紅河流域元古界大紅山群變質巖系的熱儲結構及熱流特征

李傳偉 ，王 宇 ，曾 威 ，王家興 ，莊?？?

（1. 西南有色昆明勘測設計(院)股份有限公司, 云南 昆明 650051；2. 云南省地質調查局, 云南 昆明 650051）

0 引 言

研究區主要為紅河中游的古元古界大紅山群地層分布區[1-3]。既有地熱勘查及研究文獻顯示，研究區及周圍區域過往的地熱資源勘查與科研主要集中于滇藏地熱帶、揚子準地臺及周邊深大斷裂影響帶[4-8]，高原斷陷盆地區的研究程度最高[9-12]。地熱勘查研究和開發的熱儲層則主要集中在震旦系、古生界碳酸鹽巖地層，個別點涉及到的最古老地層層位為中元古界昆陽群淺變質碳酸鹽巖地層，相應的開發利用程度也以這些地區和層位為主，很多地區因鉆井密集，開采影響強烈，出現了歷史名泉干涸、地熱田水位大幅度持續下降、水質明顯變化等問題。亟待尋找更深層次的新熱儲層及地熱資源，以滿足經濟發展的強烈需求。而紅河流域古元古界大紅山群變質巖系的熱儲結構及熱流特征研究尚無文選報道，鉆探試驗揭示和驗證仍是空白。西南有色昆明勘測設計（院）股份有限公司此次在新平縣戛灑鎮經精心調查論證，鉆獲滿足開發利用要求的深層地下熱水，實現了新的突破，揭示了古元古界大紅山變質巖系的熱儲特征及地熱資源潛力，為地熱資源勘查評價和開發利用提供了確切的地質科學依據。就此開展系統、深入的研究總結，對于邊疆少數民族地區而言，經濟、社會、生態環境和學術意義重大[13]。

1 區域地理地質背景

1.1 自然地理概況

研究區位于滇南新平縣戛灑河谷盆地（圖1），盆地面積11.65 km2,盆地外圍山區海拔700～2 700 m，沉積平壩區海拔500～700 m。沿戛灑江發育有2 級階地，階面平坦，盆緣山間溝口有洪積扇展布，盆地兩側洪積扇發育很不對稱，東面單個分布，西面連成裙狀。地熱勘探孔位于Ⅰ級階地，南恩河與戛灑江匯合處附近。

1.2 地層巖性

研究區地層主要為新生界、中生界和元古界地層，在大紅山群分布區有輝長巖伴生（圖2）。各時代地層巖性及水文地質特征詳見表1。

表1 區域地層簡表Table 1 Brief table of regional strata

大紅山群屬于古元古代，為一套海相火山噴發-沉積變質巖系，出露于綠汁江斷裂以西的新平縣戛灑-老廠-大紅山一帶、腰街漠沙等地，以及綠汁江斷裂以東的元江縣岔河、攝科、羅底、牛尾巴沖、石屏熱水塘、東家域、東川縣小溜口等地。在研究區，這一古老的變質巖系在上三疊統蓋層中呈“天窗”出露于戛灑江河谷兩岸。自下而上分為：①老廠河巖組，主要為石英片巖、大理巖，厚1 284 m；②曼崗河巖組，為火山巖、大理巖，炭質片巖，厚740 m；③紅山巖組，主要為火山巖，厚319 m；④肥味河巖組，為白云石大理巖，上部為炭質板巖，下部夾變輝長輝綠巖，底部3 m 為含銅炭質板巖，是含銅層位，厚254 m；⑤坡頭巖組，為炭質條帶片巖、白云質大理巖、炭質板巖，厚577 m。變質程度屬高綠片巖相。紅山巖組U-Pb 年齡17.3 億年。

1.3 地質構造

紅河斷裂帶是一條深大斷裂帶，為揚子地臺與印支地塊間的邊界構造帶，主干斷裂北西端起自南澗西部，呈NW-NE 走向，南延至河口附近進入越南，是一條斜貫云南中、南部的弧形斷裂帶[15-16]。由一系列的次級斷裂呈束狀構成，沿斷裂帶發育有大量構造巖、擠壓條帶、揉皺、破碎帶、透鏡體帶和各種顏色的斷層泥[2，17]。研究區處于紅河斷裂帶中段，地質構造復雜，NNE 向斷裂帶和近NS 向斷裂帶為主體構造(圖2)。

