福建宁安县温泉水热储特征及成因分析

福建宁安县温泉水热储特征及成因分析

宁安市温泉市清泉山脚下。它与云南省明泉市相连，距昆明市区38公里。它是云南省最著名的温泉之一，被称为“世界汤”。由于区位优越,水质疗养效果明显,近年来温泉开发利用规模急剧扩大,除了蓄集、引用温泉自涌水量外,另围绕“天下第一汤”打了20余口热水井抽取地下热水。不合理的开发导致了“天下第一汤”的水位降低,部分热水井温度下降,甚至变为冷水井。本文总结了安宁温泉地热系统的地温场、水文地球化学、热储结构及热水动态变化等地热地质特征,在分析热源、水源、导热通道等要素基础上提出了成因模式,对今后该区地热资源的合理开采及温泉开发远景规划等具有指导意义。1中生界构造单元温泉地区地处滇中高原的边缘,位于近南北向展布的螳螂川侵蚀宽谷内,海拔1820~2530m,北倚笔架山,西望龙山,属侵蚀溶蚀中-浅切割的中低山宽谷地貌,总体地势南东高、北西低。区内地层的岩性及出露、分布复杂多变。地层岩性主要有元古界昆阳群浅变质岩和震旦系砂岩、白云岩;古生界寒武系、泥盆系、二叠系,是一套以灰岩、白云质灰岩、砂岩等为主的碳酸盐岩和碎屑岩;中生界三叠系、侏罗系,是一套以泥砂质岩为主的红色碎屑岩层;新生界从更新统到全新统,沉积有冲洪积砂卵砾石、粘性土。本区长期处于川滇经向构造带与南岭纬向构造带交汇地区,构造活动较为频繁,地质构造十分发育,平缓的褶皱和块状断裂构成其构造特点。相距35~40km的东西两侧分别为普渡河断裂带与罗茨—易门断裂带夹持。受上述两条南北向区域性断裂带的影响和来自南北地应力的控制,区内构造线以东西向为主,次为南北和北东、北西向(图1)。东西向构造主要有笔架山断裂和石甸口断裂,多为老一期逆掩断裂。南北向构造主要有螳螂川断裂,是温泉地区唯一起控制作用的主干断裂。温泉地区发育的东西向断裂构造,控制了该地区含水层和非含水层的平面分布和空间格局,自北向南可划分为三大水文地质单元。笔架山断裂带以北地区,广布昆阳群浅变质岩系,是风化裂隙水和构造裂隙水单元;而石甸口断裂的以南地区,广布中生界禄丰组红色碎屑岩类,为弱含风化裂隙层状裂隙水单元。上述两条断裂所夹持的地带,是以震旦系、寒武系、二叠系为主、泥盆系次之的碳酸盐岩夹少量碎屑岩、岩浆岩的分布区,构成中部富含岩溶水单元,为安宁温泉的补径排创造了良好条件。2引起热重及水化学类型及组分含量安宁温泉实为上升泉群,出露于螳螂川谷底一级基座阶地前缘含水层组中,天然状态下岸上统计有7个泉点,在温泉大桥下螳螂川两岸均有溢出,以“天下第一汤”为中心向四周运动,总流量118Ls,泉口温度28~47℃。另据访问螳螂江河床内溢出点尚有数个,江心公园施工中,揭露出热水溢出点则是河床中有热水溢出的佐证。“天下第一汤”出露高程1824m,在泉群中水量最大,温度最高。泉水无色无味,清澈透明,泉口附近未见钙华等沉积物。以往长期观测水温为45~47℃。近年来水温有所降低,保持在43~45℃。安宁温泉所处地热系统既有温泉出露,也有钻孔揭示。钻孔基本围绕“天下第一汤”布置,井深7.6~100m,水温31~44℃,静水位1820~1835.34m,单位涌水量0.83~12.4L(s·m)。热水中一般有较丰富的气体溢出,尤以“天下第一汤”最为典型,串珠状的大小气泡旷日持久。气体组分测定结果显示,主要成分为N2,次为CO2、Rn、He、Ar等,组分与大气类似,反映出热水源于大气降水的特征。通过多年水质检测资料,温泉各溢出水点与钻孔热水点的水化学类型和各主要组分含量基本相近,且与冷泉组分也差别不大(表1),基本水化学类型为HCO3—Ca·Mg或HCO3—Ca型。热水中SiO2含量明显偏高,是常温水的1.5~3.9倍。Rn、Sr、B、Ba、Se、Zn、Br等微量元素含量略高。根据我国饮用天然矿泉水标准(GB8537-1995),属硅质泉。3地温场的特点3.1热田扩展的纺锤状形态据已有ρs等值线资料分析,温泉地热场受断裂构造控制,形成以“天下第一汤”为中心,南北延伸大、东西延伸小的不对称扩展的纺锤状形态。