地熱勘查區位于海南瓊中縣上安鄉南流村,距瓊中縣營根鎮約25km,交通便利。本次工作調查方法包括:地熱鉆探、鉆孔測溫、巖土樣采集、物探測井、下管成井、降壓試驗、水樣采集與測試等方法。以查明地熱田溫度及地熱井的生產能力,支撐服務瓊中縣合理開發利用地熱資源。

1區域地熱田地質條件

1.1地質構造

勘查區處于地質構造北東與北西向兩組構造交匯部位附近,伴隨著加里東、海西-印支、燕山、喜馬拉雅等構造運動,構成了昌江-瓊海、尖峰-吊羅東西向構造帶、南北向構造帶、北東向構造、北西向構造帶等主要構造體系,斷裂構造較為發育,除了發育有東西向、南北向和北東向三組主要斷裂帶,還發育眾多的小型斷裂、斷層。如圖1所示。

地熱勘查區及附近主要出露第四系全新統沖洪積層,以礫砂、粗砂、含粘土粗砂等砂類土為主;巖石多為燕山期侏羅紀中世二長花崗巖及閃長巖;對熱礦水形成起主要控制作用的斷裂有4條, 勘查區熱礦水的分布、儲存、運移和排泄均受斷裂構造帶控制。

1.2水文地質條件

據含水層介質特征、地下水貯存條件、水力特征劃分,瓊中縣地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水,以基巖裂隙水為主,松散巖類孔隙水僅沿河溪兩岸小面積分布;據含水層成因、地質條件,基巖裂隙水又可分為層狀巖類裂隙水、塊狀巖類裂隙水及紅層孔隙裂隙水三個亞類。

勘查區地熱田熱儲隱伏于燕山期侏羅紀二長花崗巖中,熱儲蓋層主要為第四系全新統河流沖洪積層、花崗巖風化殘積層,熱儲蓋層厚8.35m~23.95m,平均厚16.93m。熱礦水埋藏較淺、熱儲厚度大,富水性較好,單孔涌水量264.21m3/d~3690.23m 3/d,水量較豐富。地熱流體補給來源主要大氣降水補給。大氣降水通過裂隙密集花崗巖和斷裂破碎帶入滲形成地下水經深部地下循環,吸收圍巖熱量形成熱礦水,熱礦水經由斷裂運移至南流地熱田,部分在地勢低洼處溢出地表形成溫泉,或耗于人工開采。

通過取樣測試,初步查明勘查區地熱流體水化學類型主要為HCO3-Na型;pH值8.6~9.34,為弱堿性水;礦化度為259mg/L~273mg/L,F含量5.80mg/L~8.17mg/L,H2SiO 3含量66.70mg/L~ 107.00mg/L,為氟水-硅水。同時含有Sr、Li等多種有益于人體健康的微量元素和組分。

1.3區域構造控制作用

勘查區區域大地構造上隸屬華南褶皺系五指山褶皺帶,尖峰-吊羅東西向構造帶與昌江-瓊海東西向構造帶之間,大斷裂帶控制了勘查區及周邊區域共23處地熱田的分布。區域內熱礦水的形成與巖漿巖、地質構造和地形地貌有密切的關系。

(1)熱礦水與巖漿巖:區域23處地熱田,有近20處出露于海西-印支期和燕山期花崗巖、閃長巖中,巖漿巖對于熱礦水的分布起到主要控制作用。

(2)熱礦水與地質構造:根據資料分析,昌江-瓊海斷裂帶、尖峰-吊羅斷裂帶周邊裂隙型熱礦水的形成主要為大氣降水在斷裂帶中部山區滲入地下,經斷裂帶向深部運移,熱礦水的垂向運移深度一般超過3km,同時順著地形的趨勢向四周運移,并在地形低于地下水總水頭且存在通道的地方出露成泉。 地熱田多出露在北西向或北東向的張扭性斷裂帶與東西向的兩條大斷裂交匯的部位。綜合分析,斷裂構造對區域地熱田的形成、儲存和運移均起著不同程度的控制作用,也為地熱水的運移、出露等提供通道。

