宜昌市百里荒一帶地熱資源形成條件及開發利用

地大熱能：地熱資源是寶貴的礦產資源，是重要的清潔能源之一，具有資源量大、污染小、可再生等特點，深受世人重視，在世界能源構成中占據重要地位。合理開發、利用地熱流體資源，不僅是中國新能源領域發展的重要方向之一，也是加快能源轉型的客觀需要，對促進中國康養、旅游、種養殖等行業高質量發展具有重要作用，在一定程度上可滿足國人對更高生活品質的追求。作為“山楂樹之戀”電影外景取景地之一的宜昌市夷陵區百里荒生態旅游區，是宜昌市域內熱門的休閑、度假旅游景區之一。在景區南西約 5 km 處的普溪坪成功施工了一口井深為 2387.98 m 的探采結合大口徑深井，成功獲取了水溫、水量、水質均滿足利用需求的地下熱水資源，不僅填補了百里荒景區以往無地下熱水資源康養的空白，而且對進一步提升百里荒景區的知名度，促進該景區乃至宜昌市旅游業及相關產業的發展，都具有重要意義。

1區域地質背景

宜昌市百里荒景區一帶在大地構造上位處揚子準地臺上揚子臺坪黃陵斷穹東翼單斜構造區。黃陵斷穹核部主要由中元古界崆嶺群的變質雜巖、混合巖及中酸性與基性巖漿巖組成。核部以東的沉積蓋層自晚元古界震旦系—早古生界的寒武系、奧陶系、志留系及中生界均廣泛分布(見圖 1) 。地層總體向東—南東方向緩傾，傾角一般在 8° ～ 15°，局部靠近斷裂構造帶的地段可達20° ～ 30°。第四系覆蓋層則不連續分布于河谷兩側及山坡凹谷底。其中，與區內地下熱水存賦有密切關聯的地層主要是寒武系、奧陶系及志留系: 前兩者主要由碳酸鹽巖構成，其中含溶隙承壓水，富水性中等，為區內地熱流體主要賦存地層; 后者巖性以粉細砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質頁巖為主，是本區地熱流體的良好保溫蓋層。

2 地熱流體的形成條件及成生模式

2.1地熱流體的形成條件

地熱流體的成生與存儲，與特定地質環境條件緊密相關，即所謂的“蓋、儲、補、滯、熱”，以下結合本次施工的地熱鉆井從上述 5 個方面分別來敘述百里荒一帶的地熱流體形成條件。

( 1) “蓋”是指地熱分布區內要有分布穩定或基本穩定的不透水或弱透水地層，藉以防止下伏熱儲的熱量在地質歷史中不致大量散失，使熱儲中儲存的熱能量得以保存。

百里荒地熱田一帶熱儲蓋層主要為下古生界志留系下統羅惹坪組與新灘組( S1 lr + x) ，巖性主要為灰綠色粉砂質泥巖夾薄層生物灰巖及泥灰巖、頁巖、泥巖夾薄層泥質粉砂巖。鉆探時從該層獲取的巖屑，斷面均較新鮮、完整，表明該層的透水性差，具備良好的隔水、隔熱性能。鉆井揭露其埋深為 20m，厚度約 500m。

( 2) “儲”是蓋層下必須要有分布廣、厚度大且有廣泛的容水空間儲存地下水熱水的地層。區內熱儲層為下古生界奧陶系、寒武系( O-∈) 以及上元古界震旦系燈影組( Z2∈1 d) 的碳酸鹽巖，巖性以灰巖、云巖為主。鉆探至該套地層時采取的巖屑表面，見大量鈣華、鐵質浸染及溶蝕凹面，表明該套地層巖石中的巖溶及裂隙均較發育，具備較好的容水空間和水流通道，是本區及周邊區域內良好的熱儲層。鉆井位置處其埋深約 520 m，揭露總厚度 ＞ 1 800 m。通過終井后的物探測井，基本查明在本鉆井揭露深度內，自井深 579 m( 該深度以上采用石油套管及 425 號水泥封閉以隔絕上部低溫段及地表水與深部熱水的聯系) 至井底，熱儲層中出水段 22 處、總厚度達 152 m———約相當于熱儲地層( O + ∈ + Z2∈1 d) 揭露總厚度的 8%。22處出水段中有 18 處分布于寒武系上統—奧陶系下統婁山關組( ∈3O1 l) 、1 處分布于奧陶系南津關組( O1 n) 、3處分布于震旦系上統燈影組( Z2∈1 d) 。

