云南省安寧溫泉地熱地質特征及成因模式

  安寧溫泉位于安寧市溫泉鎮境內玉泉山麓, 螳螂川畔, 距昆明市區38km , 是云南省最著名的溫泉之一,有“天下第一湯”之譽。由于區位優越, 水質療養效果明顯, 近年來溫泉開發利用規模急劇擴大, 除了蓄集、引用溫泉自涌水量外, 另圍繞“天下第一湯”打了20 余口熱水井抽取地下熱水。不合理的開發導致了“天下第一湯”的水位降低, 部分熱水井溫度下降, 甚至變為冷水井。

 

  本文總結了安寧溫泉地熱系統的地溫場、水文地球化學、熱儲結構及熱水動態變化等地熱地質特征, 在分析熱源、水源、導熱通道等要素基礎上提出了成因模式, 對今后該區地熱資源的合理開采及溫泉開發遠景規劃等具有指導意義。

 

  1  區域地質背景

 

  溫泉地區地處滇中高原的邊緣, 位于近南北向展布的螳螂川侵蝕寬谷內, 海拔1 820 ～ 2 530m, 北倚筆架山, 西望龍山, 屬侵蝕溶蝕中-淺切割的中低山寬谷地貌, 總體地勢南東高、北西低。

 

  區內地層的巖性及出露、分布復雜多變。地層巖性主要有元古界昆陽群淺變質巖和震旦系砂巖、白云巖;古生界寒武系、泥盆系、二疊系, 是一套以灰巖、白云質灰巖、砂巖等為主的碳酸鹽巖和碎屑巖;中生界三疊系、侏羅系, 是一套以泥砂質巖為主的紅色碎屑巖層;新生界從更新統到全新統, 沉積有沖洪積砂卵礫石、粘性土。

 

  本區長期處于川滇經向構造帶與南嶺緯向構造帶交匯地區, 構造活動較為頻繁, 地質構造十分發育, 平緩的褶皺和塊狀斷裂構成其構造特點。相距35 ～40km 的東西兩側分別為普渡河斷裂帶與羅茨—易門斷裂帶夾持。受上述兩條南北向區域性斷裂帶的影響和來自南北地應力的控制, 區內構造線以東西向為主,次為南北和北東、北西向(圖1)。東西向構造主要有筆架山斷裂和石甸口斷裂, 多為老一期逆掩斷裂。南北向構造主要有螳螂川斷裂, 是溫泉地區唯一起控制作用的主干斷裂。

 

  溫泉地區發育的東西向斷裂構造, 控制了該地區含水層和非含水層的平面分布和空間格局, 自北向南可劃分為三大水文地質單元。筆架山斷裂帶以北地區, 廣布昆陽群淺變質巖系, 是風化裂隙水和構造裂隙水單元;而石甸口斷裂的以南地區, 廣布中生界祿豐組紅色碎屑巖類, 為弱含風化裂隙層狀裂隙水單元。上述兩條斷裂所夾持的地帶, 是以震旦系、寒武系、二疊系為主、泥盆系次之的碳酸鹽巖夾少量碎屑巖、巖漿巖的分布區, 構成中部富含巖溶水單元, 為安寧溫泉的補徑排創造了良好條件。

 

  2  地熱顯示與水文地球化學特征

 

  安寧溫泉實為上升泉群, 出露于螳螂川谷底一級基座階地前緣含水層組中, 天然狀態下岸上統計有7個泉點, 在溫泉大橋下螳螂川兩岸均有溢出, 以“天下第一湯”為中心向四周運動, 總流量118L s , 泉口溫度28 ～ 47 ℃。另據訪問螳螂江河床內溢出點尚有數個,  江心公園施工中, 揭露出熱水溢出點則是河床中有熱水溢出的佐證。“天下第一湯”出露高程1 824m, 在泉群中水量最大, 溫度最高。泉水無色無味, 清澈透明,泉口附近未見鈣華等沉積物。以往長期觀測水溫為45 ～ 47 ℃。近年來水溫有所降低, 保持在43 ～ 45 ℃。

 

