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(中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

地熱能是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，是一種現(xiàn)實可行且具有競爭力的清潔能源，但尋找地熱的高風險在一定程度上阻礙了地熱的發(fā)展[1]。因此研究某個地區(qū)熱泉成因、熱儲溫度、熱水循環(huán)深度、地熱水年齡等可為該地區(qū)地熱資源研究、開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料，降低該地區(qū)尋找地熱的風險，提高地熱開采的成功率。云南省元江縣某熱水塘有熱泉群一處，泉水自冒、水溫高、水量大，該熱泉群位于清水河西岸山麓地帶，泉群沿河谷與斜坡交界處自冒，地貌分區(qū)屬于中等切割中山地形，由于受到河流的切割和侵蝕作用，兩岸的斜坡較陡，河谷為“V”字型。

1 地層巖性及富水性

熱泉群出露地層為元古界哀牢山群小羊街組的下亞組(Ptxa)，該套地層呈北西～南東條帶狀展布；該套地層南部分布有中生界三迭系中統(tǒng)(T2)、中生界三迭系上統(tǒng)(T3)、古界志留系下中統(tǒng)？(S1-2)及零星的燕山期(∑52(1))超基性巖，也呈北西～南東條帶狀展布；該套地層北部為元古界哀牢山群小羊街組的上亞組(Ptxb)、元古界阿龍組上、下亞組(Ptab、Ptaa)，也呈北西～南東條帶狀展布；熱泉群所在清水河內(nèi)分布有新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4)卵礫石層及粘性土，各地層巖性及富水性簡述如下：

(1)元古界小羊街組(Ptxb、Ptxa)：呈北西～南東條帶狀展布。巖性為各種片巖、片麻巖、變粒巖、糜棱巖等，層段厚337～1 139 m以上，裂隙率2%～15%。地下徑流模數(shù)1～8 L/s·km2，常見泉水流量0.2～0.5 L/s，地下水化學類型為HCO3-Na·Ca型、HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Na型，礦化度0.05～0.2 g/L。

(2)元古界阿龍組上亞組(Ptab)：巖性為石榴黑云斜長片麻巖、大理巖夾斜長角閃巖、混合巖等，厚1 429 m，裂隙率15%以上，地下徑流模數(shù)大于5 L/s·km2，泉水流量1～3 L/s，斷裂帶附近達16.92 L/s，地下水化學類型為HCO3-Ca型，礦化度0.2～0.3 g/L。

(3)元古界阿龍組下亞組(Ptaa)：呈北西～南東條帶 狀展布。巖性為混合巖、片麻巖、變粒巖夾角閃巖、大理巖透鏡體，厚2 390 m。裂隙率10%～15%。地下徑流模數(shù)2～4 L/s·km2，常見泉水流量0.2～0.5 L/s，地下水化學類型為HCO3-Ca·Na型，礦化度0.05～0.22 g/L。

(4)中生界三迭系中統(tǒng)(T2)：巖性為灰黑色鈣質(zhì)板巖夾泥巖、變質(zhì)砂巖和千枚巖等，厚度大于2 000 m。面裂隙率2%～3%，富水性中等。地下徑流模數(shù)1 L/s·km2，常見泉水流量1～3 L/s，地下水化學類型HCO3·SO4-Na、HCO3-(K+Na)·Ca型，礦化度0.04～0.11 g/L。

(5)中生界三迭系上統(tǒng)(T3)：巖性為灰黑色板巖、片巖、千枚巖、扭碎砂巖等，厚度大于997 m。裂隙發(fā)育，富水性強?？菁緶纤腿叵聫搅髂?shù)8～11 L/s·km2，枯季泉點流量大于0.5 L/s者居多，地下水化學類型HCO3-Na型，礦化度小于0.3 g/L。

(6)古生界志留系下中統(tǒng)(S1-2)：呈北西-南東向展布，巖性灰白、黑灰色石英砂巖、絹云板巖、半片巖、千枚巖等。厚度大于1 486.3 m，面裂隙率2%～13%，富含裂隙水，富水性中等?？菁緶纤腿叵聫搅髂?shù)1～5 L/s·km2，枯季泉點流量0.45～0.8 L/s，地下水化學類型HCO3-Ca、HCO3·SO4-(K+Na)·Ca型，礦化度0.04～0.16 g/L。

(7)燕山期燕山期(∑52(1))：風化裂隙發(fā)育，含風化裂隙水，風化帶厚度10～56 m，富水性較好，尤以火成巖與圍巖接觸帶富水性更佳，泉水流量0.5～2.0 L/s，最大達5～8 L/s，鉆孔簡易抽水單位涌水量0.004～0.966 L/s·m。地下水化學類型HCO3-Mg、HCO3-Mg·Na型，礦化度小于0.2 g/L。

