徐雪球,劉志平,季克其,周宜吉

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京210018)

中國溫泉與地熱(水)異常的普查標志和方向

徐雪球,劉志平,季克其,周宜吉

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇南京210018)

地熱資源,目前主要利用的是地下熱水,是集“熱、礦、水”三位一體的綜合資源,是既清潔又可再生的能源。在能源日益緊缺的情況下,地熱資源開發(fā)利用前景更加廣闊和重要。通過對我國著名溫泉形成與控制條件的分析,探討深部地下熱水異常的形成機制,介紹了地下熱水異常的普查標志和普查方向,為提高地熱(水)資源勘查的準確性提供信息和依據(jù)。

地熱;水;溫泉;斷裂;火山;巖漿

0 引 言

地熱資源是集“熱、礦、水”于一體的既清潔又可再生的綜合資源,其的開發(fā)利用在產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益的同時,社會效益和環(huán)境效益也十分顯著。地球熱(能)源是驅(qū)動地球內(nèi)部一切熱過程的動力源。地熱資源是最重要的能源礦產(chǎn)的組成部分,地球每年通過地表傳輸?shù)目偀崃侩m然很大,因在絕大部分地域熱能分散,而不能在目前的技術(shù)經(jīng)濟條件下為人類所利用,故不能成為資源。但由于巖漿活動和年輕的造山運動能夠使地球內(nèi)熱在有限地區(qū)內(nèi)富集,并被人類所開發(fā)利用而成為地熱資源。能夠經(jīng)濟地為人類所利用的地球內(nèi)部熱資源,目前判明的有五類,即以蒸氣為主的地熱資源;以液態(tài)水為主的地熱資源;地壓型地熱資源;干熱巖體型地熱資源和巖漿型地熱資源。筆者探討的主要內(nèi)容是以液態(tài)水為主的地熱資源。

地下水的天然露頭叫泉。一般分布在山區(qū)和丘陵區(qū)的溝谷和山坡腳下,平原區(qū)則多見于洪積扇前緣或河谷階地前緣陡坡下。當泉水含有特殊的化學組分或高于常溫時,分為礦泉、溫泉或熱泉。一般將溫度超過25℃的泉水稱作溫泉,大于或等于60℃的溫泉列為中、高溫泉。由鉆井開采的地熱水實際上也是一種廣義的溫泉資源,其成因與泉相同,只是被埋藏在地下沒有出露而已。

1 溫泉的類型

按泉水承受的壓力,分為上升泉和下降泉。上升泉是地下水受靜水壓力作用,上升并溢出地表所形成的泉;下降泉是地下水受重力作用自由流出地表而形成的泉,是非承壓水的天然露頭。

根據(jù)泉出露地點的地層、構(gòu)造和地貌條件可分為5種類型。

①接觸泉:分布在含水層與隔水層交界處的泉。地下水在流動過程中,在其接觸面流動受阻,在重力作用下而溢出地面成泉。

②裂隙泉:地下水沿巖石裂隙流出地表成泉。

③斷層泉:地下水沿斷裂帶流出地表成泉。

④巖溶泉:在石灰?guī)r分布區(qū),地下水在裂隙和溶洞中流出地表成泉。

⑤侵蝕泉:在風、流水、冰川等外力的侵蝕作用下,地形遭受侵蝕使?jié)撍娉雎兜乇沓扇?多分布于溝谷或山坡腳下,一般為下降泉。

2 中國著名溫泉成因類型

中國著名的溫泉有100多處,幾乎遍及各省、市、自治區(qū)。由于溫泉中有多種對人身體有益的微量元素和礦物質(zhì),許多溫泉成為療養(yǎng)勝地、旅游熱點。溫泉很少是單一因素形成的,多為復合型。通過資料分析,筆者將形成溫泉的地層、構(gòu)造和巖漿條件及成因類型歸納如下。

2.1 火山余熱型

火山余熱型系近期熄滅的火山深部尚未固結(jié)的巖漿熱,使周圍的地下水溫度升高而形成的溫泉。吉林長白山、臺灣和云南騰沖等溫泉均屬此類。

吉林長白山溫泉群:包括長白溫泉、梯云溫泉、撫松溫泉及安圖藥水泉等。長白山溫泉在天池瀑布下1km左右。在3 300m2的范圍內(nèi),有幾十處地下水從巖石裂隙中涌出地表。長白山溫泉熱源直接來自于1702年才停止噴發(fā)的白頭山火山,地下熱水沿裂隙上升至地表,水溫最高可達82℃,低的也有60℃～70℃。