(3)熱礦水與地形地貌:區域所有的地熱田基本全出露于地勢相對較低的地形低洼處,說明熱泉的出露受到地形的控制。熱礦水在中部山區地勢較高處形成并經由斷裂構造等通道順著地形趨勢向四周運移,在地勢相對較低的位置出露地表,表明熱泉的出露受到地形的控制。

2熱儲特征及埋藏成因

2.1地熱田邊界條件

南流地熱田是受控于斷裂構造呈帶狀分布的地熱田,其熱儲分布主要受控熱、導水斷裂F2'控制。通過收集資料、調查測溫、鉆井測溫及斷裂帶走向等綜合劃定地熱田分布范圍與邊界。

根據《地熱資源地質勘查規范》(GB/T11615-2010)的規定,當水溫大于或等于25℃時,屬地熱資源,由于海南島地處熱帶氣候區,年平均氣溫23.8℃,潛水水溫與氣溫相差2℃~5℃,勘查區地下水水溫一般27.0℃~29.5℃,綜合前人對瓊中地熱的經驗,以地下水水溫32℃作為南流地熱田的溫度界限,統一以孔口水溫32℃等值線為基準,根據地表熱異常點分布范圍、地面調查地質特征、物探解譯斷裂帶產出狀態、鉆孔揭露熱礦水的橫向地溫梯度(外推至熱礦水32℃溫度等值線)綜合圈定地熱田范圍及邊界。南流地熱田邊界以32℃水溫度為等值線,以控熱斷裂F2'、F 3'、F 4'為長軸的不規則長橢圓形,地熱田面積約0.206km2。如圖2所示。

南流地熱田是受控于斷裂構造的帶狀分布地熱田,其熱儲分布主要受控熱、導水斷裂F2'、F 3'、 F4'控制;以熱礦水溫度32℃等值線和40℃溫度等值線圈定的地熱田范圍均是以控熱斷裂F 2'、F 3'、F 4' 為長軸的不規則長橢圓形。按地熱田的溫度、熱儲形態、規模和斷裂構造發育的復雜程度,將其劃分為中低溫帶狀地熱田(Ⅱ-2),地熱田規模分級為小型。

2.2熱儲特征及埋藏條件

熱儲是指埋藏于地下、具有有效孔隙和滲透性的地層、巖體或構造帶,其中儲存的地熱流體可供開發利用。南流地熱田熱儲層主要為F2'、F3'、F4'構造斷裂帶中破碎帶巖層組成,地熱流體主要賦存于斷裂破碎帶和巖石裂隙中,地熱流體沿構造裂隙運移,在合適的通道處上移至地表,南流地熱田是以對流傳熱為主、平面上呈帶狀延伸的熱儲。地熱勘查區出露黑云母二長花崗巖、黑云角閃閃長巖,結合勘探井巖芯采樣分析,熱儲巖性主要為黑云母二長花崗巖,揭露熱儲層最大厚度約378.91m。

根據收集歷史資料分析,DR1井附近20m~30m有溫泉出露,常年自流,自流泉水口相對較為固定;鉆孔地溫顯示南流地熱異常區以地熱井(DR1)為中心,與F1'、F 2'、F 3'、F 4'斷裂走向有一定的關聯,即北西向及北東地溫相對異常。其中,F1'斷層位于地熱田西部,呈向北彎曲的弧形,走向北東東,F3'、F 4'斷層位于南流地熱田中部,呈北北東向分布,傾向北西,為熱礦水的導水構造;F 1'、F 3'、 F4'與F 13應為同一組構造,該斷裂為地熱水的入滲、運移、深循環等提供通道;F 2'斷層位于地熱田中部,地表被第四系覆蓋未出露地表,走向北西西,傾向北東,傾角約70°~80°,為主要的控熱構造,是熱礦水的儲水與導水構造。

