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      云南省宜良地?zé)崽锘咎卣餮芯考俺梢蚍治?/h1>
      2019-07-09 07:58:10巴俊杰徐世光蘇春田夏日元
      世界地質(zhì) 2019年2期
      關(guān)鍵詞:宜良震旦系熱田

      巴俊杰,徐世光,蘇春田,夏日元

      1.中國地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所,廣西 桂林 541004;2.自然土資源部 廣西壯族自治區(qū)巖溶動力學(xué)重點實驗室,廣西 桂林 541004;3.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司,昆明 650041

      0 引言

      地?zé)嶙鳛榫C合性礦產(chǎn)資源和潛力巨大的清潔能源,在熱力開發(fā)、醫(yī)療保健、生態(tài)旅游等方面,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效應(yīng),其勘探開發(fā)利用日益升溫[1-3]。

      目前中國的地?zé)衢_發(fā)利用主要集中在具有一定地?zé)豳Y源的發(fā)達(dá)城市,且地?zé)豳Y源的勘探、評價、綜合管理及開發(fā)模式等研究,與冰島、日本等地?zé)崂贸墒靽业牟罹噍^大[4-8]。伴隨2017年國家《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》的出臺,地?zé)豳Y源的利用日益具有更廣泛的應(yīng)用前景。

      中國主要以中低溫地?zé)豳Y源為主。宜良地?zé)崽镉捎谔厥獾刭|(zhì)結(jié)構(gòu),地?zé)崽镄纬蓷l件不同,分布極不均勻。研究區(qū)屬于小江斷裂帶控制的斷陷盆地,著名的小江斷裂東支呈南北向貫穿全區(qū)。宜良盆地內(nèi)現(xiàn)有的研究成果不多,系統(tǒng)地結(jié)合地?zé)釛l件與熱田基本特征、地?zé)豳Y源分布規(guī)律的關(guān)系等方面研究相對較少,成果淺顯。本文選取宜良地?zé)崽餅檠芯繉ο?,對其充分挖掘和綜合研究,探索云南宜良地?zé)豳Y源的形成機(jī)制、儲集形式等規(guī)律。

      宜良盆地其基底下伏深部發(fā)育有富水性強(qiáng)的碳酸鹽巖巖溶含水層組。研究區(qū)具有地?zé)豳Y源分布面積廣、埋藏淺、規(guī)模大的特點,而斷陷盆地區(qū)資源配置集中、交通便利,是主要的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū),因此該類型地?zé)崽镔Y源的科學(xué)高效勘探、開發(fā)有著重要的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會意義。

      1 地理概況

      宜良縣地處滇中,位于昆明市東南部,102°58′E~103°29′E,24°31′N~25°17′N,距省會昆明約55 km。研究區(qū)是昆明市通往云南東南部的交通要塞和商品聚散地。

      宜良盆地屬于低緯度高原型季風(fēng)夏雨溫涼氣候帶。據(jù)宜良縣氣象站觀測資料,年平均氣溫16.3 ℃,平均降雨量912.2 mm,每年的6~9月為雨季。南盤江自北向南流經(jīng)宜良盆地,沿盆地東部蜿蜒流出區(qū)外。

      2 區(qū)域地質(zhì)背景

      2.1 地形地貌

      宜良盆地總體寬約5 km,長約30 km,呈東西短、南北寬近狹長狀橢圓形。研究區(qū)屬于谷盆、山嶺相間的地貌格局,其與附近山地的高差最大超過500 m。

      2.2 區(qū)域地層

      區(qū)域內(nèi)地層發(fā)育齊全,從前震旦系至第四系均有出露。在漫長的地質(zhì)歷史進(jìn)程中,歷經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動,海進(jìn)海退頻繁,古地理環(huán)境多變。

      研究區(qū)內(nèi)出露地層以元古界、下古生界和新生界為主,缺失中生界地層,即出露震旦系、寒武系、志留系、泥盆系、古近系、新近系及第四系地層,其中與地?zé)豳Y源有關(guān)的地層主要為第四系、寒武系及震旦系。

      2.3 地質(zhì)構(gòu)造

      研究區(qū)地處滇中高原,受NNE-SN向構(gòu)造控制,是以昆陽群變質(zhì)巖系為基底,震旦系及后各時代沉積地層為蓋層的區(qū)域。大地構(gòu)造位置區(qū)域上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺—滇東臺褶帶—小江斷裂帶中。區(qū)內(nèi)構(gòu)造形式以斷層為主,褶皺次之。

