云南省安寧溫泉地熱地質(zhì)特征及成因模式

  安寧溫泉位于安寧市溫泉鎮境內玉泉山麓, 螳螂川畔, 距昆明市區38km , 是云南省最著(zhù)名的溫泉之一,有“天下第一湯”之譽(yù)。由于區位優(yōu)越, 水質(zhì)療養效果明顯, 近年來(lái)溫泉開(kāi)發(fā)利用規模急劇擴大, 除了蓄集、引用溫泉自涌水量外, 另圍繞“天下第一湯”打了20 余口熱水井抽取地下熱水。不合理的開(kāi)發(fā)導致了“天下第一湯”的水位降低, 部分熱水井溫度下降, 甚至變?yōu)槔?a href="http://keyinmall.com/t/水井.html" >水井。

 

  本文總結了安寧溫泉地熱系統的地溫場(chǎng)、水文地球化學(xué)、熱儲結構及熱水動(dòng)態(tài)變化等地熱地質(zhì)特征, 在分析熱源、水源、導熱通道等要素基礎上提出了成因模式, 對今后該區地熱資源的合理開(kāi)采及溫泉開(kāi)發(fā)遠景規劃等具有指導意義。

 

  1  區域地質(zhì)背景

 

  溫泉地區地處滇中高原的邊緣, 位于近南北向展布的螳螂川侵蝕寬谷內, 海拔1 820 ～ 2 530m, 北倚筆架山, 西望龍山, 屬侵蝕溶蝕中-淺切割的中低山寬谷地貌, 總體地勢南東高、北西低。

 

  區內地層的巖性及出露、分布復雜多變。地層巖性主要有元古界昆陽(yáng)群淺變質(zhì)巖和震旦系砂巖、白云巖;古生界寒武系、泥盆系、二疊系, 是一套以灰巖、白云質(zhì)灰巖、砂巖等為主的碳酸鹽巖和碎屑巖;中生界三疊系、侏羅系, 是一套以泥砂質(zhì)巖為主的紅色碎屑巖層;新生界從更新統到全新統, 沉積有沖洪積砂卵礫石、粘性土。

 

  本區長(cháng)期處于川滇經(jīng)向構造帶與南嶺緯向構造帶交匯地區, 構造活動(dòng)較為頻繁, 地質(zhì)構造十分發(fā)育, 平緩的褶皺和塊狀斷裂構成其構造特點(diǎn)。相距35 ～40km 的東西兩側分別為普渡河斷裂帶與羅茨—易門(mén)斷裂帶夾持。受上述兩條南北向區域性斷裂帶的影響和來(lái)自南北地應力的控制, 區內構造線(xiàn)以東西向為主,次為南北和北東、北西向(圖1)。東西向構造主要有筆架山斷裂和石甸口斷裂, 多為老一期逆掩斷裂。南北向構造主要有螳螂川斷裂, 是溫泉地區唯一起控制作用的主干斷裂。

 

  溫泉地區發(fā)育的東西向斷裂構造, 控制了該地區含水層和非含水層的平面分布和空間格局, 自北向南可劃分為三大水文地質(zhì)單元。筆架山斷裂帶以北地區, 廣布昆陽(yáng)群淺變質(zhì)巖系, 是風(fēng)化裂隙水和構造裂隙水單元;而石甸口斷裂的以南地區, 廣布中生界祿豐組紅色碎屑巖類(lèi), 為弱含風(fēng)化裂隙層狀裂隙水單元。上述兩條斷裂所夾持的地帶, 是以震旦系、寒武系、二疊系為主、泥盆系次之的碳酸鹽巖夾少量碎屑巖、巖漿巖的分布區, 構成中部富含巖溶水單元, 為安寧溫泉的補徑排創(chuàng )造了良好條件。

 

  2  地熱顯示與水文地球化學(xué)特征

 

