湖南宁乡灰汤地热资源形成条件与成藏模式*

叶见玲，杨汉元，陈 潇，曹 晖，刘素平，刘 梅，李 宇，谭甫伟

（湖南省工程地质矿山地质调查监测所，湖南 长沙 410014）

地热能作为一种清洁能源可用于发电、供热、生活供水、饮用矿泉水资源等，也可用作提取工业原料的水资源，以及珍贵的医用热矿泉水等，其社会、环境及经济效益良好[1]。

我国地热资源丰富。据统计，浅层地热资源可采折合7x108t 标准煤、中深层资源量折合1.25x1012t 标准煤、干热岩型资源量折合8.56x1014t 标准煤，资源潜力巨大[2]。1949 年以来，我国先后在中国西藏、云南、东南沿海以及华北盆地等地开展过地热普查、勘探及中高温地热研究工作，取得了系列进展及创新性研究成果，较好地促进了地热事业的发展[3-6]。地热能的勘探开发及利用可以有效改善生态环境、优化调整能源结构、缓解全球能源危机，因此受到各界强烈的关注[7]。宁乡灰汤作为我省中高温重点地热资源区，资源丰富，具有良好的资源前景[8-12]。但多年来缺乏对该区详细的中深层地热勘察研究，严重地制约了我省地热资源发展及勘查开发进展[13-15]。本文在前人研究基础上，系统地从地热资源富集赋存的关键要素出发，对热源、热通、热储层、盖层、水化学等特征进行综合分析研究，并对该区地热成因、形成条件进行剖析，为我省地热的勘查研究及下一步开发利用提供了理论基础和依据[16-18]。

1 地质概况

宁乡灰汤位于祁阳弧北翼反射弧与华夏系构造的结合部位。区内断裂主要有乌江断裂（F2）、狮桥断裂（F3）和八亩冲断裂（F4）等（图1）。区内广泛分布燕山期酸性及中酸性沩山花岗岩体，岩性以黑云母斑状、斜长黑云母斑状花岗岩为主，岩体在灰汤一带被白垩系地层覆盖。花岗岩中多发育伟晶岩脉，煌斑岩脉、石英脉及细晶岩脉，由于受构造活动的多期影响，本区圧性、扭圧性、张性断裂强烈破坏花岗岩体，形成破碎花岗岩、花岗构造角砾岩、极厚糜棱岩和糜棱岩化花岗岩[19-21]。

图1 灰汤地热区地质简图Fig.1 Geological diagram of Huitang geothermal area

2 地热资源形成条件

2.1 热源

研究区地处湘中东北部，区内沩山岩体发育，围岩蚀变现象普遍。通过布设大地电磁测线分析，该区隐伏岩体发育，地表200 m以浅为燕山早期花岗岩体，为岩基存在[13]。通过全省地热水调查评价，结合以往区域地质、水文地质资料发现在岳阳、长沙、衡阳、宁乡、株洲以及郴州等区，中温和中低温温泉热源类型多来源于岩浆岩余热，且温泉出露多与地下隐伏岩体有关[22-23]。据前人氚同位素年龄鉴定，区内地热水从补给、深循环、再到排出地表，这一漫长的历程需要三十八年以上。研究区深大断裂构造发育，乌江断裂（F2）早期为拉伸，晚期为压性（或扭性），近期活动为扭性，并转为压扭性质，是区内具有多期活动且至今仍在活动的导热断裂构造[19]（图2）。

图2 灰汤A-A’剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of section of HuitangA-A'

本区断裂构造复杂，孔内最高温度基本位于断裂破碎带底部糜棱岩段应力集中区。据最近地震资料显示，该区地壳活动活跃，时刻进行脉冲式运动，不断释放构造摩擦热能[24]。其次，通过本次实测区内29个地表花岗岩样，得出生热率为2.54~5.17(μw·m-3)，平均值为3.53(μw·m-3)。铀含量平均为6.79×10-6；钍含量平均为21.05×10-6；钾含量平均为4.03%。说明研究区具备较好的生热潜力。故推断区内热源主要为岩浆岩余热与地壳蠕动摩擦生热及放射性元素蜕变热。

2.2 地热水化学特征

灰汤热泉处于研究区中部，在北东向乌江断裂及北西向狮桥断裂交汇处出露，形成一上升泉群。据资料记载，前人在该区进行地热水勘查工作，查明热异常面积约8 km2，水温最高达92℃，流量为1.96 L/s。放热量为10770 kcal/s，可开采量3500 m3/d。

