地熱資源作為一種清潔、可循環(huán)利用的可再生能源,具有儲量大、分布廣、環(huán)保、穩(wěn)定等特征,使用其代替部分傳統(tǒng)能源不僅對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境具有重要意義,而且還可以促進培育新興產(chǎn)業(yè)、加速新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、豐富地方旅游資源、增加地方就業(yè)率。近年來,為滿足中國生態(tài)文明建設(shè)的現(xiàn)實需求,地熱資源的需求越來越大、應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,其勘查、開發(fā)和利用必將迎來一個快速發(fā)展期。

湖北省地熱資源勘查工作始于20世紀60、70年代,經(jīng)過近60年的探索及實踐,目前已形成一套相對成熟的勘查方法,主要勘查手段包括水文地質(zhì)測量、淺層地溫測量、地球化學勘查、地球物理勘查及地熱地質(zhì)鉆探。水文地質(zhì)測量作為地熱勘查中的基礎(chǔ)性、先行性地質(zhì)工作,在水熱型地熱資源勘查(尤其是中深層地熱勘查,深度1～3 km)中起到了至關(guān)重要的作用,甚至直接成為勘查成敗與否的關(guān)鍵因素。

1 水熱型地熱資源類型及水文地質(zhì)測量

湖北省水熱型地熱資源較為豐富,現(xiàn)已在39個縣(市)發(fā)現(xiàn)有地熱田(或溫泉)68處,多形成溫泉出露于地表,由鉆孔、開礦發(fā)現(xiàn)的有15處。地熱資源溫度由26～110 ℃不等,按地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范,可將其歸為地溫地熱資源—中溫地熱資源。按地熱資源的成因模式劃分,可將其分為隆起斷裂型和沉降盆地型,其中隆起斷裂型地熱資源按熱儲巖石性質(zhì)及其賦存空間劃分,可劃分為裂隙亞型和巖溶亞型。

水文地質(zhì)測量工作貫穿地熱資源勘查全過程,研究的對象主要是地下熱水和與其有關(guān)的地質(zhì)現(xiàn)象,工作手段主要是實地觀測和地質(zhì)填圖,其主要調(diào)查內(nèi)容包括含水巖組(層)和隔水巖組(層)的分布、性質(zhì)、厚度和變化規(guī)律及斷裂的水文地質(zhì)特征;著重了解地下熱水與地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、自然地理現(xiàn)象的關(guān)系及其補給、逕流和排泄條件;含水層的水量、水質(zhì)及其動態(tài)變化規(guī)律等。由于地熱資源成因類型的差異,水文地質(zhì)測量的工作重點亦有所差別。

2 不同類型地熱資源的特征

2.1 隆起斷裂型裂隙亞型地熱資源

隆起斷裂型裂隙亞型地熱資源地熱地質(zhì)特征主要有下列五點。

(1) 地熱田多位于地殼隆起或褶皺山地,沿區(qū)域深大斷裂帶及其次級斷裂產(chǎn)出,尤以喜山期張性斷裂或其影響帶出露溫泉數(shù)量較多,在兩組走向近垂直斷裂交匯部位,地質(zhì)應(yīng)力疊加釋放,給予地下熱水向上運移的通道,往往在這些部位形成相對較大規(guī)模的地熱田。受構(gòu)造活動影響,原先不含水的地層(巖體)產(chǎn)生了斷裂及其破碎帶、影響帶,給予了地熱流體賦存空間以及運移通道,這使得該類型地熱資源往往呈現(xiàn)條帶狀產(chǎn)出,屬于條帶狀熱儲裂隙型地熱田,斷裂破碎帶的孔隙、裂隙是地下水補給、徑流、排泄的唯一途徑。

(2) 地下熱水多出露地表,形成溫泉,大氣降水通過斷裂破碎帶和裂隙帶入滲,在相對較高的大地熱流值背景條件下,經(jīng)遠源補給、深循環(huán)并與圍巖達到水熱化學平衡,在合適的地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造條件下,于地勢低洼或構(gòu)造復(fù)合部位出露地表。地熱田中心地溫梯度5.12～13.24 ℃/100 m不等,明顯高于當?shù)仄骄?a href="http://kaichele.cn/t/地溫.html" >地溫增溫率。

(3) 該類型的地熱流體溫度由33.6～77 ℃不等,較巖溶亞型地熱資源流體溫度更高,主要是由于其具有更高的地熱背景。

(4) 地熱水的水化學類型一般為SO2?442--HCO?33--Na型或SO2?442--Na型水,pH值7.2～8.2,屬中性—弱堿性水,礦化度一般<1 g/L,屬淡水,且基本呈現(xiàn)出SO2?442-含量越高,地熱流體溫度相對更高的特點。

