樂山大佛景區區域地熱資源開發遠景分析

地大熱能：當前,峨眉山市旅游區溫泉資源開發已取得了明顯的社會經濟效益,對照峨眉模式,樂山大佛景區對地熱資源開發需求迫切。

歷史上樂山大佛景區附近共有人工揭露地熱井2處。一是鐵10井(20世紀70年代施工),原為探鹽井,位于大佛景區烏尤壩水運局院區內,岷江左岸Ⅰ級階地階面,坐標為東經103°46′20.35″,北緯29°32′6.14″,井口標高361.63 m,深度2 359 m;二是佛1井(21世紀10年代施工),位于樂山市市中區全福鎮,距樂山大佛景區僅7.5 km,坐標為東經103°48′42.03″,北緯29°36′19.98″,井口標高378 m,深度2 7 13 m。本文通過野外實地調查以及總結分析地熱相關研究成果[1-3],結合2處地熱井全面分析景區附近熱礦水產出與埋藏條件、熱礦水形成的水文地質條件、熱礦水補給徑流排泄特征等,總結成因模式,預測開發前景。

1 區域地質背景

1.1 儲水構造

區內地熱水屬“自流斜坡巖溶深循環地下水模式”,巖溶深循環地下水的分布嚴格受地質構造控制,儲水構造為樂山自流斜坡,樂山自流斜坡為一傾向北轉北北東的緩傾斜單斜構造,傾角5°左右。樂山大佛景區位于該自流斜坡儲水構造的北部(深埋區),北西受新橋逆斷層控制,東界外側20 km為威西鹽田,鹽層保存完好,鹽田內無深層地下水活動跡象,儲水構造邊界為岷江以東約10 km左右(圖1)。區內未發現其他斷裂構造,構造簡單,熱儲層保存完整。

1.2 地層巖性

樂山大佛景區附近出露地層主要有第四系、侏羅系和白堊系紅層。以佛1井為例,鉆井揭露地層巖性簡述如表1所列。

2 水文地質特征

依據地下水賦存條件、水動力特征,區域內地下水含水類型可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水等4個含水類型(圖2~3)。

(1)松散巖類孔隙潛水。賦存于第四系全新統及更新統沖洪積(Q4al+pl)及冰水堆積(Q2+3fgl)砂礫卵塊漂石層之中,富水性中等-豐富,單井涌水量達500~3 000 m3/d,水質類型屬HCO3-Ca,HCO3-Ca·Mg型,可溶性總固體小于0.5 g/L。

(2)碎屑巖類孔隙裂隙潛水及承壓水。賦存于K2g、K2j、J2s、T3xj、T1f、P2x等地層砂巖、粉砂巖孔隙裂隙之中,富水性弱-中等,泉水流量一般小于0.1~0.5 L/s,單井涌水量達5~500 m3/d,淺部屬潛水類型,水質類型屬HCO3-Ca,HCO3-Ca·Mg型,可溶性總固體小于0.5 g/L;深部屬承壓水類型,水質類型屬HCO3-Ca,HCO3·SO4-Ca或Cl-Na型,可溶性總固體達0.5~10 g/L以上。

(3)碳酸鹽巖類裂隙巖溶潛水及承壓水。賦存于T2l、T1j、P1m、P1q、Zbd等地層石灰巖、可溶鹽巖之中,富水性不均勻,與裂隙巖溶的發育程度有關。深部裂隙巖溶的發育深度可達2 500 m以下,但發育程度較弱,屬承壓水類型,受峨邊穹斷束過渡的平緩單斜深循環儲水構造控制,由于地下水深循環結果,水質類型屬SO4-Ca、Cl-Na型,可溶性總固體達3.3~120 g/L以上。淺部屬無壓潛水類型,巖溶大泉流量可達100~1 500 L/s,水質屬HCO3-Ca·Mg型,可溶性總固體0.1~0.5 g/L。

(4)基巖裂隙潛水。賦存于J3p、J3sn、J2s2、J2xs、J1-2z紅色地層砂巖、砂質黏土、黏土巖的風化裂隙及火山巖花崗巖r2、玄武巖P2β構造裂隙之中,一般呈無壓潛水類型。泉水流量一般小于0.2 L/s,水質類型屬HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型,可溶性總固體0.1~0.7 g/L。無裂隙分布的巖層,則組成隔水層。

