1. 引言
地热属于清洁可再生能源(蔺文静等,2013) [1],按构造成因可分隆起断裂型和沉积盆地型地热资源 [1] [2] [3] [4]。江西处于中国东南地热区,地热水的形成与与菲律宾海板块向台东仰冲有关,在台东纵谷结合带前缘,依次形成了台闽粤高温水、汽带和闽赣粤中低温热水带 [5] - [11]。江西省永丰县石马迳地热水矿田,是近年江西省矿产资源保障服务中心(原江西省地质勘查基金管理中心)组织实施的地热水勘查项目,承担单位为江西省勘察设计研院;矿田可开采资源量超2500立方米/天,水温38.5℃~47.5℃。“地热水 + 生态旅游”已成为赣南地区脱贫模式的经典例。本文拟通过对石马迳地热田特征的系统阐述,以期促进江西省地热水勘查工作,服务乡村振兴事业。
2. 矿田地质特征
石马迳矿田地处雩山隆起带的北段,矿田出露地层主要有第四系(Q)和震旦系坝里组(Z1b) (图1)。第四系全新统冲洪积层在山区河谷地带零星发育。坝里组上部为中–薄层状凝灰质板岩、凝灰质千枚岩,下部为千枚状绢云母板岩夹薄层凝灰岩、千枚岩、粉砂岩,鳞片变晶和花岗鳞片变晶结构、千枚状构造。区内以NEE(近EW)向、NNE向、NE向和NNW向四组断裂构造为主。NEE向断裂构造(F1)是勘查区内的主干断裂,是本区的主要控热和导热构造,断裂总体走向呈NE,倾向南东,倾角(60~70)℃,延伸约4 km,断裂性质呈压扭性特征,同时沿断裂走向有多处温泉出露;NNE向断裂构造(F2)总体走向呈NNE度,倾向北北西,倾角(65~75)℃,延伸约3 km,断裂性质呈压扭性特征;NE向断裂构造(F3)走向40~45度,南端倾向南东,北端倾向北西,倾角75℃以上,呈压扭性特征,该组断裂规模较大,延伸长10km以上;NNW向断裂构造(F4、F5)总体走向呈NNE,倾向南西,倾角50℃,宽3~4 m,延伸数百米,断层带硅化破碎严重。岩浆岩出露于勘查区东部宁都县横垅和东南部的兴国县良村一带,岩性以燕山早期第一次和第二次侵入花岗岩体为主。F1与F4交汇附近的小溪南岸见有辉绿岩脉出露,该岩脉受F5控制,出露宽度3~4 m,岩性为灰黑、灰绿色辉绿岩。
区内发现三个温泉出露点,呈东西向展布于君埠乡君埠村石马迳沟谷中,其中WQ1及WQ2温泉位于沟谷中(相距约450 m),测定水温为30℃、34℃;WQ3温泉位于沟谷岸坡,温泉出露于基岩中,从一组产状为355˚ ∠ 50˚的裂隙中流出,泉底有较多的白色沉淀物,硫磺气味浓烈,水温47℃,流量0.039升/秒。三处温泉水无色、透明,水化学类型为HCO3-Na型。温泉出露处的的岩石受地热影响呈褐色和黑色,有明显的烘热感,并且烫手。
勘查区内出露泉点水质类型为HCO3-Na型地热水,PH值8.0~8.98,为弱碱性水,地热水中氟(F−)含量13.00~16.00 mg/L、偏硅酸(H2SiO3) 82.74~92.88 mg/L,达到理疗热矿水命名标准,可命名为氟水、硅水。
1、第四系;2、震旦系坝里组;3、基性岩脉;4、地层界线;5、实测断层及编号;6、推测断层及编号;7、出露温泉位置及编号;8、钻孔位置及编号。
Figure 1. Shimajing geothermal water exploration geological map, Yongfeng County
图1. 永丰县石马迳地热水勘查地质图
2.1. 地热田边界条件
地热水分布范围亦呈近东向长条状展布,F1断裂带倾向南东,地热田分布范围的南面边界以F1断裂带宽度影响范围为界,该断裂倾向南东,倾角(60~70)℃,以最为经济合理条件下的开采深度1000 m计算,其宽度为364 m (西面以工作范围适当外延);北面以F1断裂带为界,向外扩展100 m (西面以工作范围适当外延);西部因F5北西向压扭性断裂为隔水断裂,所以以此为边界,东部在F4断裂带以东地面调查尚未发现地热异常,因此也以F4断裂为界,向外扩展100 m,地热田分布区域0.585 km2。
2.2. 地温场平面特征
根据地表米测温资料显示,场区内埋深1 m地温范围为24.3℃~28.8℃,平均温度为26.0℃。从平面等值线(见图2)的形态上看,温度有从东到西递减的趋势,等值线的形态与推测断裂的走向有一定的联系,等值线的延伸方向与推测断裂的走向基本一致。根据钻孔孔口水温资料,ZK1终孔为42℃,ZK2为47℃,ZK3为37.8℃,但在同一标高段,东面水温要高于西面,最东面的石马迳温泉(WQ3)地表水温就达47℃。
Figure 2. Contour map of plane temperature
图2. 平面温度等值线图
Figure 3. The temperature change curve of the borehole