(5) 裂隙亞型地熱資源熱儲蓋層嚴格意義上講由兩部分組成,一是第四系全新統(tǒng)松散堆積物;二是弱含冷水的強風化基巖或裂隙不發(fā)育的新鮮基巖。上覆松散堆積物及強風化基巖對下伏熱儲的影響各地不一,部分地段雖保溫隔熱,但因厚度較小、分布范圍有限,其所起的作用不具全局意義。從整體上看,多屬于開放型地熱田,其上覆的松散堆積層及強風化層并不具嚴格的保溫隔熱意義。

2.2 隆起斷裂型巖溶亞型地熱資源

(1) 受斷裂構(gòu)造影響,巖石發(fā)育斷層破碎帶及裂隙帶,經(jīng)過長時間的溶蝕作用,在碳酸鹽巖獲得存在易溶于水礦物含量較多的地層形成溶蝕孔、洞、縫,地下熱水主要儲存于斷裂破碎帶的裂隙及碳酸鹽巖類地層的巖溶孔、洞、縫中,屬于條帶狀熱儲裂隙型—層狀熱儲巖溶型地熱田。

(2) 與裂隙亞型地熱資源相比,地熱流體溫度偏低,多介于26～69 ℃之間,其溫度低于裂隙亞型地熱資源熱儲的原因有兩點,一是巖溶地區(qū)儲水空間大,更多的冷水參與了熱平衡;二是巖溶地區(qū)大地熱流值背景一般相對較低。

(3) 地熱水的水化學類型一般為HCO?33--Ca2+-Mg2+、HCO?33--Ca2+或SO2?442--Ca型水,pH值7.1～8.3,屬中性—弱堿性水,礦化度約1 g/L,屬淡水—微咸水。與裂隙亞型地熱資源類似,決定水質(zhì)類型的陰離子成分與溫度存在著直接關(guān)聯(lián),溫度越高,SO2?442-含量越高。

(4) 地熱田熱儲蓋層以奧陶系上覆志留系的泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁巖或泥巖及白堊系紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等為主,巖層厚度較大,巖石透水性差,具有較好的隔熱作用,是良好的地熱田蓋層。

2.3 沉降盆地型地熱資源

(1) 該類地熱資源主要分布于中、新生代內(nèi)陸盆地中,與隆起斷裂型相比,地熱田的面積更大、埋深更大、溫度更高、壓力更大,上覆有厚度較大的蓋層,其溫度可達100 ℃以上,其熱源主要為地溫梯度增溫。

(2) 地下熱水的水化學類型主要為Cl--Na+型,礦化度較高,在120～329.5 g/L之間,為地熱鹵水,含有K、I、Br、Li、B等有用微量元素,有較高的綜合開發(fā)利用價值。

3 不同類型地熱資源勘查中水文地質(zhì)測量的重點

由于沉降盆地型地熱資源均為石油行業(yè)勘探或鹽礦勘探時所發(fā)現(xiàn),其鉆孔深度較大,對此類地熱資源的勘查目前是不經(jīng)濟的,現(xiàn)僅對隆起斷裂型裂隙亞型、巖溶亞型地熱資源勘查中的水文地質(zhì)測量重點簡要介紹。

3.1 隆起斷裂型裂隙亞型地熱資源勘查

其不具備嚴格意義上的熱儲蓋層,含水層主要為斷裂破碎帶孔隙和裂隙,且斷裂破碎帶孔隙和裂隙是地熱流體補給、徑流、排泄的唯一途徑。在水文地質(zhì)測量工作中,其重點主要如下:

(1) 詳細調(diào)查勘查區(qū)內(nèi)井點、泉點的水量、水溫、水質(zhì)及其動態(tài)變化,重點分析其與地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌的關(guān)系。

(2) 在充分收集、分析研究區(qū)域地質(zhì)、地熱地質(zhì)成果資料的基礎(chǔ)上,調(diào)查區(qū)內(nèi)出露的主要地層、巖漿活動情況及地下水賦存條件,依據(jù)含水介質(zhì)空隙性質(zhì)的差異區(qū)別地下水類型。

(3) 調(diào)查區(qū)內(nèi)出露的主要構(gòu)造性質(zhì)、產(chǎn)狀、相互交切關(guān)系、斷裂破碎帶及其影響帶的寬度,在第四系覆蓋較厚的地區(qū),地質(zhì)現(xiàn)象露頭較差,應(yīng)重點調(diào)查巖石節(jié)理裂隙發(fā)育情況,統(tǒng)計各類節(jié)理裂隙產(chǎn)狀并制作玫瑰花圖,了解區(qū)內(nèi)占主導(dǎo)地位的構(gòu)造及其產(chǎn)狀。

