曲靖馬龍地區地熱形成機制分析

樊亞紅，陳榮彬，閆鼎熠，賀建濤，韋祖鵬

(中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在馬龍地區已施工的3口熱水井、水文地質報告、《云南省東部地區地熱調查報告》等資料的基礎上，文章針對馬龍地區地熱進行研究分析。從馬龍地熱水形成的熱源、熱儲類型、地質構造、水文地質條件、地層巖性及地熱水化學特征等方面入手，建立地熱概念模型，分析馬龍地熱水的形成模式，為馬龍地區今后地熱水的勘探開發提供理論參考和科學依據，具有現實意義。

1 區域地質背景

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。

區內發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°，區內地層由南往北逐漸變新，馬龍縣南部大莊鄉、牛頭山地區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，成為馬龍縣城地熱儲集遠景區的基底；震旦系燈影組(Z2dn)白云巖，巖溶發育，富水性較好，構成遠景區的儲熱層；下古生界寒武系()、志留系(S)的砂頁巖為相對隔水層，可構成熱儲遠景區的保溫蓋層。

研究區根據巖性及水文地質特征，垂向上可分為4層，見圖1。冷水循環層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，這些冷水層為對流循環系統，平均地溫梯度較低，屬富水性較強的冷水含水層；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，構造裂發育構成儲水空間，熱導率高達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，裂隙不發育，賦水性較弱，為相對隔水層，構成研究區熱儲結構基底。

圖1 研究區熱儲結構圖Fig.1 Diagram of geothermal reservoir structure in the study area

2 地熱水地球化學特征

2.1 地熱水化學成分

為了了解馬龍地區地熱水的地球化學特征，對研究區3口熱水井以及區內泉點進行取樣，做水質全分析。地熱井的水化學資料見表1。

表1 馬龍地熱井及泉點水化學資料(單位mg/L)Tab.1 Chemical data of geothermal wells and springs in Malong(unit mg / L)

圖2 研究區水樣點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地熱溫標法，是最常用的地球化學溫標，計算也相對較準確，根據熱流運移過程中有沒有蒸汽損失，又分2種計算：

熱流運移過程中沒有蒸汽損失的表達式為：

(1)

在某一溫度下有最大的蒸汽損失的表達公式為：

(2)

式中：

t--熱儲溫度，℃；

SiO2--二氧化硅含量，mg/L。

采用石英SiO2地熱溫標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 ℃，兩者結果比較吻合，也比較符合實際。因此研究區熱儲溫度采用石英二氧化硅溫標計算得到的55 ℃～65 ℃。

2.3 冷熱水混合

通過研究區的Na-K-Mg三角圖可以看出研究區地熱水屬于未成熟水，地下熱水發生了混合作用。根據R.0.弗尼埃和A.H.特魯斯德爾設想，冷熱水摻合過程必然導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SiO2處于飽和狀態，則混合水溫度與SiO2含量就可表示為以下2個不同的函數[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；

通過計算可得，馬龍地區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溫標計算得到的結果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 馬龍地區地熱水成因模式分析

3.1 熱源及熱通道

馬龍縣城熱儲遠景區沒有發現挽近期活動的酸性巖漿巖，沒有巖漿活動產生的附加熱源，它的熱能主要來源于放射性元素蛻變熱及上地幔傳導熱，地熱系統靠正?；蚱叩膮^域大地熱流量供熱和維持，熱流通過斷裂和巖層向熱儲層傳遞，并通過大地熱流使熱儲層加熱，在深部含水有利部位，在構造及地層封閉條件好的狀態下，利用常規地溫梯度增溫形成地下熱水。

3.2 熱儲層

遠景區熱儲層為Z2dn的白云巖，屬巖溶裂隙型熱儲層。Z2dn密度大，熱導率高，巖石歷經古生代以來的多次構造運動，裂隙縱橫交錯，滲透性強，連通性好，賦水性好；Z2dn形成于強烈褶皺、斷裂的地質歷史時期中，容易溝通深部熱源；分布穩定，一般埋深500～1 700 m，厚500～800 m，因而構成了良好的熱儲層。

3.3 蓋層

3.4 地熱水來源

研究區地熱水主要來源于大氣降水，補給區為馬縣城南側出露的燈影組白云巖，出露面積約136 km2，出露面積大，Z2dn出露區內有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，地熱水補給豐富。根據野外實地調查，燈影組地層巖性為灰白色泥晶白云巖，巖層傾向西北，馬龍縣城遠景區南側出露區巖層產狀為320°～340°∠14°～20°，大氣降水落在白云巖裸露區，沿著巖層傾向不斷向深部運移，在地溫梯度增溫下，到達一定深部以及蓋層條件好的地方就可以形成低溫熱水。

3.5 熱水循環深度

根據地熱水的來源分析，遠景區的主要補給來源為大氣降水，補給區高程為2 300 m左右，海拔較遠景區高出約300 m，可以推斷遠景區地下熱水經歷了深循環才得以由冷水轉換為溫度較高的地熱水，儲存在熱儲層中，依據地下水循環深度計算公式(5)對研究區的熱水循環深度加以估算：

(5)

式中：

H--循環深度，m；

t--熱儲溫度，℃，一般采用SiO2溫標計算值；

h--恒溫帶深度，m；

t0--恒溫帶溫度，℃；

T--地溫梯度，℃/100m。

地熱水溫度高低與地熱水循環深度有很大的關系，當熱儲溫度高時，熱水循環深，熱水溫度就高；而在同一熱儲溫度條件下，地溫梯度高，則熱水循環淺，溫度低。根據熱水井資料和熱水循環深度式可計算得到馬龍縣城地熱儲集遠景區的熱水井的循環深度為1 921～2 127 m。

通過從熱源、熱儲層、蓋層、地熱水來源及地熱水循環深度的分析，得出馬龍縣城地熱儲集遠景區的地熱系統是以Z2dn白云巖地層為熱儲的層狀型地熱，熱量通過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，構成隔水保溫蓋層，南側裸露區Z2dn白云巖含水層接受大氣降水補給后，不斷向深部運移，吸收周圍熱量，溫度不斷升高，到達一定深部以及蓋層條件好的地方就可以形成低溫熱水，當熱水井揭穿蓋層后就能獲得40 ℃左右的地熱水。見圖3。

圖3 研究區地熱成因模式圖Fig.3 Geothermal formation model in the study area

4 結 語

通過查閱研究區區域地質條件、水文地質條件、熱水井資料、熱流體水化學資料，綜合考慮熱儲層溫度與構造及埋藏深度的關系及埋深與開發利用條件的關系。根據地熱水水化學資料，分析熱儲遠景區的水化學特征，估算研究區區熱儲溫度為55 ℃～65 ℃，冷熱水混合比例為55 %～60 %，地熱水循環深度為1 921～2 127 m。并從熱源、地熱水來源、熱儲層、熱通道及蓋層等幾方面分析了馬龍地區地熱形成原因，建立該地區地熱概念模型，為馬龍地區今后地熱水的勘探開發提供理論參考和科學依據。