曲靖馬龍地區(qū)地?zé)嵝纬蓹C(jī)制分析

樊亞紅，陳榮彬，閆鼎熠，賀建濤，韋祖鵬

(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在馬龍地區(qū)已施工的3口熱水井、水文地質(zhì)報告、《云南省東部地區(qū)地?zé)嵴{(diào)查報告》等資料的基礎(chǔ)上，文章針對馬龍地區(qū)地?zé)徇M(jìn)行研究分析。從馬龍地?zé)崴纬傻臒嵩础醿︻愋?、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、地層巖性及地?zé)崴瘜W(xué)特征等方面入手，建立地?zé)岣拍钅Ｐ停治鲴R龍地?zé)崴男纬赡Ｊ?，為馬龍地區(qū)今后地?zé)崴目碧介_發(fā)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)，具有現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

馬龍縣位于云貴高原中部，滇東高原山地部位，山脈多沿北東向展布，研究區(qū)整體地勢為東南高，西北低，東部及南部為一系列高山，西部及北部低凹平緩，地形起伏變化不大，屬構(gòu)造剝蝕中山地貌地形，總的為四周稍高，山峰連綿，中部低凹平緩。

區(qū)內(nèi)發(fā)育有元古界牛頭山組(Ptn)、震旦系(Z)，下古生界寒武系()、志留系(S)，上古生界泥盆系(D)、石炭系(C)及第四系(Q)。巖層走向普遍為北東向，傾向北西，傾角16°～20°，區(qū)內(nèi)地層由南往北逐漸變新，馬龍縣南部大莊鄉(xiāng)、牛頭山地區(qū)出露的震旦系南沱組、陡山沱組(Zbd+n)和牛頭山組(Ptn)砂頁巖，為相對隔水層，成為馬龍縣城地?zé)醿h(yuǎn)景區(qū)的基底；震旦系燈影組(Z2dn)白云巖，巖溶發(fā)育，富水性較好，構(gòu)成遠(yuǎn)景區(qū)的儲熱層；下古生界寒武系()、志留系(S)的砂頁巖為相對隔水層，可構(gòu)成熱儲遠(yuǎn)景區(qū)的保溫蓋層。

研究區(qū)根據(jù)巖性及水文地質(zhì)特征，垂向上可分為4層，見圖1。冷水循環(huán)層①：主要為S3g、2s、2d、11l碳酸鹽巖及碎屑巖互層，富水性中等-較強(qiáng)，這些冷水層為對流循環(huán)系統(tǒng)，平均地溫梯度較低，屬富水性較強(qiáng)的冷水含水層；蓋層②：1c和1q的砂頁巖，富水性較差，相對隔水，熱導(dǎo)率平均3.602 6 W/(m·℃)，地溫梯度為3.765 ℃/hm，形成熱儲層的直接隔熱、隔水蓋層；熱儲層③：Z2dn白云巖，構(gòu)造裂發(fā)育構(gòu)成儲水空間，熱導(dǎo)率高達(dá)5.076 3 W/(m·℃)，地溫梯度3.45 ℃/hm；熱儲底板④：Zbd、Zbn以及Ptn的砂頁巖、板巖，裂隙不發(fā)育，賦水性較弱，為相對隔水層，構(gòu)成研究區(qū)熱儲結(jié)構(gòu)基底。

圖1 研究區(qū)熱儲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of geothermal reservoir structure in the study area

2 地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征

2.1 地?zé)崴瘜W(xué)成分

為了了解馬龍地區(qū)地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)特征，對研究區(qū)3口熱水井以及區(qū)內(nèi)泉點(diǎn)進(jìn)行取樣，做水質(zhì)全分析。地?zé)峋乃瘜W(xué)資料見表1。

表1 馬龍地?zé)峋叭c(diǎn)水化學(xué)資料(單位mg/L)Tab.1 Chemical data of geothermal wells and springs in Malong(unit mg / L)

圖2 研究區(qū)水樣點(diǎn)piper圖Fig.2 Piper diagram of water sample points in the study area