  安寧溫泉所處地熱系統既有溫泉出露, 也有鉆孔揭示。鉆孔基本圍繞“ 天下第一湯” 布置, 井深7.6 ～100m, 水溫31 ～ 44 ℃, 靜水位1 820 ～ 1 835.34m, 單位涌水量0.83 ～ 12.4L (s·m)。熱水中一般有較豐富的氣體溢出, 尤以“天下第一湯”最為典型, 串珠狀的大小氣泡曠日持久。氣體組分測定結果顯示, 主要成分為N2 , 次為CO2 、Rn 、He 、Ar 等, 組分與大氣類似, 反映出熱水源于大氣降水的特征。

 

  通過多年水質檢測資料, 溫泉各溢出水點與鉆孔熱水點的水化學類型和各主要組分含量基本相近, 且與冷泉組分也差別不大(表1), 基本水化學類型為HCO3 —Ca·Mg 或HCO3 —Ca 型。熱水中SiO2 含量明顯偏高, 是常溫水的1.5 ～ 3.9 倍。Rn 、Sr 、B 、Ba 、Se 、Zn 、Br 等微量元素含量略高。根據我國飲用天然礦泉水標準(GB8537 -1995), 屬硅質泉。

 

  3  地溫場特征

 

  3.1  平面展布特征

 

  據已有ρs 等值線資料分析, 溫泉地熱場受斷裂構造控制, 形成以“天下第一湯” 為中心, 南北延伸大、東西延伸小的不對稱擴展的紡錘狀形態。等溫線大體以“天下第一湯”為中心呈閉合狀, 東西寬約100m, 南北長約200m , 為熱田溫度最高和變化較小的穩定區, 向四周則溫度漸降, 北部100 ～ 150m 以外便為冷水分布區, 該區溫度下降速度較快, 等溫線密集。向南等溫線稀疏舒寬, 地溫變化相對穩定, 在500m 范圍內溫度僅下降5 ～ 6 ℃。西側則由于冷流體的存在, 溫度驟降。

 

  3.2  垂向變化特征

 

  區內井溫曲線有增溫型、恒溫型、增降驟變型和增溫變降溫型等四種(圖2)。一般情況下, 螳螂川斷裂以東上盤熱田中心區以增溫型為主;螳螂川斷裂西側下盤地帶, 冷、熱流體相互交接以及混合地段, 以恒溫型為主;溫泉地熱田的外圍, 以增降驟變型井溫曲線為主, 井溫隨深度忽高忽低, 說明井溫明顯受側向冷流體補給量的多少和強弱影響;螳螂川斷裂以西下盤地帶為增溫驟變為降溫型井溫曲線, 應該是此處深部因大量側向冷流體補給和注入迫使熱流體降溫所致。

 

  上述地溫場的平面展布和垂向變化特征, 表明深部熱流體是在水頭差作用下, 通過螳螂川斷裂對流向上運移, 至地表淺部后再側向運動向螳螂川排泄, 并受到冷水的混合。

 

  4  熱水賦存與熱儲結構特征

 

  根據水文地質特征, 區內垂向結構可分為六層, 即淺部、中部、深部三個熱儲層以及上、中、下三個弱透水蓋層。安寧溫泉熱儲具有多元結構特征, 垂向形態則屬脈狀熱儲。

 

  新生界松散堆積物(Q)、中生界侏羅系祿豐組

 

  (J2 l)和三疊系上統舍資組(T3 sh)泥砂質巖為主的紅色碎屑巖層以及二疊系峨眉山玄武巖(P2 β), 僅含較弱-弱的孔隙水和層狀風化、構造裂隙水, 淺部水溫僅高于區內年平均氣溫, 一般為16 ～ 18 ℃, 構成區內最上部的隔熱隔水保溫蓋層。

 

  二疊系茅口組和棲霞組(P1 q +m)灰巖、白云巖巖溶發育, 聯通性好, 地下水循環交替強烈, 富水性中等-較強, 構成了淺部熱儲層, 也是目前所有地熱井的取水層。該熱儲的熱水嚴格受距離螳螂川斷裂的遠近控制, 垂向上有時也形成冷熱水相間的現象。

 

  二疊系下統倒石頭組(P1 d)鋁土巖、鋁土質頁巖和石英細砂巖埋深350 ～ 400m, 僅含層狀裂隙水, 富水性弱, 可視為相對隔水層和隔熱層。

 

  泥盆系上統宰格組(D3 zg )白云巖埋深400 ～500m, 是富水性中等且較均一的巖溶含水層組, 構成了中部熱儲層, 該層熱水分布的邊界同樣受到距離螳螂川斷裂的遠近和周邊側向冷水補給量多少的影響。