3 熱礦水形成模式分析

3.1 熱源

大氣降水滲入地下,并逐漸向地層深處運移,深部地下水受地熱增溫等因素影響,進行緩慢熱交換致使地下水水溫增高而形成地熱水。區內地溫場地熱主要來自地壓性地熱,隨深度增加,地熱溫度按一定梯度升高。佛1井物探測井深度2 700 m,溫度87.17℃,推算出本區域的地溫梯度為2.64℃/100 m。

3.2 熱礦水產出條件

3.2.1 熱儲層

樂山大佛景區內開采深度適合的熱儲層為三疊系中下統的上熱儲層(T2l+T1j2),厚約550~700 m,埋深2 000~3 000 m,由白云巖、泥質白云巖、石灰巖、泥質灰巖及石膏巖組成。雷口坡組(T2l)由一套白云巖、泥質白云巖、石灰巖、泥質石灰巖、膏鹽巖層組成,巖性穩定,變化小。該組地層地表出露在樂山大佛景區西南部沙灣以南的福錄、軫溪、譚壩一帶,出露標高415~750 m,向北東傾伏,深埋在樂山大佛景區區域。頂部為古侵蝕面,并發育有古巖溶,與上覆三疊系上統垮洪洞組黏土巖、泥質石灰巖接觸。據佛1井揭露,全組厚度356~658 m,其中四段、三段巖溶發育,西南地表露頭區多見溶蝕洼地、漏斗、落水洞、溶洞及巖溶大泉;深部巖溶發育程度減弱,深井揭露。在2 000 m深度仍可見順層間的溶蝕現象,并賦存有熱礦泉水。二段、一段地層由于含泥質及黏土巖,巖溶相對不發育。嘉陵江組二段(T1j2)由泥質石灰巖、白云巖、白云質灰巖及石膏鹽巖組成,分上下兩段。該組地層地表出露位置與雷口坡組地層大致相同,向北東傾伏,深埋在樂山大佛景區。上段上部為薄至中厚層狀白云巖夾多層石膏,下部為夾泥質條帶白云巖。下段以泥質石灰巖、生物碎屑石灰巖為主,夾白云巖及泥質白云巖,該組地層巖性較穩定。上部地層在西南部露頭地表區多見溶蝕洼地、漏斗、落水洞及小型溶洞,下部巖溶洞穴及暗河發育,見巖溶大泉。深部巖溶發育程度減弱,深井揭露在2 000~2 300 m深度仍可見順層間的溶蝕現象,并賦存有熱礦泉水。鐵10井揭露至三疊系下統嘉陵江組三段終井,在井深2 244.52~2 245.00 m,巖性為白云巖,經測定Cl-離子濃度由1 403 mg/L猛增至50 024 mg/L,后更增至70~90 g/L,泥漿黏度由28 s降至17.5 s,pH由13變為5。井口有水流自溢,水溫由29℃升至44℃,終井后1個多月,井水仍能自流出井口。佛1井含水層總厚673 m,主要出水層位亦為三疊系中統雷口坡組(T2l)、下統嘉陵江組二段(T1j2)。

3.2.2 熱儲蓋層

熱儲蓋層為熱儲層上部隔水蓋層,其作用是熱儲層可形成熱循環,由三疊系上統垮洪洞組(T3k)、小塘子組(T3x)、須家河組(T3xj)組成,總厚度達570~630m,為一套陸相碎屑巖地層,巖性為薄煤層、黏土巖、砂質黏土、粉砂巖及砂巖,呈多旋回沉積,屬相對隔水地層,為良好的熱礦泉水儲層的頂板蓋層,有利于熱儲層深循環和防止地表水及淺層地下水下滲至熱儲層。

