咸宁地热地质野外实习指导书

武汉大学地球物理专业本科生地热地质实习指导书武汉大学测绘学院张双喜、张晨编２０１4年一.咸宁地热地质野外实习要求通过野外实习了解咸宁地热区的地质背景、咸宁地热区的地热藏结构；参观太乙洞的Karst地貌及地质结构；体会咸宁地热资源的利用状况；对环境保护与资源开发利用的平衡提出独立的见解；编写实习报告。在此基础上，认知我国地热藏类型、地热藏勘探的规范。本实习指导书主要由参考文献改编而成，仅供学生地热学课间野外实习环节参考。要求：认知地热藏；特写局部构造；特写地热的局部利用；必须个人独立完成实习报告，重复内容太多将视为抄袭。野外实习方式：分组考察局部构造和地热的局部利用；集体活动：参观太乙洞；注意：安全第一。二.咸宁地热地质背景[1-2]2.1湖北省区域地质背景2007年，湖北省境内发现的地热点有67处。其中,温泉58处,其余皆为钻孔或矿坑揭露发现的。水温高于90℃的中温地热有2处,高于80℃的低温地热资源中的热水有1处,皆为钻孔揭露温度,主要分布于江汉盆地的江陵、潜江和鄂东北的罗田;60－80℃的热水有6处,主要分布在该省东部的英山、罗田、应城及京山等地;水温40－60℃的地下热水属低温地热资源中的温热水,温热水有17处,主要分布于该省东部地区,其次是鄂西南地区;水温25－40℃的温水有41处,主要分布于大洪山、鄂西及鄂东南等地。详见湖北省地热分布与构造体系关系图。根据地热形成的地质构造条件和赋存特征,可将其划分为两种基本成因类型,即断裂深循环型地热和沉降盆地埋藏增温型地热。咸宁温泉地处江汉盆地边缘，为沉降盆地埋藏增温型地热藏。湖北省区域经历了多期构造运动,其中前震旦纪的晋宁运动和中生代的燕山运动最为显著,它奠定了省内新老构造的基本轮廓,根据地质力学的观点可划分为若干个不同的构造体系。其中北西向构造体系、淮阳山字型构造体系的弧顶和前弧西翼、东西向构造体系和新华夏构造体系为省内最基本的构造骨架。而江汉盆地和南襄盆地属新华夏第二沉降带的一部分,盆地周边与隆起带多呈断阶相接。江汉盆地是在白垩纪初期下陷形成的内陆盐湖沉积盆地,控制了白垩系－第四系的沉积,盆地内中新生代碎屑岩堆积厚度800－1000m。由于多期构造运动的复合,盆地内形成了五凹、五隆、一堑的构造格局,存在大小断层800多条,其中一级断层6条,二级断层30条。一级断层具有延伸远、断距大和长期活动的特点。另外在盆地形成和沉积时期,有过多次岩浆活动,白垩系－下第三系地层中普遍有玄武岩分布。这些断层和岩浆活动对地温场的变化和地下热水的生存起着控制作用。湖北省省内地壳厚度变化在28－45km之间,总的变化趋势是东部薄、西部厚。这一规律恰恰与地热分布状态相吻合。地热点在数量上东部多于西部且东部水温高,西部低,东部地热点占总数的69%,西部仅占31%，而60℃以上的热水全部分布在东部的英山、罗田、应城及京山等地,40℃以上的温热水除利川建南盆地中的热卤水和靠近中部的松滋卸甲坪两个温泉外,其余也全部分布在东部。这种现象的解释是:地壳较薄的部位,有利于深部热流向地表传递。咸宁市处于淮阳山字型弧顶西侧北西西向构造带与东西向构造带以及新华夏北北东向构造的复合、联合部位,出露温泉11处,最高温度60℃。咸宁市温泉镇地热资源丰富。随着地热资源作为绿色能源被广泛利用,日益受到重视。21世纪初期，湖北省咸宁市温泉地热田地热资源进入详查工作,对潜山带构造形迹的性质、规模及其与地热流体的分布、径流及排泄的关系,计算评价可开采量为13320m3/d,最高水温达55℃。2.２区域地质环境条件1)气象水文咸宁市城区属亚热带湿润性气候类型,四季分明,雨量充沛,多年平均降雨量1550mm,最大降雨量1992mm(1980年),降水量多集中在5月～7月份,占全年降水量的44%,多年平均气温15.7℃,最高气温40℃,最低气温零下9℃。咸宁市城区主要河流为淦河,自南向北贯穿城区,最后汇入斧头湖,年均水位20.9m(黄海高),最低水位20.26m。