据收集1974 年湖南省水文地质队灰汤地热区灰汤段水文地质勘探报告资料显示，水1~zk01孔样品PH 值介于7.21~9.6 之间，偏碱性水，钠离子含量为30.45~87.25 mg·l-1之间，钙离子含量为2~65.09 mg·l-1之间，总硬度为0.387~192.14，水温一般在65.9~102 ℃，最高可达102 ℃（表1）。据上述灰汤段水文地质勘探报告资料资料显示，该区热水水质类型为HCO3Na 型，矿化度为0.22~0.23 g·l-1。该区镭元素含量为1.3~53×102mg·l-1，氡 含 量11.8~12.4 em·l-1，氟 含 量 为9.00 mg·l-1，0.01 mg·l-1。根据光谱分析，还含有钛、钼、锡等稀有微量元素。热水中还含有气体，其中氮气占98%，氧气占1.6%，二氧化碳占0.4%。

表1 研究区地热水主要化学成分特征Table 1 Main chemical composition characteristics of geothermal water in the study area

本次通过对收集的灰汤11 个地热水样进行水化学分析（图3），经绘制piper 三线图，进一步确认灰汤区地热水类型及分布规律趋于一致。比较集中阳离子主要以Na 离子为主，阴离子主要为HCO3为主，不同的取水点及不同深度的取水点的水质类型也有一定的区别（图4）。

图3 研究区地热水温度及采样分布图Fig.3 Geothermal water temperature and sampling distribution in the study area

图4 研究区地下热水化学piper三线图Fig.4 Three-line piper diagram of geothermal water chemistry in the study area

2.3 热储及盖层特征

研究区地热地质条件良好，广泛分布沩山花岗岩岩体，笔者通过本次在研究区采样测试，送至湖南省核工业230 研究所测试分析，花岗岩岩石生热率为2.54~15.32 μw·m-3，生热率平均值为3.54 μw·m-3。超过生热率背景2.8 μw·m-3，具有一定的生热潜力，可以作为区内良好的热储层。其次，区内F2乌江断裂具有多期活动性，是区内主要的储热、导热构造。

通过野外地质调查及分析测试，研究区出露花岗岩风化严重，其风化层可以作为地热直接盖层。其次，笔者通过本次实测岩石导热率及大地电磁工作手段，发现上覆白垩系盖层厚度约0.8~1.5 km，岩体总体埋深小于3 km。且盖层岩性分别为泥岩、砂质板岩、石英砂岩，导热率较低，为0.61~3.15(W·m-1·K-1)，平均1.66(W·m-1·K-1)，可以作为区内良好的盖层（图5）。

图5灰汤区B-B’大地电磁测深( MT) 剖面Fig.5 Huitang magnetotelluric sounding(MT)profile

2.4 通道

活动性的深大断裂是与深部高温岩体相连的导热构造，在软流圈地幔上隆时常常具有很好的导热功能，可作为区内良好的热源通道。F2深大断裂是区内的主控断裂，延伸长、规模大，是一条切穿岩石圈达到软流圈、贯彻整个区内南北向的活动断裂。它具有控热特征，可作为该区热源通道，向上输送深部的热量。其次，地球深部发育的低速层既是导热层也是热储层，通过分析湖南深部构造岩石圈特征，发现湘中区存在低阻低速高导体，是深部热源和浅部热储层的良好桥梁，是良好的重要介质层。

3 地热成因模式分析

3.1 热储温度

SiO2地热温标一般不受复合物的形成与挥发组份散失及其他离子的影响，具有很好的应用性，用以推算基础温度较为接近。但可溶二氧化硅浓度往往受地表冷水混入的影响，计算结果一般偏低。

通过收集1974 年湖南省水文地质队在宁乡灰汤采集地热水及周边温泉样品，利用地球化学温标公式计算（式1），区内温泉二氧化硅热储范围32.20~147.64 ℃。考虑到地表冷水的混合作用，该热储温度相对偏低（表2）。

表2 灰汤地热田热储温度统计Table 2 Thermal storage temperature statistics of Huitang geothermal field

通过对比，本次计算结果差异较大，如ZK01孔推算为32.2℃，而水10孔则达到142.59℃，水1为137.2℃，水5、水2 分别为76.58℃、57.44℃。产生差距的原因可能是在地热孔抽水试验过程中涌水量小，地表水混合作用导致各个温标计算浓度产生变化，使结果有偏差。但总的来说，经多年研究资料证明，该区温泉热储温度普遍较高，说明有稳定的热能来源。

3.2 循环深度

作为地热水重要研究参数，地热水循环深度对地热田及温泉的成因、水化学成因分析、热储层判断、地热资源评价都起到了重要参考作用。灰汤地区地热水多由大气降水和第四系潜水经深循环加热所致。按地热水正常地热增温变化，采用公式2估算地热水循环深度：

