陕西省眉县汤峪地热田地质特征与成因分析

  摘 要：眉县汤峪地热田位于秦岭山地与汾渭地堑的接触地带，属于典型的断裂裂隙型地热田。笔者基于物探和水文地球化学方面工作对该区进行了系统研究。结果表明：汤峪地热田内主要分布着东西向和近南北向的两组断层构造。这两组构造也成为研究区内主要的导（控）水和导（控）热构造，控制着地热田的分布。地热田内热储层为断层破碎带和裂隙发育地段，具有良好的储水储热性能。地热水由研究区以南的秦岭山区得到补给，补给水源以大气降水为主，补给水径流向地下渗透，经热源加热后成为地热流体。热水在区内断层交汇处上涌，最终形成地热田。

 

  关键词：地热田；热储层；地热流体；成因分析；汤峪.

 

  地热资源是一种十分具有竞争力的可再生能源。实现地热资源的可持续开发和利用是当今世界地热产业所面临的最为重要的问题。要解决这一问题，关键是要查明地热资源的成因。目前，国内外此类研究已较为成熟，我国学者还在中低温地热资源成因研究中提出了具有特色的“热流折射”和“新构造控热控水”理论。

 

  眉县汤峪地区地热勘查工作始于上个世纪80年代初期。一些地质单位在此先后做过自然电位剖面、地温测量、医疗矿泉水调查分析等一系列勘查工作。基本圈定了地热异常区，对于汤峪地热田所处区域的地层、岩浆岩、构造等情况有了基本的介绍，但对于地热田的成因，以及地热田内地层岩性、构造对地热分布的影响等问题未给予解释说明。笔者在前人研究的基础上，通过实地的地质填图、α卡法、激电测深法、浅层测温以及地热流体化学分析等工作，对地热田内的地质特征以及地热田成因进行了系统的研究分析，并建立了汤峪地热田概念模型。

 

  1 区域地质概况.

 

  眉县汤峪地热田位于陕西省眉县汤峪镇境内。

 

  南依秦岭主峰太白山，北临渭河盆地。构造位置处于秦岭造山带与华北地台次级构造汾渭地堑中的渭河断凹交接部位。地形呈阶梯状抬升，不仅对区内新生界沉积及现代地貌有显著的控制作用，还控制影响了不同地段地下热水的形成与蓄集。区域出露的地层主要有第四系、震旦-奥陶系斜峪关岩群、中元古界宽坪岩群和早元古界秦岭岩群等。区域内还发育着太白山岩浆岩体。总体构造格局是东西向的秦岭北麓断裂与北东向的桃川断裂，北西向的眉县-槐芽镇推测断裂相交汇切割，控制了研究区及相邻地区的地热情况。其中秦岭北麓断裂是区域性深大断裂，经历了古生代、中生代的不断发展演化，由原来的压性—压剪性超岩石圈断裂演变为张性壳断裂。该断裂是由多条断裂组合成的断裂带，对眉县汤峪地热田的地热条件起着重要的控制作用。

 

  2 地热田地质特征.

 

  2.1地热田地层和岩性划分.

 

  地热田内地层主要为第四系、中元古代宽坪岩群谢湾岩组和太白山片麻状花岗岩岩体，分布如图1所示。地热田内，以F1断层为边界，其北主要为第四系出露，南边为基岩区。第四系全新统覆盖于山前汤峪河河床及一、二级河谷阶地上。一级河谷阶地呈带状分布于汤峪河两侧，由南向北逐渐拓宽，主要为沙、砂砾、少量卵石及亚砂土等。其两侧为汤峪河二级阶地，呈带状分布，地表为更新统马兰组黄土，呈淡黄色其中夹有浅棕色古土壤层，后缘与秦岭山前冲洪积扇相接。冲洪积扇呈扇形分布在河谷两侧，扇面向北倾斜，主要为砂砾石、砂土及亚砂土，磨圆差，分选性不好，上部也被更新统黄土覆盖。F1断层以南为秦岭山地，大面积基岩出露，按岩性变化划分为四个带（图1），从南到北岩性依次为：（1）中元古代宽坪群谢湾岩组变质带：主要岩性以中细粒斜长角闪片麻岩为主，夹少量含黑云母斜长石英岩、白云母绿泥石钠长石英片岩。（2）韧性剪切带，岩性为糜棱岩化花岗岩；（3）侵入的片麻状花岗岩体也就是前文所说的太白山岩体，受桃川脆韧性断裂带控制，在研究区内呈东西向岩墙状产出，在汤峪河以东地下三百米处发生尖灭，是一个由西向东逐渐变薄的岩体，与北部的宽坪群呈侵入接触关系。（4）中元古代宽坪群谢湾岩组混合岩化片麻岩，分布于汤峪河口两侧，东到凤山东麓，西至东滑峪沟，基本以中细粒黑云母斜长角闪片麻岩为主，后期受混合岩化作用，使得片麻岩中的片理和断裂裂隙变得封闭，大大降低了其透水和储水功能，最终成为研究区内的阻水层。根据岩性的变化对比，我们将研究区内的韧性剪切带和混合岩化片麻岩定为阻水岩带。

