陜西省眉縣湯峪地熱田地質(zhì)特征與成因分析

  摘 要：眉縣湯峪地熱田位于秦嶺山地與汾渭地塹的接觸地帶，屬于典型的斷裂裂隙型地熱田。筆者基于物探和水文地球化學(xué)方面工作對該區進(jìn)行了系統研究。結果表明：湯峪地熱田內主要分布著(zhù)東西向和近南北向的兩組斷層構造。這兩組構造也成為研究區內主要的導（控）水和導（控）熱構造，控制著(zhù)地熱田的分布。地熱田內熱儲層為斷層破碎帶和裂隙發(fā)育地段，具有良好的儲水儲熱性能。地熱水由研究區以南的秦嶺山區得到補給，補給水源以大氣降水為主，補給水徑流向地下滲透，經(jīng)熱源加熱后成為地熱流體。熱水在區內斷層交匯處上涌，最終形成地熱田。

 

  關(guān)鍵詞：地熱田；熱儲層；地熱流體；成因分析；湯峪.

 

  地熱資源是一種十分具有競爭力的可再生能源。實(shí)現地熱資源的可持續開(kāi)發(fā)和利用是當今世界地熱產(chǎn)業(yè)所面臨的最為重要的問(wèn)題。要解決這一問(wèn)題，關(guān)鍵是要查明地熱資源的成因。目前，國內外此類(lèi)研究已較為成熟，我國學(xué)者還在中低溫地熱資源成因研究中提出了具有特色的“熱流折射”和“新構造控熱控水”理論。

 

  眉縣湯峪地區地熱勘查工作始于上個(gè)世紀80年代初期。一些地質(zhì)單位在此先后做過(guò)自然電位剖面、地溫測量、醫療礦泉水調查分析等一系列勘查工作?；救Χ?a href="http://keyinmall.com/t/地熱.html" >地熱異常區，對于湯峪地熱田所處區域的地層、巖漿巖、構造等情況有了基本的介紹，但對于地熱田的成因，以及地熱田內地層巖性、構造對地熱分布的影響等問(wèn)題未給予解釋說(shuō)明。筆者在前人研究的基礎上，通過(guò)實(shí)地的地質(zhì)填圖、α卡法、激電測深法、淺層測溫以及地熱流體化學(xué)分析等工作，對地熱田內的地質(zhì)特征以及地熱田成因進(jìn)行了系統的研究分析，并建立了湯峪地熱田概念模型。

 

  1 區域地質(zhì)概況.

 

  眉縣湯峪地熱田位于陜西省眉縣湯峪鎮境內。

 

  南依秦嶺主峰太白山，北臨渭河盆地。構造位置處于秦嶺造山帶與華北地臺次級構造汾渭地塹中的渭河斷凹交接部位。地形呈階梯狀抬升，不僅對區內新生界沉積及現代地貌有顯著(zhù)的控制作用，還控制影響了不同地段地下熱水的形成與蓄集。區域出露的地層主要有第四系、震旦-奧陶系斜峪關(guān)巖群、中元古界寬坪巖群和早元古界秦嶺巖群等。區域內還發(fā)育著(zhù)太白山巖漿巖體?？傮w構造格局是東西向的秦嶺北麓斷裂與北東向的桃川斷裂，北西向的眉縣-槐芽鎮推測斷裂相交匯切割，控制了研究區及相鄰地區的地熱情況。其中秦嶺北麓斷裂是區域性深大斷裂，經(jīng)歷了古生代、中生代的不斷發(fā)展演化，由原來(lái)的壓性—壓剪性超巖石圈斷裂演變?yōu)閺埿詺嗔?。該斷裂是由多條斷裂組合成的斷裂帶，對眉縣湯峪地熱田的地熱條件起著(zhù)重要的控制作用。

 

  2 地熱田地質(zhì)特征.

 

  2.1地熱田地層和巖性劃分.

