玉溪盆地地下热水形成机制及开发利用前景

周鹏敏

(玉溪市水利建设大队， 云南 玉溪　653100)



玉溪盆地地下热水形成机制及开发利用前景

周鹏敏

(玉溪市水利建设大队， 云南 玉溪653100)

本文从玉溪盆地及周边的地层岩性、褶皱构造入手，分析了玉溪盆地的水文地质条件、盖层结构及地热水的补给、径流、深循环和热交换等形成因素及机制，指出了地下热水的形成机制，提出了玉溪盆地地热田边界面积，对玉溪盆地地热水开发、利用进行了预测。

地热水； 形成机制； 开发利用

1　概　述

玉溪地处滇中腹地，自然资源丰富，素有“云烟之乡”“花灯之乡”“聂耳故乡”之美誉，区位优势明显，中心城区距省会昆明88km,泛亚铁路东线、中线和昆曼、昆河高速公路在玉溪交汇，是通往东盟国家的重要交通枢纽。自然条件优越，年平均气温在15.6～23.8℃之间，年平均降水量792～943mm，冬无严寒，夏无酷暑；山川秀美，旅游资源得天独厚，抚仙湖、星云湖、杞麓湖毗连成群，澄江帽天山古生物化石群演绎生命起源，神秘古滇国、原始哀牢山、丰富的自然资源吸引着大批游客，开发地下热水具有很高的经济及社会价值。

玉溪盆地为一断陷盆地，呈北北东—南南西向延伸，长约28km，宽3～9km，面积约136km2，盆地中地势较平坦，平均海拔1620m左右, 相对高差20m。环绕盆地周围山区为低中山地貌，总体地势南高北低，山顶高程1680～1898m，与盆地相对高差60～278m。盆地地表多为第四系覆盖，主要沉积为上第三系含煤及粉砂质泥岩，其基底为前震旦系(昆阳群)的板岩夹灰岩透镜体、石英砂岩，局部有中酸性、碱性喷出岩体。

2　地热水形成的地质条件

2.1地层岩性

玉溪盆地表层被第四系(Q4)及第三系所(N)沉积物所覆盖, 第三系沉积物在盆地内从西向东沉积厚度逐渐变薄。北部及西南部大面积地出露昆阳群美党组(Pt2m)，局部出露昆阳群大龙口组(Pt2d)，盆周东部出露大面积的昆阳群黑山头组(Pt2hs)，在盆周东部的黑山头组之上不整合出露震旦系的地层，详见玉溪盆地地层一览表[1-2]。

2.2地质构造

玉溪盆地在构造上属于扬子准地台滇东台褶皱带昆明台褶束，区域地处云南山字形构造脊柱南端，主要构造线为南北向和北西向两组，后者切割前者。评价区南北向和北东向断裂构造发育，往往起到沟通或阻隔地下水的作用,详见图1[1-2]。

玉溪盆地地层一览表

图1　玉溪盆地质构造1-第四系冲洪积层；2-震旦系上统陡山沱组；3-震旦系上统南陀组；4-震旦系下统澄江组；5-元古界昆阳群美党组；6-元古界昆阳群大龙口组；7-玉溪盆地地热田范围；8-元古界昆阳群黑山头组；9-正断层及倾角；10-逆断层及倾角；11-实测平移断层；12-推测断层；13-背斜；14-向斜；15-地质单元界线；16-地层产状；17-玉溪盆地分水岭

2.2.1玉溪盆地南西部的褶皱构造

a.黄草坝-马吐龙背斜(Ⅰ)。轴部由黄草坝向马吐龙北东-南西向展布，其核部为大龙口组(Pt2d)灰岩，两翼为美党组(Pt2m)板岩。

b.平坝-水箐向斜(Ⅱ)。核部主要为美党组(Pt2m)地层，两翼地层主要为美党组(Pt2m)及大龙口组(Pt2d)，轴向近南北，西翼大龙口组在洛河一带出露，东翼则隐伏于盆地第三系和美党组之下。