 

  2.2地热田构造.

 

  本次工作中我们采用了α卡法以及激电测深法对地热田内的构造进行查找和追踪。其中α卡法仪器是FFA-2快速α数字闪烁辐射仪，激电测深设备为重庆奔腾地质仪器厂生产的WDJD-3多功能数字直流电激电仪。α卡法由东向西共布6条测线，每条测线从南段开始至北段结束，测线长度总计3440m。每条测线上30 m布设一个测点，共计布设了117个点。激电测深法共布线4条，由于受地形控制，测线长短不一，最长可达1120 m，最短560 m。测线长度共计2880 m，布设148个点。根据物探资料和前人的工作结果，我们发现地热田内主要发育着近东西向的F1、F2、F6、F7号断层，和近南北向的F3、F4、F5号两组断层，呈典型的“十字架”型构造格局。

 

  从图中可见，F1断层位于秦岭山前，根据激电测深法测得的结果推知该断层破碎带宽38 ～ 50 m，断层面北倾，倾角75 ～ 80 °。断层上盘被第四系覆盖，下盘为混合岩化角闪片麻岩，具有一侧阻水，一侧导水1.第四系全新统；2.第四系上更新统；3.斜长角闪片麻岩；4.混合岩化片麻岩；5.糜棱岩化花岗岩；6.片麻状花岗岩；7.断层；8.地热井井号（温度和深度）；9.温泉28 地 质 调 查 与 研 究第37卷的特性。F2断层为低角度逆掩断层，其下盘为片麻状二长花岗岩，岩石中次生裂隙发育，但多被石英脉充填，上盘局部地段出现构造角砾岩，推断为多期活动所产生。F6断层，位于韧性剪切带北侧，激电解译宽度为30 m。南为阻水带，北为透水带的边界断裂，是低角度压扭性断层。

 

  根据区域资料分析，我们认为F1断层即为组成秦岭北麓断裂带中的一支，其南部F2、F6、F7断层皆为北秦岭山前断裂带的次生断裂。F5、F4、F3三条断层，地表、地貌证据不足，均为物、化探异常所证实。

 

  其中F5、F4呈北西向，与区域上槐芽镇断裂平行，且均有汞、铋化探异常分布，可能为与之同期的构造运动产物。

 

  2.3地热田圈定.

 

  我们采用浅层测温方法对该区地热田范围进行圈定。同时结合当地地质情况及早期开采的热水井地理位置，确定了地温场范围（图2）。我们将等温线为10 ℃，地温梯度为10 ℃/hm作为地热田的异常下限。从图2上可发现，地热场呈近椭圆形，东西向为长轴，与F2断层近似平行。南北向为短轴，与F4断层平行。F2和F3断层相交处，是地热田内温度异常值最高地方。

 

  根据王泽龙等人的研究观点，地质构造对地温场的分布存在影响，地热异常区的延伸方向与断裂线相平行，热异常中心靠近主干断裂，特别是有主干断裂相伴生的断裂时,其相汇部位更会成为热能储存运移的空间及通道,成为地热异常的核心部位。从图2上可看到F2断层控制的2#、6#井井水温度最高分别为70 ℃和73 ℃。 F6断层控制的5#井井水温度次之64 ℃，而F1断层控制的1、3、4、7#井温度最低，分别为57 ℃、49 ℃、41 ℃、58 ℃，其中7#、3#井在2008年汶川地震中受到影响，现在出水量和水温大大降低，现已报废，不再使用。据此推断，地热田内东西向F2、F6断层为主要的导热通道，当和南北向F3、F4断层相汇时，其附近的热水井的水温和水量大大升高。由此说明其具有很好的导热导水性，导通了深部热源，使地下热水在断裂附近富集。汤峪地热田内的构造对地热田的温度和水量有明显控制作用。