 

  寒武系下統漁戶村組(∈1 y)泥巖、頁巖及含磷砂巖埋深500 ～ 600m , 含層狀裂隙水, 富水性弱, 即下隔水隔熱層。

 

  值得注意的是, 類比附近的昆明地熱田[ 1] , 本區埋深600 ～ 700m 的震旦系燈影組(Zbdn)白云巖可構成中等巖溶化、構造裂隙發育的儲水空間, 是溫泉地熱系統的主要熱儲。利用K+ —Mg2 +地熱溫標法推算深部熱儲溫度59 ～ 65 ℃, 屬低溫地熱資源。考慮到存在近源地下水的混合作用, 深部熱儲的溫度可能會更高。

 

  5  熱水動態變化特征

 

  20 世紀60 年代“天下第一湯”長期觀測數據能比較真實地反映自然狀態下的運動狀態(圖3)。以“天下第一湯”為中心的熱水形成與降雨補給關系密切, 流量受季節性變化控制明顯。其他溫泉出露點和熱水開采井的流量和水壓值也有同樣的情況存在, 說明溫泉具有開放型補給的性質, 其熱水量可以持續得到周邊巖溶水的大量補給。

 

  雖然溫泉流量的變化顯示降雨型的曲線特征, 但根據熱水中氚年齡的測定(6TU , 同期降水中的為20TU), 推算熱水循環周期在21a 以上, 說明豐水期的大流量并非由當年降水的直接排泄造成, 而是補給區滲入的降水通過含水層的水壓傳遞在排泄帶的水動力表現, 也表明含水層的聯通性很好并有著較強調節功能的儲水空間。再者盡管豐水期水位有所抬升, 涌水量增大, 水質各組分的含量, 尤其H2SiO3 的含量卻未發生明顯的改變, 這從另一個側面說明熱礦水既具有一種短周期(豐、枯季)水位變化, 也具有長周期的循環徑流過程。

 

  溫泉出露標高與各熱水孔的水頭高程高于螳螂川河水的高程, 無法接受地表水體補給, 也不會遭受地表水體污染, 但受螳螂川水位影響明顯, 多數熱水井及“天下第一湯”的水位、水量均有隨螳螂川水位升高而升高的正相關關系。螳螂川水位變化主要也是依賴大氣降水, 其動態與降雨基本同步, 所以熱水水頭隨螳螂川水位的變化, 間接上反映的也是補給區滲入降水通過含水層的水壓傳遞在排泄帶的水動力表現。另一方面, 河水位升高時, 河水壓力增加, 阻擋了熱流體向河水的排泄, 也迫使四周熱流體水頭同時升高。

 

  6  安寧溫泉成因模式淺析

 

  6.1  熱源

 

  該區地處康滇古隆起, 莫霍面溫度965 ～ 1 000 ℃,巖石圈底界面溫度1 528 ～ 1 536 ℃, 具典型現代構造活動區的地熱特征[ 2] 。大地熱流86.6 ～ 96.7mW m2 , 具有高熱流(>80mW m2)特征, 很大程度高于我國大陸地區有代表性的熱流值(63 ～ 68mW m2)[ 3] 。區內地幔熱流(qm )與地殼熱流(qc)比qm qc =1.23, 表明地幔熱流占較大比例。據區域物探重力、地震測深資料, 該區地球結構為雙層結構殼型, 分為上地殼、下地殼兩層, 厚度分別為16 ～ 25km、21 ～ 25km , 康德拉面附近可能存在低速層。安寧以南一帶地殼厚48km , 以北富民、祿勸一帶地殼厚約50km。地處地殼相對凸起帶,有利于更多的側向熱源集中。區內地殼淺部無年輕巖漿侵入巖體, 故不存在巖漿熱等附加熱源。活動斷裂和地震產生的機械摩擦熱對大地熱流值貢獻率極為微小, 可忽略不計[ 5] 。因此可以認為, 地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產生的地殼熱流構成了安寧溫泉地熱系統的熱源。

 

  6.2  導熱通道

 