2.2.2玉溪盆地断裂构造

玉溪盆地受4条断裂(F1、F2、F3、F4)的控制，其中普渡河断裂是最主要的控盆构造，是区域性的深大断裂，先后被黄草坝断裂(F1)、玉江断裂(F2)所截断，在盆地内被第四系、第三系覆盖，对盆地周边的地形、地貌、地层有决定性的控制作用。区域主要断裂特征[2]如下：

a.黄草坝断层(F1)。位于盆地西部山区，由核桃园向南东经黄草坝，长度约34km，呈南偏东走向，北段为平移断层，南段为逆(压扭性)断层，倾向北东，倾角40°～50°，沿断层发育有数十米宽的构造破碎带，断层破碎带由角砾岩和碎裂岩组成，泥质充填和胶结，透水性弱，阻水性强，阻断玉溪盆地与西部的水力联系，晚近期有活动。

b.普渡河断裂(F2、F3)。分布在玉溪盆地北部和南东部的两条近北东向断裂F2和F3，其中F2断裂为川滇台背斜与武定石屏断隆束二级大地构造东界断裂，它北始于刺铜关以北，向南经由梅园，入玉溪盆地而隐伏之，又复出于盆地南缘的常里村，转为北东向后经大密罗，止于跨喜，全长约40km，北段主要由一组北东向左阶斜列的张性断裂组成，中段在郭井被黄草坝断层F1切割，倾向北西，倾角50°～75°。F3(刺桐关断裂)经石狗头村，到段家营后隐伏于新生代玉溪盆地之下，东盘为黑山头组，西盘为大龙口组灰岩及美党组板岩，走向近南北，倾向东，倾角50°～60°。普渡河断裂总体是一条逆断裂，历经晋宁-海西-喜山期，规模巨大，切割深入上地幔，近代诱发地震频繁，是形成昆明、玉溪第三系盆地的主控深大断裂，是该区地热源的主要通道。

c.玉江(玉川)断裂(F4)。指发育在玉溪上新世—第四纪盆地中部及东、西两侧的一组北西向断裂，是玉溪地区重要的发震构造之一，其中一条分支断裂东风水库断裂(冯家冲)横贯东风水库坝址。它的北西端始于安宁市的七街子，向南东经由温水营、核桃园、蚂蝗箐，于莲花池、郭井附近入玉溪盆地隐伏之，并交汇于F2，其后于盆地基底内断错F3又复出盆地，至东风水库、九溪盆地，止于通海县的咱乐附近，全长约82km。走向北30°～50°西，倾向北东或南西，倾角在50°以上。该断裂晚更新世还在活动，以压扭走滑为主，断裂破碎带宽40～80m，灰黑色断层角砾和断层泥，为阻水断层，阻断了北部流向玉溪盆地中部的基岩裂隙水，玉江断裂以北出现了北龙潭、黑龙潭、九龙池等大泉，是阻水断裂的最好证据。

2.2.3地热水形成的水文地质条件

第四系(Q)与上第三系(N)松散层组成新生界盖层，厚50～580m，透水性差，富水性弱，地温梯度较高，有利于热储的保温隔热；昆阳群美党组(Pt2m)岩性以板岩为主，较致密，透水性差，富水性弱，厚210～723m，其保温隔热性较好，在地热田中视为相对隔水层，是较为理想的热储盖层；美党组(Pt2m)下伏的大龙口组(Pt2d)碳酸盐岩地层，其透水性及富水性强，加之埋深较大，是地热田较为理想的储热含水层；黑山头组(Pt2hs)地层，岩性以砂岩为主，富水性中等，热导率高，是热储层下部良好的基底层。从地层岩性和断裂构造分布可知，玉溪地热田的性质为裂隙型，基岩裂隙含水层补给、径流、排泄受F1、F2、F3、F4断裂截割控制，形成了独立的地下热水水文地质单元。