云南騰沖溫泉群:共有溫泉80余處,其中11個溫泉群的水溫高達90℃。騰沖地區(qū)火山巖及熔巖流分布極為廣泛,共有火山70余座,多屬中心式噴發(fā)或多中心式噴發(fā),高溫地熱田均分布于近期熄滅的火山邊緣。素有“火山地熱之鄉(xiāng)”稱謂的騰沖地熱區(qū)的高溫中心,其天然熱流量相當于每年燒21萬t標準煤。

臺灣溫泉:寶島臺灣地處歐亞與太平洋兩大板塊結(jié)合部位,屬最年輕的喜山運動產(chǎn)物,至今深部仍有未冷卻的火山巖漿,致使溫泉遍及全省,多達百余處。溫泉溫度有38℃～70℃和84℃～99℃兩個區(qū)間。在眾多的溫泉中,陽明山、北投、關(guān)子嶺和四重溪并稱四大名泉。

2.2 板塊邊緣型

如雅魯藏布江、怒江、瀾滄江和金沙江4條深大斷裂,即板塊邊緣區(qū)域的與火山活動無直接關(guān)聯(lián)的溫泉和地熱田。西藏溫泉和地熱田是這一類型的典型代表。

西藏高溫溫泉眾多,雖然沒有近期火山活動,由于印度板塊向北俯沖插入歐亞板塊,年輕的喜馬拉雅造山運動及強烈的巖漿活動,而出現(xiàn)強地熱異常帶。熱水湖、熱水沼澤、熱泉、沸泉、氣泉和各種泉華等地熱顯示類型應有盡有,還有世界罕見,我國僅有的水熱爆炸和間歇溫泉。

在喜馬拉雅山地帶,共發(fā)現(xiàn)11處熱水爆炸區(qū),地表留下許多爆炸坑。

間歇溫泉主要分布在板塊碰撞帶(怒江深大斷裂)的西藏那曲縣塔各加地區(qū),水溫高達85℃。沸泉有近百個,其中有4處間歇期不同、噴發(fā)形式各異的間歇噴泉。昂仁縣查布和謝通門縣谷露兩處間歇溫泉分布在雅魯藏布江深大斷裂帶,以塔各加規(guī)模最大。

羊八井地熱田是我國開發(fā)的第一個溫蒸氣田,汽水溫高達200多度。在其東北方有一面積7 350km2、水深16m、水溫45℃～57℃的熱水湖。

熱水河和熱水溪在西藏相當普遍,如察雅縣曲真熱水河和那曲縣索布察熱水河。

2.3 斷裂型

斷裂,特別是斷裂交叉部位,溫泉出現(xiàn)的數(shù)量最多,名泉也最多。如北京小湯山、南京湯山、南京江浦湯泉、連云港東海湯廟、河北平山、河北承德熱河、內(nèi)蒙古阿爾山、安徽岳西湯池、福建福州市、河南臨汝、湖北咸寧、廣東叢化和中山、陜西臨潼等溫泉屬于此類。江蘇無錫陽山地熱水、溧陽李家園地熱水、宿遷曉店地熱水等也屬于由鉆探揭露的斷裂型地熱溫泉類型。

南京湯山溫泉地處優(yōu)美的南京東郊風景名勝區(qū)。湯山不僅是全國四大溫泉療養(yǎng)中心之一,還有天下第一碑——明代開掘的陽山碑材和與北京猿人年代相當?shù)木嘟窦s60萬年的南京猿人洞。被孫中山譽為“美善之地”的湯山還保存著民國時期要人蔣介石、于佑任等人的別墅,因此湯山是集自然與人文景觀,形成獨具特色的古猿人文化、明文化、民國文化和溫泉文化于一體的旅游熱點。湯山是南京重點建設的“三城九鎮(zhèn)”之一,為溫泉興鎮(zhèn)的典型。

湯山溫泉分布于由下古生界的寒武系和奧陶系灰?guī)r組成核部地層的湯山短軸背斜山體的東部及東南坡,并在北東向和近東西向兩組斷裂交叉處形成溫泉。水溫常年保持在50℃～60℃,冬夏溫差變化不大。溫泉水中含有S、Ca、Mg、K、Na、Sr、Fe及少量放射性元素Th、Ra、Rn等30多種對人體有益的微量元素,對關(guān)節(jié)炎、風濕癥、高血壓、神經(jīng)痛和皮膚病等多種頑疾均有療效。