(8)新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4)：分布于清水河河谷及兩岸，一般厚度15.66～98.20 m，上部為厚4.32～5.2 m的含礫粘質(zhì)砂土；下部為砂礫石層，厚11.34～94.75 m，礫石成分復雜，以片麻巖及紫紅色砂巖為主，磨圓度較好粒徑一般1～8 cm，其間一般被砂充填。地下水位，埋深0.21～2.13 m，變幅小于1 m，富水性中等-豐富，砂礫石層的涌水量432 m3/d，水量中等。

2 地質(zhì)構(gòu)造

熱泉群位于“歹”字型構(gòu)造體系中段，經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動，構(gòu)造行跡比較復雜，與熱泉群有關(guān)的構(gòu)造分述如下：

2.1 紅河斷裂

為“歹”字型構(gòu)造東側(cè)邊緣構(gòu)造，大致沿紅河西岸發(fā)育，作北西-南東向延伸，主要傾向北東，傾角60°～70°，沿斷裂帶有數(shù)百米至千余米的糜棱巖帶，紅河西岸山坡多見斷裂三角面，為一壓扭性的斷裂，據(jù)物探航測及地層接觸關(guān)系分析，該斷裂后期存在以張性或張扭性復活的跡象。

2.2 哀牢山斷裂帶

位于哀牢山脈分水嶺沿線，與紅河深大斷裂大致平行，斷裂線波狀彎曲，斷面主要傾向北東，傾角60°～70°，有由碎棱巖、糜棱巖組成的擠壓破碎帶，寬1～3 km不等，為一經(jīng)受了強烈擠壓的深大斷裂，據(jù)有關(guān)資料論述，該斷裂仍有后期以張性或張扭性復活的跡象。

2.3 哀牢山褶皺

介于紅河斷裂和哀牢山斷裂之間，呈北西南東向延展，寬5～10 km不等，為片麻巖、變粒巖等組成的新變質(zhì)帶，巖層大部傾向東，傾角50°～70°，局部達80°，其中多見次級背、向斜及斷裂發(fā)育。

3 熱泉群成因分析

3.1 邊界條件

該熱水塘地熱田，熱儲呈帶狀，受哀牢山斷裂構(gòu)造控制，哀牢山斷裂是形成時代最早、繼承性活動強烈的一條斷裂，結(jié)構(gòu)面性質(zhì)為早期壓性、后期張性、深度大、溝通深部熱源的斷裂，斷裂型的地熱田規(guī)模小，地面多溫熱泉出露。

按white等(1975)的計算方法，在一個地熱區(qū)僅出露一個孤泉或地熱顯示面積很小且缺乏其他證據(jù)的情況下，估算熱儲面積的方法是沿構(gòu)造線方向由泉眼向兩邊各延伸0.75 km，在垂直構(gòu)造線的方向由泉眼兩側(cè)各延展0.5 km，為熱儲面積。故該熱水塘以泉群為中心南北各延伸0.75 km，東西寬各0.5 km，熱儲面積為1.5 km2。

3.2 熱儲層和蓋層

熱泉群地處哀牢山褶皺帶，屬于帶狀熱水，熱水主要儲層在哀牢山斷裂帶和擠壓帶形成的破碎帶和裂隙之中，其地層巖性為元古界小羊街組下段(Ptxa)二云片巖、二云角閃片麻巖、糜棱巖化巖石。

熱儲層上部覆蓋的地層也為元古界小羊街組下段(Ptxa)二云片巖、二云角閃片麻巖、糜棱巖化巖石，其具有隔熱隔水作用，因此也是良好的蓋層。

綜上所述，熱儲層和蓋層都屬于元古界小羊街組下段(Ptxa)二云片巖、二云角閃片麻巖、糜棱巖化巖石。

圖1 熱儲模型圖

3.3 熱儲模型

該熱水塘處于哀牢山褶皺區(qū)，哀牢山褶皺區(qū)是一個由斷裂、擠壓帶和褶皺共同組成的構(gòu)造帶。出露的地層巖石主要為元古界哀牢山群小羊街組下亞組(Ptxa)的二云片巖、二云角閃片麻巖、糜棱巖化巖石等。其水熱活動區(qū)受哀牢山深大斷裂控制，該斷裂是長期活動性斷裂，早、中期具壓性或壓扭性，但在晚近的喜山運動末期和新構(gòu)造運動期間，卻又具有張性或張扭性的特色，這就為水熱活動提供了優(yōu)越的構(gòu)造條件，它既是熱水的水源通道又是深部熱源通道。