a.地热田(带)水文地质边界条件。根据玉溪盆地地热井、供水井调查及构造断裂的分布，玉溪盆地地热田水文地质边界范围为：F1断裂以北，F4断裂以南，F2深大断裂以东，F3深大断裂以西，呈西南向北东展布的楔形地块，面积约15km2。普渡河深大断裂将上地幔热液带至上部含水层，上部含水层受断层边界控制，在有限区域内储存及循环，上部第三系(N)作为隔水盖层截断了基岩裂隙水与第四系的水力联系，垂向上起到隔水保温作用。形成了热液传导、区域储存、盖层保温独特的地热田结构。

b.地下水含水层及隔水层类型。孔隙裂隙含水层：第四系(Q4)、第三系(N2)松散堆积层。第四系富水性中等，第三系(N)岩性以粉质黏土、粉细砂岩互层，地下水径流模量M<0.50L/(s·km2)，最大降深涌水量小于300m3/d。横向上含水、导水，在纵向上起隔水作用，对地下热水来说，孔隙裂隙含水层为隔水保温层。

基岩裂隙含水层：昆阳群美党组(Pt2m)板岩，昆阳群黑山头组(Pt2hs)石英砂岩、板岩。富水性弱，地下水径流模量M=0.10～1L/(s·km2)，单井涌水量仅有20m3/d，在裂隙、断裂交汇、集中部位具有较高的单井涌水量。在纵向上岩层较厚，岩层上部与下部水力联系差，在边界上起到储水保温作用。

岩溶裂隙含水层:昆阳群大龙口(Pt2d)地层。岩性以灰岩为主，富水性透水性强，岩溶裂隙发育，地下水径流模量M=8～12L/(s·km2)，泉流量Q=80～149.32L/s，单井涌水量Q5m=480～1785m3/d。是玉溪盆地主要的含水层，也是玉溪盆地地热田的主要热储层。

c.地热田地下水补给、径流、排泄。玉溪盆地西北部存在北东向黄草坝—马吐龙背斜、平坝—水箐向斜构造，构造部位为低中山区，核部地层分别为富良棚组(Pt1f)、美党组(Pt2m)，两翼地层主要为美党组(Pt2m)及大龙口组(Pt2d)，轴向近南北。向斜西翼马吐龙一带主要分布大龙口组(Pt2d)灰岩，岩层产状走向N40°～50°E，倾向SE，倾角43°～80°，出露标高1900～2000m，大龙口组(Pt2d)灰岩岩溶发育率达10%～40%，暗河系统发育，具地下水入渗条件[3]，该区域大气降水丰富，是地下水的主要补给来源，背斜、向斜是较理想的储水构造，其储蓄的地下水沿北西-南东的断裂、裂隙运移，在西南部的跨喜一带，还发育有走向近于南北、断面产状向东倾斜的正断层，更加有利于岩溶水向东渗漏和运移，向低洼洛河-大密罗-郭井-大营街、常里径流排泄或进入玉溪大河；深部地下径流在水压作用下沿灰岩裂隙或断层深循环至普渡河断裂(F1、F2)，进入玉溪盆地中部基底大龙口组(Pt2d)(顶埋深高程约700m)，越流补给盆地中部元古界美党组(Pt2m)板岩、黑山头组(Pt2hs)石英砂岩(高程低于1400m)，深循环距离达16km[4]。