1.4 新構造運動

研究區由紅河斷裂主導的新構造運動強烈，根據已有調查研究資料歸納，主要表現為：

紅河斷裂帶及毗鄰地區地殼強烈抬升,廣大地區遭受侵蝕和夷平，形成廣泛存在的山頂夷平面。大面積掀斜運動明顯，與整個川滇地區掀斜運動的規律一致,夷平面由西北向東南逐級傾斜。斷裂新活動和斷裂裂陷作用間歇性持續進行。斷裂帶兩側塊體產生了明顯的差異運動，斷裂西南側塊體抬升，東北側塊體相對下降。古近紀以來，紅河斷裂早期以強烈擠壓、逆沖兼左旋運動為主，而從上新世以來，受到青藏高原強烈隆升和川滇菱形塊體擠壓的影響，轉換為右旋走滑運動[18-19]?，F今斷裂運動速率約為0.82 mm·a-1，運動速率分級為B 級[2]。紅河斷裂強烈的新構造運動，致使新生界地層產生強烈的構造變形和破裂，巖層發生陡立和倒轉，各種構造形跡非常發育。

2 區域地熱地質特征

2.1 地熱顯示

根據云南省地質環境監測院編繪的云南省大地熱流值區劃圖（圖3，數據來源于中國大地熱流數據庫），研究區所處區域大地熱流值為73.7 mW·m-2。在全省處于中等水平，沿紅河斷裂帶溫泉分布相對稀疏[20-22]，水溫一般為25～40 ℃，反映出現今斷裂活動以蠕滑運動為主、活動性相對于較弱的特點[23-24]。

2.2 變質巖儲熱和隔熱層

沿紅河斷裂帶附近，鉆探揭露的大紅山群（Pt1dhs）變質巖系地層為白云石大理巖和片巖，由于斷裂的持續活動，形成了導水裂隙帶，在構造裂隙水的循環作用下，大理巖形成了巖溶裂隙熱儲層。紅河斷裂帶小斷裂十分發育，裂隙率一般為3%～12%，列寬1～40 cm，熱儲儲于斷裂破碎帶,成為帶狀熱儲。

戛灑河谷盆地內上覆第四系松散層和三疊系碎屑巖層以及與白云石大理巖交替互層狀相間分布的片巖主要為軟質柔性巖層，滲透性差，巖石熱導率低之2.4～2.6 W·m-1·K-1，構造裂隙閉合性好，使該巖層成為很好的隔水層，厚度大于500 m，是熱田的主要蓋層。破碎帶物質多為壓碎巖、強烈片理化和糜棱巖化的粉碎性構造巖、斷層泥，透水性和含水性差。均為相對隔水隔熱層，有利于白云石大理巖熱儲層內地熱水的增溫保溫。

2.3 斷裂的導水性及變化

紅河斷裂經歷了多期擠壓和剪切運動，斷層巖帶主要表現出阻水的性質。但在一盤或兩盤為脆性巖層（體）的旁側裂隙發育帶、與紅河斷裂相交的分支斷裂帶上出露泉點依然較多，存在碳酸鹽巖的地段流量較大（表2），透水性和導水性均較強。而在一盤或兩盤為柔性巖層的地段，同樣呈現阻水的性質。

表2 紅河斷裂代表性溫泉點概況Table 2 Overview of representative hot spring points of Honghe fault

戛灑盆地紅河斷裂東枝兩盤均為三疊系上統頁巖、泥巖，亦為斷裂阻水段，位于勘探孔北側的泉點，出露于與紅河斷裂相交的斷裂帶上，泉點流量僅0.48 L·s-1，斷裂南側的泉點已干涸。

綜合上述各要素分析，在地形高差產生的水壓力差以及地下水溫差作用下，沿斷裂帶、特別是不同走向的斷裂交匯部位，大紅山群白云石大理巖層具備形成帶狀熱儲的基本條件。

3 鉆探突破與發現

3.1 孔位與孔深論證

按照地質勘查及認識問題的基本程序，通過區域地熱地質背景（圖4）、項目區周邊地層分布及構造格局調查研究，推斷擬勘探孔位的地層層序、構造組合關系，論證鉆孔深度、水溫、水量、水質，進行重點地段物探檢驗，完成勘探孔設計。

