福建寧安縣溫泉水熱儲(chǔ)特征及成因分析

福建寧安縣溫泉水熱儲(chǔ)特征及成因分析

寧安市溫泉市清泉山腳下。它與云南省明泉市相連，距昆明市區(qū)38公里。它是云南省最著名的溫泉之一，被稱為“世界湯”。由于區(qū)位優(yōu)越,水質(zhì)療養(yǎng)效果明顯,近年來溫泉開發(fā)利用規(guī)模急劇擴(kuò)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(fā)導(dǎo)致了“天下第一湯”的水位降低,部分熱水井溫度下降,甚至變?yōu)槔渌１疚目偨Y(jié)了安寧溫泉地?zé)嵯到y(tǒng)的地溫場(chǎng)、水文地球化學(xué)、熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及熱水動(dòng)態(tài)變化等地?zé)岬刭|(zhì)特征,在分析熱源、水源、導(dǎo)熱通道等要素基礎(chǔ)上提出了成因模式,對(duì)今后該區(qū)地?zé)豳Y源的合理開采及溫泉開發(fā)遠(yuǎn)景規(guī)劃等具有指導(dǎo)意義。1中生界構(gòu)造單元溫泉地區(qū)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(nèi),海拔1820~2530m,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(shì)南東高、北西低。區(qū)內(nèi)地層的巖性及出露、分布復(fù)雜多變。地層巖性主要有元古界昆陽(yáng)群淺變質(zhì)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?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、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(zhì)巖為主的紅色碎屑巖層;新生界從更新統(tǒng)到全新統(tǒng),沉積有沖洪積砂卵礫石、粘性土。本區(qū)長(zhǎng)期處于川滇經(jīng)向構(gòu)造帶與南嶺緯向構(gòu)造帶交匯地區(qū),構(gòu)造活動(dòng)較為頻繁,地質(zhì)構(gòu)造十分發(fā)育,平緩的褶皺和塊狀斷裂構(gòu)成其構(gòu)造特點(diǎn)。相距35~40km的東西兩側(cè)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(qū)域性斷裂帶的影響和來自南北地應(yīng)力的控制,區(qū)內(nèi)構(gòu)造線以東西向?yàn)橹?次為南北和北東、北西向(圖1)。東西向構(gòu)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(gòu)造主要有螳螂川斷裂,是溫泉地區(qū)唯一起控制作用的主干斷裂。溫泉地區(qū)發(fā)育的東西向斷裂構(gòu)造,控制了該地區(qū)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(zhì)單元。筆架山斷裂帶以北地區(qū),廣布昆陽(yáng)群淺變質(zhì)巖系,是風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水單元;而石甸口斷裂的以南地區(qū),廣布中生界祿豐組紅色碎屑巖類,為弱含風(fēng)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(qū),構(gòu)成中部富含巖溶水單元,為安寧溫泉的補(bǔ)徑排創(chuàng)造了良好條件。2引起熱重及水化學(xué)類型及組分含量安寧溫泉實(shí)為上升泉群,出露于螳螂川谷底一級(jí)基座階地前緣含水層組中,天然狀態(tài)下岸上統(tǒng)計(jì)有7個(gè)泉點(diǎn),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(yùn)動(dòng),總流量118Ls,泉口溫度28~47℃。另?yè)?jù)訪問螳螂江河床內(nèi)溢出點(diǎn)尚有數(shù)個(gè),江心公園施工中,揭露出熱水溢出點(diǎn)則是河床中有熱水溢出的佐證?！疤煜碌谝粶背雎陡叱?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(zhǎng)期觀測(cè)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?zé)嵯到y(tǒng)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1820~1835.34m,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(cè)定結(jié)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(zhì)檢測(cè)資料,溫泉各溢出水點(diǎn)與鉆孔熱水點(diǎn)的水化學(xué)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(xué)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(jù)我國(guó)飲用天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)(GB8537-1995),屬硅質(zhì)泉。3地溫場(chǎng)的特點(diǎn)3.1熱田擴(kuò)展的紡錘狀形態(tài)據(jù)已有ρs等值線資料分析,溫泉地?zé)釄?chǎng)受斷裂構(gòu)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(duì)稱擴(kuò)展的紡錘狀形態(tài)。