  安寧溫泉實(shí)為上升泉群, 出露于螳螂川谷底一級基座階地前緣含水層組中, 天然狀態(tài)下岸上統計有7個(gè)泉點(diǎn), 在溫泉大橋下螳螂川兩岸均有溢出, 以“天下第一湯”為中心向四周運動(dòng), 總流量118L s , 泉口溫度28 ～ 47 ℃。另?yè)L(fǎng)問(wèn)螳螂江河床內溢出點(diǎn)尚有數個(gè),  江心公園施工中, 揭露出熱水溢出點(diǎn)則是河床中有熱水溢出的佐證?！疤煜碌谝粶背雎陡叱? 824m, 在泉群中水量最大, 溫度最高。泉水無(wú)色無(wú)味, 清澈透明,泉口附近未見(jiàn)鈣華等沉積物。以往長(cháng)期觀(guān)測水溫為45 ～ 47 ℃。近年來(lái)水溫有所降低, 保持在43 ～ 45 ℃。

 

  安寧溫泉所處地熱系統既有溫泉出露, 也有鉆孔揭示。鉆孔基本圍繞“ 天下第一湯” 布置, 井深7.6 ～100m, 水溫31 ～ 44 ℃, 靜水位1 820 ～ 1 835.34m, 單位涌水量0.83 ～ 12.4L (s·m)。熱水中一般有較豐富的氣體溢出, 尤以“天下第一湯”最為典型, 串珠狀的大小氣泡曠日持久。氣體組分測定結果顯示, 主要成分為N2 , 次為CO2 、Rn 、He 、Ar 等, 組分與大氣類(lèi)似, 反映出熱水源于大氣降水的特征。

 

  通過(guò)多年水質(zhì)檢測資料, 溫泉各溢出水點(diǎn)與鉆孔熱水點(diǎn)的水化學(xué)類(lèi)型和各主要組分含量基本相近, 且與冷泉組分也差別不大(表1), 基本水化學(xué)類(lèi)型為HCO3 —Ca·Mg 或HCO3 —Ca 型。熱水中SiO2 含量明顯偏高, 是常溫水的1.5 ～ 3.9 倍。Rn 、Sr 、B 、Ba 、Se 、Zn 、Br 等微量元素含量略高。根據我國飲用天然礦泉水標準(GB8537 -1995), 屬硅質(zhì)泉。

 

  3  地溫場(chǎng)特征

 

  3.1  平面展布特征

 

  據已有ρs 等值線(xiàn)資料分析, 溫泉地熱場(chǎng)受斷裂構造控制, 形成以“天下第一湯” 為中心, 南北延伸大、東西延伸小的不對稱(chēng)擴展的紡錘狀形態(tài)。等溫線(xiàn)大體以“天下第一湯”為中心呈閉合狀, 東西寬約100m, 南北長(cháng)約200m , 為熱田溫度最高和變化較小的穩定區, 向四周則溫度漸降, 北部100 ～ 150m 以外便為冷水分布區, 該區溫度下降速度較快, 等溫線(xiàn)密集。向南等溫線(xiàn)稀疏舒寬, 地溫變化相對穩定, 在500m 范圍內溫度僅下降5 ～ 6 ℃。西側則由于冷流體的存在, 溫度驟降。

 

  3.2  垂向變化特征

 

  區內井溫曲線(xiàn)有增溫型、恒溫型、增降驟變型和增溫變降溫型等四種(圖2)。一般情況下, 螳螂川斷裂以東上盤(pán)熱田中心區以增溫型為主;螳螂川斷裂西側下盤(pán)地帶, 冷、熱流體相互交接以及混合地段, 以恒溫型為主;溫泉地熱田的外圍, 以增降驟變型井溫曲線(xiàn)為主, 井溫隨深度忽高忽低, 說(shuō)明井溫明顯受側向冷流體補給量的多少和強弱影響;螳螂川斷裂以西下盤(pán)地帶為增溫驟變?yōu)榻禍匦途疁厍€(xiàn), 應該是此處深部因大量側向冷流體補給和注入迫使熱流體降溫所致。

