地熱水是能為人類所利用的來自地球內(nèi)部的熱能資源,屬于清潔能源,而且在相當長的時期內(nèi)屬可再生能源,地熱水的開發(fā)利用對節(jié)能減排、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放等多方面具有重要意義。云南省昌寧縣地熱水資源豐富,素有“溫泉之都”之美譽,出露大小泉點共百余處,其中極具開發(fā)價值的溫(熱)泉(群)29處、地熱井7口,泉 (井)口溫度34~85℃。境內(nèi)泉水富含鉀、鈉、鈣、 鎂、氟等多種對人體有益的礦物質(zhì)和微量元素,尤其以溫泉鎮(zhèn)、柯街鎮(zhèn)、雞飛鎮(zhèn)等水熱條件最好,是昌寧最具開發(fā)潛力與利用價值的旅游度假資源之一。分析地熱地質(zhì)特征是進行地熱資源開發(fā)利用的重要依據(jù),對昌寧縣地熱水成因及地熱地質(zhì)特征作進一步研究,有利于地熱資源的可持續(xù)開發(fā)利用,促進當?shù)?a href="http://www.hq-led.com.cn/t/文旅.html" >文旅產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1研究區(qū)地質(zhì)特征

1.1區(qū)域大地構(gòu)造背景

潘基亞大陸裂解并與岡瓦納大陸匯聚過程中, 古特提斯洋逐漸消亡,印支期兩個大陸俯沖匯聚與碰撞,最終拼貼在一起形成瀾滄江縫合帶。燕山期班公湖—怒江碰撞帶形成,印度板塊向?qū)姿埂?a href="http://www.hq-led.com.cn/t/騰沖.html" >騰沖地塊俯沖,形成雅魯藏布縫合帶,地殼發(fā)生褶皺隆起形成喜馬拉雅山脈,導致保山—騰沖地塊中生代以前的地層普遍發(fā)生不同程度的變質(zhì)作用。新生代期間,陸—陸碰撞進一步加劇,青藏高原逐漸抬升。昌寧縣處于青藏高原東南翼,經(jīng)歷了印度板塊與騰沖板塊沿實皆斷裂帶的側(cè)向擠壓—拼貼過程和保山、思茅、印支地塊沿紅河斷裂帶、瀾滄江斷裂帶、高黎貢山斷裂帶等大幅度側(cè)向擠出—滑移過程。上述板塊構(gòu)造活動以及后期碰撞、后碰撞時期的一系列運動,造就了昌寧縣地熱異常帶。從全國的溫泉出露分布看,該地區(qū)處于 “藏南—川西—滇西”水熱活動密集帶。

1.2地形地貌

昌寧縣地處云貴高原西緣之橫斷山脈南段,峰巒重疊,谷深坡陡,南北縱列的山嶺、河流構(gòu)成縣境內(nèi)之地形骨架。地勢由東北向西南傾斜,最高點為北部松子山,海拔2 876 m,最低點為西南灣甸河尾,海拔608 m。地貌主要為深切割高中山—中山地貌,總體表現(xiàn)出東北和西南較陡、中部稍緩的特點。

1.3地層

昌寧縣寒武系地層到第四系地層均有出露,三大巖類俱全:瀾滄江斷裂以東主要分布碎屑巖類地層;瀾滄江斷裂以西至柯街、雞飛一帶(看墳山斷裂)分布大面積的變質(zhì)巖;柯街—雞飛以西、西南主要為碎屑巖,零星出露灰?guī)r;中部昌寧縣城一帶主要為碎屑巖,局部夾灰?guī)r。