南流地熱田熱儲埋藏于F1'、F 2'、F 3'及F 4'斷裂破碎帶中,斷裂帶多為脆性巖石壓扭性斷裂,斷層傾角較大;沿斷裂構造部位,鉆孔巖心破碎,節理裂隙發育,熱蝕變、熱溶蝕現象明顯,節理中見有方解石填充,這些空隙通道為地下熱水的形成提供了良好的儲存和運移條件。據鉆探揭露,南流地熱田熱儲蓋層主要為第四系全新統河流沖洪積層和巖漿巖風化殘積層,蓋層以含砂粉質粘土、砂質粘性土為主,熱儲蓋層厚度8.35m~23.95m,平均厚度16.93m。由于熱儲的主要部分被覆蓋,同時主要的熱礦水流通通道DR1位于河床中,地表河水常年徑流不斷,整體對熱儲有一定的散熱和降溫作用。

2.3地熱田成因分析

南流地熱田屬于斷裂構造帶狀型地熱田,地熱水起源于大氣降水,大氣降水在地殼淺部經過循環過程中吸收圍巖中熱量,沿斷裂帶及其附近裂隙向上運移,以溫泉的形式出露于地表。通過收集分析地熱田地熱水氫氧同位素測試及1 4C同位素測齡結果,結合本次地質勘查成果及勘查的地質環境,從補給來源、補給高程及水化學年齡等進行分析研究,南流地熱田的形成原因主要有以下幾個方面。

(1) 南流地熱田的形成受斷裂構造控制。南流地熱田在區域上處于四條構造斷裂帶(F1'、F 2'、 F3'、F 4')交匯處,主要的控熱斷裂帶(F 2')對地熱田的形成和發展起到一定的控制作用,從揭露的鉆孔及出露的溫泉位置關系,充分說明了斷裂帶對地熱田的控制。

(2) 地下水經深部地下循環加熱。南流地熱田兩側均為山區,地熱水補給高程約800m~830m,大氣降水在重力作用下沿巖石裂隙、節理及斷裂帶入滲和賦存,在深部地下循環過程中,接受地溫加熱, 其熱源主要來自自然梯度增溫和漿活動帶來的熱能,地下水在深部循環徑流的過程中將這些熱能吸收富集于水中形成熱礦水,遠源補給南流地熱田,其循環徑流深度約2242m~2921m。其熱傳遞形式有熱對流和熱傳導兩種,其中熱對流主要為傳熱介質地下水在儲熱、導熱斷裂破碎帶內傳遞熱能,如DR1井因位于主控斷裂帶上,井深200m范圍內其溫度波動沒受多大影響,井口水溫較高,為地熱水的對流; 熱傳導主要通過巖石的導熱性能來傳遞熱能,受儲熱巖石及傳熱構造裂隙通道的影響,如ZK2井因遠離了主控熱斷裂,其溫度雖然整體地溫梯度異常,但沒有熱礦水的直接補給,僅為巖石熱傳遞,井口水溫較低。

(3) 徑流區具有良好的隔熱保護層。地下水沿斷裂帶深部徑流、運移并接受地溫加熱過程中,其徑流區具有厚度較大的花崗巖及其風化殘積土隔熱保護層,地下水在徑流過程中經深部加熱而不散熱; 高溫的地下水在徑流到地質環境條件適宜的深度后,在長期侵蝕和熱蝕水化學作用下,地熱水的排泄通道得以拓展和貫通,從而形成一定規模的熱水儲存空間。

(4) 地熱田區具備賦存地熱水的有利條件。南流地熱田地勢相對周邊低洼,屬于山間河谷地形,地熱田熱儲埋藏于F1'、F 2'、F 3'及F 4'斷裂破碎帶中,沿斷裂構造部位,巖石破碎,節理裂隙發育,這些空隙通道為地下熱水形成提供了良好的儲存和運移條件。南流河水不斷侵蝕切割基底巖石,為溫泉的產生和地熱異常提供有利的地形條件,當切割至斷裂導水帶時,地熱水也在水頭壓力作用下流出地表。

