郴州市許家洞地區地熱資源特征及資源量評價(jià)

1 研究區概況

1.1 區域地質(zhì)條件

許家洞地熱勘查區地理位置為113°00′32.75″～113°02′49.79″E,25°50′39.10″～25°53′41.89″N，面積16.8 km2。區內屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區，并有向南亞熱帶、熱帶氣候過(guò)渡的特征，四季分明，雨量充沛。據郴州市1991～2020年氣象資料統計，區內年平均降雨量為1452.12 mm，其中4～9月的平均降雨量為972.30 mm，占全年降雨量的66.96%，年蒸發(fā)量1260.41～1831.03 mm，年平均氣溫17.8℃，年平均相對濕度78.92%。

區內出露地層從老到新依次為石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和第四系更新統。石炭系下統大塘組巖性以砂巖、礫砂巖和粉砂巖為主，中上統壺天群巖性以白云巖為主；二疊系下統包括當沖組和棲霞組，巖性以硅質(zhì)巖、頁(yè)巖、灰巖及泥灰巖為主，棲霞組底部以生物碎屑灰巖與壺天群分界，頂部以泥灰巖與當沖組分界，上統斗嶺組巖性以砂質(zhì)、炭質(zhì)頁(yè)巖及石英砂巖為主；侏羅系下統分布在礦區外圍東南部，巖性為砂巖、頁(yè)巖及砂質(zhì)頁(yè)巖，砂質(zhì)頁(yè)巖微層理清晰。白堊系下統分布在礦區外圍北東部，以砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖為主。第四系更新統上部為亞粘土及亞砂土和耕植土、下部為磨圓度較好的砂礫層，主要分布于沿郴江一帶河流階地。

研究區位于華南褶皺系贛湘桂粵褶皺帶的鸞頭嶺—煙崗嶺復式背斜北段。區內北東向斷層（自北西至南東依次主要有F24、F7、F25、F8）對地下熱水的形成與分布具有一定的控制作用，局部可見(jiàn)的北西向斷層在深部與北東向斷層交匯，為地下熱能提供了儲存場(chǎng)所和運移通道。初步的勘查分析認為，許家洞地區地下熱水主要儲存于沿F7、F25斷層發(fā)育的碳酸鹽巖巖溶裂隙和通道中，局部破碎地段及裂隙為深部熱能提供了上升通道，為地下熱水的主要控熱、控水構造。在北東向和北西向斷裂交匯處有多處溫泉出露，沿北東向呈帶狀分布（圖1）。

圖1 郴州市許家洞地區地下熱水徑流示意圖

根據區內地層組合、巖性特征和地下水賦存條件，將地下水劃分為松散巖類(lèi)孔隙水、紅層碎屑巖孔隙裂隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水四種類(lèi)型，不同地下水類(lèi)型及富水性特征見(jiàn)表1。根據現場(chǎng)地熱鉆孔調查，地下熱水主要賦存于沿F7、F25斷層發(fā)育的灰巖巖溶裂隙和巖溶通道中，在F7斷層上盤(pán)的CK3、CK7地熱孔，降壓試驗測得的水溫分別為47.0℃和35.6℃。

1.2 地熱田地質(zhì)特征

研究區地下熱水賦存于沿斷層發(fā)育的棲霞組和壺天群碳酸鹽巖巖溶裂隙和巖溶通道中，局部破碎地段及裂隙為深部熱能提供了上升通道。地表大面積出露的斗嶺組和當沖組砂巖、頁(yè)巖、硅質(zhì)巖起著(zhù)相對隔水和隔熱作用，未破碎的碳酸鹽巖同樣起著(zhù)相對隔水、隔熱作用。

許家洞地區地熱勘查范圍包括許家洞和下湄橋兩個(gè)地熱塊段。由于兩個(gè)地熱塊段構造特征不同，地下熱水溫度亦有所差別，考慮到未來(lái)會(huì )分別開(kāi)發(fā)利用，故對兩個(gè)地熱塊段（許家洞地熱塊段和下湄橋地熱塊段，下文分別簡(jiǎn)稱(chēng)為GB1和GB2）地下熱水資源分別進(jìn)行分析評價(jià)。GB1受F7斷層控制，降壓試驗測得最高水溫達47℃，區內無(wú)熱水天然露頭，屬低溫地熱資源中的溫熱水；GB2主要受F25斷裂構造影響，該斷層沿北北東25°方向展布，降壓試驗測得熱水溫度為35.6～36.5℃，屬低溫地熱資源中的溫水。