 

  地熱田內地層主要為第四系、中元古代寬坪巖群謝灣巖組和太白山片麻狀花崗巖巖體，分布如圖1所示。地熱田內，以F1斷層為邊界，其北主要為第四系出露，南邊為基巖區。第四系全新統覆蓋于山前湯峪河河床及一、二級河谷階地上。一級河谷階地呈帶狀分布于湯峪河兩側，由南向北逐漸拓寬，主要為沙、砂礫、少量卵石及亞砂土等。其兩側為湯峪河二級階地，呈帶狀分布，地表為更新統馬蘭組黃土，呈淡黃色其中夾有淺棕色古土壤層，后緣與秦嶺山前沖洪積扇相接。沖洪積扇呈扇形分布在河谷兩側，扇面向北傾斜，主要為砂礫石、砂土及亞砂土，磨圓差，分選性不好，上部也被更新統黃土覆蓋。F1斷層以南為秦嶺山地，大面積基巖出露，按巖性變化劃分為四個(gè)帶（圖1），從南到北巖性依次為：（1）中元古代寬坪群謝灣巖組變質(zhì)帶：主要巖性以中細粒斜長(cháng)角閃片麻巖為主，夾少量含黑云母斜長(cháng)石英巖、白云母綠泥石鈉長(cháng)石英片巖。（2）韌性剪切帶，巖性為糜棱巖化花崗巖；（3）侵入的片麻狀花崗巖體也就是前文所說(shuō)的太白山巖體，受桃川脆韌性斷裂帶控制，在研究區內呈東西向巖墻狀產(chǎn)出，在湯峪河以東地下三百米處發(fā)生尖滅，是一個(gè)由西向東逐漸變薄的巖體，與北部的寬坪群呈侵入接觸關(guān)系。（4）中元古代寬坪群謝灣巖組混合巖化片麻巖，分布于湯峪河口兩側，東到鳳山東麓，西至東滑峪溝，基本以中細粒黑云母斜長(cháng)角閃片麻巖為主，后期受混合巖化作用，使得片麻巖中的片理和斷裂裂隙變得封閉，大大降低了其透水和儲水功能，最終成為研究區內的阻水層。根據巖性的變化對比，我們將研究區內的韌性剪切帶和混合巖化片麻巖定為阻水巖帶。

 

  2.2地熱田構造.

 

  本次工作中我們采用了α卡法以及激電測深法對地熱田內的構造進(jìn)行查找和追蹤。其中α卡法儀器是FFA-2快速α數字閃爍輻射儀，激電測深設備為重慶奔騰地質(zhì)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的WDJD-3多功能數字直流電激電儀。α卡法由東向西共布6條測線(xiàn)，每條測線(xiàn)從南段開(kāi)始至北段結束，測線(xiàn)長(cháng)度總計3440m。每條測線(xiàn)上30 m布設一個(gè)測點(diǎn)，共計布設了117個(gè)點(diǎn)。激電測深法共布線(xiàn)4條，由于受地形控制，測線(xiàn)長(cháng)短不一，最長(cháng)可達1120 m，最短560 m。測線(xiàn)長(cháng)度共計2880 m，布設148個(gè)點(diǎn)。根據物探資料和前人的工作結果，我們發(fā)現地熱田內主要發(fā)育著(zhù)近東西向的F1、F2、F6、F7號斷層，和近南北向的F3、F4、F5號兩組斷層，呈典型的“十字架”型構造格局。

 

  從圖中可見(jiàn)，F1斷層位于秦嶺山前，根據激電測深法測得的結果推知該斷層破碎帶寬38 ～ 50 m，斷層面北傾，傾角75 ～ 80 °。斷層上盤(pán)被第四系覆蓋，下盤(pán)為混合巖化角閃片麻巖，具有一側阻水，一側導水1.第四系全新統；2.第四系上更新統；3.斜長(cháng)角閃片麻巖；4.混合巖化片麻巖；5.糜棱巖化花崗巖；6.片麻狀花崗巖；7.斷層；8.地熱井井號（溫度和深度）；9.溫泉28 地 質(zhì) 調 查 與 研 究第37卷的特性。F2斷層為低角度逆掩斷層，其下盤(pán)為片麻狀二長(cháng)花崗巖，巖石中次生裂隙發(fā)育，但多被石英脈充填，上盤(pán)局部地段出現構造角礫巖，推斷為多期活動(dòng)所產(chǎn)生。F6斷層，位于韌性剪切帶北側，激電解譯寬度為30 m。南為阻水帶，北為透水帶的邊界斷裂，是低角度壓扭性斷層。

 

  根據區域資料分析，我們認為F1斷層即為組成秦嶺北麓斷裂帶中的一支，其南部F2、F6、F7斷層皆為北秦嶺山前斷裂帶的次生斷裂。F5、F4、F3三條斷層，地表、地貌證據不足，均為物、化探異常所證實(shí)。

 

  其中F5、F4呈北西向，與區域上槐芽鎮斷裂平行，且均有汞、鉍化探異常分布，可能為與之同期的構造運動(dòng)產(chǎn)物。

 

  2.3地熱田圈定.