(4) 調(diào)查區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造的水文地質(zhì)特征,綜合分析區(qū)域地下水補徑排條件,對主要構(gòu)造含水性及控熱、導(dǎo)熱性能進行初步評價,明確勘查的目標斷裂構(gòu)造,并在此基礎(chǔ)上建立地熱找礦模型。

3.2 隆起斷裂型巖溶亞型地熱資源勘查

其調(diào)查內(nèi)容與裂隙亞型地熱資源勘查相似,結(jié)合巖溶亞型地熱資源地熱地質(zhì)特征,還應(yīng)注重以下兩個方面的調(diào)查:

(1) 通過實測地質(zhì)剖面,詳細了解含水層(碳酸鹽巖類地層)、隔水層(熱儲蓋層)的分布、產(chǎn)狀及其厚度,為地球物理勘查深度及鉆孔布置深度提供依據(jù)。

(2) 詳細調(diào)查巖石的蝕變作用,如硅化、方解石化、黃鐵礦化等,為進一步優(yōu)選地熱成礦有利地段提供依據(jù)。

4 典型勘查案例分析

4.1 溫泉出露區(qū)水文地質(zhì)測量

2019—2020年,為配合地熱資源可行性勘查工作,在有地熱顯示的羅田縣白廟河地熱田和浠水縣曹畈地熱田開展了詳細水文地質(zhì)測量,上述地熱田勘查取得了重大突破,主要勘查成果見表1、表2。

4.1.1 羅田縣白廟河地熱田

羅田縣白廟河地熱田在充分收集預(yù)可行性勘查成果基礎(chǔ)上開展水文地質(zhì)測量,綜合分析判定F1斷裂為地熱田的主要控熱、導(dǎo)熱斷裂(圖1、圖2),區(qū)內(nèi)斷裂帶的不同地段,巖石的破碎程度有別,其破碎帶構(gòu)成地熱田熱儲的主要部分,是控制熱水形成、賦存和循環(huán)的主要因素。結(jié)合地球物理勘查成果,在F1斷裂南東側(cè)(上盤)布置了地熱勘探井二口(ZK4、ZK5),設(shè)計孔深500 m,實際終孔孔深分別為400.8 m 、423.8 m。ZK4出水量1 816 m3/d,水溫40.7 ℃;ZK5出水量1 230 m3/d,水溫52.7 ℃;地熱田范圍由預(yù)可行性勘查階段244 416 m2擴大至317 687 m2。

4.1.2 浠水曹畈地熱田

經(jīng)系統(tǒng)水文地質(zhì)測量,確定浠水曹畈地熱田主要存在兩條控制性斷裂構(gòu)造F1和F2,F1為北東向深大斷裂,F2為北北東向斷裂(圖3、圖4)。結(jié)合地球物理勘查成果,在F1斷裂南東側(cè)(上盤)布置地熱勘探井一口(ZK5),設(shè)計孔深600 m,實際終孔孔深514.5 m,出水量919 m3/d,水溫59.3 ℃,地熱田范圍由預(yù)可行性勘查階段170 475 m2擴大至301 034 m2。

4.1.3 勘查成果淺析

通過開展詳細水文地質(zhì)測量,進一步查明了地熱顯示區(qū)主要控熱、導(dǎo)熱構(gòu)造展布及特征,上述地熱田主要控熱構(gòu)造為北東向區(qū)域性深大斷裂,屬于長壽斷裂,最近一期構(gòu)造活動為張扭性;而近東西向、近南北向斷裂構(gòu)造具備一定的導(dǎo)熱性能,以走滑性質(zhì)為主,兼具壓扭性,并不具備阻水隔熱作用。地下水主要沿北東向斷裂破碎帶入滲,遠源補給地熱田,通過深循環(huán)獲得地溫梯度增溫后沿主要控熱斷裂破碎帶向上運移,以溫泉的形式在地形條件有利且裂隙貫通性較好地段出露地表,斷裂破碎帶中的構(gòu)造裂隙是地下熱水補給、徑流、排泄的唯一途徑。

4.2 地熱資源空白區(qū)水文地質(zhì)測量

在沒有地熱資源顯示的空白區(qū)開展水文地質(zhì)測量工作顯得尤為重要,2018—2019年,在進行麻城市閻家河鎮(zhèn)黃土咀地區(qū)及武漢市新洲區(qū)清風寨一帶深部地熱資源勘查過程中,水文地質(zhì)測量成為直接決定勘查項目成敗的關(guān)鍵因素。

4.2.1 麻城市閻家河鎮(zhèn)黃土咀地熱勘查

閻家河鎮(zhèn)黃土咀地熱勘查在開展一般性水文地質(zhì)測量后,主要依據(jù)地球物理勘查資料布設(shè)地熱勘探孔,實施的兩個鉆孔在達到設(shè)計孔深后,均未能獲取可供開發(fā)利用的地熱流體,究其原因主要如下:

