郴州市许家洞地区地热资源特征及资源量评价

1 研究区概况

1.1 区域地质条件

许家洞地热勘查区地理位置为113°00′32.75″～113°02′49.79″E,25°50′39.10″～25°53′41.89″N，面积16.8 km2。区内属亚热带季风湿润气候区，并有向南亚热带、热带气候过渡的特征，四季分明，雨量充沛。据郴州市1991～2020年气象资料统计，区内年平均降雨量为1452.12 mm，其中4～9月的平均降雨量为972.30 mm，占全年降雨量的66.96%，年蒸发量1260.41～1831.03 mm，年平均气温17.8℃，年平均相对湿度78.92%。

区内出露地层从老到新依次为石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系和第四系更新统。石炭系下统大塘组岩性以砂岩、砾砂岩和粉砂岩为主，中上统壶天群岩性以白云岩为主；二叠系下统包括当冲组和栖霞组，岩性以硅质岩、页岩、灰岩及泥灰岩为主，栖霞组底部以生物碎屑灰岩与壶天群分界，顶部以泥灰岩与当冲组分界，上统斗岭组岩性以砂质、炭质页岩及石英砂岩为主；侏罗系下统分布在矿区外围东南部，岩性为砂岩、页岩及砂质页岩，砂质页岩微层理清晰。白垩系下统分布在矿区外围北东部，以砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩为主。第四系更新统上部为亚粘土及亚砂土和耕植土、下部为磨圆度较好的砂砾层，主要分布于沿郴江一带河流阶地。

研究区位于华南褶皱系赣湘桂粤褶皱带的鸾头岭—烟岗岭复式背斜北段。区内北东向断层（自北西至南东依次主要有F24、F7、F25、F8）对地下热水的形成与分布具有一定的控制作用，局部可见的北西向断层在深部与北东向断层交汇，为地下热能提供了储存场所和运移通道。初步的勘查分析认为，许家洞地区地下热水主要储存于沿F7、F25断层发育的碳酸盐岩岩溶裂隙和通道中，局部破碎地段及裂隙为深部热能提供了上升通道，为地下热水的主要控热、控水构造。在北东向和北西向断裂交汇处有多处温泉出露，沿北东向呈带状分布（图1）。

图1 郴州市许家洞地区地下热水径流示意图

根据区内地层组合、岩性特征和地下水赋存条件，将地下水划分为松散岩类孔隙水、红层碎屑岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水四种类型，不同地下水类型及富水性特征见表1。根据现场地热钻孔调查，地下热水主要赋存于沿F7、F25断层发育的灰岩岩溶裂隙和岩溶通道中，在F7断层上盘的CK3、CK7地热孔，降压试验测得的水温分别为47.0℃和35.6℃。

1.2 地热田地质特征

研究区地下热水赋存于沿断层发育的栖霞组和壶天群碳酸盐岩岩溶裂隙和岩溶通道中，局部破碎地段及裂隙为深部热能提供了上升通道。地表大面积出露的斗岭组和当冲组砂岩、页岩、硅质岩起着相对隔水和隔热作用，未破碎的碳酸盐岩同样起着相对隔水、隔热作用。

许家洞地区地热勘查范围包括许家洞和下湄桥两个地热块段。由于两个地热块段构造特征不同，地下热水温度亦有所差别，考虑到未来会分别开发利用，故对两个地热块段（许家洞地热块段和下湄桥地热块段，下文分别简称为GB1和GB2）地下热水资源分别进行分析评价。GB1受F7断层控制，降压试验测得最高水温达47℃，区内无热水天然露头，属低温地热资源中的温热水；GB2主要受F25断裂构造影响，该断层沿北北东25°方向展布，降压试验测得热水温度为35.6～36.5℃，属低温地热资源中的温水。

2 地热流体流场特征及动态分析

2.1 地热流体流场特征

区内岩溶水补给主要靠大气降水通过漏斗、洼地进行直接补给，在溶洞地下河中等至强烈发育地区亦受地表水灌入补给，补给面积广、水源充分。地下水沿北东向断层（F7、F25、F24、F8）往深部渗透补给地下热水，在径流途中，各断层间纵横交错的裂隙系统为地下热水的相互联通提供了良好的条件。在GB1处，位于外围北东侧的711矿自然排水点所测标高为172.00 m,CK1和CK3地热孔同时期的水位标高为187.69 m、187.28 m，整体上，地下热水由南西向北东方向径流；在GB2处，北侧花根冲B05号自流孔水位标高为170.90 m,CK7和CK8地热孔同时期的水位标高为166.51 m、170.00 m，整体上，地下热水由北东向南西方向径流。

2.2 地热流体的动态特征

本次分别选取CK1和CK7地热孔对GB1和GB2地热流体动态特征（水位和水温）进行观测，GB1中地热孔CK1的观测时间为2020年12月～2021年12月；GB2中地热孔CK7的观测时间为2020年2月～2021年2月。其地下热水水位及水温的动态变化分别见图2和图3。

由图2可知：CK1和CK7地热孔水位动态变化具有明显的季节性特征，且与降雨量大小联系密切，最高水位均集中在5～7月份，水位变化均属于基本稳定型。观测期内CK1和CK7地热孔水位标高变化范围分别在187.11～189.22 m和166.40～169.22 m，年变化幅度分别为2.11m和2.82 m。