 

  我們采用淺層測溫方法對該區地熱田范圍進(jìn)行圈定。同時(shí)結合當地地質(zhì)情況及早期開(kāi)采的熱水井地理位置，確定了地溫場(chǎng)范圍（圖2）。我們將等溫線(xiàn)為10 ℃，地溫梯度為10 ℃/hm作為地熱田的異常下限。從圖2上可發(fā)現，地熱場(chǎng)呈近橢圓形，東西向為長(cháng)軸，與F2斷層近似平行。南北向為短軸，與F4斷層平行。F2和F3斷層相交處，是地熱田內溫度異常值最高地方。

 

  根據王澤龍等人的研究觀(guān)點(diǎn)，地質(zhì)構造對地溫場(chǎng)的分布存在影響，地熱異常區的延伸方向與斷裂線(xiàn)相平行，熱異常中心靠近主干斷裂，特別是有主干斷裂相伴生的斷裂時(shí),其相匯部位更會(huì )成為熱能儲存運移的空間及通道,成為地熱異常的核心部位。從圖2上可看到F2斷層控制的2#、6#井井水溫度最高分別為70 ℃和73 ℃。 F6斷層控制的5#井井水溫度次之64 ℃，而F1斷層控制的1、3、4、7#井溫度最低，分別為57 ℃、49 ℃、41 ℃、58 ℃，其中7#、3#井在2008年汶川地震中受到影響，現在出水量和水溫大大降低，現已報廢，不再使用。據此推斷，地熱田內東西向F2、F6斷層為主要的導熱通道，當和南北向F3、F4斷層相匯時(shí)，其附近的熱水井的水溫和水量大大升高。由此說(shuō)明其具有很好的導熱導水性，導通了深部熱源，使地下熱水在斷裂附近富集。湯峪地熱田內的構造對地熱田的溫度和水量有明顯控制作用。

 

  同時(shí)我們還注意到，高溫井都出現在巖性較為致密的片麻巖和花崗巖中，而低溫井卻在第四系上。根據資料，我們知道除3#井之外，其他井的取水層段巖性均為寬坪群片麻巖。因此筆者推斷地熱田內熱水井井溫度高低不僅受構造作用影響，地表巖性對其影響也不可忽視。F1斷層控制的1#、3#、4#熱水井，分布在秦嶺山前沖洪積扇上，地表為松散的沖洪積物覆蓋，具有分選性差，磨圓度低等特點(diǎn)?？障堵?、透水性也遠遠高于其南邊的變質(zhì)巖和巖漿巖。

 

  1.第四系全新統；2.第四系上更新統；3.斜長(cháng)角閃片麻巖；4.混合巖化片麻巖；5.糜棱巖化花崗巖；6.片麻狀花崗巖；7.斷層；8.地熱田范圍；9.熱水井及井口溫度；10.等溫線(xiàn)（℃／100m）第1期 張鵬:眉縣湯峪地熱田地質(zhì)特征與成因分析29這不免會(huì )出現發(fā)源于南邊秦嶺山內湯峪河中的冷水下滲的情況。下滲的冷水與地下熱水混合，使得整體水溫下降。而且F1斷層南面分布了混合巖化片麻巖，是研究區內的阻水層，不利于F2斷層中的熱水在水平方向上向F1斷層的運移和熱量的傳導。因此致使1#、3#、4#井水溫明顯低于其他井。

 

  2.4熱儲層及其溫度估算.