等温线大体以“天下第一汤”为中心呈闭合状,东西宽约100m,南北长约200m,为热田温度最高和变化较小的稳定区,向四周则温度渐降,北部100~150m以外便为冷水分布区,该区温度下降速度较快,等温线密集。向南等温线稀疏舒宽,地温变化相对稳定,在500m范围内温度仅下降5~6℃。西侧则由于冷流体的存在,温度骤降。3.2冷、热流体相互衔接,互接合深度随深度方法注意区内井温曲线有增温型、恒温型、增降骤变型和增温变降温型等四种(图2)。一般情况下,螳螂川断裂以东上盘热田中心区以增温型为主;螳螂川断裂西侧下盘地带,冷、热流体相互交接以及混合地段,以恒温型为主;温泉地热田的外围,以增降骤变型井温曲线为主,井温随深度忽高忽低,说明井温明显受侧向冷流体补给量的多少和强弱影响;螳螂川断裂以西下盘地带为增温骤变为降温型井温曲线,应该是此处深部因大量侧向冷流体补给和注入迫使热流体降温所致。上述地温场的平面展布和垂向变化特征,表明深部热流体是在水头差作用下,通过螳螂川断裂对流向上运移,至地表浅部后再侧向运动向螳螂川排泄,并受到冷水的混合。4热储系统的组成及热储以其热储规模为根据水文地质特征,区内垂向结构可分为六层,即浅部、中部、深部三个热储层以及上、中、下三个弱透水盖层。安宁温泉热储具有多元结构特征,垂向形态则属脉状热储。新生界松散堆积物(Q)、中生界侏罗系禄丰组(J2l)和三叠系上统舍资组(T3sh)泥砂质岩为主的红色碎屑岩层以及二叠系峨眉山玄武岩(P2β),仅含较弱-弱的孔隙水和层状风化、构造裂隙水,浅部水温仅高于区内年平均气温,一般为16~18℃,构成区内最上部的隔热隔水保温盖层。二叠系茅口组和栖霞组(P1q+m)灰岩、白云岩岩溶发育,联通性好,地下水循环交替强烈,富水性中等-较强,构成了浅部热储层,也是目前所有地热井的取水层。该热储的热水严格受距离螳螂川断裂的远近控制,垂向上有时也形成冷热水相间的现象。二叠系下统倒石头组(P1d)铝土岩、铝土质页岩和石英细砂岩埋深350~400m,仅含层状裂隙水,富水性弱,可视为相对隔水层和隔热层。泥盆系上统宰格组(D3zg)白云岩埋深400~500m,是富水性中等且较均一的岩溶含水层组,构成了中部热储层,该层热水分布的边界同样受到距离螳螂川断裂的远近和周边侧向冷水补给量多少的影响。寒武系下统渔户村组(∈1y)泥岩、页岩及含磷砂岩埋深500~600m,含层状裂隙水,富水性弱,即下隔水隔热层。值得注意的是,类比附近的昆明地热田,本区埋深600~700m的震旦系灯影组(Zbdn)白云岩可构成中等岩溶化、构造裂隙发育的储水空间,是温泉地热系统的主要热储。利用K+—Mg2+地热温标法推算深部热储温度59~65℃,属低温地热资源。考虑到存在近源地下水的混合作用,深部热储的温度可能会更高。5丰水期降水特征20世纪60年代“天下第一汤”长期观测数据能比较真实地反映自然状态下的运动状态(图3)。以“天下第一汤”为中心的热水形成与降雨补给关系密切,流量受季节性变化控制明显。其他温泉出露点和热水开采井的流量和水压值也有同样的情况存在,说明温泉具有开放型补给的性质,其热水量可以持续得到周边岩溶水的大量补给。虽然温泉流量的变化显示降雨型的曲线特征,但根据热水中氚年龄的测定(6TU,同期降水中的为20TU),推算热水循环周期在21a以上,说明丰水期的大流量并非由当年降水的直接排泄造成,而是补给区渗入的降水通过含水层的水压传递在排泄带的水动力表现,也表明含水层的联通性很好并有着较强调节功能的储水空间。再者尽管丰水期水位有所抬升,涌水量增大,水质各组分的含量,尤其H2SiO3的含量却未发生明显的改变,这从另一个侧面说明热矿水既具有一种短周期(丰、枯季)水位变化,也具有长周期的循环径流过程。温泉出露标高与各热水孔的水头高程高于螳螂川河水的高程,无法接受地表水体补给,也不会遭受地表水体污染,但受螳螂川水位影响明显,多数热水井及“天下第一汤”的水位、水量均有随螳螂川水位升高而升高的正相关关系。