云南石林盆地地?zé)岬刭|(zhì)特征及成因分析

劉紅戰(zhàn)， 張小凌， 姚明波

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093;2.云南巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明 650051)

地?zé)豳Y源在國際公認(rèn)的21世紀(jì)的綠色能源，在當(dāng)今全球氣候變化和各種環(huán)境污染影響的形式下，地?zé)豳Y源已廣泛用于采暖、熱供水、醫(yī)療、旅游、娛樂、養(yǎng)殖等。我國是以中低溫為主的地?zé)豳Y源，高溫地?zé)豳Y源主要分布在藏南、川西、滇西和臺(tái)灣(Wang，2002;劉時(shí)彬，2005)，中低溫資源全國均有分布。20世紀(jì)90年代后我國地?zé)岬闹苯永孟蛞?guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，對(duì)地?zé)豳Y源的需求及勘查也有了很大的發(fā)展。

云南省是我國地?zé)豳Y源豐富的省份之一，大地?zé)崃髦悼傏厔?shì)是西部比東部高，滇西地區(qū)地?zé)釡囟容^滇東高，多形成高溫地?zé)崽铮渲兄挠序v沖火山地?zé)?。云南地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地?zé)岢梢蝾愋洼^多，有巖漿型，斷裂型，斷陷、斷凹盆地型(朱培秋等，2001;朱家玲，2006)。對(duì)地?zé)嵫芯砍龓r漿、斷裂型外，主要集中在斷陷盆地中(徐世光等，2000;楊艷華等，2004)，如昆明盆地的地?zé)嵫芯?，昆明地?zé)崽锏姆植?、模擬地?zé)崽飵r溶水越流、溶質(zhì)運(yùn)移等(薛傳東等，2003a，2003b)，對(duì)斷陷盆地內(nèi)層狀地?zé)岬某梢颉⑻卣饔休^好的研究，為昆明地?zé)岬拈_發(fā)和利用提供了地質(zhì)依據(jù)。石林盆地位于滇東斷陷盆地，與昆明盆地同屬一構(gòu)造單元，是國家地質(zhì)公園，也是云南省的主要旅游地，石林地?zé)岬难芯亢烷_發(fā)將會(huì)對(duì)石林旅游經(jīng)濟(jì)發(fā)展有推動(dòng)作用，同時(shí)也是云南斷陷盆地地?zé)嵫芯康睦碚撗a(bǔ)充及論證。

1 石林盆地地質(zhì)背景

石林盆地為斷拗向斜盆地，盆地呈南北向展布，長(zhǎng)約22 km，寬5 ～8 km，標(biāo)高1 694.0 ～1 820.0 m。四周山麓呈巖溶山地地形?？傮w地勢(shì)為北高南低，標(biāo)高1 694～2 015 m，最高為北西部打野山，高程2 015 m;最低點(diǎn)為盆地打石堂，高程1 694.0 m。

從區(qū)域上看，本區(qū)出露地層齊全，從前震旦系至第四系均有出露，海相、陸相碳酸鹽巖碎屑巖沉積，巖石類型、厚度及其交互組合形式，在時(shí)間和空間上有明顯的差異和變化。石林區(qū)地層與區(qū)域上相比，主要地層為古生界地層，特別是大面積出露二疊系茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)和石炭系威寧組(C2w)、馬平組(C2m)地層，其下伏為古生界震旦系昆陽群地層，缺失了整個(gè)中生界地層，盆地內(nèi)沉積新生界下第三系路南群(E2－3l)地層。

石林地區(qū)所屬區(qū)域位于緯向構(gòu)造體系、經(jīng)向構(gòu)造體系交匯部位，受緯向構(gòu)造體系影響明顯，主要構(gòu)造形跡為北東向斷裂，次為北東、北西向斷裂，是小江大斷裂的分支派生構(gòu)造。入字型構(gòu)造的九鄉(xiāng)-石埡口斷裂是石林盆地西部的控制斷裂(圖1)，斷裂西盤出露志留系地層，東盤出露第三系和二疊系地層，斷裂帶中斷層泥、糜棱巖、碎裂巖明顯，碎裂巖帶寬50～70 m，是地下水運(yùn)移的有利地帶。

