云南省昌宁县地热水地质特征及成因研究

地热水是能为人类所利用的来自地球内部的热能资源,属于清洁能源,而且在相当长的时期内属可再生能源,地热水的开发利用对节能减排、调整能源结构、减少温室气体排放等多方面具有重要意义。云南省昌宁县地热水资源丰富,素有“温泉之都”之美誉,出露大小泉点共百余处,其中极具开发价值的温(热)泉(群)29处、地热井7口,泉 (井)口温度34~85℃。境内泉水富含钾、钠、钙、 镁、氟等多种对人体有益的矿物质和微量元素,尤其以温泉镇、柯街镇、鸡飞镇等水热条件最好,是昌宁最具开发潜力与利用价值的旅游度假资源之一。分析地热地质特征是进行地热资源开发利用的重要依据,对昌宁县地热水成因及地热地质特征作进一步研究,有利于地热资源的可持续开发利用,促进当地文旅产业发展。

1研究区地质特征

1.1区域大地构造背景

潘基亚大陆裂解并与冈瓦纳大陆汇聚过程中, 古特提斯洋逐渐消亡,印支期两个大陆俯冲汇聚与碰撞,最终拼贴在一起形成澜沧江缝合带。燕山期班公湖—怒江碰撞带形成,印度板块向冈底斯—腾冲地块俯冲,形成雅鲁藏布缝合带,地壳发生褶皱隆起形成喜马拉雅山脉,导致保山—腾冲地块中生代以前的地层普遍发生不同程度的变质作用。新生代期间,陆—陆碰撞进一步加剧,青藏高原逐渐抬升。昌宁县处于青藏高原东南翼,经历了印度板块与腾冲板块沿实皆断裂带的侧向挤压—拼贴过程和保山、思茅、印支地块沿红河断裂带、澜沧江断裂带、高黎贡山断裂带等大幅度侧向挤出—滑移过程。上述板块构造活动以及后期碰撞、后碰撞时期的一系列运动,造就了昌宁县地热异常带。从全国的温泉出露分布看,该地区处于 “藏南—川西—滇西”水热活动密集带。

1.2地形地貌

昌宁县地处云贵高原西缘之横断山脉南段,峰峦重叠,谷深坡陡,南北纵列的山岭、河流构成县境内之地形骨架。地势由东北向西南倾斜,最高点为北部松子山,海拔2 876 m,最低点为西南湾甸河尾,海拔608 m。地貌主要为深切割高中山—中山地貌,总体表现出东北和西南较陡、中部稍缓的特点。

1.3地层

昌宁县寒武系地层到第四系地层均有出露,三大岩类俱全:澜沧江断裂以东主要分布碎屑岩类地层;澜沧江断裂以西至柯街、鸡飞一带(看坟山断裂)分布大面积的变质岩;柯街—鸡飞以西、西南主要为碎屑岩,零星出露灰岩;中部昌宁县城一带主要为碎屑岩,局部夹灰岩。

1.4构造

昌宁县地处青藏滇缅印尼巨型“歹”字形构造与经向构造之复合部位。“歹”字形构造主要由近北西向的压性、压扭性断裂及规模不等的同向褶皱组成,主干断裂在平面上多呈舒缓波状,在剖面上表现为陡倾及挤压带。经向构造是区内发育较早的构造体系,在古生代末到中生代时与“歹”字形构造产生复合,互相改造。区域构造形迹特征是由一系列近南北向的高角度压性、压扭性断裂及其派生的横张断裂和紧密褶皱组成,局部为近东西向的纬向构造和“山”字形构造,见图1。

昌宁县地下水类型可分为四大类:松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水、基岩裂隙水,主要通过构造裂隙实现了地下水与补给源的水力联系。松散岩类孔隙水含水层为第四系冲积层、湖积层、洪积层等,相对低洼地带可富水,水化学类型为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg 型。碎屑岩类裂隙孔隙水含水层为上新统,坝区中部富水性较强,水化学类型为HCO3-Na·Ca和 HCO3-Ca型。碳酸盐岩类裂隙溶洞水含水层为泥盆系下统沙坝脚组、石炭系上统、三叠系中统河湾街组和上统大水塘组、南梳坝组等碳酸盐岩,富水性受岩溶发育程度控制,水化学类型主要为HCO3-Ca 型,部分为HCO3-Ca·Mg和HCO3-Na型。基岩裂隙水分布最广,含水层为奥陶系澜沧群和上统上蒲缥组、侏罗系中统花开左组、白垩系下统景星组以及岩浆岩等,水化学类型主要为HCO3-Ca,其次为 HCO3-Na、HCO3-Ca·Na和HCO3·SO4-Na型。