 

  同时我们还注意到，高温井都出现在岩性较为致密的片麻岩和花岗岩中，而低温井却在第四系上。根据资料，我们知道除3#井之外，其他井的取水层段岩性均为宽坪群片麻岩。因此笔者推断地热田内热水井井温度高低不仅受构造作用影响，地表岩性对其影响也不可忽视。F1断层控制的1#、3#、4#热水井，分布在秦岭山前冲洪积扇上，地表为松散的冲洪积物覆盖，具有分选性差，磨圆度低等特点。空隙率、透水性也远远高于其南边的变质岩和岩浆岩。

 

  1.第四系全新统；2.第四系上更新统；3.斜长角闪片麻岩；4.混合岩化片麻岩；5.糜棱岩化花岗岩；6.片麻状花岗岩；7.断层；8.地热田范围；9.热水井及井口温度；10.等温线（℃／100m）第1期 张鹏:眉县汤峪地热田地质特征与成因分析29这不免会出现发源于南边秦岭山内汤峪河中的冷水下渗的情况。下渗的冷水与地下热水混合，使得整体水温下降。而且F1断层南面分布了混合岩化片麻岩，是研究区内的阻水层，不利于F2断层中的热水在水平方向上向F1断层的运移和热量的传导。因此致使1#、3#、4#井水温明显低于其他井。

 

  2.4热储层及其温度估算.

 

  汤峪地热田属于断裂裂隙型地热田，热储层为断层破碎带和裂隙发育带, 呈带状分布。热储层地层岩性为片麻状花岗岩和中元古代宽坪岩群谢湾组片（麻）岩等。其内部裂隙发育，富水及导水性能较好，当远离这些断裂裂隙带时，则富水隔水性较差。

 

  为估算地热田热储层温度，我们分别对研究区的5口热水井的井水进行了采样和水质分析，并将相关离子列于表1。根据地热田地形特征和水化学特征，选用Na-K-Ca地热温标法对5口井热储进行估算。温标公式如下：

 

  t=1647lg(Na/K)+β[lg( Ca/Na)+2.06]+2.47-273.15其中Na代表Na的质量浓度,K代表K的质量浓度，Ca代表 Ca 的质量浓度，单位 mg/L。若 t＜100℃,且[lg( Ca/Na)+2.06] 为正，β取 4/3；若 t＞100℃或[lg( Ca/Na)+2.06] 为负，β取1/3[6]

 

  。将参数带入公式得出计算结果列于表2。我们发现计算得出的五个热储温度基本一致。因此我们将五个热储温度数值的平均数即152.93 ℃作为汤峪地热田整体热储估算温度。

 

  2.5热源与盖层研究区位于关中盆地的西南部，具有偏高的区域大地热流值。

 

  1.断层；2.等温线30 地 质 调 查 与 研 究第37卷20～30 km之间，同时该区地幔局部隆起，在地幔烘烤下，热流上升，对地热田进行加热。该区这种偏高的大地热量就是汤峪地热田的热源。根据图3关中地区地温曲线图，我们发现研究区附近的等温曲线较其他地区密集，温度值也高于图内其他地区。

 

  同时地温曲线的伸展方向亦为近东西向，与地热田内的F1、F2、F6三条东西向断层较为接近甚至吻合。

 

  推断这种情况的出现与秦岭北麓断裂有关的F1、F2、F6断裂有着不可分割的关系。秦岭北麓断裂是区域性深大断裂，具有深部构造背景，可直接导通地下热源。热量存在于气体和液体中，在温度差作用下，以对流方式由深部沿断层向上进行运移，运移过程中对断层上下盘岩石进行了加热，也加热了岩石裂隙中的水。研究区内秦岭北麓断裂及其滋生断裂成为地热田内地下热源向上导热的主要通道。

 

  地热田内盖层主要以覆盖在早古生代晚期片麻状花岗岩和中元古代宽坪岩群谢湾组片（麻）岩组上的第四系黄土为主，厚度较薄为0.5～6.0 m不等，隔热保温性能差，无法真正的起到盖层作用。

 

  3地热田成因分析.