牛頭山古陸為軸部走向北東40°～50°復(fù)背斜，古陸西側(cè)震旦系、寒武系地層與元古界牛頭山組成不整合接觸;古陸地帶泥盆系、二疊系地層直接不整合于牛頭山組上。

圖1 石林盆地地?zé)岬刭|(zhì)圖Fig.1 Geothermal geological of Shilin basin

2 地?zé)崤c水化學(xué)特征

溫泉反映的異常與本區(qū)氣溫對(duì)比，石林盆地常溫層溫度為18.3℃，區(qū)內(nèi)顯示的自然熱異常點(diǎn)有10個(gè)，均出露于路南群(E2－3l)砂巖地層中，沿牛頭山古陸邊緣及隱伏斷裂帶發(fā)育，水溫20～23℃，流量0.28 ～3.98 L/s，均為上升泉。。

除溫泉外，石林盆地地?zé)嵯到y(tǒng)還有鉆孔揭露，1988—2003年，石林盆地共有三個(gè)施工地?zé)崽娇識(shí)K1，RK2，RK3，2010 年施工地?zé)峋?CK2，位于石林岔路口和石林縣城，深度分別為 818.99 m，1 000 m，1 250 m，1 350 m，孔底溫度各為30.2 ℃，45℃，51℃和44℃，由于歷史原因，僅RK3，CK2正常使用。

地下熱水水化學(xué)特征反映了地下熱水同周圍圍巖及徑流過程中圍巖間的溶解與溶濾作用，地?zé)崽锏叵聼崴?，PH值7.47，主要離子含量:Ca2+58.25 mg/L，HCO3289.24 mg/L，總硬度 219.09 mg/L，HSiO332.67 mg/L，地?zé)崴瘜W(xué)成分較為復(fù)雜(表1)，總體水平方向上水化學(xué)組分變化小。根據(jù)庫爾洛夫式計(jì)算屬HCO3-Ca型水，具中性，硬度偏高等特征;偏硅酸含量較高，超過國家礦泉水限量標(biāo)準(zhǔn)(25 mg/L)，屬偏硅酸礦泉水。對(duì)比上部二疊系碳酸鹽巖巖溶水，地?zé)崴c上部冷水基本一致，水化學(xué)成分無明顯變化。

對(duì)比宜良湯池的溫泉水化學(xué)成分:陰離子以SO42－(493.1 mg/L)、HCO3－(526.3 mg/L)為主，陽離子以 Na+(299.12 mg/L)、Ca2+(147.21 mg/L)、Mg2+(42.66 mg/L)為主，礦化度 1.425 g/L，屬硫酸鹽—重碳酸鹽—鈉、鈣水。相比之下石林盆地地?zé)崴瑯右訡a2+，HCO3－為主，同屬于同一熱儲(chǔ)層(Zbdn白云巖)水;二者差異在于宜良湯池地?zé)崴畼?gòu)造通道破碎，斷層兩側(cè)的巖溶水越流補(bǔ)給量大，同時(shí)多條斷裂為下部深層熱流的上升提供良好的熱源，熱水溫度高，水流動(dòng)過程中溶解的溶質(zhì)較多。

表1 石林盆地地下熱水水化學(xué)特征表Table 1 Chemical characteristics of groundwater in Shilin basin