2.4 深部熔巖烘烤型

遼寧興城為此類代表。遼寧興城溫泉是我國目前最大的溫泉療養(yǎng)院之一。水溫70℃,可飲可浴。泉水內(nèi)含K、Ca、Na、Mg、S等多種礦物質(zhì)及微量放射性元素,對風濕性關(guān)節(jié)炎、大骨節(jié)病、神經(jīng)衰弱、高血壓、慢性婦科病及皮膚病均有不同程度的療效。溫泉的形成是由于地下水的深部循環(huán)受深部熔巖的烘烤而增溫,在一定的壓力下,沿斷層帶運移流動到新生代盆地邊緣而涌出。

2.5 花崗巖裂隙及接觸帶型

遼寧鞍山湯崗子、安徽黃山及江西廬山溫泉屬此型,江蘇東海湯廟溫泉以及由人工揭露的蘇州通安地熱水(溫泉)也屬此類。

遼寧鞍山湯崗子溫泉建有我國目前最大的溫泉療養(yǎng)院,也是我國四大康復中心之一。泉區(qū)熱礦泥蘊藏量豐富,為國內(nèi)獨家,共有溫泉18穴,泉水從地下花崗巖縫中涌出,水溫在57℃～65℃,最高可達70℃左右,含Rn、F、SiO2、Na、SO2-4和N2等。泉水和礦泥中還含W、Mo等20多種微量元素,對40多種慢性病有顯著療效,泉水清澈,透明無味,飲之健胃。

2.6 碳酸鹽巖巖溶裂隙型

重慶、貴州息烽、云南安寧屬此類。另外由人工揭露的張家港西張地熱水(溫泉)、寶應地熱水(溫泉)、沙家浜地熱水(溫泉)、泰州地熱水(溫泉)等也屬此類。

云南安寧溫泉緊鄰昆明市西南,發(fā)現(xiàn)于東漢,揚名于明代。溫泉源于石灰?guī)r壁,較大出口有9處,每晝夜涌量1 000余t,水溫42℃～45℃之間。泉水中含硫酸鹽、Mg、Na和微量放射性元素,屬碳酸鹽類泉,能治多種慢性病。溫泉四周景色秀麗,是昆明旅游區(qū)中的游覽與休閑勝地。

3 地熱(水)異常的普查標志

地下熱(水)異常在地表是有顯示的,這是地熱水在地表漏泄的結(jié)果,因而成為地下熱水異常的直接或間接找礦標志。這些標志可歸納為下述11種類型。

①由于地下熱能較高,地面出現(xiàn)微溫或放熱現(xiàn)象。在有水汽放出時,地面上空易形成特殊的晨霧。放熱地面是地溫明顯高于年平均氣溫和鄰近地區(qū)地溫的地域。放熱地面如無水汽顯示,因淺層地熱梯度比較高,植被生態(tài)存在明顯變化或有古泉華存在。

②溫泉和熱泉,包括各種各樣的泉塘和熱水湖。

③沸泉,又稱過熱泉。其特征是泉口不斷沸騰,水溫達到或超過當?shù)胤悬c。如西藏查孜沸泉海拔5 500m,是我國已知最高的沸泉,水溫86℃,高于當?shù)胤悬c6℃以上。

④噴氣孔。除火山口以外,凡能噴出氣體和蒸汽的孔洞均可叫噴氣孔。噴氣孔是火山活動后期或衰落階段的特征現(xiàn)象,它是高溫地熱田存在的重要標志之一。

⑤噴泉和間歇噴泉。噴泉是從地下連續(xù)不斷地將熱水或沸水噴射到地表的水泉,間歇泉是地下熱水或蒸汽間斷性噴射出地表的水泉。間歇泉多屬于高溫的水熱活動,其形成必須具備3個條件:儲水室、供水通道和熱源。儲水室應能聚集起足夠一次噴發(fā)的水量。只有巨大的通過通道源源不斷的熱量才能驅(qū)動整個過程發(fā)生對流循環(huán)。間歇噴泉是特定大地構(gòu)造環(huán)境中形成的,因而也是十分罕見的自然現(xiàn)象。在世界上已知的成千上萬處溫泉中,間歇噴泉不超過400處。