      研究區(qū)主要斷裂構(gòu)造均呈NS向展布,即F1、F2、F3、F4斷裂帶(圖1)。F1斷裂在地表可見100~200 m寬的破碎帶,由角礫巖、糜棱巖和少量斷層泥組成,傾角80°±。F4斷裂破碎帶寬50 m±,由角礫巖和糜棱巖組成,斷裂面向東傾斜,傾角45 °,局部地段近于直立。與兩主干斷裂平行或斜交的F2,F(xiàn)3斷裂,見有50~70 m寬的破碎帶,斷面東傾,傾角約80 °±。

      1.第四系;2.新近系;3.泥盆系;4.志留系;5.寒武系;6.震旦系;7.斷層;8.地層富水性(強(qiáng)-中-弱-較弱);9.地?zé)峋?、編號及溫?℃;10.熱泉編號及溫度/℃;11.熱田分區(qū)線;12.宜良盆地基底埋深等值線/m;13.剖面線;14.熱田塊段劃分編號;15.地名.圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of study area

      F1斷層從研究區(qū)北部江頭村以東進(jìn)入研究區(qū),途經(jīng)桃花村后延展至區(qū)外,此斷層控制了縣城以西盆地邊緣的形成和西部熱異常區(qū)邊界。F2斷層由縣城以北經(jīng)段官村及小唐營延出研究區(qū),往南至譚官營延出研究區(qū),此斷裂控制東部熱異常區(qū)的分界。F3、F4斷層分布于研究區(qū)東部大渡口東西兩側(cè),為東部邊緣的復(fù)合構(gòu)造(圖1)。

      2.4 新構(gòu)造運(yùn)動

      區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動較為活躍,洪積扇和階地發(fā)育。河流沖擊階地分布于宜良縣城北東窯廠一帶,為一套厚約10~15 m的砂礫石層,研究顯示屬更新世晚期的沉積物。宜良盆地是中新世以后沿“小江”南北斷裂東支陷落而成,呈長條形狀、由北至南沿東川—宜良—個舊南展布。新生代松散層厚度>358.4 m(圖1)。

      區(qū)內(nèi)新生代地殼上升作用強(qiáng)烈,山地大面積抬升,形成高峻山嶺,次一級斷塊的差異性上升強(qiáng)烈。

      研究區(qū)內(nèi)F1和F4兩條斷裂均由北部伸入盆地基底,潛伏于新生界松散層下,分別構(gòu)成盆地的東西邊界,控制宜良盆地的形成和地下熱水的富集。區(qū)域的新構(gòu)造運(yùn)動,對研究區(qū)地下水的形成以及深部巖溶的發(fā)育起到較強(qiáng)的控制作用。

      此外,區(qū)內(nèi)尚有北西向和近東西分布、具平移性質(zhì)的小斷裂,其與主干斷裂斜截或直交,對于溝通各斷層間地下水的水力聯(lián)系和地下熱流的傳導(dǎo)有較好作用,構(gòu)成地?zé)崽锏男纬捎欣麠l件。

      3 地?zé)崽锍梢驒C(jī)制淺析

      3.1 研究區(qū)地?zé)峋卣?/h3>

      目前,宜良盆地已完工地?zé)峋?,水溫不低?5℃的鉆孔21個,孔深在100~2 110 m不等。地?zé)峋姆植继卣鹘沂境鲅芯繀^(qū)的地?zé)豳Y源主要沿主干斷裂帶展布。

      研究區(qū)地?zé)峋捎谑苌w層保溫條件的限制和淺層低溫含水層的混入影響,水溫一般不高或略高于常溫地下水,唯控?zé)釘嗔褬?gòu)造帶的地?zé)峋疁夭泡^高。高值區(qū)一般出現(xiàn)在各主干斷裂附近,顯示斷裂構(gòu)造為地?zé)崽镏饕目責(zé)釛l件(圖1,表1)。

      研究區(qū)已有開發(fā)利用的地?zé)徙@孔主要分布在縣城的西北角,即小江斷裂東支F1斷裂的影響帶,以及狗街鎮(zhèn)東部盆地邊緣地區(qū)。地溫梯度受地層、巖性、蓋層厚度、地下水活動及構(gòu)造等因素影響,差異較大,由(1.8 ~13.7)℃/100 m。一般值為(5~10 )℃/100 m±,其中≥2.5 ℃/100 m的計19個點,高值區(qū)一般出現(xiàn)在各主干斷裂附近。

