云南石林盆地地热地质特征及成因分析

刘红战， 张小凌， 姚明波

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093;2.云南岩土工程勘察设计研究院，云南昆明 650051)

地热资源在国际公认的21世纪的绿色能源，在当今全球气候变化和各种环境污染影响的形式下，地热资源已广泛用于采暖、热供水、医疗、旅游、娱乐、养殖等。我国是以中低温为主的地热资源，高温地热资源主要分布在藏南、川西、滇西和台湾(Wang，2002;刘时彬，2005)，中低温资源全国均有分布。20世纪90年代后我国地热的直接利用向规模化、产业化方向发展，对地热资源的需求及勘查也有了很大的发展。

云南省是我国地热资源丰富的省份之一，大地热流值总趋势是西部比东部高，滇西地区地热温度较滇东高，多形成高温地热田，其中著名的有腾冲火山地热。云南地壳结构复杂，地热成因类型较多，有岩浆型，断裂型，断陷、断凹盆地型(朱培秋等，2001;朱家玲，2006)。对地热研究除岩浆、断裂型外，主要集中在断陷盆地中(徐世光等，2000;杨艳华等，2004)，如昆明盆地的地热研究，昆明地热田的分布、模拟地热田岩溶水越流、溶质运移等(薛传东等，2003a，2003b)，对断陷盆地内层状地热的成因、特征有较好的研究，为昆明地热的开发和利用提供了地质依据。石林盆地位于滇东断陷盆地，与昆明盆地同属一构造单元，是国家地质公园，也是云南省的主要旅游地，石林地热的研究和开发将会对石林旅游经济发展有推动作用，同时也是云南断陷盆地地热研究的理论补充及论证。

1 石林盆地地质背景

石林盆地为断拗向斜盆地，盆地呈南北向展布，长约22 km，宽5 ～8 km，标高1 694.0 ～1 820.0 m。四周山麓呈岩溶山地地形。总体地势为北高南低，标高1 694～2 015 m，最高为北西部打野山，高程2 015 m;最低点为盆地打石堂，高程1 694.0 m。

从区域上看，本区出露地层齐全，从前震旦系至第四系均有出露，海相、陆相碳酸盐岩碎屑岩沉积，岩石类型、厚度及其交互组合形式，在时间和空间上有明显的差异和变化。石林区地层与区域上相比，主要地层为古生界地层，特别是大面积出露二叠系茅口组(P1m)、栖霞组(P1q)和石炭系威宁组(C2w)、马平组(C2m)地层，其下伏为古生界震旦系昆阳群地层，缺失了整个中生界地层，盆地内沉积新生界下第三系路南群(E2－3l)地层。

石林地区所属区域位于纬向构造体系、经向构造体系交汇部位，受纬向构造体系影响明显，主要构造形迹为北东向断裂，次为北东、北西向断裂，是小江大断裂的分支派生构造。入字型构造的九乡-石垭口断裂是石林盆地西部的控制断裂(图1)，断裂西盘出露志留系地层，东盘出露第三系和二叠系地层，断裂带中断层泥、糜棱岩、碎裂岩明显，碎裂岩带宽50～70 m，是地下水运移的有利地带。

牛头山古陆为轴部走向北东40°～50°复背斜，古陆西侧震旦系、寒武系地层与元古界牛头山组成不整合接触;古陆地带泥盆系、二叠系地层直接不整合于牛头山组上。

图1 石林盆地地热地质图Fig.1 Geothermal geological of Shilin basin

2 地热与水化学特征

温泉反映的异常与本区气温对比，石林盆地常温层温度为18.3℃，区内显示的自然热异常点有10个，均出露于路南群(E2－3l)砂岩地层中，沿牛头山古陆边缘及隐伏断裂带发育，水温20～23℃，流量0.28 ～3.98 L/s，均为上升泉。。

除温泉外，石林盆地地热系统还有钻孔揭露，1988—2003年，石林盆地共有三个施工地热探孔RK1，RK2，RK3，2010 年施工地热井 CK2，位于石林岔路口和石林县城，深度分别为 818.99 m，1 000 m，1 250 m，1 350 m，孔底温度各为30.2 ℃，45℃，51℃和44℃，由于历史原因，仅RK3，CK2正常使用。

地下热水水化学特征反映了地下热水同周围围岩及径流过程中围岩间的溶解与溶滤作用，地热田地下热水，PH值7.47，主要离子含量:Ca2+58.25 mg/L，HCO3289.24 mg/L，总硬度 219.09 mg/L，HSiO332.67 mg/L，地热水水化学成分较为复杂(表1)，总体水平方向上水化学组分变化小。根据库尔洛夫式计算属HCO3-Ca型水，具中性，硬度偏高等特征;偏硅酸含量较高，超过国家矿泉水限量标准(25 mg/L)，属偏硅酸矿泉水。对比上部二叠系碳酸盐岩岩溶水，地热水与上部冷水基本一致，水化学成分无明显变化。