式中：T-热储温度，℃；T0-当地年平均温度，℃；地温梯度，℃/100m；H0-常温带厚度，m。

宁乡灰汤地区热储温度（T）基本在57.44~137.20℃以上，取平均值123.06 ℃；宁乡年平均气温（T0）为16.8 ℃；常温带厚度（H0）为30 m；地温梯度（K）取3.5(℃·100m-1)；计算结果区内循环深度3066 m。2017年，帅焕等[25]利用管道模型内部关系公式求得灰汤地热田热水循环深度2700~3100 m。通过以上方法，对比发现灰汤地热田热水循环深度基本在3100 m左右。

3.3 冷热水混合作用

考虑研究区地下热水的不平衡状态及冷水混合作用，利用硅晗方程（公式3～6）及图解法计算了灰汤区冷热水混合作用。

式中：H热-地热水焓值，H冷-冷水焓值，H温-温泉焓值，SiO2冷-冷水测得SiO2值，SiO2热-地下热水的SiO2值，SiO2温-温泉或地下热水测得SiO2值，X1-焓值公式计算得出的冷水份额，X2为通过SiO2含量反算得到的冷水份额。其中，不同温度的焓值和SiO2的含量在表3中查得。

表3 热水温度、焓和SiO2 含量[26]Table 3 Hot water temperature,enthalpy and SiO2 content

宁乡灰汤年平均气温为16.8℃，冷水中SiO2含量通过测试取值28(mg·ml-1)。研究区温泉经过测温取93℃，SiO2含量经过分析测得为110(mg·ml-1)。

将计算数据绘制到图上并连接（表4），获得曲线交点为（175,0.54）。即热储温度175℃，冷水所占比例54%（图6）。

表4 研究区温泉X1和X2计算值Table 4 Calculated values of hot springs X1 and X2 in the study area

图6硅焓方程法示意图[27]Fig.6 Schematic diagram of silicon enthalpy equation method

利用硅焓图解法（图7），将冷水焓值和SiO2含量分别与地下热水焓值和SiO2含量在图中绘出，得出A、B 两点，将其延长至石英溶解度曲线得出C 点热水焓值。计算AB、AC 长度的比值为0.4814，则该区冷水占比为51.86%，与上图硅焓方程法所计算的54%相接近，最终该地区冷水所占比例去两种计算方法的平均值52.93%。

图7 硅焓图解法Fig.7 Graphic method of silicon enthalpy

3.4 成因模式

宁乡灰汤区地热成因模式如图8所示。灰汤地热成因总的概况为灰汤北西向，山地高区受大气降水，沿区内F1深大断裂下渗透运移，地热水通过深循环吸收岩浆岩热及围岩等热量，最终在深部约3100 m 处与其他降水汇合后与地热流体发生混合，此时冷水占到混合水的52.93%，周围热储温度约为32.98~147.64 ℃。之后通过深大断裂F2上升，最终出露地表形成温泉。其中来自地幔的少量地幔热以及来自地温梯度增温热可作为区内补充热源，加热地下热水并通过F2深大断裂通道上升形成区内地热资源。区内NE 与NNE 向深大断裂与NW 向断裂不仅明显影响着现代河流的发育，而且直接控制着温泉的分布。如宁乡灰汤温泉、檀木桥、杨柳湾地热水基本出露于NE 与NW 向断裂构造交汇部位。不同时代、性质的断裂构造及其组合形式对温泉的出露与形成起重要的控制主导作用。

图8 地热资源成因模式图Fig.8 Geothermal resource accumulation model map

4 结论

（1）宁乡灰汤地热水水质类型为HCO3Na型，矿化度为022~023 g/l。区内地热水多由大气降水和第四系潜水经深循环加热所致。

（2）通过对研究区地热地质条件特征深入分析，查明宁乡灰汤区具备较好的地热资源背景，有利于地热资源的形成。

（3）通过硅焓模型及二氧化硅温标公式计算，得出该区热储温度为32.198~142.589 ℃，循环深度约3100 m，冷水混合比例约占54%。温泉成因主要受该区深大断裂构造控制，地热水在深循环过程中通过吸收围岩及岩浆岩中热量升温后，沿F2深大断裂上升出露地表形成温泉。

（4）灰汤地热成因模式主要为研究区以北地势高区大气降水，沿区内F1 深大断裂下渗运移，通过深循环吸收岩浆岩热及围岩以及少量地幔及地壳增温等热量，通过F2深大断裂通道上升形成区内地热资源。

（5）宁乡灰汤地热资源丰富，为进一步摸清该区资源潜力，建议进一步加强该区中深层地热详查及参数孔施工工作。