1.4構(gòu)造

昌寧縣地處青藏滇緬印尼巨型“歹”字形構(gòu)造與經(jīng)向構(gòu)造之復合部位。“歹”字形構(gòu)造主要由近北西向的壓性、壓扭性斷裂及規(guī)模不等的同向褶皺組成,主干斷裂在平面上多呈舒緩波狀,在剖面上表現(xiàn)為陡傾及擠壓帶。經(jīng)向構(gòu)造是區(qū)內(nèi)發(fā)育較早的構(gòu)造體系,在古生代末到中生代時與“歹”字形構(gòu)造產(chǎn)生復合,互相改造。區(qū)域構(gòu)造形跡特征是由一系列近南北向的高角度壓性、壓扭性斷裂及其派生的橫張斷裂和緊密褶皺組成,局部為近東西向的緯向構(gòu)造和“山”字形構(gòu)造,見圖1。

昌寧縣地下水類型可分為四大類:松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、基巖裂隙水,主要通過構(gòu)造裂隙實現(xiàn)了地下水與補給源的水力聯(lián)系。松散巖類孔隙水含水層為第四系沖積層、湖積層、洪積層等,相對低洼地帶可富水,水化學類型為HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg 型。碎屑巖類裂隙孔隙水含水層為上新統(tǒng),壩區(qū)中部富水性較強,水化學類型為HCO3-Na·Ca和 HCO3-Ca型。碳酸鹽巖類裂隙溶洞水含水層為泥盆系下統(tǒng)沙壩腳組、石炭系上統(tǒng)、三疊系中統(tǒng)河灣街組和上統(tǒng)大水塘組、南梳壩組等碳酸鹽巖,富水性受巖溶發(fā)育程度控制,水化學類型主要為HCO3-Ca 型,部分為HCO3-Ca·Mg和HCO3-Na型。基巖裂隙水分布最廣,含水層為奧陶系瀾滄群和上統(tǒng)上蒲縹組、侏羅系中統(tǒng)花開左組、白堊系下統(tǒng)景星組以及巖漿巖等,水化學類型主要為HCO3-Ca,其次為 HCO3-Na、HCO3-Ca·Na和HCO3·SO4-Na型。

2地熱地質(zhì)特征

2.1地熱資源特征

昌寧縣地熱地質(zhì)條件較好,大部分地熱資源均以上升泉群形式出露,形成天然自流地熱泉,少部分為鉆探揭露后形成的自流井。根據(jù)地熱資源形成的構(gòu)造特征和賦存條件,研究區(qū)熱儲類型分為隆起山地對流型和沉積盆地傳導型兩種(即構(gòu)造裂隙脈狀熱儲和孔隙層狀熱儲)。地熱資源以水熱型為主,主要是水溫低于150℃的中低溫地熱水資源,泉(井)口溫度34~85℃,水溫表現(xiàn)出由中間向南、北降低的趨勢。地熱水流量差異懸殊,最大可達35 L/s,最小僅為0.5 L/s,大部分無特殊氣味和沉淀物。從所處構(gòu)造部位看,地熱泉(井)均處在深大斷裂及次生的壓扭性斷裂交會部位,以北東—南西向的壓扭性斷裂和北北西主干斷裂為主,一般多見于地形低洼的坡腳或溝谷中,海拔一般在2 000 m以下,多以泉的形式溢出地表,常見冒泡及翻砂現(xiàn)象,部分水溫較高的水熱區(qū)可觀察到高嶺土化、綠泥石化等水熱蝕變現(xiàn)象。

2.2水熱活動區(qū)

昌寧縣水熱活動與變質(zhì)巖帶的分布、近期活動性斷裂系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián),空間位置明顯與區(qū)域構(gòu)造帶伴生展布,斷裂控制著地熱水的儲存、運移和混合程度。按區(qū)域構(gòu)造帶和地熱地質(zhì)特征將研究區(qū)劃分為四個水熱活動區(qū):柯街河斷裂以西劃分為灣甸水熱活動區(qū)(Ⅰ)、柯街河斷裂與昌寧—孟連斷裂之間劃分為柯街—卡斯水熱活動區(qū)(Ⅱ)、昌寧—孟連斷裂與瀾滄江斷裂之間劃分為漭水—溫泉水熱活動區(qū)(Ⅲ)、瀾滄江斷裂以東劃分為耈街—珠街水熱活動區(qū)(Ⅵ),見圖2。Ⅰ、Ⅱ區(qū)屬怒江南北向構(gòu)造水熱活動帶,Ⅲ、Ⅳ區(qū)屬瀾滄江南北構(gòu)造水熱活動帶,各水熱活動區(qū)的熱儲條件及特征有所不同。