 

  3.1用同位素法分析地热水来源.

 

  在汤峪地热田成因研究工作中，我们采用氢氧同位素方法来研究地下水的起源与形成。通过对本研究区的5口热水井水样进行采集化验，根据δD和δ18O的鉴定结果（表3），汤峪地热田内δD、δ18O含量稳定，变化幅度不大，δ18O=-9.6‰ ~ -12.6‰，δD=-63.1‰ ~ -85.4‰均在大气水氢氧同位素组成范 围 内（δD=+ 10‰ ~ - 400‰ , δ18O =0‰ ~ -60‰）。根据上述结果绘制δD-δ180曲线图。

 

  可见5口热水井井水的δD-δ180坐标位置都落在标准降水线附近。因此，可以判断温泉水是来源于大气降水和地表水。

 

  由于大气降水的δD和δ18O值具有高程效应,因此,可以确定地热流体的同位素入渗高程（即补给区的高程）。经计算，研究区内的5口热水井井水补给区的海拔高度分别为:太白酒业宾馆2921 m；太白山国家森林公园2781 m；温泉宾馆2964 m；青园山庄3171 m。根据区域地貌可知，汤峪地热田内的地热水补给区在地热田以南的秦岭山内，海拔高度在2781 m到3171 m，补给水来源为大气降水。此结论并不影响前文中提到的汤峪河河水在F1断层附近下渗导致水温下降的推断。因为汤峪河发源于秦岭高山内，水源补给是山内的大气降水，和地下热水来具有相同来源，所以后期的渗透并不会影响地下热水中的δD与δ180相对含量的变化。

 

  3.2地热田成因分析眉县汤峪地热田属于断裂裂隙型地热资源，热表3 同位素测定值（‰）Table 3 Isotope determination value（%）测试单位：中国科学院地球环境研究所采样点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汤峪地热田温泉水δ180-δD图Fig.4 Tangyu geothermal hot spring water δ180-δD diagram第1期 张鹏:眉县汤峪地热田地质特征与成因分析31储为断裂破碎带和裂隙发育带。地热田内的热源为区域内的异常地热流体，在断层的沟通作用下，由地下深部以对流和热传递方式对上进行加热。同时断层破碎带和裂隙带尤其是在断层的交汇部位空间较大可以储存地下水和热量。根据氢氧同位素数据分析计算得知，地热水的补给区在其南部秦岭山内，海拔高度在3171 m以内。大气降水和地表水（地表水也是大气降水而来）在补给区沿断裂和裂隙下渗，进行深部循环，循环深度可达5.6 km。在地下径流过程中，逐渐将地下深部地层或岩体中的热量加以吸收和储蓄，形成中低温热水。热流体从南边地势高的地区一直向北部地势较低区域径流，直到运移到F6和F3、F2和F4等断层交汇、裂隙发育段得到存储甚至向上运移以温泉形式出露地表，一个环流系统才得以结束。在地热流体沿断层向地表运移过程中，因其具有相对于围岩较高的温度，就会对浅部裂隙等构造中储存的水和围岩进行加热，增高了热田内地层温度。

 

  研究区内，流体由南向北径流，笔者推测南北向的断层对地下流体也起到一定的引导作用，东西向断层属于北秦岭山前断裂的组成和分支，因此F1、F2、F6则主要起到导热作用，同时也促进了地热流体向地表方向上运移。

 

  据此我们建立了汤峪地热田概念模型图5。图中南部秦岭山区的黑色箭头方向表示大气降水和地表水沿断裂和裂隙向地下的渗透方向。下面向右指示的箭头代表地表水渗透到深部以后，在地下的径流方向。“莫霍面”之上一排向上的箭头表示地下热源的向上流体的传导方向。在地下水径流过程中，逐渐被加热，当遇到断层出现以后，一部分热水沿断层向上运移，剩下的将继续向地势低的地方径流。

 

  4 结论.

 

  通过对眉县汤峪地区地热资源的预可行性勘查研究，我们得出以下结论：（1）眉县汤峪地热田属于典型的断裂裂隙型地热资源，热储层为断裂破碎带和裂隙发育带。热储层所在的地层岩性为片麻状花岗岩和中元古代宽坪岩群谢湾组片（麻）岩。（2）地热田的盖层为地表的第四系，但是其厚度较薄无法起到保温储热功能。（3）地热田内热量主要是靠关中地区