云南省宜良地熱田基本特征研究及成因分析

巴俊杰，徐世光，蘇春田，夏日元

1.中國地質科學院 巖溶地質研究所，廣西 桂林 541004；2.自然土資源部 廣西壯族自治區巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004；3.云南地礦工程勘察集團公司，昆明 650041

0 引言

地熱作為綜合性礦產資源和潛力巨大的清潔能源，在熱力開發、醫療保健、生態旅游等方面，具有良好的經濟和社會效應，其勘探開發利用日益升溫[1-3]。

目前中國的地熱開發利用主要集中在具有一定地熱資源的發達城市，且地熱資源的勘探、評價、綜合管理及開發模式等研究，與冰島、日本等地熱利用成熟國家的差距較大[4-8]。伴隨2017年國家《地熱能開發利用“十三五”規劃》的出臺，地熱資源的利用日益具有更廣泛的應用前景。

中國主要以中低溫地熱資源為主。宜良地熱田由于特殊地質結構，地熱田形成條件不同，分布極不均勻。研究區屬于小江斷裂帶控制的斷陷盆地，著名的小江斷裂東支呈南北向貫穿全區。宜良盆地內現有的研究成果不多，系統地結合地熱條件與熱田基本特征、地熱資源分布規律的關系等方面研究相對較少，成果淺顯。本文選取宜良地熱田為研究對象，對其充分挖掘和綜合研究，探索云南宜良地熱資源的形成機制、儲集形式等規律。

宜良盆地其基底下伏深部發育有富水性強的碳酸鹽巖巖溶含水層組。研究區具有地熱資源分布面積廣、埋藏淺、規模大的特點，而斷陷盆地區資源配置集中、交通便利，是主要的社會經濟發展區，因此該類型地熱田資源的科學高效勘探、開發有著重要的經濟、環境和社會意義。

1 地理概況

宜良縣地處滇中，位于昆明市東南部，102°58′E～103°29′E，24°31′N～25°17′N，距省會昆明約55 km。研究區是昆明市通往云南東南部的交通要塞和商品聚散地。

宜良盆地屬于低緯度高原型季風夏雨溫涼氣候帶。據宜良縣氣象站觀測資料，年平均氣溫16.3 ℃，平均降雨量912.2 mm，每年的6～9月為雨季。南盤江自北向南流經宜良盆地，沿盆地東部蜿蜒流出區外。

2 區域地質背景

2.1 地形地貌

宜良盆地總體寬約5 km，長約30 km，呈東西短、南北寬近狹長狀橢圓形。研究區屬于谷盆、山嶺相間的地貌格局，其與附近山地的高差最大超過500 m。

2.2 區域地層

區域內地層發育齊全，從前震旦系至第四系均有出露。在漫長的地質歷史進程中，歷經多期構造運動，海進海退頻繁，古地理環境多變。

研究區內出露地層以元古界、下古生界和新生界為主，缺失中生界地層，即出露震旦系、寒武系、志留系、泥盆系、古近系、新近系及第四系地層，其中與地熱資源有關的地層主要為第四系、寒武系及震旦系。

2.3 地質構造

研究區地處滇中高原，受NNE-SN向構造控制，是以昆陽群變質巖系為基底，震旦系及后各時代沉積地層為蓋層的區域。大地構造位置區域上位于揚子準地臺—滇東臺褶帶—小江斷裂帶中。區內構造形式以斷層為主，褶皺次之。

研究區主要斷裂構造均呈NS向展布，即F1、F2、F3、F4斷裂帶(圖1)。F1斷裂在地表可見100～200 m寬的破碎帶，由角礫巖、糜棱巖和少量斷層泥組成，傾角80°±。F4斷裂破碎帶寬50 m±，由角礫巖和糜棱巖組成，斷裂面向東傾斜，傾角45 °，局部地段近于直立。與兩主干斷裂平行或斜交的F2，F3斷裂，見有50～70 m寬的破碎帶，斷面東傾，傾角約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.斷層；8.地層富水性(強-中-弱-較弱)；9.地熱井、編號及溫度/℃；10.熱泉編號及溫度/℃；11.熱田分區線；12.宜良盆地基底埋深等值線/m；13.剖面線；14.熱田塊段劃分編號；15.地名.圖1 研究區地質圖Fig.1 Geological map of study area