 

  湯峪地熱田屬于斷裂裂隙型地熱田，熱儲層為斷層破碎帶和裂隙發(fā)育帶, 呈帶狀分布。熱儲層地層巖性為片麻狀花崗巖和中元古代寬坪巖群謝灣組片（麻）巖等。其內部裂隙發(fā)育，富水及導水性能較好，當遠離這些斷裂裂隙帶時(shí)，則富水隔水性較差。

 

  為估算地熱田熱儲層溫度，我們分別對研究區的5口熱水井的井水進(jìn)行了采樣和水質(zhì)分析，并將相關(guān)離子列于表1。根據地熱田地形特征和水化學(xué)特征，選用Na-K-Ca地熱溫標法對5口井熱儲進(jìn)行估算。溫標公式如下：

 

  t=1647lg(Na/K)+β[lg( Ca/Na)+2.06]+2.47-273.15其中Na代表Na的質(zhì)量濃度,K代表K的質(zhì)量濃度，Ca代表 Ca 的質(zhì)量濃度，單位 mg/L。若 t＜100℃,且[lg( Ca/Na)+2.06] 為正，β取 4/3；若 t＞100℃或[lg( Ca/Na)+2.06] 為負，β取1/3[6]

 

  。將參數帶入公式得出計算結果列于表2。我們發(fā)現計算得出的五個(gè)熱儲溫度基本一致。因此我們將五個(gè)熱儲溫度數值的平均數即152.93 ℃作為湯峪地熱田整體熱儲估算溫度。

 

  2.5熱源與蓋層研究區位于關(guān)中盆地的西南部，具有偏高的區域大地熱流值。

 

  1.斷層；2.等溫線(xiàn)30 地 質(zhì) 調 查 與 研 究第37卷20～30 km之間，同時(shí)該區地幔局部隆起，在地幔烘烤下，熱流上升，對地熱田進(jìn)行加熱。該區這種偏高的大地熱量就是湯峪地熱田的熱源。根據圖3關(guān)中地區地溫曲線(xiàn)圖，我們發(fā)現研究區附近的等溫曲線(xiàn)較其他地區密集，溫度值也高于圖內其他地區。

 

  同時(shí)地溫曲線(xiàn)的伸展方向亦為近東西向，與地熱田內的F1、F2、F6三條東西向斷層較為接近甚至吻合。

 

  推斷這種情況的出現與秦嶺北麓斷裂有關(guān)的F1、F2、F6斷裂有著(zhù)不可分割的關(guān)系。秦嶺北麓斷裂是區域性深大斷裂，具有深部構造背景，可直接導通地下熱源。熱量存在于氣體和液體中，在溫度差作用下，以對流方式由深部沿斷層向上進(jìn)行運移，運移過(guò)程中對斷層上下盤(pán)巖石進(jìn)行了加熱，也加熱了巖石裂隙中的水。研究區內秦嶺北麓斷裂及其滋生斷裂成為地熱田內地下熱源向上導熱的主要通道。

 

  地熱田內蓋層主要以覆蓋在早古生代晚期片麻狀花崗巖和中元古代寬坪巖群謝灣組片（麻）巖組上的第四系黃土為主，厚度較薄為0.5～6.0 m不等，隔熱保溫性能差，無(wú)法真正的起到蓋層作用。

 

  3地熱田成因分析.

 

  3.1用同位素法分析地熱水來(lái)源.

 

  在湯峪地熱田成因研究工作中，我們采用氫氧同位素方法來(lái)研究地下水的起源與形成。通過(guò)對本研究區的5口熱水井水樣進(jìn)行采集化驗，根據δD和δ18O的鑒定結果（表3），湯峪地熱田內δD、δ18O含量穩定，變化幅度不大，δ18O=-9.6‰ ~ -12.6‰，δD=-63.1‰ ~ -85.4‰均在大氣水氫氧同位素組成范 圍 內（δD=+ 10‰ ~ - 400‰ , δ18O =0‰ ~ -60‰）。根據上述結果繪制δD-δ180曲線(xiàn)圖。

 

  可見(jiàn)5口熱水井井水的δD-δ180坐標位置都落在標準降水線(xiàn)附近。因此，可以判斷溫泉水是來(lái)源于大氣降水和地表水。

 