2地热地质特征

2.1地热资源特征

昌宁县地热地质条件较好,大部分地热资源均以上升泉群形式出露,形成天然自流地热泉,少部分为钻探揭露后形成的自流井。根据地热资源形成的构造特征和赋存条件,研究区热储类型分为隆起山地对流型和沉积盆地传导型两种(即构造裂隙脉状热储和孔隙层状热储)。地热资源以水热型为主,主要是水温低于150℃的中低温地热水资源,泉(井)口温度34~85℃,水温表现出由中间向南、北降低的趋势。地热水流量差异悬殊,最大可达35 L/s,最小仅为0.5 L/s,大部分无特殊气味和沉淀物。从所处构造部位看,地热泉(井)均处在深大断裂及次生的压扭性断裂交会部位,以北东—南西向的压扭性断裂和北北西主干断裂为主,一般多见于地形低洼的坡脚或沟谷中,海拔一般在2 000 m以下,多以泉的形式溢出地表,常见冒泡及翻砂现象,部分水温较高的水热区可观察到高岭土化、绿泥石化等水热蚀变现象。

2.2水热活动区

昌宁县水热活动与变质岩带的分布、近期活动性断裂系统密切关联,空间位置明显与区域构造带伴生展布,断裂控制着地热水的储存、运移和混合程度。按区域构造带和地热地质特征将研究区划分为四个水热活动区:柯街河断裂以西划分为湾甸水热活动区(Ⅰ)、柯街河断裂与昌宁—孟连断裂之间划分为柯街—卡斯水热活动区(Ⅱ)、昌宁—孟连断裂与澜沧江断裂之间划分为漭水—温泉水热活动区(Ⅲ)、澜沧江断裂以东划分为耈街—珠街水热活动区(Ⅵ),见图2。Ⅰ、Ⅱ区属怒江南北向构造水热活动带,Ⅲ、Ⅳ区属澜沧江南北构造水热活动带,各水热活动区的热储条件及特征有所不同。

2.3热储特征

2.3.1湾甸水热活动区

热储层由中生代碎屑岩夹碳酸盐岩组成,一般在山麓地带出露,无热盖层,为裸露型,沿断裂形成脉状热储。湾甸盆地内覆盖有新生界松散岩层,构成热盖层,为覆盖型,沿断裂呈脉状分布,形成脉状热储。由于区内碳酸盐岩岩溶水较为丰富, 地下水热能交换较快,地表热显示温度较低。

2.3.2柯街—卡斯水热活动区

热储层由勐统群变粒岩、片岩及古生界碎屑岩夹碳酸盐岩等组成,一般在山麓地带为裸露型, 沿断裂形成脉状热储。以枯柯河断裂为主的北西西向断裂构成控热、导热通道,沿断裂呈脉状分布,形成脉状热储。盆地附近由第四系松散堆积物和第三系半成岩构成热盖层,热盖层与热储层岩石接触部位局部地段形成层状热储,但面积一般较小。

2.3.3漭水—温泉水热活动区

热储层由勐统群变粒岩、片岩及澜沧群片岩等组成,一般无热盖层,大部分为裸露型,以大石头街断裂、昌宁—孟连断裂等北西向断裂构成导热通道,形成脉状热储。由于澜沧群中夹有碳酸盐岩地层,碳酸盐岩主要含冷水,导致地热水整体温度偏低,地表热显示以中温、低温温泉为主。

2.3.4耈街—珠街水热活动区

热储层由侏罗系—白垩系地层组成,以老君山断裂、耇街—诗礼断裂等北西向断裂为导热通道,形成脉状热储,一般为裸露型,无热盖层。因热储层岩性以红层为主,透水性及富水性较差,温泉流量一般不大。