F1斷層從研究區北部江頭村以東進入研究區，途經桃花村后延展至區外，此斷層控制了縣城以西盆地邊緣的形成和西部熱異常區邊界。F2斷層由縣城以北經段官村及小唐營延出研究區，往南至譚官營延出研究區，此斷裂控制東部熱異常區的分界。F3、F4斷層分布于研究區東部大渡口東西兩側，為東部邊緣的復合構造(圖1)。

2.4 新構造運動

區內新構造運動較為活躍，洪積扇和階地發育。河流沖擊階地分布于宜良縣城北東窯廠一帶，為一套厚約10～15 m的砂礫石層，研究顯示屬更新世晚期的沉積物。宜良盆地是中新世以后沿“小江”南北斷裂東支陷落而成，呈長條形狀、由北至南沿東川—宜良—個舊南展布。新生代松散層厚度>358.4 m(圖1)。

區內新生代地殼上升作用強烈，山地大面積抬升，形成高峻山嶺，次一級斷塊的差異性上升強烈。

研究區內F1和F4兩條斷裂均由北部伸入盆地基底，潛伏于新生界松散層下，分別構成盆地的東西邊界，控制宜良盆地的形成和地下熱水的富集。區域的新構造運動，對研究區地下水的形成以及深部巖溶的發育起到較強的控制作用。

此外，區內尚有北西向和近東西分布、具平移性質的小斷裂，其與主干斷裂斜截或直交，對于溝通各斷層間地下水的水力聯系和地下熱流的傳導有較好作用，構成地熱田的形成有利條件。

3 地熱田成因機制淺析

3.1 研究區地熱井特征

目前，宜良盆地已完工地熱井中，水溫不低于25℃的鉆孔21個，孔深在100～2 110 m不等。地熱井的分布特征揭示出研究區的地熱資源主要沿主干斷裂帶展布。

研究區地熱井由于受蓋層保溫條件的限制和淺層低溫含水層的混入影響,水溫一般不高或略高于常溫地下水,唯控熱斷裂構造帶的地熱井水溫才較高。高值區一般出現在各主干斷裂附近，顯示斷裂構造為地熱田主要的控熱條件(圖1，表1)。

研究區已有開發利用的地熱鉆孔主要分布在縣城的西北角，即小江斷裂東支F1斷裂的影響帶，以及狗街鎮東部盆地邊緣地區。地溫梯度受地層、巖性、蓋層厚度、地下水活動及構造等因素影響，差異較大，由(1.8 ～13.7)℃/100 m。一般值為(5～10 )℃/100 m±，其中≥2.5 ℃/100 m的計19個點，高值區一般出現在各主干斷裂附近。

3.2 地熱田流體化學特征

研究區地下水的水化學類型較為復雜，主要以SO4-Ca、HCO3-Ca·Mg為主(表2)。

表1 研究區地熱井特征表

表2 研究區部分泉水、鉆孔水化學特性表

圖2 研究區水化學piper圖Fig.2 Piper diagram of hydrochemistry in study area

3.3 熱儲層結構

研究區地表分布著新生界松散層，古生界寒武系龍王廟組(∈1l)碳酸鹽巖夾碎屑巖冷水含水層，其下伏為寒武系滄浪鋪組(∈1c)、筇竹寺組(∈1q)砂頁巖隔熱隔水蓋層；元古界震旦系燈影組(Z2dn)白云巖為熱儲層，下伏為陡山沱組(Z2d)、南沱組(Z2n)以及研究區東部廣泛出露的澄江組(Z1c)等一套砂巖夾頁巖地層，其正常疊置具有隔水導熱性能，對地熱在熱儲層中的儲集起著重要作用。宜良地熱田完整的熱儲構造系統為(圖3、圖4)：

新生界第四系松散堆積層盆地周圍基巖裸露，盆地內被松散層覆蓋，東中部宜良城鎮一帶為隆起地形，松散層埋深僅為50～100 m(圖1)。盆地西部邊緣極樂村地帶為一淺埋深凹陷地形，松散層埋深為200～300 m，為一套由第四系(Q)含礫黏土、砂質黏土組成的松散蓋層，地溫梯度一般為5.33 ℃/100 m。