2 地熱流體流場(chǎng)特征及動(dòng)態(tài)分析

2.1 地熱流體流場(chǎng)特征

區內巖溶水補給主要靠大氣降水通過(guò)漏斗、洼地進(jìn)行直接補給，在溶洞地下河中等至強烈發(fā)育地區亦受地表水灌入補給，補給面積廣、水源充分。地下水沿北東向斷層（F7、F25、F24、F8）往深部滲透補給地下熱水，在徑流途中，各斷層間縱橫交錯的裂隙系統為地下熱水的相互聯(lián)通提供了良好的條件。在GB1處，位于外圍北東側的711礦自然排水點(diǎn)所測標高為172.00 m,CK1和CK3地熱孔同時(shí)期的水位標高為187.69 m、187.28 m，整體上，地下熱水由南西向北東方向徑流；在GB2處，北側花根沖B05號自流孔水位標高為170.90 m,CK7和CK8地熱孔同時(shí)期的水位標高為166.51 m、170.00 m，整體上，地下熱水由北東向南西方向徑流。

2.2 地熱流體的動(dòng)態(tài)特征

本次分別選取CK1和CK7地熱孔對GB1和GB2地熱流體動(dòng)態(tài)特征（水位和水溫）進(jìn)行觀(guān)測，GB1中地熱孔CK1的觀(guān)測時(shí)間為2020年12月～2021年12月；GB2中地熱孔CK7的觀(guān)測時(shí)間為2020年2月～2021年2月。其地下熱水水位及水溫的動(dòng)態(tài)變化分別見(jiàn)圖2和圖3。

由圖2可知：CK1和CK7地熱孔水位動(dòng)態(tài)變化具有明顯的季節性特征，且與降雨量大小聯(lián)系密切，最高水位均集中在5～7月份，水位變化均屬于基本穩定型。觀(guān)測期內CK1和CK7地熱孔水位標高變化范圍分別在187.11～189.22 m和166.40～169.22 m，年變化幅度分別為2.11m和2.82 m。

3 地熱流體化學(xué)特征與質(zhì)量評價(jià)

3.1 水化學(xué)特征

本次對GB1中CK1、CK3地熱孔和GB2中CK7、CK8地熱孔水樣進(jìn)行采集并開(kāi)展水質(zhì)測試。所采集的地下熱水為低溫、無(wú)色透明的水。本次研究采集的地下熱水樣品均在現場(chǎng)用0.45μm濾膜過(guò)濾，并保證水樣充滿(mǎn)采樣瓶以防止空氣進(jìn)入，pH值在野外通過(guò)便攜式手持p H計測定。水樣品化學(xué)成分測試在湖南省地質(zhì)工程勘察院進(jìn)行，SO42-、Cl-、F-等陰離子含量利用離子色譜法分析，Ca2+、Mg2+、Na+和K+等陽(yáng)離子含量和其他金屬元素分別采用ICP-AES和ICP-MS分析,水化學(xué)分析方法符合國家標準《食品安全國家標準飲用天然礦泉水檢驗方法》（中華人民共和國國家衛生健康委員會(huì )和市場(chǎng)監督管理總局，2022），測試誤差控制在3%以?xún)?。δD和δ18O在核工業(yè)二三〇研究所利用水同位素分析儀采用波長(cháng)掃描-光腔衰蕩光譜法進(jìn)行檢測，并取3針平均值作為檢測結果，測試精度分別為±1‰和±0.1‰。測試結果見(jiàn)表2。

研究區地下熱水中陽(yáng)離子主要包括Ca2+、Mg2+、Na+和K+，其含量分別為56.16～81.68 mg/L、15.48～20.79 mg/L、1.31～10.64 mg/L和1.22～2.77mg/L；主要陰離子HCO3-為59.89～82.63 mg/L、SO42-為15.01～37.23 mg/L、Cl-為1.35～2.58 mg/L;pH為7.58～7.91，呈弱堿性。根據總硬度和礦化度指標（全球大氣降水線(xiàn)附近，表明研究區地下熱水主要由大氣降水補給，且發(fā)生了水汽再循環(huán)。整體分析可知，研究區地下熱水水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Na型或HCO3·SO4-Ca·Mg型。

4 地熱資源量計算及資源潛力評價(jià)