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(zhǎng)約200m,為熱田溫度最高和變化較小的穩(wěn)定區(qū),向四周則溫度漸降,北部100~150m以外便為冷水分布區(qū),該區(qū)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(duì)穩(wěn)定,在500m范圍內(nèi)溫度僅下降5~6℃。西側(cè)則由于冷流體的存在,溫度驟降。3.2冷、熱流體相互銜接,互接合深度隨深度方法注意區(qū)內(nèi)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(qū)以增溫型為主;螳螂川斷裂西側(cè)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?zé)崽锏耐鈬?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(cè)向冷流體補(bǔ)給量的多少和強(qiáng)弱影響;螳螂川斷裂以西下盤地帶為增溫驟變?yōu)榻禍匦途疁厍€,應(yīng)該是此處深部因大量側(cè)向冷流體補(bǔ)給和注入迫使熱流體降溫所致。上述地溫場(chǎng)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(duì)流向上運(yùn)移,至地表淺部后再側(cè)向運(yùn)動(dòng)向螳螂川排泄,并受到冷水的混合。4熱儲(chǔ)系統(tǒng)的組成及熱儲(chǔ)以其熱儲(chǔ)規(guī)模為根據(jù)水文地質(zhì)特征,區(qū)內(nèi)垂向結(jié)構(gòu)可分為六層,即淺部、中部、深部三個(gè)熱儲(chǔ)層以及上、中、下三個(gè)弱透水蓋層。安寧溫泉熱儲(chǔ)具有多元結(jié)構(gòu)特征,垂向形態(tài)則屬脈狀熱儲(chǔ)。新生界松散堆積物(Q)、中生界侏羅系祿豐組(J2l)和三疊系上統(tǒng)舍資組(T3sh)泥砂質(zhì)巖為主的紅色碎屑巖層以及二疊系峨眉山玄武巖(P2β),僅含較弱-弱的孔隙水和層狀風(fēng)化、構(gòu)造裂隙水,淺部水溫僅高于區(qū)內(nèi)年平均氣溫,一般為16~18℃,構(gòu)成區(qū)內(nèi)最上部的隔熱隔水保溫蓋層。二疊系茅口組和棲霞組(P1q+m)灰?guī)r、白云巖巖溶發(fā)育,聯(lián)通性好,地下水循環(huán)交替強(qiáng)烈,富水性中等-較強(qiáng),構(gòu)成了淺部熱儲(chǔ)層,也是目前所有地?zé)峋娜∷畬印Ｔ摕醿?chǔ)的熱水嚴(yán)格受距離螳螂川斷裂的遠(yuǎn)近控制,垂向上有時(shí)也形成冷熱水相間的現(xiàn)象。二疊系下統(tǒng)倒石頭組(P1d)鋁土巖、鋁土質(zhì)頁(yè)巖和石英細(xì)砂巖埋深350~400m,僅含層狀裂隙水,富水性弱,可視為相對(duì)隔水層和隔熱層。泥盆系上統(tǒng)宰格組(D3zg)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(gòu)成了中部熱儲(chǔ)層,該層熱水分布的邊界同樣受到距離螳螂川斷裂的遠(yuǎn)近和周邊側(cè)向冷水補(bǔ)給量多少的影響。寒武系下統(tǒng)漁戶村組(∈1y)泥巖、頁(yè)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?zé)崽?本區(qū)埋深600~700m的震旦系燈影組(Zbdn)白云巖可構(gòu)成中等巖溶化、構(gòu)造裂隙發(fā)育的儲(chǔ)水空間,是溫泉地?zé)嵯到y(tǒng)的主要熱儲(chǔ)。利用K+—Mg2+地?zé)釡貥?biāo)法推算深部熱儲(chǔ)溫度59~65℃,屬低溫地?zé)豳Y源?？紤]到存在近源地下水的混合作用,深部熱儲(chǔ)的溫度可能會(huì)更高。5豐水期降水特征20世紀(jì)60年代“天下第一湯”長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)能比較真實(shí)地反映自然狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(圖3)。以“天下第一湯”為中心的熱水形成與降雨補(bǔ)給關(guān)系密切,流量受季節(jié)性變化控制明顯。其他溫泉出露點(diǎn)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(bǔ)給的性質(zhì),其熱水量可以持續(xù)得到周邊巖溶水的大量補(bǔ)給。雖然溫泉流量的變化顯示降雨型的曲線特征,但根據(jù)熱水中氚年齡的測(cè)定(6TU,同期降水中的為20TU),推算熱水循環(huán)周期在21a以上,說明豐水期的大流量并非由當(dāng)年降水的直接排泄造成,而是補(bǔ)給區(qū)滲入的降水通過含水層的水壓傳遞在排泄帶的水動(dòng)力表現(xiàn),也表明含水層的聯(lián)通性很好并有著較強(qiáng)調(diào)節(jié)功能的儲(chǔ)水空間。再者盡管豐水期水位有所抬升,涌水量增大,水質(zhì)各組分的含量,尤其H2SiO3的含量卻未發(fā)生明顯的改變,這從另一個(gè)側(cè)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(zhǎng)周期的循環(huán)徑流過程。溫泉出露標(biāo)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(bǔ)給,也不會(huì)遭受地表水體污染,但受螳螂川水位影響明顯,多數(shù)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(guān)關(guān)系。螳螂川水位變化主要也是依賴大氣降水,其動(dòng)態(tài)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(bǔ)給區(qū)滲入降水通過含水層的水壓傳遞在排泄帶的水動(dòng)力表現(xiàn)。