( 3) “補”是地下熱水要有豐富的補給來源(包括大氣降水、地表水、相鄰或相近含水層的越流補給等) ; 熱儲( 奧陶系、寒武系、震旦系碳酸鹽巖) 分布區一帶屬亞熱帶溫濕氣候區，雨量充沛，年總降水量在 1 100 mm 以上，使得主要依靠大氣降水入滲補給的熱儲層具有充沛且穩定的補給來源。

( 4) “滯”是指熱儲中的地下水處于滯緩徑流的環境，這樣既可使地下水較好地接受地球深部的地熱傳導或兼有斷裂構造的對流傳熱加溫，同時又可使地下熱水與圍巖介質有充分時間進行水化學作用，從而形成礦化度和各元素含量均較高的熱礦水。該環境是地熱水形成的關鍵因素之一。對本區而言，熱儲地層的傾角普遍僅 15°左右，地下水水力坡度不大，運移速度較小，從而為其接受外部熱能加溫創造了較好的條件。擁有滯留環境，也使深部地下熱水與圍巖間有充足時間進行充分的水化學作用，形成高礦化度和各元素富集等有別于淺部常溫地下水的特點。

( 5) “熱”是地下熱水的熱能來源。地熱能主要源于莫霍面以下熔融巖漿的熱擴散傳導和放射性物質的裂變放熱以及太陽能的聚熱等。在當地恒溫帶以下，隨深度的增加，地溫逐漸增高是普遍的規律。本鉆井位置處，主要熱儲已深入恒溫帶以下數百米，因此，自然增溫作用是本井中地下熱水熱能的重要來源之一。

按照宜昌地區年平均氣溫( t₀ ) 為 16． 7 ℃、鉆井一帶恒溫帶深度( h) 為 60 m、井深 2 370 m( H) 處溫度( T) 為 66． 44 ℃ ( 終井后實測，圖 2) 計算，鉆井一帶地溫梯度( C_t ) 平均為:

另外，鉆孔北側約 500 m 處有霧渡河斷裂通過，該斷層是區域性構造。據區域地質資料，該斷層在挽近期有微弱活動，時有微震發生，是一條活動性斷層，因此推測霧渡河斷層傳導地球深部熱量加熱地下水，亦可能是本區地下熱水熱能的熱源之一。由于以往及本次工作均未對“霧渡河斷層對地熱資源成生的影響”開展研究，故其對本區地下熱水資源成生的確切作用及影響尚有待今后開展進一步工作予以查明。 宜昌百里荒景區南西面普溪坪勘查區，“蓋、儲、補、滯、熱”五個條件均具備，因而施工的地熱探采結合井獲得了出水水量( ＞ 1 700 m³ / d) 和出水溫度( 51℃ ) 均較理想的地熱流體，尤其出水溫度是目前宜昌地域內發現的地熱流體溫度最高者。本勘查區按地熱的成因分類，乃屬于“層狀熱儲為主的單斜構造傳導型地熱田”。 總之，從本區熱儲和蓋層的分布與特點及可能存在的帶狀熱儲對流傳熱增溫等方面來看，賦熱地質條件是較好的。而且由目前在百里荒景區南西普溪坪已成功施工的地熱勘查井再往南東方向，仍存在找到溫度更高的地下熱水資源的可能，只不過是其埋深將會 ＞3 000 m 甚至達到 4 000 m，且熱水的埋深將 ＞ 200 m或更深，這樣開發利用的經濟風險增大，適宜性亦會顯著降低。