3　地热水形成机制

玉溪盆地地下热水形成条件见图2。西北部低中山区马吐龙一带灰岩接受降水补给，沿断层、垂向裂隙向深部溶隙中聚集、富存，平坝向斜西翼岩层层面倾向东南，且东翼中发育有走向东部的正断层，岩溶水更有利于向东部盆地及盆地深处循环，普渡河深大断裂将上地幔热源及热液带出，与富存于基底大龙口组(Pt2d)的岩溶水进行热量交换和传导形成地热水[3]。由于岩溶水的补给区高程为2000m左右，径流区高程为1500～2000m，盆地基底大龙口灰岩顶部高程为1200～500m，大龙口灰岩上层位为美党组(Pt2m)板岩，下层位黑山头组(Pt2hs)泥质砂岩，两侧岩层透水性弱，地下热水在大龙口灰岩中聚积、储存直至充盈，形成承压含水层[4]。大龙口承压热水沿普渡河断裂(F1、F2)或其他分支小断层越流补给美党组(Pt2m)板岩， 其底部砂岩层中也蓄积部分地下热水，综合分析，玉溪盆地地下热水类型为断裂传导型承压热水。

图2　玉溪盆地地下热水形成机制剖面

4　地下热水开发利用条件

地下热水开发利用主要取决于水温、资源量、微量元素含量及地下水位埋藏深度。水温、水量是地热水开发的必要条件，热水中微量元素含量达到或超过国家标准，决定地热水的理疗价值，地下水位埋藏深与浅，决定开发成本。玉溪盆地的地热水水温达到中低温地热水的标准，微量元素达到国家标准，具有一定理疗价值，开发成本适宜。

4.1地热场的温度特征

玉溪地热田属断裂传导型地热田，其热源来自地壳深部，在断裂构造格局的制约下，热流重新分配布局，在构造交接部位，热流方向发生偏转，垂直向上延伸，从而导致热量在断裂附近相对加大，且由深部基底向地表逐渐减弱。

根据《地热资源评价办法》(DZ 40—85)采用地温梯度推算法确定热储温度，计算公式为：

式中t——热储温度，℃；

d——热储埋藏深度，取2000m；

h——常温层埋藏深度，取35m；

t0——常温层温度，按玉溪平均气温确定为15℃。

代入公式得

t=(2000-35)×2.5/100+15=64℃

根据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)地热资源温度分级，60℃≤t<90℃，属低温地热资源中的热水，具有理疗、洗浴、采暖、温室、养殖价值。

4.2地热资源储量

由于盆地周边地下水的补给、径流、上部地层入渗、越流补给、流出等边界条件、水文地质参数确定较为复杂，地下热水水源地可开采量采用水均衡法计算较为困难且不准确，勘探区属断裂(裂隙)型热储带，采用热均衡法计算地热带的水资源量较为可靠，根据《地热资源评价方法》(DZ 40—85)采用热储法，其计算公式[5]为

式中Q——热储中储存的热量，J；

Qr——岩石中储存的热量，J；

Qw——水中储存的热量，J；

Q1=Aφd——热储孔隙中热水的静储量，m3；

A——热储层面积，m2；玉溪地热田由F1、F2、F3、F4四条断裂切割，面积15.0km2；

d——热储厚度，热储层大龙口组灰岩(Pt2d)平均厚度为421.0m；

ρr—热储岩石密度，灰岩2700kg/m3；

cr—热储岩石比热，灰岩920J/(kg·℃)；

φ——热储岩石的空隙度，按区域地质资料，Pt2d热储层孔隙度取3.5%；

tr—热储温度，64℃；

t0——当地年平均气温，15℃；

ρw—地热水密度，1000kg/m3；

cw—水的比热，4180J/(kg·℃ )。

经计算得出玉溪盆地地热田的地下热水资源量(热量)为8.14×1017J, 相当于热能2.26亿Mwt,属大型低温热田，热水的静储量Qw=2.21亿m3。

4.3地热水的水质调查

经收集常里、大营街、郭井、高仓地热井水质化验资料[4]，地热水水化学类型为重HCO3-Na、Ca型水，热水矿化度小于500mg/L，为低矿化度，pH值7.40，总硬度(按CaCO3计)小于50mg/L，属极软水。 热水中氟化物、镭放射性超标，达不到生活饮用水标准，不能直接饮用；其水质中的氟、偏硅酸含量达到《理疗热矿水水质标准》(GB/T 11615—2010)中的氟水、偏硅酸水命名浓度，具有理疗价值。