根據1∶20 萬水文地質普查報告和大紅山鐵礦生產探礦資料，結合現場地質調查、3 條大地音頻電磁測深剖面探測，基本查明了戛灑盆地上覆地層為第四系（Q4）沖洪積、坡洪積、泥石流堆積物，盆地周邊出露三疊系干海子組（T3g）、祥云組（T3x），元古界大紅山群第4 至第5 段（Pt1dhs4-5）、元古界阿龍組地層(Pt1a)。Pt1dhs4-5地層為白云石大理巖、片巖，大理巖為堅硬脆性巖石，斷層影響帶張性裂隙發育，加之深循環徑流溶蝕，可能形成帶狀中等至強含水層，為戛灑盆地地熱鉆探的最佳目的層位。與上覆第四系、三疊系地層為斷層接觸或不整合接觸，上覆地層總體透水性、富水性弱，構成了熱儲蓋層。

盆地及周邊主要有哀牢山山前斷裂，位于戛灑盆地西側邊緣，水塘-元江斷裂、馬鹿塘斷裂從盆地中部隱伏通過，戛灑盆地地質結構大致可分為兩個單元（圖2）。

Ⅰ單元位于戛灑盆地東側，水塘-元江斷裂以東。地層從上至下為：Qh、Qp地層、T3g地層、ν侵入巖地層（局部分布）、Pt1dhs4-5地層，Pt1dhs4-5地層埋深600 ～1 500 m，具完整的熱儲層結構，埋深在經濟技術條件允許范圍內。

Ⅱ單元位于戛灑盆地西部，水塘-元江斷裂以西。地層為從上至下為：Qh、Qp地層、T3g地層（北段缺失）、T3x、T3m、ν侵入巖地層（局部分布）、Pt1dhs4-5地層（東段）、Pt1aa地層（西段），Pt4-5地層埋深1 400 m至3 000 m，開采經濟技術條件較差。

綜合論證確定勘探孔布置在Ⅰ單元的戛灑江與南恩河交匯的階地上，主干斷裂與次級斷裂交接處附近。設計孔深2 200 m，推斷揭露Pt1dhs4-5熱儲層約950 m，保證足夠的預留進尺、出水段和沉砂段。根據所處區域一般地熱增溫率 2.28 ℃·(100m)-1和當地年平均氣溫22 ℃推算，SJ1 勘探孔孔底溫度理論值為69.9 ℃，考慮取水段較長，取水段上部溫度偏低，同時，地熱水抽取到孔口的溫度損失導致水溫降低6～14 ℃，推測SJ1 孔口水溫為55 ℃?？碧姐@孔位于斷裂影響帶并揭露地層不整合帶，認為涌水量能夠達到開發利用要求。

3.2 鉆探成果及認識

SJ1 鉆孔于2021 年4 月開孔，2021 年8 月竣工。采用正循環不取芯鉆進，終孔深度2 200.71 m，靜水位埋深1.8 m，涌水量1 089 m3·d-1，井口溫度65 ℃。終孔抽水試驗結束72 h 后，進行了自然伽瑪(API)、水溫和鉆孔偏斜測井（圖5）。水井靜水位1 m，抽水試驗穩定水位為46 m。初始抽水流量為55 m3·h-1，2 h 后流量穩定在45.3 m3·h-1。初始井口溫度為24 ℃，2 h 水溫為56 ℃，4 h 水溫為60 ℃，6 h 水溫為62 ℃，12 h 后水溫穩定在65 ℃，井口水溫65 ℃。抽水結束后20 min 水位由46 m 恢復至3.6 m，又經過3 h 后由3.6 m 恢復為1 m（初始水位）。

鉆孔內水溫測量成果顯示， 10～170 m 段，水溫降速較快，該段地下水與戛灑江水有水力聯系；520～680 m 段，地下水平均增溫率達4.2 ℃·(100 m)-1，存在地層不整合接觸帶影響；根據在含水層頂板界面處，地溫梯度有一明顯的急變特征劃分了六個含水段：130～170 m、520～670 m、1 310～1 530 m、1 700～1 740 m、1 780～1 800 m、1 960～1 990 m，其中130～170 m 段為第四系孔隙含水段，520～670 m 段為地層不整合接觸帶裂隙含水段，1 310～1 530 m 段巖性為白云石大理巖為主，局部夾片巖，1 700～1 740 m 段巖性為白云石大理巖，1 780～1 800 m、1 960～1 990 m兩段均為片巖，1 219 m 以下為取水段，鉆探顯示取水段賦水空間以裂隙為主。