2.2 熱儲溫度的計算

熱儲溫度的估算采用SiO2地?zé)釡貥?biāo)法，是最常用的地球化學(xué)溫標(biāo)，計算也相對較準(zhǔn)確，根據(jù)熱流運(yùn)移過程中有沒有蒸汽損失，又分2種計算：

熱流運(yùn)移過程中沒有蒸汽損失的表達(dá)式為：

(1)

在某一溫度下有最大的蒸汽損失的表達(dá)公式為：

(2)

式中：

t--熱儲溫度，℃；

SiO2--二氧化硅含量，mg/L。

采用石英SiO2地?zé)釡貥?biāo)法計算得到熱儲溫度為55 ℃～65 ℃，地溫梯度推算法得到熱儲溫度為44 ℃～64 ℃，兩者結(jié)果比較吻合，也比較符合實際。因此研究區(qū)熱儲溫度采用石英二氧化硅溫標(biāo)計算得到的55 ℃～65 ℃。

2.3 冷熱水混合

通過研究區(qū)的Na-K-Mg三角圖可以看出研究區(qū)地?zé)崴畬儆谖闯墒焖叵聼崴l(fā)生了混合作用。根據(jù)R.0.弗尼埃和A.H.特魯斯德爾設(shè)想，冷熱水摻合過程必然導(dǎo)致深部熱水的初焓和SiO2初始含量降到混合水終焓SiO2最終含量。如果地下深處熱水中的溶解態(tài)SiO2處于飽和狀態(tài)，則混合水溫度與SiO2含量就可表示為以下2個不同的函數(shù)[74]：

ScX+Sh(1-X)=Ss

(3)

SiO2cX+SiO2h(1-X)=SiO2s

(4)

式中：

Sc--為近地表冷水的焓；

Ss--泉水的終焓；

Sh--熱水的初焓；

SiO2c--近地表冷水的含量；

SiO2c--混合熱水SiO2的含量；

SiO2h--深部熱水SiO2的初始含量，是Sh的函數(shù)；

通過計算可得，馬龍地區(qū)熱水井的冷水混入比例為55 %～60 %，冷水混入前熱水的溫度為75.1 ℃～89.9 ℃，明顯高于SiO2溫標(biāo)計算得到的結(jié)果55 ℃～65 ℃，主要是由于計算時只考慮一股冷水混入的理想混合模式，而實際則存在多股流量較小的冷水混入。

3 馬龍地區(qū)地?zé)崴梢蚰Ｊ椒治?/h2>

3.1 熱源及熱通道

馬龍縣城熱儲遠(yuǎn)景區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)挽近期活動的酸性巖漿巖，沒有巖漿活動產(chǎn)生的附加熱源，它的熱能主要來源于放射性元素蛻變熱及上地幔傳導(dǎo)熱，地?zé)嵯到y(tǒng)靠正?；蚱叩膮^(qū)域大地?zé)崃髁抗岷途S持，熱流通過斷裂和巖層向熱儲層傳遞，并通過大地?zé)崃魇篃醿蛹訜幔谏畈亢欣课?，在?gòu)造及地層封閉條件好的狀態(tài)下，利用常規(guī)地溫梯度增溫形成地下熱水。

3.2 熱儲層

遠(yuǎn)景區(qū)熱儲層為Z2dn的白云巖，屬巖溶裂隙型熱儲層。Z2dn密度大，熱導(dǎo)率高，巖石歷經(jīng)古生代以來的多次構(gòu)造運(yùn)動，裂隙縱橫交錯，滲透性強(qiáng)，連通性好，賦水性好；Z2dn形成于強(qiáng)烈褶皺、斷裂的地質(zhì)歷史時期中，容易溝通深部熱源；分布穩(wěn)定，一般埋深500～1 700 m，厚500～800 m，因而構(gòu)成了良好的熱儲層。