图１湖北省地下热水分布与构造体系([2],2007)2)地形地貌咸宁市位于幕阜山脉北缘丘陵地带与江汉平原南缘相接,总体地势为南高北低。在汀泗桥—吴家湾—马桥—曾家铺－线以南为低缓的丘陵地形,在市区东南方大磨山一带最高,高程为300-500m,上述地区以北逐渐过渡为平原。地热田分布范围内地貌单元主要类型为丘陵和平原,其中潜山带为奥陶系碳酸盐岩组构造溶蚀丘陵;王山寨、温泉经济技术开发区、红光中学一带,则由志留系碎屑岩组构成剥蚀构造丘陵;其余地方为平原地貌,在淦河及其支流两岸则分布一级、三级阶地。3)地层岩性地热田范围内分布的主要地层有第四系全新统、志留系和奥陶系地层。全新统地层主要有冲积层(Q4al)和坡洪积层(Q4dl-p1)。志留系地层主要为下统高家边组,主要见于桥头吕、休干所、温泉镇、余家湾、红光中学等地,呈条带状分布。上部为灰黄色泥质粉砂岩夹粉砂质页岩,中部为黄色页岩、中厚层状,局部为薄层状石英砂岩,因断裂切错而缺失下部地层。奥陶系地层上中下统均有分布,岩性主要为隐晶质泥质灰岩泥质瘤状灰岩、角砾状灰岩、含炭质灰岩,表层硅化现象强烈。4)地质构造咸宁市地质构造位于为扬子准地台梁子湖坳陷与咸宁台褶束的交接部位,从属于大幕山复式背斜北翼的次级构造—高桥向斜、孙鉴铺倒转背斜、贾家山倒转向斜的西延部分,由一系列的紧密褶皱组成区内的基本构造骨架。新华夏晚期构造体系在潜山带表现强烈,其中大义山式断裂有明显的反映。这些不同的构造体系互相干扰、复合,不仅控制了区内的岩性组合、地貌、岩溶发育,而且也严格控制了地下水的分布及其补给、径流和排泄。潜山背斜是地热田的主要构造骨架,其特点是呈梳状,且向南东倒转,区内温泉断裂规模最大,且是经过多次构造变动的复合性断裂,先期为纵张断裂且以垂直运动为主,后期表现为逆向复合,并受逆时针的应力作用而显压扭性特征,是深切割断裂,也是控制区内地热流体分布的主要断裂。2.３温泉地热田地热地质条件1)热储盖层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1762-2856m,平均厚度为2264m。由于岩石中泥质成分含量较高透水和储水性能差,在局部地段发育的断裂和裂隙均被泥质充填,因此岩石的热传递性能较差。在大磨山与潜山之间形成“U”形箱状构造上部形成天然的盖层,阻止了热量的散失,对下伏热流场的热源起到了保温作用,是地热区的热储盖层。2)控热、导热构造在区内,温泉断裂是具有代表性的主干断裂,它的切割深度和规模也是最大的,在潜山南东一带,他控制了志留系地层与奥陶系地层的接触边界,在碳酸盐岩中径流的地热流体,至温泉断裂附近时径流受阻,为区内的控热断裂。另外在月亮湾一带,北西西向发育的张性断裂为导热导水断裂。3)热储根据钻探所获得的资料分析,地热流体的补给、运移和储存都是在碳酸盐岩地层中进行的,并且在岩溶发育的碳酸盐岩地层中获得了较丰富的地热流体,因此在硅化岩石和志留系地层之下的角砾状灰岩、结晶灰岩、龟裂纹灰岩、生物碎屑灰岩、白云质灰岩,岩石裂隙岩溶发育,局部地段是地热流体的主要储存场所,是热储岩层。4)地热田的形成根据同位素资料分析,本区内地热流体的主要来源为大气降水,且为高山降水补给,温泉地热田的补给高程效应应该在500m左右,并且经历了50年以上的径流时间后才进入地热区。在大磨山背斜的北西翼出露的震旦、寒武、奥陶系地层,主要由灰岩、白云质灰岩或灰质白云岩、白云岩等碳酸盐岩组成,岩石裸露,地表岩溶发育,利于地表降水的入渗补给,并且受构造的控制,与地热区的岩溶系统具有水力联系,也为地下水的深部运移提供了通道。在北西翼岩石出露高程为500m左右,是地热区热泉水出露高程的20倍左右,这样天然的水头差为地下水的深部循环创造了条件。当大气降水在重力的作用下顺碳酸盐岩径流系统向深部进行循环,加之地形高度的差异,为地下水的补给、运移、储存提供了良好的地质条件。