云南省宜良地热田基本特征研究及成因分析

时间：2024-09-03

巴俊杰，徐世光，苏春田，夏日元

1.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004；2.自然土资源部广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004；3.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041

0 引言

地热作为综合性矿产资源和潜力巨大的清洁能源，在热力开发、医疗保健、生态旅游等方面，具有良好的经济和社会效应，其勘探开发利用日益升温[1-3]。

目前中国的地热开发利用主要集中在具有一定地热资源的发达城市，且地热资源的勘探、评价、综合管理及开发模式等研究，与冰岛、日本等地热利用成熟国家的差距较大[4-8]。伴随2017年国家《地热能开发利用“十三五”规划》的出台，地热资源的利用日益具有更广泛的应用前景。

中国主要以中低温地热资源为主。宜良地热田由于特殊地质结构，地热田形成条件不同，分布极不均匀。研究区属于小江断裂带控制的断陷盆地，著名的小江断裂东支呈南北向贯穿全区。宜良盆地内现有的研究成果不多，系统地结合地热条件与热田基本特征、地热资源分布规律的关系等方面研究相对较少，成果浅显。本文选取宜良地热田为研究对象，对其充分挖掘和综合研究，探索云南宜良地热资源的形成机制、储集形式等规律。

宜良盆地其基底下伏深部发育有富水性强的碳酸盐岩岩溶含水层组。研究区具有地热资源分布面积广、埋藏浅、规模大的特点，而断陷盆地区资源配置集中、交通便利，是主要的社会经济发展区，因此该类型地热田资源的科学高效勘探、开发有着重要的经济、环境和社会意义。

1 地理概况

宜良县地处滇中，位于昆明市东南部，102°58′E～103°29′E，24°31′N～25°17′N，距省会昆明约55 km。研究区是昆明市通往云南东南部的交通要塞和商品聚散地。

宜良盆地属于低纬度高原型季风夏雨温凉气候带。据宜良县气象站观测资料，年平均气温16.3 ℃，平均降雨量912.2 mm，每年的6～9月为雨季。南盘江自北向南流经宜良盆地，沿盆地东部蜿蜒流出区外。

2 区域地质背景

2.1 地形地貌

宜良盆地总体宽约5 km，长约30 km，呈东西短、南北宽近狭长状椭圆形。研究区属于谷盆、山岭相间的地貌格局，其与附近山地的高差最大超过500 m。

2.2 区域地层

区域内地层发育齐全，从前震旦系至第四系均有出露。在漫长的地质历史进程中，历经多期构造运动，海进海退频繁，古地理环境多变。

研究区内出露地层以元古界、下古生界和新生界为主，缺失中生界地层，即出露震旦系、寒武系、志留系、泥盆系、古近系、新近系及第四系地层，其中与地热资源有关的地层主要为第四系、寒武系及震旦系。

2.3 地质构造

研究区地处滇中高原，受NNE-SN向构造控制，是以昆阳群变质岩系为基底，震旦系及后各时代沉积地层为盖层的区域。大地构造位置区域上位于扬子准地台—滇东台褶带—小江断裂带中。区内构造形式以断层为主，褶皱次之。

研究区主要断裂构造均呈NS向展布，即F1、F2、F3、F4断裂带(图1)。F1断裂在地表可见100～200 m宽的破碎带，由角砾岩、糜棱岩和少量断层泥组成，倾角80°±。F4断裂破碎带宽50 m±，由角砾岩和糜棱岩组成，断裂面向东倾斜，倾角45 °，局部地段近于直立。与两主干断裂平行或斜交的F2，F3断裂，见有50～70 m宽的破碎带，断面东倾，倾角约80 °±。

1.第四系；2.新近系；3.泥盆系；4.志留系；5.寒武系；6.震旦系；7.断层；8.地层富水性(强-中-弱-较弱)；9.地热井、编号及温度/℃；10.热泉编号及温度/℃；11.热田分区线；12.宜良盆地基底埋深等值线/m；13.剖面线；14.热田块段划分编号；15.地名.图1 研究区地质图Fig.1 Geological map of study area

F1断层从研究区北部江头村以东进入研究区，途经桃花村后延展至区外，此断层控制了县城以西盆地边缘的形成和西部热异常区边界。F2断层由县城以北经段官村及小唐营延出研究区，往南至谭官营延出研究区，此断裂控制东部热异常区的分界。F3、F4断层分布于研究区东部大渡口东西两侧，为东部边缘的复合构造(图1)。

2.4 新构造运动

区内新构造运动较为活跃，洪积扇和阶地发育。河流冲击阶地分布于宜良县城北东窑厂一带，为一套厚约10～15 m的砂砾石层，研究显示属更新世晚期的沉积物。宜良盆地是中新世以后沿“小江”南北断裂东支陷落而成，呈长条形状、由北至南沿东川—宜良—个旧南展布。新生代松散层厚度>358.4 m(图1)。