2.4地热水化学特征

对上述各水热活动区采取代表性地热水样品进行化学分析,见表1。从表1可以看出:研究区地热水化学成分差别较大,水化学类型一般为 HCO3-Na和HCO3-Na·Ca型水;经深循环产生的热水,受水岩作用影响离子溶解度变大,矿化度 (TDS)偏高,反映地热水成因类型属深循环型; pH值7.1~8.2,属弱碱性水;F-含量偏高,不能饮用、灌溉及渔业养殖,适用于洗浴、泡澡用水。后续可以根据不同区域的地热水特征和热储特征,进行地热资源勘查及开发利用。

3地热水成因研究

3.1地热水来源

GRAIQ认为在地热系统的高温状态下,岩石会和地下水发生氧同位素交换,即“氧同位素漂移”,而且温度越高,“漂移”现象就越显著。岩石矿物中的含氢量很少,不能进行氢同位素交换。地热水是地下水循环系统的重要组成部分,氢氧稳定同位素是认识地下水的重要信息指标,可揭示地热流体运移演化过程。D和18O分别是氢和氧的稳定同位素之一,可以采用D和18O分析地热水成因及来源。

对研究区采集的地热水样品进行氢氧同位素测定,测试结果见表2。根据氢氧同位素测试数据, 绘制出研究区地热水样的氢氧稳定同位素关系图, 并与中国西南地区大气降水线进行对比分析,见图3。

由图3可见,研究区δD-δ18O与中国西南地区大气降水线吻合,即样品的δD与中国西南地区大气降水的δD一致,而δ18O向高处漂移但漂移量较低,因此判断昌宁地热水来源于大气降水,且热储温度较低,属中低温范围(低于150℃),与火山、岩浆岩热源没有直接关系。

根据氢氧同位素高程效应“δ18O随地下水补给高程增大而减小”,可以利用δ18O的高程效应计算地热水的补给区高程,见式(1)。补给源可以根据补给高程沿水热排泄区向高海拔地区寻找,结合构造条件综合确定。补给方式根据构造与地形交切关系确定:一是沿水力坡度侧向补给,二是沿构造轴向纵向补给。

H=(δG-δP)/k+h(1)

式中:H为地热水补给区高程,m;δG为地热流体的 δ18O,‰;δP为地热泉附近大气降水的δ18O,‰;k为大气降水δ18O的高度梯度值(昌宁地区为-0.3 1‰/ 100 m)[13];h为取样点高程,m。

3.2地热水成因

对昌宁基底构造特征进行分析,其基底为弱至无磁性的元古界古老变质岩系,沉积盖层较厚, 晚近期无岩浆活动,地热水与火山、岩浆岩热源没有直接关系,因此可以推断热源主要为地热增温所致。结合地热水来源分析,昌宁县地热水的形成机制是在较高热流背景的地质构造环境下,大气降水沿断裂渗入地下向地壳深部运移[15],随着循环深度增大,受地温增加以及上地幔传导热、地壳自身硅铝层放射性元素蜕变热产生的余热等影响而升温。受地球深部热源加热后,地热水沿着有利的通道(断裂交会处)上升,在有利的地质构造和水文地质条件下以泉的形式出露,形成丰富的地热水资源。

4结论

1)研究区可按区域构造带划分为四个水热活动区:湾甸水热活动区、柯街—卡斯水热活动区、 漭水—温泉水热活动区、耈街—珠街水热活动区。 各水热活动区有其独特的热储结构及特征,主要为脉状热储。后续可以根据不同区域的地热水特征和热储特征,进行地热资源勘查及开发利用。

2)区内地热资源以水热型为主,泉(井)口温度34~85℃,均分布于深大断裂及次生的压扭性断裂交会部位,多见于地形低洼的坡脚或沟谷中。 研究区地热水化学成分差别较大,水化学类型一般为HCO3-Na和HCO3-Na·Ca型水。

3)对研究区采取的地热水样品进行δD-δ18O 分析,结果表明研究区地热水具有大气降水的氢氧同位素组成特征,成因属断裂深循环中低温地下热水系统,与火山、岩浆岩热源没有直接关系。 可以利用δ18O的高程效应计算地热水的补给区高程。

4)研究区地热水主要为地热增温所致,形成机制是在较高热流背景的地质构造环境下,大气降水沿断裂下渗产生深循环,受地球深部热源加热后,再沿断裂载热回返,以泉的形式出露,形成丰富的地热水资源。