熱儲模型見圖1，大氣降雨及地表水體沿斷裂破碎帶滲入地下后，經(jīng)過深部復雜的循環(huán)，使地下水具有較高的溫度和壓力條件，在特殊的地質(zhì)和地球化學環(huán)境下，促進地下水對圍巖進行溶濾，不斷溶解出圍巖中可溶性組分；然后運移到深部斷裂帶附近，沿斷裂影響帶輸向地表，形成帶狀的自冒熱泉群。

4 熱儲溫度、熱水循環(huán)深度、熱水年齡計算

4.1 熱儲溫度的計算

根據(jù)水質(zhì)檢測成果，本熱水呈弱堿性，水溫高，未受冷水稀釋，石英二氧化硅溫標運用最廣，其計算得到的熱儲溫度也相對比較準確，因此本次計算選擇石英二氧化硅溫標。根據(jù)熱流運移過程中有沒有蒸汽損失，美Fournier提出了兩種表述公式，計算結(jié)果如表1：

熱流運移過程中沒有蒸汽損失的表達式為：

(1)

在某一溫度下有最大的蒸汽損失的表達公式為：

(2)

式中：t為熱儲溫度(℃)；SiO2為二氧化硅含量(88.93 mg/L)。

表1 熱儲溫度計算結(jié)果

4.2 熱水循環(huán)深度

根據(jù)水質(zhì)檢測成果，評價區(qū)地下水類型為HCO3-Na型水，說明熱水主要是由于大氣降水經(jīng)深循環(huán)而形成，依據(jù)地下水循環(huán)深度計算公式(3)對研究區(qū)的熱水循環(huán)深度加以估算：

(3)

式中：H為循環(huán)深度，m；t為熱儲溫度，℃，一般采用SiO2溫標計算值；h為恒溫帶深度，m；t0為恒溫帶溫度，℃；T為地溫梯度，℃/100m。

據(jù)《1：20萬墨江幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》[2]，該熱水塘的平均地溫梯度為4.5℃/hm；熱儲溫度采用SiO2溫標計算的129℃；元江縣平均氣溫為24℃，因此恒溫帶溫度在此基礎(chǔ)上加2℃，為26℃；恒溫帶深度取15 m，代入式(3)計算得到研究區(qū)熱水循環(huán)深度為2 348 m。

4.3 鐳氡法計算熱泉水的年齡

地熱水的年齡是指地熱水與大氣分離后，下滲經(jīng)過深循環(huán)從熱儲層中徑流后排泄至地表所經(jīng)歷的時間。通過鐳氡測年、放射性氚均可估算地下熱水年齡，本次測得了該熱水塘熱泉水中放射性元素鐳和氡的含量，因此采用鐳氡估算地下水的年齡。1969年由蘇聯(lián)化學家契爾登采夫總結(jié)鐳氡法估算地下水年齡公式：

(4)

式中：λ為226Ra的衰變系數(shù)，4.26×10-4a-1；t為地下水的年齡，a；NRa為鐳的含量，Bq/L；NRn為氡的含量，Bq/L；

水質(zhì)檢測測得該熱水塘熱泉水中鐳(Ra) 及氡(Rn) 的含量如表2，將測得的地下水中鐳(Ra) 及氡(Rn)含量代入式(4)中，計算得到地下水的年齡見表2，因此地熱水的年齡為70 a。

表2 該熱水塘熱水氡、鐳含量檢測結(jié)果及地下水年齡計算結(jié)果

5 結(jié)語

(1)該熱泉群熱儲呈帶狀，主要受哀牢山斷裂控制，熱儲層及蓋層均為元古界小羊街組下段(Ptxa)二云片巖、二云角閃片麻巖、糜棱巖化巖石，熱儲面積1.5 km2。

(2)熱儲模型：大氣降雨及地表水體沿哀牢山斷裂破碎帶滲入地下后，經(jīng)過深部復雜的循環(huán)，使地下水具有較高的溫度和壓力條件，在特殊的地質(zhì)和地球化學環(huán)境下，促進地下水對圍巖進行溶濾，不斷溶解出圍巖中可溶性組分；然后運移到深部斷裂帶附近，沿斷裂影響帶輸向地表，形成帶狀的自冒熱泉群。

(3)經(jīng)計算，熱儲溫度129℃，熱水循環(huán)深度2 348 m，地熱水年齡70 a。

(4)不同于層狀地熱，構(gòu)造型地熱的形成條件更加復雜，僅在所有條件都具備的特定地區(qū)才能形成獨具特色的地熱，從而決定了此類地熱資源的珍貴性，要做好相關(guān)保護與開發(fā)利用工作。