曲靖马龙地区地热形成机制分析

樊亚红，陈荣彬，闫鼎熠，贺建涛，韦祖鹏

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

在马龙地区已施工的3口热水井、水文地质报告、《云南省东部地区地热调查报告》等资料的基础上，文章针对马龙地区地热进行研究分析。从马龙地热水形成的热源、热储类型、地质构造、水文地质条件、地层岩性及地热水化学特征等方面入手，建立地热概念模型，分析马龙地热水的形成模式，为马龙地区今后地热水的勘探开发提供理论参考和科学依据，具有现实意义。

1 区域地质背景

马龙县位于云贵高原中部，滇东高原山地部位，山脉多沿北东向展布，研究区整体地势为东南高，西北低，东部及南部为一系列高山，西部及北部低凹平缓，地形起伏变化不大，属构造剥蚀中山地貌地形，总的为四周稍高，山峰连绵，中部低凹平缓。

区内发育有元古界牛头山组(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)。岩层走向普遍为北东向，倾向北西，倾角16°～20°，区内地层由南往北逐渐变新，马龙县南部大庄乡、牛头山地区出露的震旦系南沱组、陡山沱组(Zbd+n)和牛头山组(Ptn)砂页岩，为相对隔水层，成为马龙县城地热储集远景区的基底；震旦系灯影组(Z2dn)白云岩，岩溶发育，富水性较好，构成远景区的储热层；下古生界寒武系()、志留系(S)的砂页岩为相对隔水层，可构成热储远景区的保温盖层。

研究区根据岩性及水文地质特征，垂向上可分为4层，见图1。冷水循环层①：主要为S3g、2s、2d、11l碳酸盐岩及碎屑岩互层，富水性中等-较强，这些冷水层为对流循环系统，平均地温梯度较低，属富水性较强的冷水含水层；盖层②：1c和1q的砂页岩，富水性较差，相对隔水，热导率平均3.602 6 W/(m·℃)，地温梯度为3.765 ℃/hm，形成热储层的直接隔热、隔水盖层；热储层③：Z2dn白云岩，构造裂发育构成储水空间，热导率高达5.076 3 W/(m·℃)，地温梯度3.45 ℃/hm；热储底板④：Zbd、Zbn以及Ptn的砂页岩、板岩，裂隙不发育，赋水性较弱，为相对隔水层，构成研究区热储结构基底。

图1 研究区热储结构图Fig.1 Diagram of geothermal reservoir structure in the study area

2 地热水地球化学特征

2.1 地热水化学成分

为了了解马龙地区地热水的地球化学特征，对研究区3口热水井以及区内泉点进行取样，做水质全分析。地热井的水化学资料见表1。

表1 马龙地热井及泉点水化学资料(单位mg/L)Tab.1 Chemical data of geothermal wells and springs in Malong(unit mg / L)

图2 研究区水样点piper图Fig.2 Piper diagram of water sample points in the study area

2.2 热储温度的计算

热储温度的估算采用SiO2地热温标法，是最常用的地球化学温标，计算也相对较准确，根据热流运移过程中有没有蒸汽损失，又分2种计算：

热流运移过程中没有蒸汽损失的表达式为：

(1)

在某一温度下有最大的蒸汽损失的表达公式为：

(2)

式中：

t--热储温度，℃；

SiO2--二氧化硅含量，mg/L。

采用石英SiO2地热温标法计算得到热储温度为55 ℃～65 ℃，地温梯度推算法得到热储温度为44 ℃～64 ℃，两者结果比较吻合，也比较符合实际。因此研究区热储温度采用石英二氧化硅温标计算得到的55 ℃～65 ℃。

2.3 冷热水混合

通过研究区的Na-K-Mg三角图可以看出研究区地热水属于未成熟水，地下热水发生了混合作用。根据R.0.弗尼埃和A.H.特鲁斯德尔设想，冷热水掺合过程必然导致深部热水的初焓和SiO2初始含量降到混合水终焓SiO2最终含量。如果地下深处热水中的溶解态SiO2处于饱和状态，则混合水温度与SiO2含量就可表示为以下2个不同的函数[74]：

ScX+Sh(1-X)=Ss

(3)

SiO2cX+SiO2h(1-X)=SiO2s

(4)