⑥泉華。泉華是溶有礦物質(zhì)和礦物鹽的地下熱水和蒸汽在巖石裂隙和地表面上的化學沉淀物。自然界最常見的泉華有硫華、硅華、鈣華、鹽華和金屬礦物五大類。其中鹽華又稱鹽霜,是熱泉區(qū)地表、淺土層以及泉華體和巖體表面上出現(xiàn)的白色可溶性礦物鹽,它是熱泉水蒸發(fā)或土層對泉水的毛細管作用的產(chǎn)物,某些水熱區(qū)的鹽華可構(gòu)成礦物資源。

非金屬泉華的礦物有自然硫、蛋白石、方解石、文石和其他可溶性碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、硝酸鹽礦物和硼酸鹽放物等。金屬泉華礦物多見辰砂、黃鐵礦和輝銻礦。泉華是地熱流體與深部宿主巖體和通道圍巖相互作用的產(chǎn)物在向地表上行的過程中,因溫度、壓力等條件發(fā)生變化的化學沉積物,因而不僅能反映泉水化學成分,而且能帶出水熱系統(tǒng)深部和上行通道的重要信息。

⑦水熱爆炸。飽和狀態(tài)或過熱狀態(tài)下的地下熱水,因圍壓變化產(chǎn)生的突發(fā)性汽化,體積急劇膨脹并爆破上覆松散地層的一種現(xiàn)象。爆炸后地面遺留深度不等的坑穴,坑內(nèi)及周邊多見噴氣孔、冒汽地面、沸泉及硫華等。水熱爆炸和屬于火山活動的潛水汽噴發(fā)在成因上一致,都是由于地下水迅速擴容為蒸汽而形成的。潛水水汽噴發(fā)僅發(fā)生在火山活動區(qū)。水熱爆炸則和火山活動或巖漿活動無直接關(guān)系,能量直接來自于淺層過熱水或超壓水汽。高溫水熱區(qū)的地震、大氣壓突變以及熱補給量突增均可觸發(fā)水熱爆炸。在板塊邊緣水熱活動的演化過程中,水熱爆炸可能屬于比較年輕的活動階段。

⑧火山噴發(fā)。正在噴發(fā)的火山、休眠火山和熄滅不久的死火山,不言而喻,都能為地下水提供熱源。因此,世界上火山活動帶也是溫泉,特別是高溫溫泉的最主要分布區(qū)。

⑨水熱蝕變。高溫熱水(汽)沿構(gòu)造通道上升與圍巖中的礦物或元素產(chǎn)生置換,導致熱水和圍巖的化學成分或礦物成分發(fā)生相應的變化,稱之為水熱蝕變。如熱水失去一些鉀,增加了一些鈣;圍巖則發(fā)生方解石化、白云石化、絹云母化、高嶺石化、沸石化等。

4 地熱(水)異常普查方向

地熱(水)異常指的是比正常地熱增溫率要高的地下熱水地區(qū),因此發(fā)現(xiàn)和勘查異常的地熱(水),其開發(fā)利用價值更高,更能節(jié)約能源,經(jīng)濟效益更好。從中國溫泉的成因、分布規(guī)律與特征看,地熱(水)異常的普查重點包括以下5個方面。

①火山活動區(qū):包括活火山、休眠火山和新生代熄滅的死火山地區(qū)。世界上高溫溫泉絕大多數(shù)分布在這些地區(qū)。

②中新生代造山區(qū):地球的平均大地熱流量大約為1.5熱流量單位,而新生代造山區(qū)達到1.9熱流量單位,僅次于紅海和亞丁灣及陸緣海,故而是大陸殼普查地熱(水)異常背景最好的地區(qū)。在我國大陸,喜山運動波及的西藏及青海、西藏、四川和云南組成的“三江”地區(qū)都是地熱(水)異常最易出現(xiàn)的重點地區(qū)。在我國東部因燕山運動,特別是其晚期,強烈的造山運動引發(fā)劇烈的褶皺、斷裂和火山、巖漿活動,這些活動區(qū)都是應重視的普查區(qū)。

