79 μW/m3[10-11]，则其衰变所产生的热流增量为4.2～27.9 mW/m2。上述估算表明，在放射性热源参数取值最大情况下，计算得出的热流增量为27.9 mW/m2，据此判断荆门城区放射性衰变热不能构成特殊热源。众所周知，放射性元素在地壳上部10 km范围内不可能均匀分布，其含量一般按指数函数模型自地表向下快速减少，因而由其产生的地表热量要比理想状态下小很多。

2.1.3地壳内部物质流

地壳内部物质流对热流增量或地表热流的影响显著高于传导热传递[5]。地壳内部物质流可分为岩浆对流和地下水对流两种情况。岩浆对流是由于岩浆热液温度高于环境温度而产生的自由对流，其所传递的热量大幅增加了地表热量，岩浆上涌的体积流率与温度决定了地表热流异常的强度和范围，而且地表热流异常区范围要大于岩浆侵入体的范围。地下水对流则比较复杂，当温度远高于环境温度时可产生高温热水的自由对流；当温度低于环境温度时可产生低温热水的受迫对流，前者多见于高温地热系统中，后者则构成中低温对流型地热系统。物质流热流增量计算公式为：

Δq=ρ′С′·ν·ΔТ

(2)

式中：ρ′С′为地壳上涌物质的热容量(J/(kg·K))；ν为上涌物质的体积流率(m/a)；ΔТ为Δz深度范围内的温差(℃)。

对于荆门城区中低温对流型地热水而言，地下水热容量ρ′С′=4.186×103J/(kg·K)，地下水渗流速度ν=0.3 m/a，当ΔТ=10℃时，地下水对流传递的热量为418.6 mW/m2。在中国大陆地区，0.3 m/a的地下水渗流速度在地热区是极为常见的，因此在许多地热系统中，地下水的对流热传递起到主导作用。汪集旸等[5]研究表明，当地下水渗流速度ν=0.304 8 m/a时，在Δz=152.4 m的深度内沿地下水水流方向增加的地温梯度和热流为e5-150，可导致很大的局部热流异常和很大的温差；而当地下水以0.025 4 m/a的速度(年降雨量的很小一部分)下渗，就足以将数百米厚的岩层内的地表热流量“冲刷”殆尽。根据荆门市十里牌地热田普查资料[2]，荆门城区地热循环径流最深处的热储温度为81.68℃，热动力平衡深度为2 013 m，因此认为荆门城区地热系统中的地下水能够将分散在较大范围内的地壳热量集中到渗透性好的岩层中，从而形成有开采价值的热储。

2.1.4地下温度的骤变

地下温度的骤变一般发生在岩浆活动地区，当岩浆上涌至地壳一定深度，必然引起该深度对应部位的温度发生骤然变化，从而对热流增量或地表热流造成影响。汪集旸等[5]采用有限单元法模拟计算了岩浆侵入体及围岩温度变化，发现围岩升温和降温速率与其距离侵入体的远近有关，围岩愈靠近侵入体，升温和降温速率愈大；但从整体上看，侵入体在侵位0.06 Ma之后，围岩温度已基本达到新的平衡。Smith等[12]计算了侵入深度<10 km的侵入体的冷凝时间，发现侵位年龄>100 Ma的侵入体，即使其体积达到106km3，其温度也已恢复到与围岩相同的环境温度，不能构成地热系统的热源。

荆门城区未见岩浆侵入体，但在距离城区50 km的沙洋县四方铺一带见玄武岩出露，有关资料显示其属于燕山期岩浆岩；在距离城区20 km的钟祥市冷水铺一带发育晋宁期和印支期侵入体。上述侵入体的侵位年龄均>100 Ma，因此荆门城区不存在岩浆侵入体这一特殊热源。

2.2 水源分析

对于无特殊热源的中低温对流型地热系统来说，地下水深循环是形成地热系统的主要因素，因此该类地热系统除了要具备适宜的地质构造条件(即断裂裂隙通道)外，还需要充足的水量。荆门市雨量充沛，多年平均降雨量为980.1～1 274.4 mm，可为地下水提供充沛的补给来源。荆门城区钻孔地热水氢氧同位素和地球化学研究表明，热储层(嘉陵江组地层)中地热水的补给来源为大气降水，补给高程为400～500 m，可能在1954年之前由大气降水渗入补给，从补给到形成地热水历经60余年或更长的时间[13]。采用镁钾地热温标计算得出，荆门城区热储温度为81.68℃，地热水循环径流深度为2 013 m，推测补给区可能为荆门城区西北50～70 km处的荆山褶皱带碳酸盐岩山区[4]。而荆门城区东北部的乐乡关断凸发育有岩浆侵入体和中温热泉，因此不排除荆门城区地热水接受了乐乡关断凸处的大气降水和附近热水的径流补给，并通过白垩系红层以下的深层含水层水平径流到荆门断裂。该红层出露宽度为12.5～15 km，最大厚度为1 192.4 m[2]，因此来自乐乡关断凸的深层承压水的径流距离可能>15 km，垂直循环深度可能>1 200 m。