3 地热流体化学特征与质量评价

3.1 水化学特征

本次对GB1中CK1、CK3地热孔和GB2中CK7、CK8地热孔水样进行采集并开展水质测试。所采集的地下热水为低温、无色透明的水。本次研究采集的地下热水样品均在现场用0.45μm滤膜过滤，并保证水样充满采样瓶以防止空气进入，pH值在野外通过便携式手持p H计测定。水样品化学成分测试在湖南省地质工程勘察院进行，SO42-、Cl-、F-等阴离子含量利用离子色谱法分析，Ca2+、Mg2+、Na+和K+等阳离子含量和其他金属元素分别采用ICP-AES和ICP-MS分析,水化学分析方法符合国家标准《食品安全国家标准饮用天然矿泉水检验方法》（中华人民共和国国家卫生健康委员会和市场监督管理总局，2022），测试误差控制在3%以内。δD和δ18O在核工业二三〇研究所利用水同位素分析仪采用波长扫描-光腔衰荡光谱法进行检测，并取3针平均值作为检测结果，测试精度分别为±1‰和±0.1‰。测试结果见表2。

研究区地下热水中阳离子主要包括Ca2+、Mg2+、Na+和K+，其含量分别为56.16～81.68 mg/L、15.48～20.79 mg/L、1.31～10.64 mg/L和1.22～2.77mg/L；主要阴离子HCO3-为59.89～82.63 mg/L、SO42-为15.01～37.23 mg/L、Cl-为1.35～2.58 mg/L;pH为7.58～7.91，呈弱碱性。根据总硬度和矿化度指标（2024）。GB1和GB2地下热水的δD值分别为-41.30‰～-25.21‰和-47.20‰～-44.90‰，δ18O值分别为-4.40‰～+0.60‰和-8.70‰～-7.71‰，在研究区地下热水样品的δD和δ18O关系图（图4）上可以看出，许家洞地区地下热水的数据点均落在全球大气降水线附近，表明研究区地下热水主要由大气降水补给，且发生了水汽再循环。整体分析可知，研究区地下热水水化学类型主要为HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Na型或HCO3·SO4-Ca·Mg型。

4 地热资源量计算及资源潜力评价

4.1 地热储能计算

热储法是目前计算地热资源量较为成熟且应用广泛的方法（热储法进行区内地热资源量的计算，公式如下：

式中：Q为地热资源量；Qr为岩石中储存的热量；Qw为水中储存的热量；QL为热储中储存的水量；A为热储面积；d为热储厚度；ρr为热储岩石密度；Cr为热储岩石比热容；ψ为热储岩石孔隙率或裂隙率；tr为热储温度；t0为当地年平均温度；ρw为地下热水密度；Cw为水的比热容；S为导水系数，无量纲；H为计算起始点以上高度。参照《地热资源地质勘查规范》（中国国家标准化管理委员会，2010）附录C中所列经验值及区内地热资源勘查资料对计算参数取值，各计算参数及结果见表5。由表5可知：GB1和GB2热储层中储存的热量分别为8.10×1016J和1.06×1016J。

4.2 地下热水可采资源量计算

许家洞地区地下热水动态变化较小，采用单孔可开采量评价法分别计算GB1和GB2内地下热水可开采资源量。由钻孔的可开采量计算结果（表6）可知，GB1和GB2中地热孔的可开采量分别为766.11 m3/d和4079.28 m3/d。

4.3 地下热能量计算

根据钻孔可开采热水量，区内地下热水可开采热水的热能计算公式如下：

式中：Wt为热功率；Q为地热流体可开采量；t为地热流体温度，取抽水时温度；t0为当地年平均气温。地热流体年开采累计可利用的热能量按式（7）进行估算：

式中：ΣWt为一年开采累计可利用的热能量；D为全年开采日数，按每年250天计算；K为热效比，按燃煤锅炉的热效率0.6计算。

表7给出了区内地热田可采热储能计算结果。由表7可知：GB1和GB2地热块段可采热储量分别为6301 kW和2684 kW（即6.30 MW和2.68 MW），故许家洞地区地下热水可采热储量为8.98 MW，每年可提供约3.23×108MJ热能，属小型地热田。

根据《地热资源地质勘查规范》（中国国家标准化管理委员会，2010）附录F,GB1和GB2地热块段地热利用的年节煤量分别为7741.40 t和4017.05 t，共计约1.18×104t。

5 结论

研究区热源由隐伏岩体深部热能通过断裂构造（以F7和F25为主）上升形成，盖层主要为二叠系斗岭组和当冲组的砂岩、页岩、硅质岩等，栖霞组和壶天群的碳酸盐岩岩溶发育段构成了该地热田的热储层，完整的碳酸盐岩起着相对隔水隔热的作用。

许家洞地区地下热水赋存于碳酸盐岩的岩溶裂隙和通道中，主要补给来源是大气降水。地下水沿断裂构造向深部渗透补给地下热水，当地下水运移到一定深度，由常温地下水变成地下热水后，由于断层两侧岩溶裂隙系统的不均一性，受深部、浅部相对隔水隔热岩层的阻隔，地下热水向上运移，在地表以温泉形式出露。水位和水温的动态观测显示区内水位属基本稳定型，水温在不受外界影响的情况下无明显波动。

区内地下热水为低温、无色透明的弱碱性水，随季节变化不明显。地下热水的阳离子以Ca2+、Mg2+为主，其次为Na+、K+；阴离子以HCO3-为主，其次为SO42-、Cl-；水化学类型主要为HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Na型或HCO3·SO4-Ca·Mg型，初步判断区内地下热水可作为理疗热矿水开发利用。地下热水中的偏硅酸、锶达到饮用天然矿泉水标准。

许家洞和下湄桥两个地热块段热储层中的热储量分别为8.10×1016J和1.06×1016J，可开采量分别为766.11 m3/d和4079.28 m3/d，地下热水可采热储量分别为6300.99 kW和2684.13 kW，每年可分别提供约2.27×108MJ和9.66×107MJ的热能，每年节约的标准煤资源约1.18×104t。这对该地区地热资源的开发利用及生态环境保护具有重要指导意义。