区内新生代地壳上升作用强烈，山地大面积抬升，形成高峻山岭，次一级断块的差异性上升强烈。

研究区内F1和F4两条断裂均由北部伸入盆地基底，潜伏于新生界松散层下，分别构成盆地的东西边界，控制宜良盆地的形成和地下热水的富集。区域的新构造运动，对研究区地下水的形成以及深部岩溶的发育起到较强的控制作用。

此外，区内尚有北西向和近东西分布、具平移性质的小断裂，其与主干断裂斜截或直交，对于沟通各断层间地下水的水力联系和地下热流的传导有较好作用，构成地热田的形成有利条件。

3 地热田成因机制浅析

3.1 研究区地热井特征

目前，宜良盆地已完工地热井中，水温不低于25℃的钻孔21个，孔深在100～2 110 m不等。地热井的分布特征揭示出研究区的地热资源主要沿主干断裂带展布。

研究区地热井由于受盖层保温条件的限制和浅层低温含水层的混入影响,水温一般不高或略高于常温地下水,唯控热断裂构造带的地热井水温才较高。高值区一般出现在各主干断裂附近，显示断裂构造为地热田主要的控热条件(图1，表1)。

研究区已有开发利用的地热钻孔主要分布在县城的西北角，即小江断裂东支F1断裂的影响带，以及狗街镇东部盆地边缘地区。地温梯度受地层、岩性、盖层厚度、地下水活动及构造等因素影响，差异较大，由(1.8 ～13.7)℃/100 m。一般值为(5～10 )℃/100 m±，其中≥2.5 ℃/100 m的计19个点，高值区一般出现在各主干断裂附近。

3.2 地热田流体化学特征

研究区地下水的水化学类型较为复杂，主要以SO4-Ca、HCO3-Ca·Mg为主(表2)。

表1 研究区地热井特征表

表2 研究区部分泉水、钻孔水化学特性表

图2 研究区水化学piper图Fig.2 Piper diagram of hydrochemistry in study area

3.3 热储层结构

研究区地表分布着新生界松散层，古生界寒武系龙王庙组(∈1l)碳酸盐岩夹碎屑岩冷水含水层，其下伏为寒武系沧浪铺组(∈1c)、筇竹寺组(∈1q)砂页岩隔热隔水盖层；元古界震旦系灯影组(Z2dn)白云岩为热储层，下伏为陡山沱组(Z2d)、南沱组(Z2n)以及研究区东部广泛出露的澄江组(Z1c)等一套砂岩夹页岩地层，其正常叠置具有隔水导热性能，对地热在热储层中的储集起着重要作用。宜良地热田完整的热储构造系统为(图3、图4)：

新生界第四系松散堆积层盆地周围基岩裸露，盆地内被松散层覆盖，东中部宜良城镇一带为隆起地形，松散层埋深仅为50～100 m(图1)。盆地西部边缘极乐村地带为一浅埋深凹陷地形，松散层埋深为200～300 m，为一套由第四系(Q)含砾黏土、砂质黏土组成的松散盖层，地温梯度一般为5.33 ℃/100 m。

该套地层富水性和透水性很差，成为地热田热储结构的保温盖层。

古生界碳酸盐岩冷水强循环构造层该层主要由下古生界寒武系龙王庙组(∈1l)碳酸盐岩夹碎屑岩组成，主要分布在西部山区的斜坡地带，部分倾伏于松散层之下，组成向斜的东翼，构成了区内主要岩溶含水层，出露泉水8处，水温在17℃～20℃之间，平均地温梯度为2.45℃/100 m，出露泉点最大流量为7.4 L/s，属于富水性较强的冷水含水层。

古生界碎屑岩相对隔水构造层该层主要由下古生界寒武系沧浪铺组(∈1c)、筇竹寺组(∈1q)砂页岩组成，其富水性差，为相对隔水层。平均热导率为3.5 w/m·k，地温梯度为3.6℃/100 m。在断坳盆地之中构成研究区热储层隔热、隔水、保温盖层。

元古界碳酸盐岩热水弱循环构造层研究区热储层为震旦系灯影组(Z2dn)，属于坳陷盆地水热型热储。区内热显示和人工揭露钻孔，表现出震旦系灯影组(Z2dn)地层热异常点数量最多的特点，且温度最高，呈裸露型分布在盆地北缘的泉村头一左营和县城西南小麦冲村，其主体部分被埋藏于小江断裂带的东支西侧，埋藏深度一般在800～1 200 m±。

图3 研究区1-1′热储结构剖面图Fig.3 1-1′ thermal reservoir profile of study area

图4 研究区2-2′热储结构剖面图Fig.4 2-2′ thermal reservoir profile of study area

3.4 地热资源的分布特征

宜良热田地热资源相对较为丰富，地热的空间分布与盆地隐伏断裂的展布相一致，即主要沿着F1小江断裂东支(宜良断裂)、F2、F3、F4断裂由南向北呈条带状分布。其中F1和F4断裂是构成盆地东西边界的主干断裂，控制整个热田区地层的排列、展布和地下水的运移、循环条件。