 

  上述地溫場(chǎng)的平面展布和垂向變化特征, 表明深部熱流體是在水頭差作用下, 通過(guò)螳螂川斷裂對流向上運移, 至地表淺部后再側向運動(dòng)向螳螂川排泄, 并受到冷水的混合。

 

  4  熱水賦存與熱儲結構特征

 

  根據水文地質(zhì)特征, 區內垂向結構可分為六層, 即淺部、中部、深部三個(gè)熱儲層以及上、中、下三個(gè)弱透水蓋層。安寧溫泉熱儲具有多元結構特征, 垂向形態(tài)則屬脈狀熱儲。

 

  新生界松散堆積物(Q)、中生界侏羅系祿豐組

 

  (J2 l)和三疊系上統舍資組(T3 sh)泥砂質(zhì)巖為主的紅色碎屑巖層以及二疊系峨眉山玄武巖(P2 β), 僅含較弱-弱的孔隙水和層狀風(fēng)化、構造裂隙水, 淺部水溫僅高于區內年平均氣溫, 一般為16 ～ 18 ℃, 構成區內最上部的隔熱隔水保溫蓋層。

 

  二疊系茅口組和棲霞組(P1 q +m)灰巖、白云巖巖溶發(fā)育, 聯(lián)通性好, 地下水循環(huán)交替強烈, 富水性中等-較強, 構成了淺部熱儲層, 也是目前所有地熱井的取水層。該熱儲的熱水嚴格受距離螳螂川斷裂的遠近控制, 垂向上有時(shí)也形成冷熱水相間的現象。

 

  二疊系下統倒石頭組(P1 d)鋁土巖、鋁土質(zhì)頁(yè)巖和石英細砂巖埋深350 ～ 400m, 僅含層狀裂隙水, 富水性弱, 可視為相對隔水層和隔熱層。

 

  泥盆系上統宰格組(D3 zg )白云巖埋深400 ～500m, 是富水性中等且較均一的巖溶含水層組, 構成了中部熱儲層, 該層熱水分布的邊界同樣受到距離螳螂川斷裂的遠近和周邊側向冷水補給量多少的影響。

 

  寒武系下統漁戶(hù)村組(∈1 y)泥巖、頁(yè)巖及含磷砂巖埋深500 ～ 600m , 含層狀裂隙水, 富水性弱, 即下隔水隔熱層。

 

  值得注意的是, 類(lèi)比附近的昆明地熱田[ 1] , 本區埋深600 ～ 700m 的震旦系燈影組(Zbdn)白云巖可構成中等巖溶化、構造裂隙發(fā)育的儲水空間, 是溫泉地熱系統的主要熱儲。利用K+ —Mg2 +地熱溫標法推算深部熱儲溫度59 ～ 65 ℃, 屬低溫地熱資源?？紤]到存在近源地下水的混合作用, 深部熱儲的溫度可能會(huì )更高。

 

  5  熱水動(dòng)態(tài)變化特征

 

  20 世紀60 年代“天下第一湯”長(cháng)期觀(guān)測數據能比較真實(shí)地反映自然狀態(tài)下的運動(dòng)狀態(tài)(圖3)。以“天下第一湯”為中心的熱水形成與降雨補給關(guān)系密切, 流量受季節性變化控制明顯。其他溫泉出露點(diǎn)和熱水開(kāi)采井的流量和水壓值也有同樣的情況存在, 說(shuō)明溫泉具有開(kāi)放型補給的性質(zhì), 其熱水量可以持續得到周邊巖溶水的大量補給。

 