3.3 蓋層

3.4 地?zé)崴畞碓?/h3>

研究區(qū)地?zé)崴饕獊碓从诖髿饨邓?，補(bǔ)給區(qū)為馬縣城南側(cè)出露的燈影組白云巖，出露面積約136 km2，出露面積大，Z2dn出露區(qū)內(nèi)有2個溶蝕潛流谷地型富水塊斷，普城富水塊斷面積約為3.23 km2，匯水面積為95 km2，王家營富水塊斷面積約為66.26 km2，匯水面積為316 km2，徑流模量為7.33～10.4 L/s·km2，賦水型較強(qiáng)，地?zé)崴a(bǔ)給豐富。根據(jù)野外實地調(diào)查，燈影組地層巖性為灰白色泥晶白云巖，巖層傾向西北，馬龍縣城遠(yuǎn)景區(qū)南側(cè)出露區(qū)巖層產(chǎn)狀為320°～340°∠14°～20°，大氣降水落在白云巖裸露區(qū)，沿著巖層傾向不斷向深部運(yùn)移，在地溫梯度增溫下，到達(dá)一定深部以及蓋層條件好的地方就可以形成低溫?zé)崴?/p>

3.5 熱水循環(huán)深度

根據(jù)地?zé)崴膩碓捶治?，遠(yuǎn)景區(qū)的主要補(bǔ)給來源為大氣降水，補(bǔ)給區(qū)高程為2 300 m左右，海拔較遠(yuǎn)景區(qū)高出約300 m，可以推斷遠(yuǎn)景區(qū)地下熱水經(jīng)歷了深循環(huán)才得以由冷水轉(zhuǎn)換為溫度較高的地?zé)崴?，儲存在熱儲層中，依?jù)地下水循環(huán)深度計算公式(5)對研究區(qū)的熱水循環(huán)深度加以估算：

(5)

式中：

H--循環(huán)深度，m；

t--熱儲溫度，℃，一般采用SiO2溫標(biāo)計算值；

h--恒溫帶深度，m；

t0--恒溫帶溫度，℃；

T--地溫梯度，℃/100m。

地?zé)崴疁囟雀叩团c地?zé)崴h(huán)深度有很大的關(guān)系，當(dāng)熱儲溫度高時，熱水循環(huán)深，熱水溫度就高；而在同一熱儲溫度條件下，地溫梯度高，則熱水循環(huán)淺，溫度低。根據(jù)熱水井資料和熱水循環(huán)深度式可計算得到馬龍縣城地?zé)醿h(yuǎn)景區(qū)的熱水井的循環(huán)深度為1 921～2 127 m。

通過從熱源、熱儲層、蓋層、地?zé)崴畞碓醇暗責(zé)崴h(huán)深度的分析，得出馬龍縣城地?zé)醿h(yuǎn)景區(qū)的地?zé)嵯到y(tǒng)是以Z2dn白云巖地層為熱儲的層狀型地?zé)幔瑹崃客ㄟ^斷層和巖層向上傳遞，不斷加熱熱儲層，上面覆蓋有1q和1c的砂頁巖，構(gòu)成隔水保溫蓋層，南側(cè)裸露區(qū)Z2dn白云巖含水層接受大氣降水補(bǔ)給后，不斷向深部運(yùn)移，吸收周圍熱量，溫度不斷升高，到達(dá)一定深部以及蓋層條件好的地方就可以形成低溫?zé)崴?dāng)熱水井揭穿蓋層后就能獲得40 ℃左右的地?zé)崴?。見圖3。

圖3 研究區(qū)地?zé)岢梢蚰Ｊ綀DFig.3 Geothermal formation model in the study area

4 結(jié) 語

通過查閱研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、熱水井資料、熱流體水化學(xué)資料，綜合考慮熱儲層溫度與構(gòu)造及埋藏深度的關(guān)系及埋深與開發(fā)利用條件的關(guān)系。根據(jù)地?zé)崴瘜W(xué)資料，分析熱儲遠(yuǎn)景區(qū)的水化學(xué)特征，估算研究區(qū)區(qū)熱儲溫度為55 ℃～65 ℃，冷熱水混合比例為55 %～60 %，地?zé)崴h(huán)深度為1 921～2 127 m。并從熱源、地?zé)崴畞碓?、熱儲層、熱通道及蓋層等幾方面分析了馬龍地區(qū)地?zé)嵝纬稍?，建立該地區(qū)地?zé)岣拍钅Ｐ?，為馬龍地區(qū)今后地?zé)崴目碧介_發(fā)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。