对比宜良汤池的温泉水化学成分:阴离子以SO42－(493.1 mg/L)、HCO3－(526.3 mg/L)为主，阳离子以 Na+(299.12 mg/L)、Ca2+(147.21 mg/L)、Mg2+(42.66 mg/L)为主，矿化度 1.425 g/L，属硫酸盐—重碳酸盐—钠、钙水。相比之下石林盆地地热水同样以Ca2+，HCO3－为主，同属于同一热储层(Zbdn白云岩)水;二者差异在于宜良汤池地热水构造通道破碎，断层两侧的岩溶水越流补给量大，同时多条断裂为下部深层热流的上升提供良好的热源，热水温度高，水流动过程中溶解的溶质较多。

表1 石林盆地地下热水水化学特征表Table 1 Chemical characteristics of groundwater in Shilin basin

3 地温场特征

3.1 平面分布特征

石林盆地受地层岩性、断裂及古陆的控制，呈南北延伸长、东西窄的近长方形。从三个钻孔资料看，地热增温级的特点是，位于储热层以上的覆盖层，温度随深度而递增，揭露热水层后，随深度加深温度增加量很少。石林盆地热储层埋深变化较大，顶板埋深700～1 200 m，由北向南埋藏加大，平均层厚386 m。水温由北向南有增大趋势，增大程度小;石林盆地东为牛头山古陆，西为九乡-石垭口断裂，九乡-石垭口断裂活动性大于古陆，故地热水温度由东向西增大，45℃ ～51℃。总体看等温线在水平上呈向西南下凹形态，稀疏宽缓，地温变化相对较稳定，在3 km的范围内稳定仅变化6℃。

3.2 垂向变化特征

从4个地热钻孔测温结果(表2)看，石林盆地水温垂向测温曲线总体为增温型，地下热水的温度随深度的增大而增大。但是在九乡-石垭口断裂西侧下盘地带，冷热流体相互交接、混合，水温变化小，基本以恒温为主;但在东侧上盘，水温变化不定，说明井温明显受两侧冷水补给量的多少和强弱影响。

从地温场的平面分布和垂向变化特征看，说明石林盆地深部热水是通过九乡-石垭口断裂侧向补给，在水头差作用下，通过牛头山古陆隐伏断裂向上运移，至地表与中生界冷水混合后排泄。

表2 钻孔水文试验数据统计表Table 2 Statistics of drilling hydrologic data

4 热储结构特征

石林地热田地表及浅层分布新生界松散层，其下为古生界碳酸盐岩冷水含水层，再下以寒武系泥岩、砂岩为隔热隔水盖层，Z2dn白云岩为热储层，组成一个完成热储结构。热田垂向结构层可分为4层(图2)。

4.1 新生界松散堆积构造层

该层为下第三系路南组(E2－3l)砂质页岩、泥质粉砂岩、砾岩，电测深资料显示，该层由盆地四周向中心厚度逐渐增厚，最大厚度大于600 m。含层状风化裂隙水，中等富水性，出露9个泉水;该层热扩散率低，地温梯度较高，平均3.33℃/100 m，能有效阻隔下部热量扩散，是良好的隔热保温层。

4.2 古生界碳酸盐岩冷水强循环构造层

该层主要为古生界二叠系、石炭系碳酸盐岩，分布广泛，出露面积大，钻孔揭露厚度484.66 m和494.0 m，岩溶发育强烈，形成石林原野，与地表水联系较直接，地下水循环交替强烈，水温小于20℃，有随深度加大温度增高之势，碳酸盐岩平均热导率3.925 W/(m·k)。该层为对流循环系统，热扩散率较高，地热梯度仅为1.5℃/100 m，属富水性强的冷水含水层。

4.3 寒武系泥岩、砂岩相对隔水构造层

该层主要为下古生界地层∈1q、∈1y泥岩、砂岩组成，含层状裂隙水，富水性弱，钻孔揭露厚度196.8 ～23.3 m，埋藏深，热导率平均 3.023 W/(m·k)，地温梯度4.8℃/100 m，在断陷盆地中，形成热储层的直接隔热、隔水盖层。

4.4 碳酸盐岩热水弱循环构造层

该层由灯影组(Z2dn)灰岩、硅质白云岩岩溶含水层，电测深厚度约376～396 m，顶板埋深919～1 025 m。构造裂隙发育构成储水空间，富水性强，热导率4.462 W/(m·k)，地温梯度2.74 ℃/100 m，是热田主要热储层。

从热储结构看，石林盆地地热田的热储层与昆明盆地地热田基本相同。

图2 石林盆地地热模型图Fig.2 Geothermal geological structure model of Shilin bain

5 石林盆地地热成因分析

5.1 热源

从大地构造的角度看，石林盆地与昆明盆地、安宁盆地相同，同处于康滇地轴隆起区，具典型现代构造活动区地热特征(程先锋等，2008;杨金和等，2008)。地热水通常可分为有附加热源和无附加热源，钻孔和测井资料显示，盆地内地层主要为碎屑岩和碳酸盐岩，不存在年轻岩浆岩侵入等附加热源。