③斷裂與裂隙構(gòu)造發(fā)育的花崗巖和碳酸鹽巖是溫泉最主要的儲水層,醫(yī)療價值最高,是溫泉普查最重要的巖性靶區(qū)。

④區(qū)域性深大斷裂或次級斷裂交叉處,是最好的深部導熱和導水構(gòu)造,故是溫泉普查最重要的構(gòu)造靶區(qū)。如南京湯山溫泉、洪澤老子山溫泉、東海湯廟溫泉等主要分布于北西向與北東向斷裂交回處,水溫高、水量大。郯廬斷裂帶、淮陰—響水斷裂帶以及一些中新生代斷陷盆地邊緣的深斷裂是重要的地熱溫泉資源賦存的區(qū)域。

⑤已知溫泉外圍就礦找礦效果好。例如,北京小湯山溫泉開發(fā)久負盛名,已有700余年歷史,在明清時期已開始成為帝王沐浴和避暑勝地。20世紀70年代后期,泉水逐漸消失,轉(zhuǎn)入鉆井開采利用?，F(xiàn)已由溫泉發(fā)展成地熱田。小湯山地熱田處于北西向的南口—孫河斷裂與北東向的黃莊—高麗營斷裂交會以北至山前的三角地帶。此地塊是北京平原地區(qū)唯一有天然溫泉出露的地區(qū),天然溫泉出水溫度52℃。熱田內(nèi)主要熱儲薊縣系鐵嶺組和霧迷山組碳酸鹽巖,在全區(qū)均有分布,但在小湯山一帶埋藏較淺,直接隱覆于第四系松散層之下;其次是寒武系灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r地層,受斷裂控制。小湯山地熱田核心區(qū),即2 000m深度內(nèi),最高出水溫度70℃。地熱水溫度大于40℃的面積為86.51km2。南京湯山東南部、江浦湯泉北部深部隱伏巖溶分布區(qū)具有較大的潛力。

[1] 徐泉清,孫志宏.中國旅游地質(zhì)[M].北京:地質(zhì)出版社,1997.

[2] 周念滬.地熱資源開發(fā)利用實務全書(第一冊)[M].北京:中國地質(zhì)科學出版社,2005.

[3] 馮天駟.中國地質(zhì)旅游資源[M].北京:地質(zhì)出版社,1998.

[4] 馬麗芳.中國地質(zhì)圖集[M].北京:地質(zhì)出版社,2002. [5] 北京小湯山人民政府.北京小湯山地熱資源勘查開發(fā)利用規(guī)劃[J].地熱能,2006(4):11-12.

[6] 趙劍畏.關(guān)于江蘇地熱勘查工作的思考[J].江蘇地質(zhì),2004,28(2):76-81.

Abstract:In terms of the soft rock(muddy sandstone)encounterd during the engineering construction of Yaohe Bridge along railway dedicated passenger line from Hefei to Bengbu,through several theoretic methods and exploration manners,the author discussed and analyzed the determination of foundation bearing capacity for the soft rock,summarized the experience andmethods,reflected the physical and mechanic characters of the soft rock.The above determination was of practical significance to decide the engineering geological properties of the rock mass.

Keywords:Soft rock;Foundation bearing capacity;Weathering;Joint development;Compressive resistance;Anhui

Survey marks and orientation of ther mal spring and geoheat(water)anomalies in China

XU Xue-qiu,L IU Zhi-ping,JI Ke-qi,ZHOU Y i-ji
(Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210018,China)

Geothermal resource is a kind of integrated,clean and renewable resource.Atpresent,underground hotwater,one form of the geother mal resource is under exploitation.Through analyses of the genesis and controlling conditions of the well-known thermal springs in China,the authors discussed the genetic mechanis m of the hot water anomaly in deep underground,depicted the survey marks and orientation of the hotwater anomaly underground,and provided information and backgrounds to i mprove the accuracy of geoheat investigation.

Geoheat;Water;Thermal spring;Fractures;Volcano;Magma

Determination and analysis of soft rock bearing capacity of Yaohe Bridge along railway dedicated passenger line from Hefei to Bengbu

X IAO Yu-lan
(China Railway ShanghaiDesign Institute Group,Shanghai 200333,China)

book=2,ebook=232

P314.1;TK521+.32

A

1674-3636(2010)02-0209-05

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.209

2009-03-30;

2009-05-18;編輯:陸李萍

徐雪球(1959—),男,高級工程師,主要從事基礎地質(zhì)、地熱資源勘查研究工作.