3.2.3 熱儲下部隔水層

熱儲下部隔水層主要是隔斷嘉陵江組熱儲層中的地熱水向下滲透。本區由三疊系下統飛仙關組(T1f)碎屑巖組成,總厚度達100~200 m,巖性為黏土巖、砂質黏土巖、粉砂巖及砂巖,隔水性良好,能有效地阻隔上覆熱儲層中的地熱水繼續向下滲透、運移和熱量向下擴散的可能性,有利于地熱水賦存于上覆熱儲層中,起到了隔水保溫作用。綜上所述,該區域熱儲構造由熱儲層、熱儲蓋層和下部熱儲隔水層3個部分組成,熱儲構造完整,十分有利于地熱水的產出。

3.3 熱礦水賦存條件

大佛景區熱儲層為三疊系中統雷口坡組(T2l)及下統嘉陵江組二段(T1j2),地層在景區西南部福祿、軫溪、譚壩處一帶大面積出露,并形成巖溶發育的槽谷地帶。槽谷中巖溶發育,形成溶溝、溶洞等地質現象,露頭區域地表同時覆蓋了大量的泥土,雨量沖沛、植被茂盛,有利于地下水滲透、徑流,形成深循環巖溶地下水。樂山自流斜坡熱儲構造簡單、完整,沒有大的斷層和起伏,地下水的縱、橫向通道良好,有利于地熱水的形成、匯集、保存。

3.4 熱礦水補給、徑流、排泄特征

(1)補給條件。受區域地熱地質、水文地質條件控制,樂山大佛景區地熱水補給區主要在西南部沙灣以南的福錄、軫溪、譚壩一帶,熱儲層出露標高415~750 m,補給區地勢較高,地形切割劇烈,大渡河直接切割熱儲層,熱儲層巖溶地貌形態發育,接受大氣降水及地表水的補給。補給區內降水豐沛,年均降水量達1 384.8 mm,再加上溝谷發育,幾乎匯集了熱礦泉水儲層以上整個匯水區內的降水,大渡河水水量亦大。可見其具有較好的補給條件及較大的補給量。

(2)徑流條件。區內地熱水的徑流,嚴格受“樂山自流斜坡控儲水構造”控制,主要是順熱水儲層的層間,由南西向北東徑流。徑流距離達26~37 km,徑流深循環深度達2 200~2 500 m。推算樂山大佛景區區域內徑流距離達30 km,徑流深度達2 500 m。經地溫場加熱升溫有利于形成地熱水。

(3)排泄及儲存條件。地下水通過補給并經過一定距離(深度)循環徑流形成地熱水后,呈停滯狀態儲存于熱儲層之中,通過鉆井揭露熱儲含水層后沿井眼上升而排泄。樂山大佛景區附近無導水斷層,地熱資源開發需人工鉆井揭露。綜上所述,本區地熱礦泉水屬“地下水深循環熱交換,水熱對流型地熱水系統”。

3.5 熱礦水的地球化學特征鐵10井和佛1井水質化學類型均為氯化鈉型(Cl-Na),具如下特征:

(1)化學成份中氯化鈉占絕對優勢,微量組分中鍶(Sr)、氟(F)、硼(B)等元素含量較高,其物質來源為從地下水溶解熱儲層中的巖鹽、造巖礦物層獲取。

(2)溶解性總固體含量相對較高,各類放射性元素含量均很低,排除了因火山活動、放射性物質蛻變深大斷裂形成地熱水的可能性。

(3)地熱水中的Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-、Ca2+、HCO-3等相關離子的含量說明地熱水的成因是碳酸鹽地層巖溶裂隙水經深循環地溫加熱而形成。以上特征說明地熱水形成機理是:在其熱儲層露頭區接受大氣降水、地表水與淺層地下水補給,在水動力(壓差)作用下通過構造裂隙、溶隙、溶孔、溶洞向熱儲層深部入滲,在單斜構造的深部富集,形成遠距離補給、深部循環的地熱水。熱儲層中的石膏層在溶蝕過程中放熱也進一步提高了地熱水的溫度。根據摩爾濃度,按舒卡列夫地下水化學類型分類屬Cl-Na型水。分析熱礦水地球化學特征形成原因,二疊系雷口坡組碳酸鹽巖為主要的地熱含水層,在樂山地區雷口坡組碳酸鹽巖中富含巖鹽層,巖鹽為氯化鈉的礦物,它們都是由鹽水在封閉的盆地中蒸發而形成鹵化物礦物。石鹽礦層一般厚幾米到數十米,因此地熱水中化學成份中氯化鈉占絕對優勢是淋濾巖鹽的結果;在海水中沉淀的順序上,其在石膏和硬石膏的后面,因此,常常在石鹽之下找到石膏和硬石膏,含量高的Mg2+、Ca2+、SO2-4、HCO-3是熱礦水對圍巖溶蝕的結果。地熱水中鍶(Sr)主要為溶解膏鹽的結果,氟(F)、硼(B)為溶解碳酸鹽巖伴生造巖礦物的成果,H2S含量較高反映熱礦水處于相對封閉的還原環境。熱礦水主要陰陽離子含量隨水循環深度增加,在水化學特征中體現了明顯的垂直分帶特征。