在奥陶系上部为志留系泥质成分含量较高的粉砂岩,在潜山和大磨山之间形成了地热的天然盖层,根据区域资料,盖层的平均厚度可达2264m,这样既保护了地球深部热量的储存,又为深循环的地下水吸收热量储备了能源。当地热流体径流至潜山附近,由于温泉断裂和一组北西西向断裂的切割作用,地热流体沿破碎带出露,形成温泉和地热田。三.咸宁温泉地热田地热资源量估计３.１地热流量计算根据咸宁市地热田的地热地质条件(包括盖层、热储、控热导热构造等)特征,结合《地热资源评价方法(DZ40-85)》及有关地热资源评价方法的研究资料采用热储法对地热资源进行评价。经过计算,整个地热田的资源量为12.42350×1013kcal,可开采量为1.863525×1013kcal,相当于标准煤266.22×104t,根据试验推断法计算其日可开采量11919.35m3/d。按照规范要求计算,整个地热田的热量为:186352.5×108×4.08834×1000=761870335.7×108(J),折合热功率为:761870335.7×108/(24×365×124.88×3600)=19.3456MW,故咸宁市温泉地热田为中型地热田。本次地热资源评价是在充分收集利用前人已有资料基础上进行的,基本控制了地热田的边界条件,查明了热储的特征,并且通过抽水试验以及其它试验方法获得了进行储量计算的主要参数。通过对地热流体的动态监测,掌握了一年以上的动态监测资料,达到C+D级储量(GB11615-1989)。在利用热储法计算地热资源量时,概化了热储的空间几何形态,并考虑热储中岩石—地热流体固液相系统的热物理性质的不均性,所选择的方法公式合理;地热田面积参数依据地热田的边界、地热田的导水导热断层构造和裂隙、控制性钻孔测温、40℃等值线确定。热储厚度依据二氧化硅地球化学温标推算的热储埋深、第四系松散层的厚度及评价深度综合分析确定,温度考虑了深部温度和孔口井口温度,岩石热物理性质参数依据前人实测值取其各类岩石的平均值,因此,选择的参数具有代表性。综上所述,计算的地热资源储量具有可靠性。３.２地热流体质量评价地热田地热流体质量主要指地热流体的温度(能量)、化学成分的品位。其品位的高低直接决定了地热田的开发利用社会经济价值。依据我国的现行的有关评价标准对地热流体质量进行综合评价。咸宁温泉地热田地热流体中偏硅酸、锶和氟含量达到《地热资源地质勘查规范》(GB11615-89)之附录C—医疗热矿水,命名为氟水、锶水和硅水;地热流体中肉眼可见物、锶含量、铅含量、砷含量、氟含量、镭放射性和总β放射性超过标准,不能作为饮用热矿水;总硬度、铁、氟化物、溶解性总固体、砷、铬、铅含量超标,总α、总β放射性超标不能作为生活饮用水;城区地热流体温度、铬离子、氟化物超过标准,不宜用于农田灌溉;地热流体中铅含量、铬含量、铜离子含量、砷含量和氟化物含量超标,不适宜用于一般的渔业养殖。在城区月亮湾和潜山南东侧,地热流体温度最高温度为48℃－55℃,为低温地热资源,主要可用于医疗、洗浴、温室等;另一部分温度则在40℃以下属于温水,为低温地热资源,可用于农业灌溉、养殖、土壤加温等。四.地热资源的开发利用４.1开发利用历史咸宁市开发地热资源历史悠久,人工开采利用始于20世纪60年代,到80年代得到发展,90年代以来逐步向法制化、科学化的方向发展。地热流体的利用大致经历了三个阶段:1)自然利用阶段:20世纪60年代以前,主要是利用温泉进行洗浴,稻谷、红芋催芽,宰猪、杀鸡褪毛;2)单一利用阶段:70年代,利用自流孔的地热流体进行科学研究:地热养鱼、孵化禽类、育秧、烘干、为沼池加温等,但相对较单一;3)初级综合利用阶段:80年代以来,利用自流井孔、生产开采井进行科学研究、预报地震、地热养鱼、地热灌溉、医疗保健、旅游、体育、疗养、居民生活等领域。目前地热流体的应用主要在服务、医疗、水产养殖、居民生活、科研等领域,并且取得了良好的经济、社会和环境效益。４.2开发利用现状目前地热资源开发利用主要集中在温泉经济技术开发区月亮湾一带,2005年日均开采地热流体总量4470m3