式中：

Sc--为近地表冷水的焓；

Ss--泉水的终焓；

Sh--热水的初焓；

SiO2c--近地表冷水的含量；

SiO2c--混合热水SiO2的含量；

SiO2h--深部热水SiO2的初始含量，是Sh的函数；

通过计算可得，马龙地区热水井的冷水混入比例为55 %～60 %，冷水混入前热水的温度为75.1 ℃～89.9 ℃，明显高于SiO2温标计算得到的结果55 ℃～65 ℃，主要是由于计算时只考虑一股冷水混入的理想混合模式，而实际则存在多股流量较小的冷水混入。

3 马龙地区地热水成因模式分析

3.1 热源及热通道

马龙县城热储远景区没有发现挽近期活动的酸性岩浆岩，没有岩浆活动产生的附加热源，它的热能主要来源于放射性元素蜕变热及上地幔传导热，地热系统靠正常或偏高的区域大地热流量供热和维持，热流通过断裂和岩层向热储层传递，并通过大地热流使热储层加热，在深部含水有利部位，在构造及地层封闭条件好的状态下，利用常规地温梯度增温形成地下热水。

3.2 热储层

远景区热储层为Z2dn的白云岩，属岩溶裂隙型热储层。Z2dn密度大，热导率高，岩石历经古生代以来的多次构造运动，裂隙纵横交错，渗透性强，连通性好，赋水性好；Z2dn形成于强烈褶皱、断裂的地质历史时期中，容易沟通深部热源；分布稳定，一般埋深500～1 700 m，厚500～800 m，因而构成了良好的热储层。

3.3 盖层

3.4 地热水来源

研究区地热水主要来源于大气降水，补给区为马县城南侧出露的灯影组白云岩，出露面积约136 km2，出露面积大，Z2dn出露区内有2个溶蚀潜流谷地型富水块断，普城富水块断面积约为3.23 km2，汇水面积为95 km2，王家营富水块断面积约为66.26 km2，汇水面积为316 km2，径流模量为7.33～10.4 L/s·km2，赋水型较强，地热水补给丰富。根据野外实地调查，灯影组地层岩性为灰白色泥晶白云岩，岩层倾向西北，马龙县城远景区南侧出露区岩层产状为320°～340°∠14°～20°，大气降水落在白云岩裸露区，沿着岩层倾向不断向深部运移，在地温梯度增温下，到达一定深部以及盖层条件好的地方就可以形成低温热水。

3.5 热水循环深度

根据地热水的来源分析，远景区的主要补给来源为大气降水，补给区高程为2 300 m左右，海拔较远景区高出约300 m，可以推断远景区地下热水经历了深循环才得以由冷水转换为温度较高的地热水，储存在热储层中，依据地下水循环深度计算公式(5)对研究区的热水循环深度加以估算：

(5)

式中：

H--循环深度，m；

t--热储温度，℃，一般采用SiO2温标计算值；

h--恒温带深度，m；

t0--恒温带温度，℃；

T--地温梯度，℃/100m。

地热水温度高低与地热水循环深度有很大的关系，当热储温度高时，热水循环深，热水温度就高；而在同一热储温度条件下，地温梯度高，则热水循环浅，温度低。根据热水井资料和热水循环深度式可计算得到马龙县城地热储集远景区的热水井的循环深度为1 921～2 127 m。

通过从热源、热储层、盖层、地热水来源及地热水循环深度的分析，得出马龙县城地热储集远景区的地热系统是以Z2dn白云岩地层为热储的层状型地热，热量通过断层和岩层向上传递，不断加热热储层，上面覆盖有1q和1c的砂页岩，构成隔水保温盖层，南侧裸露区Z2dn白云岩含水层接受大气降水补给后，不断向深部运移，吸收周围热量，温度不断升高，到达一定深部以及盖层条件好的地方就可以形成低温热水，当热水井揭穿盖层后就能获得40 ℃左右的地热水。见图3。

图3 研究区地热成因模式图Fig.3 Geothermal formation model in the study area

4 结 语

通过查阅研究区区域地质条件、水文地质条件、热水井资料、热流体水化学资料，综合考虑热储层温度与构造及埋藏深度的关系及埋深与开发利用条件的关系。根据地热水水化学资料，分析热储远景区的水化学特征，估算研究区区热储温度为55 ℃～65 ℃，冷热水混合比例为55 %～60 %，地热水循环深度为1 921～2 127 m。并从热源、地热水来源、热储层、热通道及盖层等几方面分析了马龙地区地热形成原因，建立该地区地热概念模型，为马龙地区今后地热水的勘探开发提供理论参考和科学依据。