該套地層富水性和透水性很差，成為地熱田熱儲結構的保溫蓋層。

古生界碳酸鹽巖冷水強循環構造層該層主要由下古生界寒武系龍王廟組(∈1l)碳酸鹽巖夾碎屑巖組成，主要分布在西部山區的斜坡地帶，部分傾伏于松散層之下，組成向斜的東翼，構成了區內主要巖溶含水層，出露泉水8處，水溫在17℃～20℃之間，平均地溫梯度為2.45℃/100 m，出露泉點最大流量為7.4 L/s，屬于富水性較強的冷水含水層。

古生界碎屑巖相對隔水構造層該層主要由下古生界寒武系滄浪鋪組(∈1c)、筇竹寺組(∈1q)砂頁巖組成，其富水性差，為相對隔水層。平均熱導率為3.5 w/m·k，地溫梯度為3.6℃/100 m。在斷坳盆地之中構成研究區熱儲層隔熱、隔水、保溫蓋層。

元古界碳酸鹽巖熱水弱循環構造層研究區熱儲層為震旦系燈影組(Z2dn)，屬于坳陷盆地水熱型熱儲。區內熱顯示和人工揭露鉆孔，表現出震旦系燈影組(Z2dn)地層熱異常點數量最多的特點，且溫度最高，呈裸露型分布在盆地北緣的泉村頭一左營和縣城西南小麥沖村，其主體部分被埋藏于小江斷裂帶的東支西側， 埋藏深度一般在800～1 200 m±。

圖3 研究區1-1′熱儲結構剖面圖Fig.3 1-1′ thermal reservoir profile of study area

圖4 研究區2-2′熱儲結構剖面圖Fig.4 2-2′ thermal reservoir profile of study area

3.4 地熱資源的分布特征

宜良熱田地熱資源相對較為豐富，地熱的空間分布與盆地隱伏斷裂的展布相一致，即主要沿著F1小江斷裂東支(宜良斷裂)、F2、F3、F4斷裂由南向北呈條帶狀分布。其中F1和F4斷裂是構成盆地東西邊界的主干斷裂，控制整個熱田區地層的排列、展布和地下水的運移、循環條件。

根據研究區地熱資源開發利用及其構造控制分布特征的不同，小江斷裂東支斷裂束即F1～F4斷裂呈南北向縱貫全區，將熱田分割成三個塊段，即地熱田西山營(Ⅰ)塊段、地熱田大渡口(Ⅱ)塊段、地熱田狗街(Ⅲ)塊段，各具不同的埋藏分布特征(表3、圖3、圖4)。

地熱田西山營(Ⅰ)塊段：野外調查發現地熱井5口，鉆孔主要集中在縣城西部F1宜良斷裂通過區域，其中有4口地熱井開發利用深部熱儲層燈影組(Z2dn)地熱水，取水深度918～2 000 m不等，出水溫度為56℃～58℃；該地熱田塊段地熱水水化學類型主要為SO4-Ca型，為深埋型巖溶熱儲型。

表3 研究區地熱塊段基本特征統計表

地熱田大渡口(Ⅱ)塊段：現場調查發現地熱井4口，其中有3口地熱井開發利用深部熱儲層燈影組(Z2dn)地熱水，取水深度1 800～2 200 m不等，水溫為56.1℃～58℃；其水化學類型主要為HCO3·SO4-Ca·Mg型。

地熱田狗街(Ⅲ)塊段：共鑿地熱井12口，主要取用燈影組(Z2dn)熱水，取水深度一般較淺，為142～474 m不等，水溫28℃～43℃。其中在瑞家營水溫最高，地熱井主要沿F4斷裂分布，且F4斷裂南側水溫明顯低于北側。地下水水化學類型以HCO3-Ca型為主。

綜上，宜良地熱田即由F1、F2、F3、F4、F6、F13等斷裂分別構成地熱田的邊界。各個塊段的熱儲溫度、水質類型、熱儲層水位等均有不同程度的差異，表明熱儲層位具備相對較為獨立的特性，地熱田各塊段的基本情況統計見表3。

3.5 熱源

研究區地熱異常的平面分布特征顯示盆地南部地溫梯度比北部略高，異常高的地溫梯度出現在南部地區埋深100～200 m的層位，其他層位變化不大，多在(4～5)℃/100 m之間。