图3. 钻孔温度变化曲线
2.3. 地温场垂向特征
从ZK1-ZK3钻孔温度变化曲线图(图3)可以看出,3个钻孔的系统测温曲线总体上都属于渐增型曲线,水温随孔深增加而增加,经对比完成3个钻孔有明显增温的深度分别是115~140 m、310~340 m、450~480 m,而且随着深度继续增加,地温、水温有继续增高的趋势。勘查区地热水在平面上是从东往西沿断裂带水平运移为主,在纵向是以垂直向上运动为主。
2.4. 热储结构特征
NEE向断裂构造(F1)断裂构造横穿勘查区,是本区的主要控热和导热构造,断裂带中的裂隙密集带构成了储水、导水的通道,为主要含水段,即热储空间。本地热区是一个以F1断裂为对流传热为主、平面上呈条带状延伸、具有有效空隙和渗透性的断裂带构成的带状热储,热储层为多层性,主要分布在115.71~507.63 m。勘查区地温场内温标以石英温标热储最高,而且分布基本沿F1断裂带方向,热储温度基本相当,经计算,热储最大埋深为1970.19 m。
2.5. 地热流体补迳排条件
本地热区大气降水或地表水通过F1断裂向地下渗透、循环,再通过断裂或裂隙迳流和运移,最终在地势低洼的河谷地带裂隙中排泄出露地表。本地热区的地下热源为自然增温的地下水。F1断裂横贯地勘查区东西,地下水在经过F1断裂往下深循环的加热后,受西面F5断裂切割阻挡,在石马迳~八石坵一带沿F1断裂附近地热区上溢。
2.6. 地热流体动态
从地热田勘查工作开始,就着手建立热田的动态观测系统。对温泉、钻孔进行了动态观测工作,温泉自项目开始时开展动态监测工作,钻孔自终孔时开始动态监测工作,监测内容:钻孔流量、水温、水位(水头高度)等,对钻孔ZK1、ZK2孔进行了动态监测工作,动态监测时间满一水文年(见图4)。
ZK1在2013年5月份抽水前水头高度为14.70 m,而在同年11月份至次年3月份系统观测为15.68 m;ZK2在2013年10月份抽水前水头高度为15.90 m,而在同年11月份至次年3月份系统观测为16.17 m。
Figure 4. Dynamic monitoring curve of hole ZK1
图4. ZK1孔动态监测曲线
通过观测,在抽水试验稳定后与抽水前自流孔口的水温除了ZK1均为42.0℃没有变化外,ZK2和ZK3在抽水试验稳定后的水温均要高于抽水前自流孔口的水温,其中ZK2由抽水前自流孔口水温47.0℃增加到抽水试验稳定后的47.5℃;ZK3由抽水前自流孔口水温37.8℃增加到抽水试验稳定后的38.5℃。
钻孔承压水头高度、自流量在丰水期与枯水期均基本上较稳定,没有明显变化。
3. 地热流体水化学特征
本区地热水的主要元素含量、微量元素含量及其水化学特征变化不大,水质类型均为HCO3-Na型,总体较为稳定,季节性变化不明显,说明地热流体的化学组份其动态比较稳定,氟(F−)、偏硅酸(H2SiO3)的含量达到理疗矿水命名浓度,为氟水、硅水。
4. 地热水成因浅析
石马迳温泉NEE向断裂构造(F1)晚近时期有活动,具有将深部热源不断向上传递的作用,是石马迳温泉形成的主要控热、导热构造。它切割了北北东向构造,力学性质复杂,岩石破碎,因而具备了地下水储存运动的空间,沿断裂带走向有较多的温泉出露和较丰富的地下水,本区的几处温泉就是处于这组断裂带上。从施工的3个钻孔涌水量和抽水试验以及对WQ3的观测,F1不仅富水条件好,而且导水条件也较强。F1断裂横贯地热区东西,地下水在经过F1断裂往下深循环的加热后,受西面F5断裂切割阻挡,在石马迳~八石坵一带沿F1断裂附近地热区上溢。综上,石马迳地热田成因类型为属隆起断裂型。
5. 找地热水标志
地热异常标志:在本勘查区有温泉出露,这是本次找热的直接标志。共有3个温泉出露点,呈东西向分布,延长近650 m,最高温度47℃,通过研究温泉成因,为勘查区内的地热水勘查提供了方向。
水化学特征标志:工作前期,对温泉水进行了取样分析,分析结果表明,温泉水质类型为HCO3-Na型地热水,地热水中的氟、偏硅酸达到理疗热矿水命名标准,可命名为氟水、硅水。同时,根据水质分析结果,用二氧化硅、钾镁、钾钠地球化学温标估算出了热储温度,为本地热田勘查提高水温提供了科学依据。
地质构造特征标志:勘查区沿东西方向分布3处温泉出露点。断裂性质呈压扭性特征,主干扭压性断裂F1是主要的控热、导热构造。
6. 结论
1) 石马迳地热田成因类型为属隆起断裂型,可开采资源量超2500立方米/天,水温38.5℃~47.5℃,水质HCO3-Na型,氟(F−)、偏硅酸(H2SiO3)的含量达到理疗矿水命名浓度,为氟水、硅水。
2) 主干扭压性断裂F1是主要的控热、导热构造。
基金项目
江西省科学技术厅国家科技奖后备项目培育计划(项目编号20203AEI91004)。