4.4地热水开发的可行性评价

玉溪盆地下地热水受断裂控制，在地热田范围内，受盖层第四系、第三系沉积厚度影响较大， 在盖层浅的断裂附近，地热井的深度在200～500m，在大龙口组灰岩埋置深度较深的盆地中东部，地热井的深度在1000～2500m，地热资源开采的经济性处于最经济的和经济的之间。由于地热水具有承压性，地热水的静水位介于地表下20～50m之间，采用钻孔成井，抽水动水位变化在200m以内，开发利用较为经济。

5　地热水开发利用预测

玉溪盆地地热田边界受F1、F2、F3、F4断裂切割控制呈由西南向北东展布的楔形地块，由西南到北东第四系、第三系沉积盖层厚度增加，热储含水层大龙口组灰岩顶板埋置深度增加，钻井取水深度逐渐增加，同时，地下水位逐步降低。由北到南，黑山头组(Pt2hs)逆冲至大龙口组灰岩之上，钻井取水深度增加。

由于地热传递特性，在主干断裂附近、断裂交汇密集部位地热水温度较高，距主干断裂较远的地点，地热水温度逐步降低。

地热田热储含水层具有承压性，地热水静水位一般较高，在局部地段可形成自流井。

玉溪地热田北部、南部均为压扭性阻水断层，东部为透水性弱的黑山头组(Pt2hs)泥质砂岩，其补给区仅为西部的大龙口组灰岩山区出露部分，补给来源有限，且进行深部循环，地下水补给交替周期较长，地热水以消耗静储量为主。

从玉溪地热水形成机制上看，地热水深循环的补给、径流、热储层、热传导交换方式等具有固定模式，地热水中离子成及含量随时间推移变化不大。

6　结　论

玉溪盆地地热田边界受F1、F2、F3、F4控制，为一呈西南向北东展布的楔形地块，面积15km2，普渡河断裂东西两支(F2、F3)为本地热田控热断裂，大龙口组灰岩为地热田的储热含水层。玉溪盆地地热水类型为断裂传导型承压热水，热储层温度为64℃，属低温型热田，地下热水资源量(热量)为8.14×1017J,属大型低温热田，热水的静储量达2.21亿m3，地热资源开采的经济性较好。目前，常里、大营街、高仓已取出地下热水，钻孔深度及布孔位置基本与本文预测一致。为充分发掘水资源，使地下热水资源服务于当地旅游产业，服务于地方经济建设，可进一步进行合理开发、应用。

[1]云南省地矿局区域地质调查队三分队. 1/20万玉溪幅区域地质调查报告[R].1975—1977.

[2]云南省地矿局区域地质调查队四分队.1/5万玉溪幅区域地质调查报告[R].1995—1996.

[3]中国石油化工股份有限公司.云南省玉溪市红塔区大营街地热水水源地详查报[R].2003.

[4]李春兵.玉溪市星源油墨厂大营街地热水资源评价报告[R].昆明:云南省地质工程勘察总公司,2014.

[5]GB/T 11615—2010地热资源地质勘察规范[S].北京：中国标准出版社,2011.

Geothermal water formation mechanism and development utilization prospect in Yuxi Basin

ZHOU Pengmin

(YuxiWaterResourcesConstructionTeam,Yuxi653100,China)

In the paper, formation factors and mechanisms of Yuxi Basin’s hydrogeological conditions, cover structure, geothermal water recharge, runoff and deep circulation, heat exchange, etc. are analyzed from lithology and fold structure of Yuxi Basin and its surrounding strata. Formation mechanism of geothermal water is pointed out. Yuxi Basin geothermal field boundary area is proposed. Development and utilization of geothermal water in Yuxi Basin are forecasted.

geothermal water; formation mechanism; development and utilization

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.03.009

TV213

B

2096- 0131(2016)03- 0029- 06