2.3 构造条件分析

中低温对流型地热系统的构造条件分析主要包括大地构造位置和小构造环境两项内容，前者能从宏观上指明地热系统总的热背景，后者能具体给出地热系统的断裂和裂隙发育情况、地热水补给区和径流排泄区位置、热水通道细节等。区域性的荆门断裂是荆门城区地热水形成的主要构造条件之一，该断裂具有活动时间长、活动期次多的特点，早期活动可追溯到晋宁期，晚期活动持续到挽近期。形成中低温对流型地热系统必须有供热水上涌的良好通道和储集热水的适宜热储层，前者主要为主干断裂与分支断裂的复合部位或者断裂的交叉部位，后者主要为基岩裂隙含水层。荆门断裂与大义山式断裂复合形成了深阔的破碎带，成为地下水深循环的通道，沟通了深层灰岩裂隙岩溶承压水。该深层承压水补给区可能为薛坪以北的荆山褶皱带，并受北高南低地势制约，具有较高水头承压性质，主要沿荆门断裂带进行深循环，将深部热量传导到表层。

3 地热系统特征

荆门城区地热水为掩埋型，盖层为白垩系—新近系红层，最大厚度为1 192.4 m，岩性以泥质粉砂岩为主，透水性极弱，为相对隔水层。该红层与荆山褶皱带古生界—中生界碳酸盐岩地层呈断裂接触，接触角度为60°～65°；局部地段超覆于荆门断裂之上，超覆角度为48°～58°[14]。地下水在荆门断裂带内进行深循环，以水流热传导方式将地壳深部的热传递上来，并储存于红层之下的热储层中。

荆门城区地热系统概括起来有以下特点：①没有特殊的附加热源，即地热系统主要依靠正常或偏高的区域大地热流供热，深部没有与年轻酸性浅成岩浆活动有关的岩浆房或正在冷却的岩基；②地下水有足够的水量和一定的循环深度，地下水能在地下径流过程中将分散在岩体中的热量“收集”起来，聚集形成中低温热水；③地热在断裂破碎带附近分布，主要靠破碎带和裂隙导水，在地形高差和水力压力差作用下形成中低温受迫对流型地热系统；④地热系统的形成经历了60余年甚至更长时间。因此荆门城区地热系统属于一个大地热流值为43～66.4 mW/m2、循环深度约2 km、发育于构造裂隙岩体中的中低温对流型地热系统。

4 地热系统的地质模式

地热系统的地质模式常以示意性的卡通图像来表示，通过形象地概化地质构造条件、热源、热水运移方式和传热机制等，将地热系统全面而立体地展示出来。荆门城区西北部的碳酸盐岩分布区是地热系统主要的地下水补给和储存场所，荆门城区东北部的乐乡关断凸可能为地热系统补给了部分大气降水和热水。荆门断裂是形成地热水的关键构造条件，该断裂延伸长(南北长度>170 km)、断距大，在挽近期仍有活动，是地热水循环和上涌的主要通道。白垩系中统跑马岗组红色砂岩与泥岩透水性弱、导热性能差，是荆门城区地热系统良好的盖层。依据上述成因条件，可初步构建出荆门城区地热系统的地质模型(图3)。

图3 荆门城区地热系统的地质模式Fig.3 Geological model of the geothermal system in Jingmen urban area1.白垩系中统跑马岗组；2.二叠系—三叠系；3.页岩；4.砂质黏土岩；5.砂岩；6.灰岩；7.断裂破碎带；8.深层地热水流向。

荆门城区地热系统的地质模式可简要概括为：在正常区域热背景之下(3.0～66.4 mW/m2)，大气降水在高程400～500 m的北部山区补给，通过断裂破碎带向深部循环，向盆地中心部位的排泄区运移；随着循环深度的增加，地下水在径流过程中不断吸取地壳岩石中的热量而形成热水，并在地下约2 013 m处增温至81.68℃左右；热储中的地热水沿着断裂带上涌，当上涌至孔隙裂隙含水层时，与其中的冷水发生混合而形成中低温地热水，并在适当构造部位出露地表或者通过钻孔揭露溢出地表。