(1) 水文地質(zhì)測量過程中未詳細分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料,對勘查區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造麻團斷裂、大田鋪斷裂(圖5)的性質(zhì)了解不夠,對地下水賦存、運移條件研究不夠深入。

(2) 未對勘查區(qū)內(nèi)地下水補徑排條件開展詳細的調(diào)查,對勘查區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造的水文地質(zhì)特征及其控熱、導(dǎo)熱性能了解不夠。

(3) 鉆孔的布置過度依賴于地球物理勘查對構(gòu)造的解譯,忽略了其解譯的多解性和主觀性。

4.2.2 新洲區(qū)清風寨地熱勘查

新洲區(qū)清風寨勘查區(qū)在水文地質(zhì)測量過程中,通過對區(qū)內(nèi)地表出露的構(gòu)造形跡進行詳細調(diào)查,發(fā)現(xiàn)F1在區(qū)域上延伸近20 km(圖6),經(jīng)歷了至少兩期構(gòu)造活動,其最初形成時為逆斷層,切割深度較大,而最近一期構(gòu)造活動為張扭性,使其備良好的控熱、導(dǎo)熱條件,地下水自東向西補給勘查區(qū),受斷裂構(gòu)造影響,破碎帶及其影響帶的巖石節(jié)理裂隙發(fā)育,具備形成地熱流體的良好深循環(huán)條件。在此基礎(chǔ)上,布置了地球物理勘查工作,并結(jié)合水文地質(zhì)測量成果布設(shè)地熱勘探井一口(ZK1)。設(shè)計井深2 200 m,施工至1 600～1 700 m揭露控熱構(gòu)造,地熱流體溫度為53 ℃,涌水量約832 m3/d。

4.3 綜合分析

綜合分析以上項目的勘查成敗經(jīng)驗,進一步表明了水文地質(zhì)測量在地熱資源勘查中的重要性,針對隆起斷裂型地熱資源,尤其在地熱資源空白區(qū),應(yīng)詳細查明斷裂構(gòu)造的性質(zhì)及產(chǎn)狀、斷裂構(gòu)造水文地質(zhì)特征及地下水補徑排條件,評價區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造的含、導(dǎo)水性及其控熱導(dǎo)熱性能,在此基礎(chǔ)上建立地熱成因模型,指導(dǎo)地球物理勘查工作實施,為鉆孔的布置提供詳實可靠的依據(jù),提高地熱資源找礦成功率。

5 結(jié)論

(1) 為滿足中國生態(tài)文明建設(shè)的現(xiàn)實需求,地熱資源的需求越來越大、應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,其勘查、開發(fā)和利用必將迎來一個快速發(fā)展期。水文地質(zhì)測量作為地熱勘查中的基礎(chǔ)性、先行性地質(zhì)工作,在水熱型地熱資源勘查(尤其是中深層地熱勘查,深度1～3 km)中起到了至關(guān)重要的作用。

(2) 湖北省水熱型地熱資源按其成因模式劃分,可分為隆起斷裂型和沉降盆地型,其中隆起斷裂型地熱資源按熱儲巖石性質(zhì)及其賦存空間劃分,可劃分為裂隙亞型和巖溶亞型。

(3) 針對隆起斷裂型地熱資源,尤其在地熱資源空白區(qū),應(yīng)詳細了解斷裂的性質(zhì)及產(chǎn)狀、斷裂水文地質(zhì)特征及地下水補徑排條件,評價區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造的含水性及其控熱導(dǎo)熱性能,在此基礎(chǔ)上建立地熱成因模型,指導(dǎo)地球物理勘查工作實施,為鉆孔的布置提供詳實可靠的依據(jù),提高地熱資源找礦成功率。

6 展望

21世紀以來,傳統(tǒng)礦物能源大規(guī)模開發(fā)利用帶來的資源枯竭問題和環(huán)境污染問題日益嚴重,當今常態(tài)化霧霾天氣及極端天氣已經(jīng)嚴重影響了人民的生活質(zhì)量和環(huán)境,是亟待解決的重大環(huán)境地質(zhì)課題。“雙碳”期間,資源與環(huán)境和諧發(fā)展、低碳環(huán)保的理念已逐步被大眾接受,在國家能源政策的保障與規(guī)劃之下,地熱資源相關(guān)產(chǎn)業(yè)獲得了蓬勃的發(fā)展。在經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、人與自然和諧共處的大背景下,勘查、開發(fā)、利用清潔能源是中國能源結(jié)構(gòu)革新的必然之選。同時，中深層地熱勘查將迎來更廣闊的發(fā)展前景。水文地質(zhì)測量作為基礎(chǔ)性、先行性地質(zhì)工作,將發(fā)揮更重要的作用,甚至直接成為決定勘查成敗的關(guān)鍵因素。