  雖然溫泉流量的變化顯示降雨型的曲線(xiàn)特征, 但根據熱水中氚年齡的測定(6TU , 同期降水中的為20TU), 推算熱水循環(huán)周期在21a 以上, 說(shuō)明豐水期的大流量并非由當年降水的直接排泄造成, 而是補給區滲入的降水通過(guò)含水層的水壓傳遞在排泄帶的水動(dòng)力表現, 也表明含水層的聯(lián)通性很好并有著(zhù)較強調節功能的儲水空間。再者盡管豐水期水位有所抬升, 涌水量增大, 水質(zhì)各組分的含量, 尤其H2SiO3 的含量卻未發(fā)生明顯的改變, 這從另一個(gè)側面說(shuō)明熱礦水既具有一種短周期(豐、枯季)水位變化, 也具有長(cháng)周期的循環(huán)徑流過(guò)程。

 

  溫泉出露標高與各熱水孔的水頭高程高于螳螂川河水的高程, 無(wú)法接受地表水體補給, 也不會(huì )遭受地表水體污染, 但受螳螂川水位影響明顯, 多數熱水井及“天下第一湯”的水位、水量均有隨螳螂川水位升高而升高的正相關(guān)關(guān)系。螳螂川水位變化主要也是依賴(lài)大氣降水, 其動(dòng)態(tài)與降雨基本同步, 所以熱水水頭隨螳螂川水位的變化, 間接上反映的也是補給區滲入降水通過(guò)含水層的水壓傳遞在排泄帶的水動(dòng)力表現。另一方面, 河水位升高時(shí), 河水壓力增加, 阻擋了熱流體向河水的排泄, 也迫使四周熱流體水頭同時(shí)升高。

 

  6  安寧溫泉成因模式淺析

 

  6.1  熱源

 

  該區地處康滇古隆起, 莫霍面溫度965 ～ 1 000 ℃,巖石圈底界面溫度1 528 ～ 1 536 ℃, 具典型現代構造活動(dòng)區的地熱特征[ 2] 。大地熱流86.6 ～ 96.7mW m2 , 具有高熱流(>80mW m2)特征, 很大程度高于我國大陸地區有代表性的熱流值(63 ～ 68mW m2)[ 3] 。區內地幔熱流(qm )與地殼熱流(qc)比qm qc =1.23, 表明地幔熱流占較大比例。據區域物探重力、地震測深資料, 該區地球結構為雙層結構殼型, 分為上地殼、下地殼兩層, 厚度分別為16 ～ 25km、21 ～ 25km , 康德拉面附近可能存在低速層。安寧以南一帶地殼厚48km , 以北富民、祿勸一帶地殼厚約50km。地處地殼相對凸起帶,有利于更多的側向熱源集中。區內地殼淺部無(wú)年輕巖漿侵入巖體, 故不存在巖漿熱等附加熱源?；顒?dòng)斷裂和地震產(chǎn)生的機械摩擦熱對大地熱流值貢獻率極為微小, 可忽略不計[ 5] 。因此可以認為, 地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產(chǎn)生的地殼熱流構成了安寧溫泉地熱系統的熱源。

 

  6.2  導熱通道

 

  區內斷裂構造發(fā)育, 特別是螳螂川斷裂規模較大,對溝通深部熱源起到了至關(guān)重要的作用。螳螂川斷裂走向近南北, 延伸約7.0km。據已有的物探電測深資料, 該斷裂傾角較陡, 近直立, 總體傾向西, 局部東傾,為西升東降的左旋逆斷層, 水平斷距2 450m , 并有3 ～5m 寬的斷層角礫巖帶。該斷裂切斷了區內的筆架山斷裂和石甸口斷裂, 控制了斷裂東西兩側的地層和較低序次的斷裂。由于受后期多次構造運動(dòng)影響, 反復繼承和復活, 具有多期活動(dòng)及先壓后張的特征, 而且深切基底, 是一條具繼承性活動(dòng)的導熱斷裂。新生代挽近期該斷裂活動(dòng)更加強烈, 形成斷裂兩盤(pán)上升的不對稱(chēng)性, 造成斷裂帶兩側巖石破碎、裂隙網(wǎng)絡(luò )發(fā)育, 為地下水富集和熱水對流提供了必要的空間。螳螂川斷裂既溝通了深部的熱源, 也為地下水深循環(huán)并在沿途吸收深部傳導上來(lái)的熱量, 然后在水壓差、密度差作用下向上運移提供了必要的通道, 起到了導熱導水的作用。