根据荆门城区地热勘查资料，推断该地热系统可能存在具侧向渗漏层、具侧向水平流和在断裂破碎带内环流等3种地热储集模式。

第一种为具侧向渗漏层的地热储集模式，即地热水沿断裂破碎带上涌后，一部分侧向“渗漏”至浅部的孔隙含水层或孔隙裂隙含水层(图4)。目前荆门城区揭露的侏罗系砂岩热储层和三叠系灰岩热储层主要为此模式，地热系统可能主要从西北部荆山褶皱带的碳酸盐岩山区接受大气降水补给，沿断裂破碎带上涌，一部分渗漏至荆门断裂西盘(下盘)的孔隙含水层或孔隙裂隙含水层中。由于白垩纪—古近纪期间荆门断裂东盘(上盘)大幅沉降，接受了较厚的白垩系—古近系沉积，而西盘相对隆起，因此该类热储埋深相对较浅，勘查深度一般<800 m，但由于具“侧向渗漏”特点，热储远离主干断裂，地热水温度较低。

图4 具侧向渗漏层的地热储集模式Fig.4 Geothermal reservoir model with lateral leakage layer1.白垩系中统跑马岗组；2.二叠系—三叠系；3.地热水分布区；4.断裂破碎带；5.地下水或地热水流动方向。

第二种为具侧向水平流的地热储集模式，即地热系统底部有渗透性较好的热储层，在补给区补给、沿断裂破碎带下渗的地下水，从盆地一侧经热储层侧向水平流至盆地的另一侧，然后沿断裂上涌(图5)。这类地热模式可能从北东部乐乡关断凸接受大气降水补给和附近热水的径流补给，热储主要分布于荆门断裂东盘。由于东盘沉积的红层较厚，热储埋深相对较大，勘查深度一般>1 200 m。若进一步勘查可证实该类地热储集模式的补给、径流、排泄过程，则说明荆门断裂东侧存在分布面积巨大的层状热储，地热资源前景十分看好。

图5 具侧向水平流的地热储集模式Fig.5 Geothermal reservoir model with lateral horizontal flow1.白垩系中统跑马岗组；2.二叠系—三叠系；3.地热水分布区；4.断裂破碎带；5.地下水或地热水流动方向。

第三种为在断裂破碎带内环流的地热储集模式，即地热水在荆门断裂破碎带中纵向对流(图6)。荆门断裂经历多期次活动，切割深、延伸远，其破碎带宽数米—数十米不等，所形成的构造岩(压碎岩、角砾岩、靡棱岩)破碎程度和胶结状况因地而异，如田家冲以北地表可见荆门断裂切过三叠系下统大冶组灰岩，形成的断裂破碎带中发育靡棱岩、断层泥，同时又见张性构造角砾岩；JK1、荆29、ZK1、ZK2等钻孔也揭露出具有破碎程度不同、渗透性不一、富水性各异的断裂破碎带。荆门断裂带一线发育不同破碎程度的断裂破碎带，可形成多个小型环流系统，并形成由西北部破碎带补给大气降水、经断裂破碎带深循环的大环流。该类地热储集模式主要分布于断裂带中，属带状热储。进行地热

图6 在断裂破碎带内环流的地热储集模式Fig.6 Geothermal reservoir model with circulation in the fracture zone1.白垩系中统跑马岗组；2.二叠系—三叠系；3.地热水分布区；4.断裂破碎带；5.地下水或地热水流动方向。

资源勘查时需要揭露超覆红层，探寻具有有效空隙和渗透性的断裂带热储。

5 结论

(1) 通过分析荆门城区地热系统的热源、水源和构造条件，认为荆门城区地热系统属于一个受区域大地热流供热、循环深度约2 km、历经60余年或更长时间形成、发育于构造裂隙岩体中的中低温对流型地热系统。

(2) 荆门城区地热系统的本质特征为：①没有特殊的附加热源，即主要靠正常的区域背景大地热流供热；②有足够水量形成从补给、径流到排泄的整个环流系统；③具备使地下水受迫对流得以产生的地质构造条件。

(3) 荆门城区地热系统可能存在具侧向渗漏层、具侧向水平流和在断裂破碎带内环流3种类型的地热储集模式，第一种类型主要分布于荆门断裂西侧(下盘)，勘查深度一般<800 m，越远离主干断裂，地热水温度越低；第二种类型主要分布于荆门断裂东侧(上盘)，勘查深度一般>1 200 m，可能存在分布面积巨大的层状热储，需进一步加大勘查工作力度；第三种类型主要分布于荆门断裂带中，探寻具有有效空隙和渗透性的断裂带热储是地热水勘查的关键。上述第一种和第三种类型已在荆门城区以往地热水勘查项目中得到证实，第二种类型则有待在下一步地热水勘查中进行验证。