對于垂向地溫場而言，溫度變化主要受巖性及導熱性能的控制。據位于西山營地熱井(ZK04)資料，出孔水溫為58℃，推測孔底溫度為59.3℃(表4)。進入熱儲后，隨著熱導率的增大，增溫率急劇下降，表現出良好的負相關關系，說明熱儲的溫差不大。異常高的地溫梯度是由熱儲頂板隆起或上翹后在熱傳導及載熱流體混合作用下產生的結果，地溫場熱流量并沒有得到增強(圖5)。

研究區東北部溫泉村wq3溫泉，其處于主干斷裂F1與北西向斷裂的交匯部位，熱儲層燈影組Z2dn熱水沿斷裂通道上升到地表形成溫泉，流量14 L/s，水溫50 ℃。說明斷裂構造既為地下水深循環提供有力條件，也是載熱流體流出地表的良好通道，充分表明區內小江東支斷裂控制了宜良城區地熱田的形成，是該區域熱儲層主要熱源來源。

表4 ZK04測溫一覽表

圖5 ZK04測溫曲線圖Fig.5 ZK04 temperature measurement curve chart

此外，研究區內地殼淺部未見侵入巖體，因此也不存在巖漿熱等附加成熱條件。地震和活動斷裂產生的機械摩擦熱對研究區大地熱流值的貢獻率極小[9-12]。

綜上，地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產生的地殼熱流自然增溫和斷裂帶導熱增溫，構成了宜良地熱田地熱系統的主要熱源。

3.6 熱通道

研究區構造的主體為SN向斷裂，次為EW向斷裂。斷裂具有延伸遠、規模大的特點。由于受到多期次構造運動的影響，導致斷裂帶兩側圍巖破碎程度高、裂隙節理網絡較為發育，成為了深部熱流向上傳導的主要通道。

小江斷裂帶東支斷裂束在區內主要由F1～F4斷裂組成，其中F1和F4斷裂是構成盆地東西邊界的主干斷裂，控制整個地熱田區地層的排列、展布和地下水的運移、循環。據研究區地震剖面資料證實，F1、F2、F3宜良斷裂帶構成區內主要的導熱構造，F4斷裂以及與之相切割的東西向F6、F12以及F13斷裂交匯處能成為熱田的導熱通道，主導熱儲層中載熱流體的側向及垂向分配。

3.7 熱源傳遞

宜良地熱田熱傳遞包括傳導和對流兩種方式，而對流傳輸方式是區內各地熱儲集層地下水循環深度內主要熱傳輸方式。

有關地震剖面資料表明，區內小江斷裂東支斷裂束為規模較為巨大的地殼型或超巖石圈斷裂，構成本區水熱活動的主要通道，主控載熱流體的垂向和側向分配。

3.8 概念模型

研究區熱儲層震旦系燈影組(Z2dn)碳酸鹽裂隙巖溶洞水在地下被封存時間較長，加之該熱儲層的熱導率較大，通過對流以及熱傳導方式吸收下伏深部的輻射熱，賦存熱儲層中的流體得以循環加熱升溫，并伴隨與圍巖進行水巖反應，在溫度差、水壓差及密度差作用下，沿F1～F4導熱導水斷裂和構造裂隙向淺部運移。控熱斷裂溝通了深部熱源，以傳導和對流方式將深部地熱能源源不斷地帶至地殼淺層，并在具有一定的熱儲結構條件下，地下水沿循環系統運移、儲集而形成地下熱水，由此形成宜良地熱田。

4 結論

(1)宜良地熱田屬于斷陷盆地型地熱田。地熱田邊緣為強循環水熱對流帶，其內部為巖溶含水層緩滯帶，上覆為古、新生代沉積保溫蓋層，形成了“坳陷盆地層控型”地熱系統。

(2)宜良地熱田分為3個相對獨立的地熱區，其成因模式屬于大氣降水補給的斷裂控熱深循環型地熱系統。震旦系燈影組碳酸鹽巖為巖溶型層狀熱儲，熱儲溫度一般在43℃～55℃之間，其水化學類型主要為SO4-Ca型、HCO3-Ca·Mg型等，埋藏深度一般在800～1 200 m。

(3)研究區小江斷裂帶東支斷裂束為水熱對流循環提供了良好的通道和儲集空間。斷裂切割深度大，導通深部熱源，使得地下熱水在震旦系燈影組巖溶含水層中富集，最終形成大氣降水補給的斷裂帶控熱深循環型地熱系統。