自然伽瑪(API)測試孔內自然放射性強度最大值為1.45 pA·kg-1，最小值為0.0 3 pA·kg-1、平均值為0.41 pA·kg-1。根據綜合測井曲線在不同地層中所表現出的物性特征、曲線變化形態、幅值大小、物性數值變化范圍，結合鉆探資料，劃分地層巖性分層為：20.00～157.80 m 砂質黏土層、157.80～181.10 m 砂礫層、181.10～385.95 m 頁巖層、385.95～395.60 m 泥巖層、395.60～398.65 m 頁巖層、398.65～417.00 m 泥巖層、417.00～493.40 m 砂質頁巖層、493.40～528.70 m頁巖層、528.70～625.90 m 大理巖層、625.90～632.25 m泥巖層、632.25～639.75 m 大理巖層、639.75～653.65 m泥巖層653.65～2 115.70 m 大理巖層。

綜合巖粉樣編錄、鉆探記錄、測井資料，SJ1 熱水井地層結構為：0～189 m，第四系（Q）沖洪積、泥石流堆積砂卵礫石層；189～620 m，三疊系干海子組（T3g）頁巖、粉砂質泥巖；620 m 以下，元古界大紅山群第4 至第5 段（Pt1dhs4-5）白云石大理巖、片巖。第四系沖洪積、泥石流堆積層、三疊系干海子組碎屑巖地層為熱儲蓋層，元古界大紅山群白云石大理巖層與斷裂破碎帶、裂隙發育帶為熱儲層（帶）。

3.3 熱流物理化學特征

3.3.1 流體溫度和化學特征

SJ1 勘探孔抽水試驗井口水溫65 ℃。測井深度至2 090 m，水溫84.3 ℃，底段大紅山群片巖、白云石大理巖，地熱增溫率較為穩定，為4.2 ℃·(100 m)-1，孔底（2 200.71 m）溫度預計為88.9 ℃。全孔平均地熱增孔率約3.0 ℃·(100 m)-1。

地熱水中陽離子Na+含量明顯成倍高于K+、Ca2+、Mg2+，陰離子含量以Cl-為主，水化學類型為Cl-Na 型，pH 值為8.14， SiO2為75.65 mg·L-1，所含F-離子為7.46 mg·L-1, 水的礦化度和離子組分含量都較高。說明含水介質中可溶鹽礦物成分較多，地熱水循環途經含鹽類礦物和變質礦物成分較多的變質巖系，經過深循環溶解了大量的礦物質。水樣取樣時清澈，水溫降低后有固體沉淀物。

地熱水中溶解性總固體9 428 mg·L-1，由于試樣在降溫后有固體物質淅出，因而分析結果偏低。陽離子均以Na+為主，毫克當量含量88.3%，其次為Ca2+、Mg2+、K+，這四種離子總量占陽離子總含量的99%左右，陰離子以Cl-、HCO3-為主, Cl-占組分的81.47%，HC占17.21%（圖6），熱流體中的Cl-、Na+分析主要來源于大紅山群第1 至第3 段（Pt1dhs1-3）火山熔巖段氯磷灰石和方鈉石，熱水中含有F、Li、B、偏硅酸等具有理療功效的組分，是較為優良的理療礦泉水。

3.3.2 地球化學溫標估算熱儲溫度

本次勘探獲取的地熱水化學成分分析測試數據顯示，適宜的地球化學溫標主要為SiO2、K-Mg 溫標。

采用無蒸氣損失的SiO2溫標計算，熱儲溫度t為122.17 ℃，與孔深2 090 m 實測溫度84.3 ℃差異較大?？赡茉蚴荢iO2的來源復雜且豐富，與溫標計算公式的適用前提不符。