3 地溫場(chǎng)特征

3.1 平面分布特征

石林盆地受地層巖性、斷裂及古陸的控制，呈南北延伸長(zhǎng)、東西窄的近長(zhǎng)方形。從三個(gè)鉆孔資料看，地?zé)嵩鰷丶?jí)的特點(diǎn)是，位于儲(chǔ)熱層以上的覆蓋層，溫度隨深度而遞增，揭露熱水層后，隨深度加深溫度增加量很少。石林盆地?zé)醿?chǔ)層埋深變化較大，頂板埋深700～1 200 m，由北向南埋藏加大，平均層厚386 m。水溫由北向南有增大趨勢(shì)，增大程度小;石林盆地東為牛頭山古陸，西為九鄉(xiāng)-石埡口斷裂，九鄉(xiāng)-石埡口斷裂活動(dòng)性大于古陸，故地?zé)崴疁囟扔蓶|向西增大，45℃ ～51℃?？傮w看等溫線在水平上呈向西南下凹形態(tài)，稀疏寬緩，地溫變化相對(duì)較穩(wěn)定，在3 km的范圍內(nèi)穩(wěn)定僅變化6℃。

3.2 垂向變化特征

從4個(gè)地?zé)徙@孔測(cè)溫結(jié)果(表2)看，石林盆地水溫垂向測(cè)溫曲線總體為增溫型，地下熱水的溫度隨深度的增大而增大。但是在九鄉(xiāng)-石埡口斷裂西側(cè)下盤地帶，冷熱流體相互交接、混合，水溫變化小，基本以恒溫為主;但在東側(cè)上盤，水溫變化不定，說明井溫明顯受兩側(cè)冷水補(bǔ)給量的多少和強(qiáng)弱影響。

從地溫場(chǎng)的平面分布和垂向變化特征看，說明石林盆地深部熱水是通過九鄉(xiāng)-石埡口斷裂側(cè)向補(bǔ)給，在水頭差作用下，通過牛頭山古陸隱伏斷裂向上運(yùn)移，至地表與中生界冷水混合后排泄。

表2 鉆孔水文試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of drilling hydrologic data

4 熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)特征

石林地?zé)崽锏乇砑皽\層分布新生界松散層，其下為古生界碳酸鹽巖冷水含水層，再下以寒武系泥巖、砂巖為隔熱隔水蓋層，Z2dn白云巖為熱儲(chǔ)層，組成一個(gè)完成熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。熱田垂向結(jié)構(gòu)層可分為4層(圖2)。

4.1 新生界松散堆積構(gòu)造層

該層為下第三系路南組(E2－3l)砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、礫巖，電測(cè)深資料顯示，該層由盆地四周向中心厚度逐漸增厚，最大厚度大于600 m。含層狀風(fēng)化裂隙水，中等富水性，出露9個(gè)泉水;該層熱擴(kuò)散率低，地溫梯度較高，平均3.33℃/100 m，能有效阻隔下部熱量擴(kuò)散，是良好的隔熱保溫層。

4.2 古生界碳酸鹽巖冷水強(qiáng)循環(huán)構(gòu)造層

該層主要為古生界二疊系、石炭系碳酸鹽巖，分布廣泛，出露面積大，鉆孔揭露厚度484.66 m和494.0 m，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，形成石林原野，與地表水聯(lián)系較直接，地下水循環(huán)交替強(qiáng)烈，水溫小于20℃，有隨深度加大溫度增高之勢(shì)，碳酸鹽巖平均熱導(dǎo)率3.925 W/(m·k)。該層為對(duì)流循環(huán)系統(tǒng)，熱擴(kuò)散率較高，地?zé)崽荻葍H為1.5℃/100 m，屬富水性強(qiáng)的冷水含水層。

4.3 寒武系泥巖、砂巖相對(duì)隔水構(gòu)造層

該層主要為下古生界地層∈1q、∈1y泥巖、砂巖組成，含層狀裂隙水，富水性弱，鉆孔揭露厚度196.8 ～23.3 m，埋藏深，熱導(dǎo)率平均 3.023 W/(m·k)，地溫梯度4.8℃/100 m，在斷陷盆地中，形成熱儲(chǔ)層的直接隔熱、隔水蓋層。

4.4 碳酸鹽巖熱水弱循環(huán)構(gòu)造層

該層由燈影組(Z2dn)灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖巖溶含水層，電測(cè)深厚度約376～396 m，頂板埋深919～1 025 m。構(gòu)造裂隙發(fā)育構(gòu)成儲(chǔ)水空間，富水性強(qiáng)，熱導(dǎo)率4.462 W/(m·k)，地溫梯度2.74 ℃/100 m，是熱田主要熱儲(chǔ)層。

從熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)看，石林盆地地?zé)崽锏臒醿?chǔ)層與昆明盆地地?zé)崽锘鞠嗤?/p>

圖2 石林盆地地?zé)崮Ｐ蛨DFig.2 Geothermal geological structure model of Shilin bain

5 石林盆地地?zé)岢梢蚍治?/h2>

5.1 熱源

從大地構(gòu)造的角度看，石林盆地與昆明盆地、安寧盆地相同，同處于康滇地軸隆起區(qū)，具典型現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)區(qū)地?zé)崽卣?程先鋒等，2008;楊金和等，2008)。地?zé)崴ǔ？煞譃橛懈郊訜嵩春蜔o附加熱源，鉆孔和測(cè)井資料顯示，盆地內(nèi)地層主要為碎屑巖和碳酸鹽巖，不存在年輕巖漿巖侵入等附加熱源。

根據(jù)鉆孔R(shí)K1，RK2，RK3鉆孔資料，地溫梯度為(1.5～4.8)℃/100 m，其中碎屑巖地溫梯度(3.33～4.8)℃ /100 m;碳酸鹽巖地溫梯度 1.5 ～2.89 ℃ /100 m，小于自然增溫率3.0 ℃ /100 m，不同巖性段地溫梯度及物理測(cè)試結(jié)果見表3，碳酸鹽巖熱擴(kuò)散率較高，地溫梯度較低;碎屑巖熱擴(kuò)散率較低，地溫梯度較高，同時(shí)地溫梯度還隨地層的埋深增大而增大，隨含水層富水性的增強(qiáng)而減小，地?zé)崽荻冗€與地?zé)崴牡刭|(zhì)條件的變化而產(chǎn)生變化。

表3 巖石熱物理參數(shù)表Table 3 Thermo physical parameters of rocks

地溫高低多與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造一致，基底的起伏與地溫的高低呈正相關(guān)。深部熱流由熱導(dǎo)率高的地層向熱導(dǎo)率低的巖層傳導(dǎo)的過程中，熱流進(jìn)行了再分配，在隆起區(qū)的基底巖層頂部積聚，使地溫高于凹陷區(qū)(陳墨香，1988;陳墨香等，1990;趙璐等，2011)。石林盆地處于牛頭山古陸的邊緣帶，不利于熱量的積聚。

因此熱水的形成主要是依靠深部軟流圈在地殼縱向上產(chǎn)生的正常地?zé)嵩鰷兀瑢儆谏钛h(huán)成因。巖溶水在接受補(bǔ)給后，在緩慢的流動(dòng)過程中，不斷吸收周圍巖體的熱量，依靠正常的地?zé)嵩鰷貙?duì)巖溶水進(jìn)行加熱，上部巨厚的蓋層起到了重要的保溫隔熱作用。

5.2 構(gòu)造通道

從區(qū)域地質(zhì)資料看，石林盆地地質(zhì)構(gòu)造屬“入”字型構(gòu)造組成，區(qū)域性斷裂構(gòu)造不甚發(fā)育，北部分布數(shù)條北西向小型斷裂，東部牛頭山古陸存在隱伏斷裂，最大的斷裂為西部九鄉(xiāng)-石埡口斷裂，切穿了北部的斷裂?？傮w看，北、東、西斷裂將石林地?zé)崽锏臒醿?chǔ)層震旦系燈影組碳酸鹽巖夾持為較封閉的環(huán)境中，深部產(chǎn)生的地?zé)嵩鰷夭灰紫蛲獠恳萆ⅰ?/p>