2.2地熱流體資源成生模式

本地熱田分布區位于黃陵斷穹東翼單斜構造區內，熱儲層不僅厚度大，分布廣，且較穩定，總體為向南東方向緩傾，推斷百里荒一帶地下熱水的成生過程為:地下水在黃柏河以西的熱儲裸露區接受大氣降水和地表水入滲補給后，總體為往南東方向的區域性最低侵蝕基準面緩慢運移，并在運移過程中接受地球深部熱源傳導( 還可能接受北面近鄰的霧渡河斷裂帶中地下熱水的對流傳熱加溫) 。其成生模式可概括為: 大氣降水和地表水入滲補給→側向徑流→地下水流達到一定深度后受到傳熱加溫，屬層狀熱儲為主的類型。其成生模式示意圖見圖 3。

3熱儲的含、富水性及地熱流體的水化學特征

3.1熱儲的含、富水性

根據地熱探采結合鉆井的揭露情況，本區熱儲(奧陶系、寒武系、震旦系碳酸鹽巖) 的埋深 ＞ 500 m，靜水位埋深在70 m左右( 高出熱儲頂板400 m以上) 。其上覆地層為不透水—弱透水的志留系砂頁巖。熱儲地層均屬可溶性的碳酸鹽巖，在鉆井施工過程中雖未發現地下溶洞，但在巖屑中普遍可見溶蝕裂隙發育跡象( 如巖屑表面見褐鐵礦膜渲染、石灰華沉積及水蝕痕跡等) ，尤其是在主要熱儲( 寒武系婁山關組) 中更是如此，顯示熱儲中地下水類型為巖溶裂隙承壓水。區內探采結合井在施工完畢經洗井后，采用“排水量 80 m³ / h、最大揚程 272 m”的深井潛水泵進行了降壓( 抽水) 試驗，試驗時進行了 3 次水位降低，試驗延續總時間為159小時30分，試驗結束后穩定靜水位埋深68.9 m( 為抽水試驗降深起算點) 。試驗結果分別為:水位降低 42.07 m( S₁ ) 時，對應出水量Q₁為 6.99L / s( 603.9 m³ / d) ，出水溫度51 ℃，本試段持續時間40h，穩定時間20 h，水位與涌水量波動相對誤差 0.006 4%和0.006 3% ; 水位降低 73．8 m( S₂ ) 時，對應出水量Q₂為 11.57 L / s( 999.6 m³ / d) ，出水溫度51 ℃，本試段持續時間46小時30分，穩定時間24 h，水位與涌水量波動相對誤差0.014 2%和 0.024 1% ; 水位降低 134.89 m( S³ ) 時，對應出水量 Q₃ 為 19.7 L / s( 1 702.1 m³ / d) ，出水溫度 52 ℃，本試段持續時間73 h，穩定時間 63 h，水位與涌水量波動相對誤差 0.014 3% 和 0.015 1% 。 進行抽水試驗時，開泵約10 min 后水溫即達到 43 ℃，其后溫度穩步增加，約 1 h 后達到 51 ℃。在進行最大一次降深( S3 ) 時，最高出水溫度為 52 ℃。在進行本次抽水試驗工作過程中，溫度上升至穩定狀態后未出現較明顯的波動，至抽水結束時，穩定水溫仍為52 ℃。根據現場繪制的 Q = f( s) 曲線( 圖 4) ，確定水位降低與出水量呈直線關系，故采用承壓完整井公式計算滲透系數與影響半徑，公式分別為:

試驗成果表明熱儲中地下水類型為承壓水、富水性屬中等。本次試驗過程的延續時間及各降深的穩定時長、水位與降深數據的相對誤差均滿足相關規范的要求，所獲取的資料成果可靠。