2.3熱儲特征

2.3.1灣甸水熱活動區(qū)

熱儲層由中生代碎屑巖夾碳酸鹽巖組成,一般在山麓地帶出露,無熱蓋層,為裸露型,沿斷裂形成脈狀熱儲。灣甸盆地內(nèi)覆蓋有新生界松散巖層,構(gòu)成熱蓋層,為覆蓋型,沿斷裂呈脈狀分布,形成脈狀熱儲。由于區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖巖溶水較為豐富, 地下水熱能交換較快,地表熱顯示溫度較低。

2.3.2柯街—卡斯水熱活動區(qū)

熱儲層由勐統(tǒng)群變粒巖、片巖及古生界碎屑巖夾碳酸鹽巖等組成,一般在山麓地帶為裸露型, 沿斷裂形成脈狀熱儲。以枯柯河斷裂為主的北西西向斷裂構(gòu)成控熱、導熱通道,沿斷裂呈脈狀分布,形成脈狀熱儲。盆地附近由第四系松散堆積物和第三系半成巖構(gòu)成熱蓋層,熱蓋層與熱儲層巖石接觸部位局部地段形成層狀熱儲,但面積一般較小。

2.3.3漭水—溫泉水熱活動區(qū)

熱儲層由勐統(tǒng)群變粒巖、片巖及瀾滄群片巖等組成,一般無熱蓋層,大部分為裸露型,以大石頭街斷裂、昌寧—孟連斷裂等北西向斷裂構(gòu)成導熱通道,形成脈狀熱儲。由于瀾滄群中夾有碳酸鹽巖地層,碳酸鹽巖主要含冷水,導致地熱水整體溫度偏低,地表熱顯示以中溫、低溫溫泉為主。

2.3.4耈街—珠街水熱活動區(qū)

熱儲層由侏羅系—白堊系地層組成,以老君山斷裂、耇街—詩禮斷裂等北西向斷裂為導熱通道,形成脈狀熱儲,一般為裸露型,無熱蓋層。因熱儲層巖性以紅層為主,透水性及富水性較差,溫泉流量一般不大。

2.4地熱水化學特征

對上述各水熱活動區(qū)采取代表性地熱水樣品進行化學分析,見表1。從表1可以看出:研究區(qū)地熱水化學成分差別較大,水化學類型一般為 HCO3-Na和HCO3-Na·Ca型水;經(jīng)深循環(huán)產(chǎn)生的熱水,受水巖作用影響離子溶解度變大,礦化度 (TDS)偏高,反映地熱水成因類型屬深循環(huán)型; pH值7.1~8.2,屬弱堿性水;F-含量偏高,不能飲用、灌溉及漁業(yè)養(yǎng)殖,適用于洗浴、泡澡用水。后續(xù)可以根據(jù)不同區(qū)域的地熱水特征和熱儲特征,進行地熱資源勘查及開發(fā)利用。

3地熱水成因研究

3.1地熱水來源

GRAIQ認為在地熱系統(tǒng)的高溫狀態(tài)下,巖石會和地下水發(fā)生氧同位素交換,即“氧同位素漂移”,而且溫度越高,“漂移”現(xiàn)象就越顯著。巖石礦物中的含氫量很少,不能進行氫同位素交換。地熱水是地下水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分,氫氧穩(wěn)定同位素是認識地下水的重要信息指標,可揭示地熱流體運移演化過程。D和18O分別是氫和氧的穩(wěn)定同位素之一,可以采用D和18O分析地熱水成因及來源。

對研究區(qū)采集的地熱水樣品進行氫氧同位素測定,測試結(jié)果見表2。根據(jù)氫氧同位素測試數(shù)據(jù), 繪制出研究區(qū)地熱水樣的氫氧穩(wěn)定同位素關(guān)系圖, 并與中國西南地區(qū)大氣降水線進行對比分析,見圖3。