九鄉(xiāng)-石埡口斷裂對(duì)石林盆地的地?zé)崽镉兄匾淖饔茫瑪嗔炎呦蚪媳?，貫穿整個(gè)盆地邊緣。據(jù)已有的資料顯示，斷裂傾角較陡，總體傾向西，為西升東降的逆斷層。該斷層深達(dá)基底，斷層兩盤上升的不對(duì)稱性，使斷層帶上巖石破碎，巖石裂隙發(fā)育，為上部中生界巖溶水的越流補(bǔ)給和熱水的對(duì)流提供了空間。該斷裂既溝通了深部的熱源，同時(shí)為地下水的運(yùn)移提供了通道，這也是石林盆地地?zé)崽餃囟任鞑扛哂跂|部、溫度最大值聚集在斷裂帶上的原因。

5.3 熱田水文地質(zhì)條件

根據(jù)水文地質(zhì)條件分析，地?zé)崽飪?chǔ)熱層Z2dn地層在石林盆地周圍沒有廣泛出露，僅北部小面積露頭，且被斷裂阻隔，地?zé)崽餆醿?chǔ)層為一較完整的地下水深循環(huán)地質(zhì)單元。地?zé)崽锏乃囱a(bǔ)給主要是上覆中生界巖溶含水層通過斷裂破碎帶、古陸接觸帶越流補(bǔ)給，北、西側(cè)側(cè)向逕流補(bǔ)給，其補(bǔ)給范圍有限，補(bǔ)給量小。

熱儲(chǔ)層震旦系燈影組灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，深部巖溶強(qiáng)發(fā)育，多以溶隙為主，是富水性強(qiáng)而均一的巖溶化構(gòu)造裂隙型巖溶水含水層。該區(qū)在接受大氣降水補(bǔ)給后，沿溶隙、構(gòu)造裂隙向深部徑流，形成深循環(huán)的地下水。地下水總體流向由北向南，在九鄉(xiāng)-石埡口斷裂附近，得到深部熱源的加熱，水溫增高，在含水層水頭壓力作用下，沿九鄉(xiāng)-石埡口斷裂導(dǎo)水帶產(chǎn)生對(duì)流，局部出露至地面形成溫泉，以上升泉形式向地表排泄。

5.4 成因模式

根據(jù)上述特征提出石林盆地地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式為:

大氣降水在周邊入滲，進(jìn)入中生界碳酸鹽巖巖溶含水層中，流至九鄉(xiāng)-石埡口斷裂及北西向斷裂時(shí)，由于斷裂的導(dǎo)水性，地下水沿?cái)嗔严聺B越流進(jìn)入熱田(圖2)，在地溫梯度以及九鄉(xiāng)-石埡口斷裂破碎帶深部熱源作用，地下水被逐步加熱，形成低溫?zé)崴?。低溫?zé)崴诜忾]的震旦系燈影組含水層裂隙、溶隙中進(jìn)行水平、垂向運(yùn)動(dòng)，為單層熱儲(chǔ)層。地下熱水總體上由北向南流，在斷裂帶少量熱水上升與冷水混合，出露地表形成低溫?zé)崛⑸踔晾淙?，溫度多?0℃左右。大量熱水隱伏在含水層中，形成低溫地?zé)崽铩?/p>

6 結(jié)論

石林地?zé)崽飳傩⌒偷蜏仉[伏地?zé)崽?，熱?chǔ)層為震旦系燈影組白云巖地層，新生界第三系路南組、古生界二疊系、寒武系為蓋層，起保溫隔熱作用。九鄉(xiāng)-石埡口斷裂和牛頭山古陸對(duì)地?zé)崽锲饘?dǎo)熱和封閉作用，為斷塊層狀熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。地?zé)崽餅橥暾纳钛h(huán)水文地質(zhì)單元，補(bǔ)給水源僅有越流和側(cè)向徑流，深部地溫加熱，地?zé)崃黧w溫度大于40℃，具有開采價(jià)值。

石林地?zé)崽锏叵滤a(bǔ)給途徑少，地?zé)崽镔Y源雖屬可再生資源，過量開采勢(shì)必導(dǎo)致地?zé)崽飬^(qū)域地下水位下降，加速整個(gè)水文地質(zhì)單元內(nèi)水循環(huán)，造成地?zé)崽锼疁亟档?，?yīng)適度開采，科學(xué)規(guī)劃。

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