根据钻孔RK1，RK2，RK3钻孔资料，地温梯度为(1.5～4.8)℃/100 m，其中碎屑岩地温梯度(3.33～4.8)℃ /100 m;碳酸盐岩地温梯度 1.5 ～2.89 ℃ /100 m，小于自然增温率3.0 ℃ /100 m，不同岩性段地温梯度及物理测试结果见表3，碳酸盐岩热扩散率较高，地温梯度较低;碎屑岩热扩散率较低，地温梯度较高，同时地温梯度还随地层的埋深增大而增大，随含水层富水性的增强而减小，地热梯度还与地热水文地质条件的变化而产生变化。

表3 岩石热物理参数表Table 3 Thermo physical parameters of rocks

地温高低多与区域地质构造一致，基底的起伏与地温的高低呈正相关。深部热流由热导率高的地层向热导率低的岩层传导的过程中，热流进行了再分配，在隆起区的基底岩层顶部积聚，使地温高于凹陷区(陈墨香，1988;陈墨香等，1990;赵璐等，2011)。石林盆地处于牛头山古陆的边缘带，不利于热量的积聚。

因此热水的形成主要是依靠深部软流圈在地壳纵向上产生的正常地热增温，属于深循环成因。岩溶水在接受补给后，在缓慢的流动过程中，不断吸收周围岩体的热量，依靠正常的地热增温对岩溶水进行加热，上部巨厚的盖层起到了重要的保温隔热作用。

5.2 构造通道

从区域地质资料看，石林盆地地质构造属“入”字型构造组成，区域性断裂构造不甚发育，北部分布数条北西向小型断裂，东部牛头山古陆存在隐伏断裂，最大的断裂为西部九乡-石垭口断裂，切穿了北部的断裂。总体看，北、东、西断裂将石林地热田的热储层震旦系灯影组碳酸盐岩夹持为较封闭的环境中，深部产生的地热增温不易向外部逸散。

九乡-石垭口断裂对石林盆地的地热田有重要的作用，断裂走向近南北，贯穿整个盆地边缘。据已有的资料显示，断裂倾角较陡，总体倾向西，为西升东降的逆断层。该断层深达基底，断层两盘上升的不对称性，使断层带上岩石破碎，岩石裂隙发育，为上部中生界岩溶水的越流补给和热水的对流提供了空间。该断裂既沟通了深部的热源，同时为地下水的运移提供了通道，这也是石林盆地地热田温度西部高于东部、温度最大值聚集在断裂带上的原因。

5.3 热田水文地质条件

根据水文地质条件分析，地热田储热层Z2dn地层在石林盆地周围没有广泛出露，仅北部小面积露头，且被断裂阻隔，地热田热储层为一较完整的地下水深循环地质单元。地热田的水源补给主要是上覆中生界岩溶含水层通过断裂破碎带、古陆接触带越流补给，北、西侧侧向迳流补给，其补给范围有限，补给量小。

热储层震旦系灯影组灰岩、硅质白云岩经历多次构造运动作用，节理裂隙十分发育，深部岩溶强发育，多以溶隙为主，是富水性强而均一的岩溶化构造裂隙型岩溶水含水层。该区在接受大气降水补给后，沿溶隙、构造裂隙向深部径流，形成深循环的地下水。地下水总体流向由北向南，在九乡-石垭口断裂附近，得到深部热源的加热，水温增高，在含水层水头压力作用下，沿九乡-石垭口断裂导水带产生对流，局部出露至地面形成温泉，以上升泉形式向地表排泄。

5.4 成因模式

根据上述特征提出石林盆地地热系统成因模式为:

大气降水在周边入渗，进入中生界碳酸盐岩岩溶含水层中，流至九乡-石垭口断裂及北西向断裂时，由于断裂的导水性，地下水沿断裂下渗越流进入热田(图2)，在地温梯度以及九乡-石垭口断裂破碎带深部热源作用，地下水被逐步加热，形成低温热水。低温热水在封闭的震旦系灯影组含水层裂隙、溶隙中进行水平、垂向运动，为单层热储层。地下热水总体上由北向南流，在断裂带少量热水上升与冷水混合，出露地表形成低温热泉、甚至冷泉，温度多在20℃左右。大量热水隐伏在含水层中，形成低温地热田。

6 结论

石林地热田属小型低温隐伏地热田，热储层为震旦系灯影组白云岩地层，新生界第三系路南组、古生界二叠系、寒武系为盖层，起保温隔热作用。九乡-石垭口断裂和牛头山古陆对地热田起导热和封闭作用，为断块层状热储结构。地热田为完整的深循环水文地质单元，补给水源仅有越流和侧向径流，深部地温加热，地热流体温度大于40℃，具有开采价值。

石林地热田地下水补给途径少，地热田资源虽属可再生资源，过量开采势必导致地热田区域地下水位下降，加速整个水文地质单元内水循环，造成地热田水温降低，应适度开采，科学规划。

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