  由于大氣降水的δD和δ18O值具有高程效應,因此,可以確定地熱流體的同位素入滲高程（即補給區的高程）。經(jīng)計算，研究區內的5口熱水井井水補給區的海拔高度分別為:太白酒業(yè)賓館2921 m；太白山國家森林公園2781 m；溫泉賓館2964 m；青園山莊3171 m。根據區域地貌可知，湯峪地熱田內的地熱水補給區在地熱田以南的秦嶺山內，海拔高度在2781 m到3171 m，補給水來(lái)源為大氣降水。此結論并不影響前文中提到的湯峪河河水在F1斷層附近下滲導致水溫下降的推斷。因為湯峪河發(fā)源于秦嶺高山內，水源補給是山內的大氣降水，和地下熱水來(lái)具有相同來(lái)源，所以后期的滲透并不會(huì )影響地下熱水中的δD與δ180相對含量的變化。

 

  3.2地熱田成因分析眉縣湯峪地熱田屬于斷裂裂隙型地熱資源，熱表3 同位素測定值（‰）Table 3 Isotope determination value（%）測試單位：中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所采樣點(diǎn)δ180δD1#井-9.6-63.12#井-11.8-82.64#井-12.1-85.45#井-12.6-90.46#井-12.2-86.3湯峪地熱田溫泉水δ180-δD圖Fig.4 Tangyu geothermal hot spring water δ180-δD diagram第1期 張鵬:眉縣湯峪地熱田地質(zhì)特征與成因分析31儲為斷裂破碎帶和裂隙發(fā)育帶。地熱田內的熱源為區域內的異常地熱流體，在斷層的溝通作用下，由地下深部以對流和熱傳遞方式對上進(jìn)行加熱。同時(shí)斷層破碎帶和裂隙帶尤其是在斷層的交匯部位空間較大可以?xún)Υ?a href="http://keyinmall.com/t/地下水.html" >地下水和熱量。根據氫氧同位素數據分析計算得知，地熱水的補給區在其南部秦嶺山內，海拔高度在3171 m以?xún)?。大氣降水?a href="http://keyinmall.com/t/地表水.html" >地表水（地表水也是大氣降水而來(lái)）在補給區沿斷裂和裂隙下滲，進(jìn)行深部循環(huán)，循環(huán)深度可達5.6 km。在地下徑流過(guò)程中，逐漸將地下深部地層或巖體中的熱量加以吸收和儲蓄，形成中低溫熱水。熱流體從南邊地勢高的地區一直向北部地勢較低區域徑流，直到運移到F6和F3、F2和F4等斷層交匯、裂隙發(fā)育段得到存儲甚至向上運移以溫泉形式出露地表，一個(gè)環(huán)流系統才得以結束。在地熱流體沿斷層向地表運移過(guò)程中，因其具有相對于圍巖較高的溫度，就會(huì )對淺部裂隙等構造中儲存的水和圍巖進(jìn)行加熱，增高了熱田內地層溫度。

 

  研究區內，流體由南向北徑流，筆者推測南北向的斷層對地下流體也起到一定的引導作用，東西向斷層屬于北秦嶺山前斷裂的組成和分支，因此F1、F2、F6則主要起到導熱作用，同時(shí)也促進(jìn)了地熱流體向地表方向上運移。

 

  據此我們建立了湯峪地熱田概念模型圖5。圖中南部秦嶺山區的黑色箭頭方向表示大氣降水和地表水沿斷裂和裂隙向地下的滲透方向。下面向右指示的箭頭代表地表水滲透到深部以后，在地下的徑流方向?！澳裘妗敝弦慌畔蛏系募^表示地下熱源的向上流體的傳導方向。在地下水徑流過(guò)程中，逐漸被加熱，當遇到斷層出現以后，一部分熱水沿斷層向上運移，剩下的將繼續向地勢低的地方徑流。

 

  4 結論.

 

  通過(guò)對眉縣湯峪地區地熱資源的預可行性勘查研究，我們得出以下結論：（1）眉縣湯峪地熱田屬于典型的斷裂裂隙型地熱資源，熱儲層為斷裂破碎帶和裂隙發(fā)育帶。熱儲層所在的地層巖性為片麻狀花崗巖和中元古代寬坪巖群謝灣組片（麻）巖。（2）地熱田的蓋層為地表的第四系，但是其厚度較薄無(wú)法起到保溫儲熱功能。（3）地熱田內熱量主要是靠關(guān)中地區