4.1 地熱儲能計算

熱儲法是目前計算地熱資源量較為成熟且應用廣泛的方法（熱儲法進(jìn)行區內地熱資源量的計算，公式如下：

式中：Q為地熱資源量；Qr為巖石中儲存的熱量；Qw為水中儲存的熱量；QL為熱儲中儲存的水量；A為熱儲面積；d為熱儲厚度；ρr為熱儲巖石密度；Cr為熱儲巖石比熱容；ψ為熱儲巖石孔隙率或裂隙率；tr為熱儲溫度；t0為當地年平均溫度；ρw為地下熱水密度；Cw為水的比熱容；S為導水系數，無(wú)量綱；H為計算起始點(diǎn)以上高度。參照《地熱資源地質(zhì)勘查規范》（中國國家標準化管理委員會(huì )，2010）附錄C中所列經(jīng)驗值及區內地熱資源勘查資料對計算參數取值，各計算參數及結果見(jiàn)表5。由表5可知：GB1和GB2熱儲層中儲存的熱量分別為8.10×1016J和1.06×1016J。

4.2 地下熱水可采資源量計算

許家洞地區地下熱水動(dòng)態(tài)變化較小，采用單孔可開(kāi)采量評價(jià)法分別計算GB1和GB2內地下熱水可開(kāi)采資源量。由鉆孔的可開(kāi)采量計算結果（表6）可知，GB1和GB2中地熱孔的可開(kāi)采量分別為766.11 m3/d和4079.28 m3/d。

4.3 地下熱能量計算

根據鉆孔可開(kāi)采熱水量，區內地下熱水可開(kāi)采熱水的熱能計算公式如下：

式中：Wt為熱功率；Q為地熱流體可開(kāi)采量；t為地熱流體溫度，取抽水時(shí)溫度；t0為當地年平均氣溫。地熱流體年開(kāi)采累計可利用的熱能量按式（7）進(jìn)行估算：

式中：ΣWt為一年開(kāi)采累計可利用的熱能量；D為全年開(kāi)采日數，按每年250天計算；K為熱效比，按燃煤鍋爐的熱效率0.6計算。

表7給出了區內地熱田可采熱儲能計算結果。由表7可知：GB1和GB2地熱塊段可采熱儲量分別為6301 kW和2684 kW（即6.30 MW和2.68 MW），故許家洞地區地下熱水可采熱儲量為8.98 MW，每年可提供約3.23×108MJ熱能，屬小型地熱田。

根據《地熱資源地質(zhì)勘查規范》（中國國家標準化管理委員會(huì )，2010）附錄F,GB1和GB2地熱塊段地熱利用的年節煤量分別為7741.40 t和4017.05 t，共計約1.18×104t。

5 結論

研究區熱源由隱伏巖體深部熱能通過(guò)斷裂構造（以F7和F25為主）上升形成，蓋層主要為二疊系斗嶺組和當沖組的砂巖、頁(yè)巖、硅質(zhì)巖等，棲霞組和壺天群的碳酸鹽巖巖溶發(fā)育段構成了該地熱田的熱儲層，完整的碳酸鹽巖起著(zhù)相對隔水隔熱的作用。

許家洞地區地下熱水賦存于碳酸鹽巖的巖溶裂隙和通道中，主要補給來(lái)源是大氣降水。地下水沿斷裂構造向深部滲透補給地下熱水，當地下水運移到一定深度，由常溫地下水變成地下熱水后，由于斷層兩側巖溶裂隙系統的不均一性，受深部、淺部相對隔水隔熱巖層的阻隔，地下熱水向上運移，在地表以溫泉形式出露。水位和水溫的動(dòng)態(tài)觀(guān)測顯示區內水位屬基本穩定型，水溫在不受外界影響的情況下無(wú)明顯波動(dòng)。

區內地下熱水為低溫、無(wú)色透明的弱堿性水，隨季節變化不明顯。地下熱水的陽(yáng)離子以Ca2+、Mg2+為主，其次為Na+、K+；陰離子以HCO3-為主，其次為SO42-、Cl-；水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Na型或HCO3·SO4-Ca·Mg型，初步判斷區內地下熱水可作為理療熱礦水開(kāi)發(fā)利用。地下熱水中的偏硅酸、鍶達到飲用天然礦泉水標準。

許家洞和下湄橋兩個(gè)地熱塊段熱儲層中的熱儲量分別為8.10×1016J和1.06×1016J，可開(kāi)采量分別為766.11 m3/d和4079.28 m3/d，地下熱水可采熱儲量分別為6300.99 kW和2684.13 kW，每年可分別提供約2.27×108MJ和9.66×107MJ的熱能，每年節約的標準煤資源約1.18×104t。這對該地區地熱資源的開(kāi)發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護具有重要指導意義。