      3.2 地?zé)崽锪黧w化學(xué)特征

      研究區(qū)地下水的水化學(xué)類型較為復(fù)雜,主要以SO4-Ca、HCO3-Ca·Mg為主(表2)。

      表1 研究區(qū)地?zé)峋卣鞅?/p>

      表2 研究區(qū)部分泉水、鉆孔水化學(xué)特性表

      圖2 研究區(qū)水化學(xué)piper圖Fig.2 Piper diagram of hydrochemistry in study area

      3.3 熱儲層結(jié)構(gòu)

      研究區(qū)地表分布著新生界松散層,古生界寒武系龍王廟組(∈1l)碳酸鹽巖夾碎屑巖冷水含水層,其下伏為寒武系滄浪鋪組(∈1c)、筇竹寺組(∈1q)砂頁巖隔熱隔水蓋層;元古界震旦系燈影組(Z2dn)白云巖為熱儲層,下伏為陡山沱組(Z2d)、南沱組(Z2n)以及研究區(qū)東部廣泛出露的澄江組(Z1c)等一套砂巖夾頁巖地層,其正常疊置具有隔水導(dǎo)熱性能,對地?zé)嵩跓醿又械膬鹬匾饔?。宜良地?zé)崽锿暾臒醿?gòu)造系統(tǒng)為(圖3、圖4):

      新生界第四系松散堆積層盆地周圍基巖裸露,盆地內(nèi)被松散層覆蓋,東中部宜良城鎮(zhèn)一帶為隆起地形,松散層埋深僅為50~100 m(圖1)。盆地西部邊緣極樂村地帶為一淺埋深凹陷地形,松散層埋深為200~300 m,為一套由第四系(Q)含礫黏土、砂質(zhì)黏土組成的松散蓋層,地溫梯度一般為5.33 ℃/100 m。

      該套地層富水性和透水性很差,成為地?zé)崽餆醿Y(jié)構(gòu)的保溫蓋層。

      古生界碳酸鹽巖冷水強(qiáng)循環(huán)構(gòu)造層該層主要由下古生界寒武系龍王廟組(∈1l)碳酸鹽巖夾碎屑巖組成,主要分布在西部山區(qū)的斜坡地帶,部分傾伏于松散層之下,組成向斜的東翼,構(gòu)成了區(qū)內(nèi)主要巖溶含水層,出露泉水8處,水溫在17℃~20℃之間,平均地溫梯度為2.45℃/100 m,出露泉點最大流量為7.4 L/s,屬于富水性較強(qiáng)的冷水含水層。

      古生界碎屑巖相對隔水構(gòu)造層該層主要由下古生界寒武系滄浪鋪組(∈1c)、筇竹寺組(∈1q)砂頁巖組成,其富水性差,為相對隔水層。平均熱導(dǎo)率為3.5 w/m·k,地溫梯度為3.6℃/100 m。在斷坳盆地之中構(gòu)成研究區(qū)熱儲層隔熱、隔水、保溫蓋層。

      元古界碳酸鹽巖熱水弱循環(huán)構(gòu)造層研究區(qū)熱儲層為震旦系燈影組(Z2dn),屬于坳陷盆地水熱型熱儲。區(qū)內(nèi)熱顯示和人工揭露鉆孔,表現(xiàn)出震旦系燈影組(Z2dn)地層熱異常點數(shù)量最多的特點,且溫度最高,呈裸露型分布在盆地北緣的泉村頭一左營和縣城西南小麥沖村,其主體部分被埋藏于小江斷裂帶的東支西側(cè), 埋藏深度一般在800~1 200 m±。

      圖3 研究區(qū)1-1′熱儲結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.3 1-1′ thermal reservoir profile of study area

      圖4 研究區(qū)2-2′熱儲結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.4 2-2′ thermal reservoir profile of study area

      3.4 地?zé)豳Y源的分布特征

      宜良熱田地?zé)豳Y源相對較為豐富,地?zé)岬目臻g分布與盆地隱伏斷裂的展布相一致,即主要沿著F1小江斷裂東支(宜良斷裂)、F2、F3、F4斷裂由南向北呈條帶狀分布。其中F1和F4斷裂是構(gòu)成盆地東西邊界的主干斷裂,控制整個熱田區(qū)地層的排列、展布和地下水的運(yùn)移、循環(huán)條件。