4 預測單井水量、水溫和水質

以佛1井為例,在一個水文年內豐水期、枯水期、平水期分別進行了抽水試驗(表2)。試驗結果顯示:豐、平、枯期水位埋深僅差0.03 m,屬相當穩定;3次試驗雖在不同水期進行,但井口水溫均保持在36~37℃;鉆井穩定最大出水量在56.70~58.45 m3/d之間。以上現象共同反映了熱礦水源遠流長,在地下深部有固定的儲水層位和相對穩定的循環深度,是深部循環的水位、水量、水溫、水質相對穩定的深埋藏地下熱礦水資源。同時由于水動力關系Q-S曲線呈直線型,則可開采水量按下式計算:Q=86.4q·S式中:Q為井孔可開采量,m3/d;q為由抽水試驗確定的枯期單位出水量,L/(s·m),取值3.05×10-3;S為井孔可開采量的水頭最大降深值,m,取值215.20 m。由式(1)求得,可開采水量為Q=86.4×3.05×10-3×215.20=56.7 m3/d,由此可得該熱礦水井1 a的可開采量為2.07×104m3。

通過1 a的枯、平、豐期3次全分析水樣檢測結果(表3),地下水中溶解性總固體含量為164 179~201 609.58 mg/L,水質類型為Cl-Na型,pH為6.59~6.70,鍶含量253.3~276.5 mg/L,氟含量1.31~14.70mg/L,鋰含量13.90~96.35 mg/L,偏硼酸含量787.0~1 050 mg/L,硫化氫275.22~31 1.0 mg/L,達到“理療熱礦水水質標準”中命名礦水濃度界限以上;其次偏硅酸含量44.59~60.97 mg/L,具有理療價值。因此,命名為含偏硅酸的偏硼酸、硫化氫、氟、鍶、鋰理療熱礦水。

5 結論

(1)樂山大佛景區區域位于樂山自流斜坡儲水構造的北部,熱礦泉水屬“自流斜坡巖溶深循環地下水模式”,熱礦泉水與熔融熱源無關,而屬于地壓型地熱,隨著深度增加,地熱溫度按一定梯度增高。該區域適合開采的熱儲層為三疊系雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j2)碳酸鹽巖層,埋深2 000~3 000 m。巖溶裂隙發育,蓋層較厚,加之西南部露頭區地下水補給條件好,在自流斜坡儲水構造的有利部位,其循環深度可達到2 000~3 000 m,徑流距離達26~37 km,具有補給充足、深循環、遠徑流等特點,最終形成并儲存地下地熱資源。

(2)結合佛1井概況,根據儲層富水性、地下水深循環條件、埋深及區域地溫梯度值等,預測經酸化后大佛景區一帶單井涌水量可達300~500 m3/d,井口自溢水水溫可達40℃,抽水水溫可達50℃。根據儲層含膏鹽的特征及埋深情況,預測區內地下水水質類型為Cl-Na型,可溶性總固體大于10 g/L,可達到醫療熱礦水標準。

(3)從資源角度分析,大佛景區一帶地熱資源具有較好的形成條件,在附近深井勘探中有熱礦泉水顯示,有好的資源遠景,同時該區域臨近城區,交通條件較好,景區旅游產業當前發展紅火。綜上,樂山大佛景區地熱資源開發前景較好。