螳螂川水位变化主要也是依赖大气降水,其动态与降雨基本同步,所以热水水头随螳螂川水位的变化,间接上反映的也是补给区渗入降水通过含水层的水压传递在排泄带的水动力表现。另一方面,河水位升高时,河水压力增加,阻挡了热流体向河水的排泄,也迫使四周热流体水头同时升高。6宁温泉的成因模式6.1地潭地下地壳热流值比qmqc的含量较该区地处康滇古隆起,莫霍面温度965~1000℃,岩石圈底界面温度1528~1536℃,具典型现代构造活动区的地热特征。大地热流86.6~96.7mWm2,具有高热流(>80mWm2)特征,很大程度高于我国大陆地区有代表性的热流值(63~68mWm2)。区内地幔热流(qm)与地壳热流(qc)比qmqc=1.23,表明地幔热流占较大比例。据区域物探重力、地震测深资料,该区地球结构为双层结构壳型,分为上地壳、下地壳两层,厚度分别为16~25km、21~25km,康德拉面附近可能存在低速层。安宁以南一带地壳厚48km,以北富民、禄劝一带地壳厚约50km。地处地壳相对凸起带,有利于更多的侧向热源集中。区内地壳浅部无年轻岩浆侵入岩体,故不存在岩浆热等附加热源。活动断裂和地震产生的机械摩擦热对大地热流值贡献率极为微小,可忽略不计。因此可以认为,地幔热流和上地壳含放射性元素衰变产生的地壳热流构成了安宁温泉地热系统的热源。6.2西升东降内降-改造型断裂带区内断裂构造发育,特别是螳螂川断裂规模较大,对沟通深部热源起到了至关重要的作用。螳螂川断裂走向近南北,延伸约7.0km。据已有的物探电测深资料,该断裂倾角较陡,近直立,总体倾向西,局部东倾,为西升东降的左旋逆断层,水平断距2450m,并有3~5m宽的断层角砾岩带。该断裂切断了区内的笔架山断裂和石甸口断裂,控制了断裂东西两侧的地层和较低序次的断裂。由于受后期多次构造运动影响,反复继承和复活,具有多期活动及先压后张的特征,而且深切基底,是一条具继承性活动的导热断裂。新生代挽近期该断裂活动更加强烈,形成断裂两盘上升的不对称性,造成断裂带两侧岩石破碎、裂隙网络发育,为地下水富集和热水对流提供了必要的空间。螳螂川断裂既沟通了深部的热源,也为地下水深循环并在沿途吸收深部传导上来的热量,然后在水压差、密度差作用下向上运移提供了必要的通道,起到了导热导水的作用。6.3深部岩溶地层根据水文地质条件分析,出露震旦系灯影组的温泉地区北西部龙山及北部羊角山一带是温泉接受大气降水补给的水源地。震旦系灯影组是元古界变质岩系上的第一个碳酸盐岩沉积建造,岩性为一套灰、浅灰色中厚层、厚层状的隐-粉晶质白云岩、硅质白云岩,经历多次构造运动作用,除节理裂隙十分发育外,其深部岩溶也十分发育,以溶隙为主,是富水性中等而均一的岩溶化构造裂隙型岩溶水含水层组。该区接受大气降水补给后,沿溶隙及构造裂隙向深部径流,成为深循环的地下水,因埋藏深,径流距离长,运移速度缓慢,沿途逐步从有着正常或略高的地温梯度的岩石中吸热;当运移到螳螂川断裂带附近时,由于断裂沟通产生深循环水的对流,受到深部热源的高热流加热,水温得到大幅度升高,并进一步加速溶解围岩的可溶组分,在深埋的灯影组地层形成深部热储;在含水层高水头压力作用下,深部热水沿螳螂川断裂导水带向上运移并与D3zg岩溶水混合,形成了中部热储层;接着上升至地表浅部,与P1q+m中常温地下水混合,形成浅部热储层,且在有利部位出露地表形成温泉群(图4)。6.4热储的形成热储综上所述,安宁温泉地热系统的成因模式可概括为:在高热流区域热背景下,大气降水主要由龙山一带补给区向下入渗,沿震旦系灯影组溶隙及构造裂隙向深部径流,在向螳螂川排泄区运移过程中,随循环深度增大而不断从岩石中获取热量逐步加热,至螳螂川断裂带附近时,由于断裂沟通深部热源产生对流深循环,水温增至65℃左右,形成深部热储。在水压差和密度差作用下,深部热水沿螳螂川断裂带有利部位涌至地表,部分以温泉出露,部分赋存于浅部热储中,并受到四周冷水不同程度的混合,形成了以“天下第一汤”为中心的低温地热资源。7地热水的补给问题从成因模式可知,安宁温泉属开放式补给的断裂深循环型地热系统,热水量可以持