      根據(jù)研究區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用及其構(gòu)造控制分布特征的不同,小江斷裂東支斷裂束即F1~F4斷裂呈南北向縱貫全區(qū),將熱田分割成三個塊段,即地?zé)崽镂魃綘I(Ⅰ)塊段、地?zé)崽锎蠖煽?Ⅱ)塊段、地?zé)崽锕方?Ⅲ)塊段,各具不同的埋藏分布特征(表3、圖3、圖4)。

      地?zé)崽镂魃綘I(Ⅰ)塊段:野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)地?zé)峋?口,鉆孔主要集中在縣城西部F1宜良斷裂通過區(qū)域,其中有4口地?zé)峋_發(fā)利用深部熱儲層燈影組(Z2dn)地?zé)崴?,取水深?18~2 000 m不等,出水溫度為56℃~58℃;該地?zé)崽飰K段地?zé)崴瘜W(xué)類型主要為SO4-Ca型,為深埋型巖溶熱儲型。

      表3 研究區(qū)地?zé)釅K段基本特征統(tǒng)計表

      地?zé)崽锎蠖煽?Ⅱ)塊段:現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)地?zé)峋?口,其中有3口地?zé)峋_發(fā)利用深部熱儲層燈影組(Z2dn)地?zé)崴?,取水深? 800~2 200 m不等,水溫為56.1℃~58℃;其水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-Ca·Mg型。

      地?zé)崽锕方?Ⅲ)塊段:共鑿地?zé)峋?2口,主要取用燈影組(Z2dn)熱水,取水深度一般較淺,為142~474 m不等,水溫28℃~43℃。其中在瑞家營水溫最高,地?zé)峋饕谾4斷裂分布,且F4斷裂南側(cè)水溫明顯低于北側(cè)。地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主。

      綜上,宜良地?zé)崽锛从蒄1、F2、F3、F4、F6、F13等斷裂分別構(gòu)成地?zé)崽锏倪吔纭8鱾€塊段的熱儲溫度、水質(zhì)類型、熱儲層水位等均有不同程度的差異,表明熱儲層位具備相對較為獨立的特性,地?zé)崽锔鲏K段的基本情況統(tǒng)計見表3。

      3.5 熱源

      研究區(qū)地?zé)岙惓5钠矫娣植继卣黠@示盆地南部地溫梯度比北部略高,異常高的地溫梯度出現(xiàn)在南部地區(qū)埋深100~200 m的層位,其他層位變化不大,多在(4~5)℃/100 m之間。

      對于垂向地溫場而言,溫度變化主要受巖性及導(dǎo)熱性能的控制。據(jù)位于西山營地?zé)峋?ZK04)資料,出孔水溫為58℃,推測孔底溫度為59.3℃(表4)。進(jìn)入熱儲后,隨著熱導(dǎo)率的增大,增溫率急劇下降,表現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明熱儲的溫差不大。異常高的地溫梯度是由熱儲頂板隆起或上翹后在熱傳導(dǎo)及載熱流體混合作用下產(chǎn)生的結(jié)果,地溫場熱流量并沒有得到增強(qiáng)(圖5)。

      研究區(qū)東北部溫泉村wq3溫泉,其處于主干斷裂F1與北西向斷裂的交匯部位,熱儲層燈影組Z2dn熱水沿斷裂通道上升到地表形成溫泉,流量14 L/s,水溫50 ℃。說明斷裂構(gòu)造既為地下水深循環(huán)提供有力條件,也是載熱流體流出地表的良好通道,充分表明區(qū)內(nèi)小江東支斷裂控制了宜良城區(qū)地?zé)崽锏男纬桑窃搮^(qū)域熱儲層主要熱源來源。

      表4 ZK04測溫一覽表

      圖5 ZK04測溫曲線圖Fig.5 ZK04 temperature measurement curve chart

      此外,研究區(qū)內(nèi)地殼淺部未見侵入巖體,因此也不存在巖漿熱等附加成熱條件。地震和活動斷裂產(chǎn)生的機(jī)械摩擦熱對研究區(qū)大地?zé)崃髦档呢暙I(xiàn)率極小[9-12]。