 

  6.3  熱水的補給、徑流與排泄

 

  根據水文地質(zhì)條件分析, 出露震旦系燈影組的溫泉地區北西部龍山及北部羊角山一帶是溫泉接受大氣降水補給的水源地。

 

  震旦系燈影組是元古界變質(zhì)巖系上的第一個(gè)碳酸鹽巖沉積建造, 巖性為一套灰、淺灰色中厚層、厚層狀的隱-粉晶質(zhì)白云巖、硅質(zhì)白云巖, 經(jīng)歷多次構造運動(dòng)作用, 除節理裂隙十分發(fā)育外, 其深部巖溶也十分發(fā)育, 以溶隙為主, 是富水性中等而均一的巖溶化構造裂隙型巖溶水含水層組。該區接受大氣降水補給后, 沿溶隙及構造裂隙向深部徑流, 成為深循環(huán)的地下水, 因埋藏深, 徑流距離長(cháng), 運移速度緩慢, 沿途逐步從有著(zhù)正?；蚵愿叩?a href="http://keyinmall.com/t/地溫梯度.html" >地溫梯度的巖石中吸熱;當運移到螳螂川斷裂帶附近時(shí), 由于斷裂溝通產(chǎn)生深循環(huán)水的對流,受到深部熱源的高熱流加熱, 水溫得到大幅度升高, 并進(jìn)一步加速溶解圍巖的可溶組分, 在深埋的燈影組地層形成深部熱儲;在含水層高水頭壓力作用下, 深部熱水沿螳螂川斷裂導水帶向上運移并與D3zg 巖溶水混合, 形成了中部熱儲層;接著(zhù)上升至地表淺部, 與P1 q+m 中常溫地下水混合, 形成淺部熱儲層, 且在有利部位出露地表形成溫泉群。

 

  6.4  成因模式

 

  綜上所述, 安寧溫泉地熱系統的成因模式可概括為:在高熱流區域熱背景下, 大氣降水主要由龍山一帶補給區向下入滲, 沿震旦系燈影組溶隙及構造裂隙向深部徑流, 在向螳螂川排泄區運移過(guò)程中, 隨循環(huán)深度增大而不斷從巖石中獲取熱量逐步加熱, 至螳螂川斷裂帶附近時(shí), 由于斷裂溝通深部熱源產(chǎn)生對流深循環(huán),水溫增至65 ℃左右, 形成深部熱儲。在水壓差和密度差作用下, 深部熱水沿螳螂川斷裂帶有利部位涌至地表, 部分以溫泉出露, 部分賦存于淺部熱儲中, 并受到四周冷水不同程度的混合, 形成了以“天下第一湯”為中心的低溫地熱資源。

 

  7  結語(yǔ)

 

  從成因模式可知, 安寧溫泉屬開(kāi)放式補給的斷裂深循環(huán)型地熱系統, 熱水量可以持續得到周邊, 特別是龍山一帶震旦系燈影組巖溶水的大量補給, 熱水循環(huán)周期21a 左右, 從這種意義上講, 安寧溫泉地熱水是有補給來(lái)源的, 但其天然資源量畢竟是有限的, 溫泉水位降低等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題是開(kāi)采井群布置不合理且開(kāi)采量過(guò)大所造成。

 

  地下熱水是集熱、礦、水于一體的寶貴資源。為保障區內地熱資源今后的合理開(kāi)采, 建議查明螳螂川斷裂的具體產(chǎn)狀, 并可考慮鉆取較深的井直接截取從深部上來(lái)的熱水, 誘導淺層熱儲地溫水補給深部熱儲。

 

  此外, 應做好周邊地區的環(huán)境保護工作, 如龍山一帶補給區的生態(tài)保護、保證溫泉及熱水孔水頭不低于螳螂川水位以免因地表水體倒灌而遭受污染等。