由圖3可見,研究區(qū)δD-δ18O與中國西南地區(qū)大氣降水線吻合,即樣品的δD與中國西南地區(qū)大氣降水的δD一致,而δ18O向高處漂移但漂移量較低,因此判斷昌寧地熱水來源于大氣降水,且熱儲溫度較低,屬中低溫范圍(低于150℃),與火山、巖漿巖熱源沒有直接關(guān)系。

根據(jù)氫氧同位素高程效應“δ18O隨地下水補給高程增大而減小”,可以利用δ18O的高程效應計算地熱水的補給區(qū)高程,見式(1)。補給源可以根據(jù)補給高程沿水熱排泄區(qū)向高海拔地區(qū)尋找,結(jié)合構(gòu)造條件綜合確定。補給方式根據(jù)構(gòu)造與地形交切關(guān)系確定:一是沿水力坡度側(cè)向補給,二是沿構(gòu)造軸向縱向補給。

H=(δG-δP)/k+h(1)

式中:H為地熱水補給區(qū)高程,m;δG為地熱流體的 δ18O,‰;δP為地熱泉附近大氣降水的δ18O,‰;k為大氣降水δ18O的高度梯度值(昌寧地區(qū)為-0.3 1‰/ 100 m)[13];h為取樣點高程,m。

3.2地熱水成因

對昌寧基底構(gòu)造特征進行分析,其基底為弱至無磁性的元古界古老變質(zhì)巖系,沉積蓋層較厚, 晚近期無巖漿活動,地熱水與火山、巖漿巖熱源沒有直接關(guān)系,因此可以推斷熱源主要為地熱增溫所致。結(jié)合地熱水來源分析,昌寧縣地熱水的形成機制是在較高熱流背景的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下,大氣降水沿斷裂滲入地下向地殼深部運移[15],隨著循環(huán)深度增大,受地溫增加以及上地幔傳導熱、地殼自身硅鋁層放射性元素蛻變熱產(chǎn)生的余熱等影響而升溫。受地球深部熱源加熱后,地熱水沿著有利的通道(斷裂交會處)上升,在有利的地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件下以泉的形式出露,形成豐富的地熱水資源。

4結(jié)論

1)研究區(qū)可按區(qū)域構(gòu)造帶劃分為四個水熱活動區(qū):灣甸水熱活動區(qū)、柯街—卡斯水熱活動區(qū)、 漭水—溫泉水熱活動區(qū)、耈街—珠街水熱活動區(qū)。 各水熱活動區(qū)有其獨特的熱儲結(jié)構(gòu)及特征,主要為脈狀熱儲。后續(xù)可以根據(jù)不同區(qū)域的地熱水特征和熱儲特征,進行地熱資源勘查及開發(fā)利用。

2)區(qū)內(nèi)地熱資源以水熱型為主,泉(井)口溫度34~85℃,均分布于深大斷裂及次生的壓扭性斷裂交會部位,多見于地形低洼的坡腳或溝谷中。 研究區(qū)地熱水化學成分差別較大,水化學類型一般為HCO3-Na和HCO3-Na·Ca型水。

3)對研究區(qū)采取的地熱水樣品進行δD-δ18O 分析,結(jié)果表明研究區(qū)地熱水具有大氣降水的氫氧同位素組成特征,成因?qū)贁嗔焉钛h(huán)中低溫地下熱水系統(tǒng),與火山、巖漿巖熱源沒有直接關(guān)系。 可以利用δ18O的高程效應計算地熱水的補給區(qū)高程。

4)研究區(qū)地熱水主要為地熱增溫所致,形成機制是在較高熱流背景的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下,大氣降水沿斷裂下滲產(chǎn)生深循環(huán),受地球深部熱源加熱后,再沿斷裂載熱回返,以泉的形式出露,形成豐富的地熱水資源。