      綜上,地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產(chǎn)生的地殼熱流自然增溫和斷裂帶導(dǎo)熱增溫,構(gòu)成了宜良地?zé)崽锏責(zé)嵯到y(tǒng)的主要熱源。

      3.6 熱通道

      研究區(qū)構(gòu)造的主體為SN向斷裂,次為EW向斷裂。斷裂具有延伸遠(yuǎn)、規(guī)模大的特點。由于受到多期次構(gòu)造運(yùn)動的影響,導(dǎo)致斷裂帶兩側(cè)圍巖破碎程度高、裂隙節(jié)理網(wǎng)絡(luò)較為發(fā)育,成為了深部熱流向上傳導(dǎo)的主要通道。

      小江斷裂帶東支斷裂束在區(qū)內(nèi)主要由F1~F4斷裂組成,其中F1和F4斷裂是構(gòu)成盆地東西邊界的主干斷裂,控制整個地?zé)崽飬^(qū)地層的排列、展布和地下水的運(yùn)移、循環(huán)。據(jù)研究區(qū)地震剖面資料證實,F(xiàn)1、F2、F3宜良斷裂帶構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要的導(dǎo)熱構(gòu)造,F(xiàn)4斷裂以及與之相切割的東西向F6、F12以及F13斷裂交匯處能成為熱田的導(dǎo)熱通道,主導(dǎo)熱儲層中載熱流體的側(cè)向及垂向分配。

      3.7 熱源傳遞

      宜良地?zé)崽餆醾鬟f包括傳導(dǎo)和對流兩種方式,而對流傳輸方式是區(qū)內(nèi)各地?zé)醿瘜拥叵滤h(huán)深度內(nèi)主要熱傳輸方式。

      有關(guān)地震剖面資料表明,區(qū)內(nèi)小江斷裂東支斷裂束為規(guī)模較為巨大的地殼型或超巖石圈斷裂,構(gòu)成本區(qū)水熱活動的主要通道,主控載熱流體的垂向和側(cè)向分配。

      3.8 概念模型

      研究區(qū)熱儲層震旦系燈影組(Z2dn)碳酸鹽裂隙巖溶洞水在地下被封存時間較長,加之該熱儲層的熱導(dǎo)率較大,通過對流以及熱傳導(dǎo)方式吸收下伏深部的輻射熱,賦存熱儲層中的流體得以循環(huán)加熱升溫,并伴隨與圍巖進(jìn)行水巖反應(yīng),在溫度差、水壓差及密度差作用下,沿F1~F4導(dǎo)熱導(dǎo)水?dāng)嗔押蜆?gòu)造裂隙向淺部運(yùn)移???zé)釘嗔褱贤松畈繜嵩?,以傳?dǎo)和對流方式將深部地?zé)崮茉丛床粩嗟貛е恋貧\層,并在具有一定的熱儲結(jié)構(gòu)條件下,地下水沿循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)移、儲集而形成地下熱水,由此形成宜良地?zé)崽铩?/p>

      4 結(jié)論

      (1)宜良地?zé)崽飳儆跀嘞菖璧匦偷責(zé)崽?。地?zé)崽镞吘墳閺?qiáng)循環(huán)水熱對流帶,其內(nèi)部為巖溶含水層緩滯帶,上覆為古、新生代沉積保溫蓋層,形成了“坳陷盆地層控型”地?zé)嵯到y(tǒng)。

      (2)宜良地?zé)崽锓譃?個相對獨立的地?zé)釁^(qū),其成因模式屬于大氣降水補(bǔ)給的斷裂控?zé)嵘钛h(huán)型地?zé)嵯到y(tǒng)。震旦系燈影組碳酸鹽巖為巖溶型層狀熱儲,熱儲溫度一般在43℃~55℃之間,其水化學(xué)類型主要為SO4-Ca型、HCO3-Ca·Mg型等,埋藏深度一般在800~1 200 m。

      (3)研究區(qū)小江斷裂帶東支斷裂束為水熱對流循環(huán)提供了良好的通道和儲集空間。斷裂切割深度大,導(dǎo)通深部熱源,使得地下熱水在震旦系燈影組巖溶含水層中富集,最終形成大氣降水補(bǔ)給的斷裂帶控?zé)嵘钛h(huán)型地?zé)嵯到y(tǒng)。

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