另一方面,河水位升高時(shí),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(shí)升高。6寧溫泉的成因模式6.1地潭地下地殼熱流值比qmqc的含量較該區(qū)地處康滇古隆起,莫霍面溫度965~1000℃,巖石圈底界面溫度1528~1536℃,具典型現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的地?zé)崽卣?。大地?zé)崃?6.6~96.7mWm2,具有高熱流(>80mWm2)特征,很大程度高于我國(guó)大陸地區(qū)有代表性的熱流值(63~68mWm2)。區(qū)內(nèi)地幔熱流(qm)與地殼熱流(qc)比qmqc=1.23,表明地幔熱流占較大比例。據(jù)區(qū)域物探重力、地震測(cè)深資料,該區(qū)地球結(jié)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)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(duì)凸起帶,有利于更多的側(cè)向熱源集中。區(qū)內(nèi)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(dòng)斷裂和地震產(chǎn)生的機(jī)械摩擦熱對(duì)大地?zé)崃髦地暙I(xiàn)率極為微小,可忽略不計(jì)。因此可以認(rèn)為,地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產(chǎn)生的地殼熱流構(gòu)成了安寧溫泉地?zé)嵯到y(tǒng)的熱源。6.2西升東降內(nèi)降-改造型斷裂帶區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,特別是螳螂川斷裂規(guī)模較大,對(duì)溝通深部熱源起到了至關(guān)重要的作用。螳螂川斷裂走向近南北,延伸約7.0km。據(jù)已有的物探電測(cè)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2450m,并有3~5m寬的斷層角礫巖帶。該斷裂切斷了區(qū)內(nèi)的筆架山斷裂和石甸口斷裂,控制了斷裂東西兩側(cè)的地層和較低序次的斷裂。由于受后期多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,反復(fù)繼承和復(fù)活,具有多期活動(dòng)及先壓后張的特征,而且深切基底,是一條具繼承性活動(dòng)的導(dǎo)熱斷裂。新生代挽近期該斷裂活動(dòng)更加強(qiáng)烈,形成斷裂兩盤上升的不對(duì)稱性,造成斷裂帶兩側(cè)巖石破碎、裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育,為地下水富集和熱水對(duì)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(huán)并在沿途吸收深部傳導(dǎo)上來的熱量,然后在水壓差、密度差作用下向上運(yùn)移提供了必要的通道,起到了導(dǎo)熱導(dǎo)水的作用。6.3深部巖溶地層根據(jù)水文地質(zhì)條件分析,出露震旦系燈影組的溫泉地區(qū)北西部龍山及北部羊角山一帶是溫泉接受大氣降水補(bǔ)給的水源地。震旦系燈影組是元古界變質(zhì)巖系上的第一個(gè)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(zhì)白云巖、硅質(zhì)白云巖,經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用,除節(jié)理裂隙十分發(fā)育外,其深部巖溶也十分發(fā)育,以溶隙為主,是富水性中等而均一的巖溶化構(gòu)造裂隙型巖溶水含水層組。該區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給后,沿溶隙及構(gòu)造裂隙向深部徑流,成為深循環(huán)的地下水,因埋藏深,徑流距離長(zhǎng),運(yùn)移速度緩慢,沿途逐步從有著正?；蚵愿叩牡販靥荻鹊膸r石中吸熱;當(dāng)運(yùn)移到螳螂川斷裂帶附近時(shí),由于斷裂溝通產(chǎn)生深循環(huán)水的對(duì)流,受到深部熱源的高熱流加熱,水溫得到大幅度升高,并進(jìn)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(chǔ);在含水層高水頭壓力作用下,深部熱水沿螳螂川斷裂導(dǎo)水帶向上運(yùn)移并與D3zg巖溶水混合,形成了中部熱儲(chǔ)層;接著上升至地表淺部,與P1q+m中常溫地下水混合,形成淺部熱儲(chǔ)層,且在有利部位出露地表形成溫泉群(圖4)。6.4熱儲(chǔ)的形成熱儲(chǔ)綜上所述,安寧溫泉地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式可概括為:在高熱流區(qū)域熱背景下,大氣降水主要由龍山一帶補(bǔ)給區(qū)向下入滲,沿震旦系燈影組溶隙及構(gòu)造裂隙向深部徑流,在向螳螂川排泄區(qū)運(yùn)移過程中,隨循環(huán)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(shí),由于斷裂溝通深部熱源產(chǎn)生對(duì)流深循環(huán),水溫增至65℃左右,形成深部熱儲(chǔ)。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(chǔ)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?zé)豳Y源。7地?zé)崴难a(bǔ)給問題從成因模式可知,安寧溫泉屬開放式補(bǔ)給的斷裂深循環(huán)型地?zé)嵯到y(tǒng),熱水量可以持