  區內斷裂構造發育, 特別是螳螂川斷裂規模較大,對溝通深部熱源起到了至關重要的作用。螳螂川斷裂走向近南北, 延伸約7.0km。據已有的物探電測深資料, 該斷裂傾角較陡, 近直立, 總體傾向西, 局部東傾,為西升東降的左旋逆斷層, 水平斷距2 450m , 并有3 ～5m 寬的斷層角礫巖帶。該斷裂切斷了區內的筆架山斷裂和石甸口斷裂, 控制了斷裂東西兩側的地層和較低序次的斷裂。由于受后期多次構造運動影響, 反復繼承和復活, 具有多期活動及先壓后張的特征, 而且深切基底, 是一條具繼承性活動的導熱斷裂。新生代挽近期該斷裂活動更加強烈, 形成斷裂兩盤上升的不對稱性, 造成斷裂帶兩側巖石破碎、裂隙網絡發育, 為地下水富集和熱水對流提供了必要的空間。螳螂川斷裂既溝通了深部的熱源, 也為地下水深循環并在沿途吸收深部傳導上來的熱量, 然后在水壓差、密度差作用下向上運移提供了必要的通道, 起到了導熱導水的作用。

 

  6.3  熱水的補給、徑流與排泄

 

  根據水文地質條件分析, 出露震旦系燈影組的溫泉地區北西部龍山及北部羊角山一帶是溫泉接受大氣降水補給的水源地。

 

  震旦系燈影組是元古界變質巖系上的第一個碳酸鹽巖沉積建造, 巖性為一套灰、淺灰色中厚層、厚層狀的隱-粉晶質白云巖、硅質白云巖, 經歷多次構造運動作用, 除節理裂隙十分發育外, 其深部巖溶也十分發育, 以溶隙為主, 是富水性中等而均一的巖溶化構造裂隙型巖溶水含水層組。該區接受大氣降水補給后, 沿溶隙及構造裂隙向深部徑流, 成為深循環的地下水, 因埋藏深, 徑流距離長, 運移速度緩慢, 沿途逐步從有著正常或略高的地溫梯度的巖石中吸熱;當運移到螳螂川斷裂帶附近時, 由于斷裂溝通產生深循環水的對流,受到深部熱源的高熱流加熱, 水溫得到大幅度升高, 并進一步加速溶解圍巖的可溶組分, 在深埋的燈影組地層形成深部熱儲;在含水層高水頭壓力作用下, 深部熱水沿螳螂川斷裂導水帶向上運移并與D3zg 巖溶水混合, 形成了中部熱儲層;接著上升至地表淺部, 與P1 q+m 中常溫地下水混合, 形成淺部熱儲層, 且在有利部位出露地表形成溫泉群。

 

  6.4  成因模式

 

  綜上所述, 安寧溫泉地熱系統的成因模式可概括為:在高熱流區域熱背景下, 大氣降水主要由龍山一帶補給區向下入滲, 沿震旦系燈影組溶隙及構造裂隙向深部徑流, 在向螳螂川排泄區運移過程中, 隨循環深度增大而不斷從巖石中獲取熱量逐步加熱, 至螳螂川斷裂帶附近時, 由于斷裂溝通深部熱源產生對流深循環,水溫增至65 ℃左右, 形成深部熱儲。在水壓差和密度差作用下, 深部熱水沿螳螂川斷裂帶有利部位涌至地表, 部分以溫泉出露, 部分賦存于淺部熱儲中, 并受到四周冷水不同程度的混合, 形成了以“天下第一湯”為中心的低溫地熱資源。

 

  7  結語

 

  從成因模式可知, 安寧溫泉屬開放式補給的斷裂深循環型地熱系統, 熱水量可以持續得到周邊, 特別是龍山一帶震旦系燈影組巖溶水的大量補給, 熱水循環周期21a 左右, 從這種意義上講, 安寧溫泉地熱水是有補給來源的, 但其天然資源量畢竟是有限的, 溫泉水位降低等環境地質問題是開采井群布置不合理且開采量過大所造成。

 

  地下熱水是集熱、礦、水于一體的寶貴資源。為保障區內地熱資源今后的合理開采, 建議查明螳螂川斷裂的具體產狀, 并可考慮鉆取較深的井直接截取從深部上來的熱水, 誘導淺層熱儲地溫水補給深部熱儲。

 

  此外, 應做好周邊地區的環境保護工作, 如龍山一帶補給區的生態保護、保證溫泉及熱水孔水頭不低于螳螂川水位以免因地表水體倒灌而遭受污染等。