根据研究区地热资源开发利用及其构造控制分布特征的不同，小江断裂东支断裂束即F1～F4断裂呈南北向纵贯全区，将热田分割成三个块段，即地热田西山营(Ⅰ)块段、地热田大渡口(Ⅱ)块段、地热田狗街(Ⅲ)块段，各具不同的埋藏分布特征(表3、图3、图4)。

地热田西山营(Ⅰ)块段：野外调查发现地热井5口，钻孔主要集中在县城西部F1宜良断裂通过区域，其中有4口地热井开发利用深部热储层灯影组(Z2dn)地热水，取水深度918～2 000 m不等，出水温度为56℃～58℃；该地热田块段地热水水化学类型主要为SO4-Ca型，为深埋型岩溶热储型。

表3 研究区地热块段基本特征统计表

地热田大渡口(Ⅱ)块段：现场调查发现地热井4口，其中有3口地热井开发利用深部热储层灯影组(Z2dn)地热水，取水深度1 800～2 200 m不等，水温为56.1℃～58℃；其水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca·Mg型。

地热田狗街(Ⅲ)块段：共凿地热井12口，主要取用灯影组(Z2dn)热水，取水深度一般较浅，为142～474 m不等，水温28℃～43℃。其中在瑞家营水温最高，地热井主要沿F4断裂分布，且F4断裂南侧水温明显低于北侧。地下水水化学类型以HCO3-Ca型为主。

综上，宜良地热田即由F1、F2、F3、F4、F6、F13等断裂分别构成地热田的边界。各个块段的热储温度、水质类型、热储层水位等均有不同程度的差异，表明热储层位具备相对较为独立的特性，地热田各块段的基本情况统计见表3。

3.5 热源

研究区地热异常的平面分布特征显示盆地南部地温梯度比北部略高，异常高的地温梯度出现在南部地区埋深100～200 m的层位，其他层位变化不大，多在(4～5)℃/100 m之间。

对于垂向地温场而言，温度变化主要受岩性及导热性能的控制。据位于西山营地热井(ZK04)资料，出孔水温为58℃，推测孔底温度为59.3℃(表4)。进入热储后，随着热导率的增大，增温率急剧下降，表现出良好的负相关关系，说明热储的温差不大。异常高的地温梯度是由热储顶板隆起或上翘后在热传导及载热流体混合作用下产生的结果，地温场热流量并没有得到增强(图5)。

研究区东北部温泉村wq3温泉，其处于主干断裂F1与北西向断裂的交汇部位，热储层灯影组Z2dn热水沿断裂通道上升到地表形成温泉，流量14 L/s，水温50 ℃。说明断裂构造既为地下水深循环提供有力条件，也是载热流体流出地表的良好通道，充分表明区内小江东支断裂控制了宜良城区地热田的形成，是该区域热储层主要热源来源。

表4 ZK04测温一览表

图5 ZK04测温曲线图Fig.5 ZK04 temperature measurement curve chart

此外，研究区内地壳浅部未见侵入岩体，因此也不存在岩浆热等附加成热条件。地震和活动断裂产生的机械摩擦热对研究区大地热流值的贡献率极小[9-12]。

综上，地幔热流和上地壳含放射性元素衰变产生的地壳热流自然增温和断裂带导热增温，构成了宜良地热田地热系统的主要热源。

3.6 热通道

研究区构造的主体为SN向断裂，次为EW向断裂。断裂具有延伸远、规模大的特点。由于受到多期次构造运动的影响，导致断裂带两侧围岩破碎程度高、裂隙节理网络较为发育，成为了深部热流向上传导的主要通道。

小江断裂带东支断裂束在区内主要由F1～F4断裂组成，其中F1和F4断裂是构成盆地东西边界的主干断裂，控制整个地热田区地层的排列、展布和地下水的运移、循环。据研究区地震剖面资料证实，F1、F2、F3宜良断裂带构成区内主要的导热构造，F4断裂以及与之相切割的东西向F6、F12以及F13断裂交汇处能成为热田的导热通道，主导热储层中载热流体的侧向及垂向分配。

3.7 热源传递

宜良地热田热传递包括传导和对流两种方式，而对流传输方式是区内各地热储集层地下水循环深度内主要热传输方式。

有关地震剖面资料表明，区内小江断裂东支断裂束为规模较为巨大的地壳型或超岩石圈断裂，构成本区水热活动的主要通道，主控载热流体的垂向和侧向分配。

3.8 概念模型

研究区热储层震旦系灯影组(Z2dn)碳酸盐裂隙岩溶洞水在地下被封存时间较长，加之该热储层的热导率较大，通过对流以及热传导方式吸收下伏深部的辐射热，赋存热储层中的流体得以循环加热升温，并伴随与围岩进行水岩反应，在温度差、水压差及密度差作用下，沿F1～F4导热导水断裂和构造裂隙向浅部运移。控热断裂沟通了深部热源，以传导和对流方式将深部地热能源源不断地带至地壳浅层，并在具有一定的热储结构条件下，地下水沿循环系统运移、储集而形成地下热水，由此形成宜良地热田。