綜上,南流地熱田地處丘陵地區,大氣降水入滲補給深大斷裂構造并向深部運移,在運移的過程中接受地溫加熱,形成熱水,并在2242m~2921m時,水溫達103.01℃~126.78℃,后經由F13、F3'及F 4' 斷裂運移至F2'主控斷裂中,并通過F 2'與F 3'斷裂交會破碎帶處向上運移形成溫泉溢出地表。 3地熱資源計算評價及開發利用與保護本次在南流地熱田施工地熱勘查孔(井)4個,成井3個,3個熱水井統一編號R1、R2、R4。本次試驗前后及抽試驗過程中,往次施工的2口熱水井一直關閉,沒有抽水,故可以本次降壓試驗資料為基礎,根據涌水量方程式(經驗公式)推算本地熱田的可開采量。

為了確定各開采井設計(最大)降深和統一管徑的可開采儲量,本次根據降壓試驗資料及各試驗曲線類型,采用相應的公式計算。其中,R2、R4號熱水井只做一個落程的降壓試驗,只能采用直線型公式推算設計(最大)降深的涌水量;R1號熱水井進行了2個落程的降壓試驗,根據抽水試驗資料繪制Q=f(x)曲線及曲線類型判別式判別,其曲線類型為指數型,根據管井涌水量經驗公式的指數型方程式推算設計(最大)降深的涌水量。計算公式:

(1) 曲線類型判別式:m=(lgS2-lgS 1)/(lgQ 2 -lgQ1); (2)鉆孔(井)涌水量計算經驗公式:直線型方程:Q=q·S;指數型方程:Q=n·S1 /m;經驗系數關系式:lgn=lgQ1-1/mlgS 1;管徑水量換算式:η=(1+r/r 1)/2 式中:Q、Q1、Q 2分別為管井設計(最大)降深涌水量、降壓試驗第一、第二落程的涌水量(m3/d); S、S1、S 2分別為管井設計降深、降壓試驗第一、第二落程降深(m);n為經驗系數;sm為降深—水量關系數;η為管徑—水量換算系數;r、r1分別為設計開采井內徑和實際抽水井內徑(直徑)(mm)。

根據上述計算公式及相關參數,利用涌水量方程式(經驗公式)推算南流地熱田地熱流體可開采量為6462.76m3/d,如表1所示。

南流地熱田屬于深大斷裂引起的帶狀地熱田,地熱井孔口水溫34.0℃~52.0℃,最高56.0℃;地熱井成井深度200m~400m,成井深度小于1000m,為最經濟的地熱井的成井深度;地熱井地熱流體單位產量大于50m3/d.m,為地熱資源的適宜開采區;地熱流體中偏硅酸和氟含量均較高,達到了理療熱礦水水質標準,可用于理療洗浴等。熱礦水的成因決定了其具有一定礦化度和多組分的特點,地熱流體的長期排放,可能會誘發一些環境問題。南流地熱田熱礦水中pH值8.6~9.56,水溫43.3℃~56.0℃, 氟化物含量5.5mg/L~8.17mg/L,地熱田在開發利用中可能產生高氟、土壤板結等環境問題。

4結語

瓊中縣地熱資源隱伏于燕山期侏羅紀中世二長花崗巖中;熱儲蓋層主要為第四系全新統河流沖洪積層、花崗巖風化殘積層及表層強風化花崗巖,熱儲蓋層巖性以粗礫砂、含砂粉質粘土及強風化花崗巖等為主,熱儲蓋層厚度8.35m~23.95m;地熱田具有埋藏較淺、熱儲厚度大,富水性較好,水量較豐富的特點。地熱流體水化學類型主要為HCO3-Na型;pH值8.6~9.34,為弱堿性水;礦化度259mg/L~273mg/L,F含量5.80mg/L~8.17mg/L,H2SiO 3含量高達66.70mg/L~107.00mg/L,為氟水-硅水。同時含有Sr、Li等多種有益于人體健康的微量元素和組分。其中,控制的地熱流體可開采量為4356.29m3/d(159.00萬m 3/a)。

建議在地熱田開發利用的過程中,應科學確定地熱井的開采布局和開采方式,嚴格控制開采量,防止水質惡化與資源枯竭;同時,建立完善地熱流體排放管網和處理措施,做好地熱流體排放的處理工作,確保廢地熱流體達標排放,防止污染環境。