3.2地熱流體的水化學特征與評價

根據區內地熱探采結合井在抽水試驗后所采水化學全分析樣的檢測結果，地熱流體的水化學類型屬SO₄、HCO₃—Ca、Mg 型微咸水; pH 值為 7.58; 另外，該井地下熱水中的放射性同位素氚，其檢測值 ＜ 1 T.U，反映其補給來源主要為 20 世紀 50 年代初期進行核爆試驗之前的大氣降水，其成生年齡起碼 ＞ 67 年; 該水源中氧的穩定同位素18O 的含量為 9．9‰，這點說明該井地下熱水的主要補給來源為大氣降水。從該水源地的水化學類型為 SO₄、HCO₃—Ca、Mg型和水的礦化度為 1 123 mg /L 可看出，本區地下熱水的礦化作用已進入第二階段，這點與本區為緩傾單斜儲水構造、水的徑流緩慢，導致地下水與圍巖介質間具備較充分的水化學作用條件是相吻合的; 同時也說明熱儲中的地熱流體由于上覆的蓋層具有良好的隔水性而未與淺部地表水發生密切聯系。本區地下熱水中，氟含量為 3.12 mg /L，按《地熱資源地質勘查規范》( GB 11615—2006) 中附錄 E 所列的“理療熱礦水水質標準”衡量，達到了“氟礦水”的命名濃度標準。“氟泉”被譽為溫泉中的“藍寶石”，堪稱溫泉中的珍品，除了能殺菌消毒外，對關節炎、高血壓、風濕病、偏癱都有一定的特殊治療效果。另外，熱水中偏硅酸含量和水溫分別為 36.08 mg /L 和 51 ℃，均達到“有醫療價值濃度”標準，實為一處難得的“處位適宜、水溫得當、水量較豐、水質良好”，適宜于沐浴、理療康養的溫熱水水源地。

4開發利用效益初步分析

在百里荒普溪坪施工的地熱鉆井，按可開采水量1 000 m³ / d( 抽水試驗時S2降深對應數據) 估算，年累計可利用熱量達 43 079 040 MJ( 年開采天數按 180 d計) ，相當于11 966 400 kWh 電能。在產生相同熱量的情況下，按當前農村用電價格0.60元/度估算，每年可節省電費為718 萬元; 按使用燃煤估算，包括節煤1 470 t的費用和節省的排污治理費用，每年可節省不下750 萬元。

另外，本地熱資源開發利用后，按1 000 m³ / d 的開采量估算，將可滿足每天2 500人次沐浴的用水需要; 若按一年用水天數180天計、每天沐浴理療為1 000人次、每人次收費150元估算，則一年營業收入可達2 700萬元( 180 × 1 000 × 150) 。在運營期間按照宜昌周邊一些地下熱水資源開發利用單位的初步調查結果，設備運行費、維護費和人員工資及稅費等合計約為營業額的35% ～ 40% 。則年利潤不下 1 600萬元。因此，只要合理規劃，充分利用本區地下熱水資源，必將帶來良好的經濟效益、社會效益和環境效益。

5 結語

宜昌市夷陵區百里荒旅游區普溪坪一帶的地下熱水資源，熱儲層主要為寒武系、奧陶系及震旦系的碳酸鹽巖構成，蓋層主要為志留系砂、頁巖; 允許開采量不下 1 000 m³ / d; 出水水溫 51 ～ 52 ℃，為目前宜昌市域內可抽水量最大、出水溫度最高的地下熱水水源地。該地熱資源的發現，不僅對今后在宜昌地區內地下熱水資源的進一步勘查具有頗大的借鑒意義，而且在開發利用本區地下熱水資源后，又必將進一步拓展百里荒景區乃至宜昌市域內的旅游業，填補百里荒旅游區及宜昌市“一小時生活圈”內無溫泉度假、理療沐浴康養場所的空白，屆時其經濟效益、社會效益和環境效益都會獲得同步提高，因而其開發利用前景的廣闊性及長效性乃是不言而喻的。