K～Mg 地熱溫標計算公式：

式中：t 為熱儲溫度(℃)；K 為水中鉀的濃度(mg·L-1)；Mg 為水中鎂的濃度(mg·L-1)。

水中鉀的濃度121.9 mg·L-1，鎂的濃度113.9 mg·L-1，計算熱儲溫度t 為99.48 ℃?？咨? 090 m 測溫84.3 ℃，考慮實際孔深2 200.71 m 及其以下熱儲層尚有較大的厚度，這一計算結果與實際吻合度高，說明K-Mg 地熱溫標較為適合大紅山群變質巖系中的熱儲溫度估算。

4 地熱水運動及賦存狀態分析

4.1 地熱水賦存狀態

根據研究區的地熱地質條件分析，沿紅河大斷裂帶的主干和次級導熱斷裂上涌的深源熱流，不斷加熱了深循環的地下水，形成淺層地下水流與深層地熱水的對流運動，地熱水沿斷裂上升經過大紅山群變質巖系的可溶巖及硬脆性裂隙發育巖層時，側向擴散進入透水性較強的這些層位，形成熱儲層。熱儲層被T3g以上蓋層封存，使得熱儲層的地下水得以保溫和儲存，形成了大紅山變質巖系地下熱儲。

大紅山群第4 至第5 段（Pt1dhs4-5）是本區熱儲層，厚度大于1 590 m。綜合自然伽瑪、測溫等測井資料、sj1 勘探孔鉆井液漏失量及溫度變化記錄、巖粉樣編錄資料，白云質大理巖層中測井溫度、鉆井液漏失量無突變，顯示賦水空隙以節理裂隙為主。

sj1 井位于戛灑河谷，與西側哀牢山相對高差大于2 000 m，哀牢山東坡以哀牢山阿龍組變質巖為主，該地層節理裂隙發育，富含裂隙水。哀牢山地下水除一部份在山麓與三疊系碎屑巖接觸帶以泉形式排泄，一部份向深部徑流。但sj1 井內靜水位低于地表，未形成自涌，顯示取水段與河谷兩側山區地下水水力聯系弱。地下水礦化度9 777 mg·L-1，溶解性總固體9 428 mg·L-1，水化學類型為Cl-Na 型水。顯示地下水封存條件好，水循環周期長，為封閉較好的儲水構造。據測井資料1 210 m、1 520 m 兩點測溫均為64.3 ℃，1 210 m～1 520 m 段地熱增溫率連續多測點為0，顯示該段節理裂隙發育強烈，富水性較強。

4.2 地熱水運動過程

大紅山變質巖系熱儲為封閉較好的儲水構造。熱源主要來自沿斷裂帶上升的熱流和區域性地熱增溫，在深入地幔的紅河大斷裂附近，地下水與深部熱源溝通順暢，吸收深部巖漿、放射性衰變、構造運動釋放的熱量，形成地下熱水，在水壓差、密度差作用下，沿哀牢山山前斷裂、水塘-元江斷裂、F1 等導熱導水的斷裂和構造裂隙帶向淺部運移，擴散至導水儲水空隙發育的熱儲層中儲存，形成厚度巨大、寬度狹窄的熱儲層（帶），部分達到地表形成溫、熱泉露頭。地熱水在對流循環過程中，不斷與圍巖進行水化學作用，溶解了大量的礦物成分，形成了高礦化度水，在大紅山群第1 至第3 段（Pt1dhs1-3）火山熔巖段，溶解較多的Na+、Cl-1。

5 結 論

（1）古元古界大紅山群變質巖系中的硬脆性大理巖、石英片巖、火成巖等熱儲層（帶）、導熱導水的深大斷裂及上覆隔水隔熱的三疊系紅層等蓋層，構成了斷裂控制的帶狀熱儲；

（2）熱儲層賦存高水頭的承壓地熱水，主要由地下水在重力和熱力作用下，沿區域主干和次級導熱導水斷裂作深循環逐漸增溫和對流運動所形成，在北西向主干斷裂和與之相交的次級斷裂的斜接或交切部位附近地熱水較為富集，實測地熱增溫率3.0 ℃·(100 m)-1；

（3）大紅山群第4 至第5 段（Pt1dhs4-5）熱儲層富水性強，賦存低溫熱水，本次鉆孔涌水量達1 089 m3·d-1，孔深2 090 m 處測溫84.3 ℃，地熱水礦化度較高，水化學成分復雜，是寶貴的理療熱礦水。