康定小热水地区山区断裂破碎带地热资源勘查与评价

张志刚 李郡 田自浩

摘要 以康定市小热水地区为例， 基于区域地层和地质构造形态，采用温泉点调查、大地电磁测深、钻探以及水文地质测试、放喷实验等技术手段，初步查明了研究区的温泉赋存规律、断裂构造延展形态，分析了热源特征、地热水含水层结构及补径排特征，最后评价区内地热资源开采潜力和允许开采量，可以为类似山区地热资源勘查与开发工作提供有益的参考。

关 键 词 小热水地区;断裂破碎带;热源特征;允许开采量

中图分类号 TU83     文献标志码 A

Abstract Taking the mountainous areas of Xiaoreshui， Kangding as an example ， based on regional stratigraphy and geological structures， a series of technical investigations including hot spring spot investigation， magnetotelluric sounding test， drilling test， hydrogeological test and discharge experiments were performed to ascertain the occurrence regularity of hot springs and extension forms of shattered fracture structures， to analyze the characteristics of heat sources and structures and distributions of geothermal water aquifers， and to evaluate the exploration potential of the allowable production amount of geothermal resources. The present work can provide useful references for exploration and application of geothermal resources in similar mountainous areas.

Key words Xiaoreshui region; shattered fractures zone; heat source characteristics; allowable production amount

0 前言

地熱是蕴藏于地下的重要地质资源，它通过水热活动以热水或水汽形式埋藏于地下或出露地表。地热作为绿色能源，日渐得到广泛应用，特别是在旅游、理疗和采暖供热等方面得到较广泛利用。是继煤、石油之后又一发展前景极为广阔的能源，与传统能源相比，地热能储存于地下，不受气候条件影响，是一种洁净的能源。在世界日益重视环保发展的今天，地热能相对于其他可再生能源具有更大的发展潜力和空间[1]。

山区地热资源的赋存与构造有着紧密的联系，研究山区地热水的成因机理，补径排条件，对于地热资源的开发利用具有重要意义。本文以四川省康定市小热水地区为例，通过技术勘查手段，研究山区地热成因机理与热源特征，旨在为山区地热资源勘查与开发工作提供一定的参考依据。

1 研究区概况

位于四川省甘孜州康定市炉城镇小热水地热区，县城以南188°方位，沿新兴公路由北至南约5 km，面积约1.3 km2。

1.1 地形地貌

地处川西横断山脉的大雪山中段，地貌上属于贡嘎山构造强烈侵蚀极高山区。坡陡、谷深是主要地貌特征。该工作区一带处于峡谷区与西部高原的过渡带，位于大渡河上游支流榆林河河谷地带，一般海拔约2 800～3 400 m，地势总体南高北低，海拔最高处位于测区东面，高程4 290 m。

1.2 气象水文

地处青藏高原东部，属半湿润季风高原型气候，其特点是冬季干冷晴天多，夏季温凉雨水集中，四季不甚分明，干湿较为明显。冬半年（11—4月）受西风带青藏高原干冷气流控制，降水稀少，干燥度大，昼夜温差大，日照强，多晴天和大风，大陆性气候显著;下半年（5—10月）受印度洋西南季风和太平洋东南季风制约，温凉多雨，降水集中，湿润多雨无酷暑，以温湿气候为主要特点。在3—4月与10月前后的季节转换期，高山区常出现大雪天气过程。据康定气象站资料，城区年平均温度7.1 ℃，极端高温28.9 ℃，极端低温-14.7 ℃。年均降雨量795.0 mm，年均日照1 735 h。年均无霜期181 d，年均雾日14 d，年均雨日50 d，年均降雪40 d。

1.3 区域地质概况

处于青藏缅印尼“歹字型”构造体系的头部与中部过地段东缘、鲜水河断裂带东段—北西向构造中，主要表现为断裂构造。主要断裂有康定—磨西断裂（F1）、榆林河断裂（F2）、白杨湾断裂（F3）和转经轮沟断裂（F5）。区域上位于松潘—甘孜褶皱系与扬子准台地的龙门山断裂结合部位，构造发育，岩浆活动频繁，地热显示较好。工作区内分布的地层主要为二叠系变质岩和第四系地层。二叠系变质岩主要岩性为板岩、灰岩、白云质灰岩、白云岩、片岩、结晶大理岩夹变质砾岩。第四系松散堆积层主要为砂、砾石与卵石。

2 勘查工作方法

本次勘查采用的工作方法主要包括：温泉点调查（4处）、大地电磁测深（4条）、钻探孔（5眼）、放喷试验（5组）、地热流体测试及温度监测等。图1给出了勘查工作图，其中工作方法原理及描述参见文献[1]，此处不再赘述。

3 结果与讨论

3.1 温泉点调查结果

区域上分布于老榆林附近的温泉群主要位于榆林河的谷底，出露有4处泉与泉群，均为多泉组成的泉群。6号位于河漫滩，5号、9号、10号泉，位于I级阶地前缘与河漫滩的接合部。5号泉是泉眼最多的群泉，包括水温最高的泉在内的26个泉眼，沿河岸的88 m × 35 m的范围内，2个泉从石英片岩裂隙中溢出，14个泉从Ⅰ级阶地前缘冲洪积层溢出，10个泉位于河漫滩中。虽呈散漫泉群产状，在空间分布仍然具备一定的规律性，在该区的二叠系下段和上段为热含水层，二叠系下段分布区内组成拔河15 m以下的下泉水带和拔河100 m左右的上泉水带，以及沿榆林河断裂的谷地泉水带。泉域内温泉产出的详细情况见表1。

3.2 大地电磁测深

图2和图3分别给出了纵测线和横测线的ρs剖面图。可以看出，在测区范围内存在与底部贯通的断裂破碎带F1、F2、F3，局部小构造较多[2]。总体来看，测区范围内岩体在浅部700 m深度内裂隙比较发育、破碎、软弱，各剖面均存在向深部延伸的断裂破碎带[3]。

3.3 钻探

根据钻孔岩芯编录揭露地层情况（表2）及测温实验（图4），揭露的地层岩性及热储层埋藏条件情况分述如下：

ZK1井井深248.3 m，0～38.4 m为第四系亚砂土及亚粘土夹基岩角砾，38.4～43.5 m为变质砂岩，43.5～170.6 m为蚀变花岗岩，中部夹石英花岗岩，170.6～200.3 m为花岗岩，200.3～248.3 m为斜长花岗岩。其中0～160 m为热储盖层，160～230 m为富水性较好的热储层。

ZK2井井深221.4 m，0～38.5 m为第四系坡积物，38.5～41.8 m为花岗闪长岩，41.8～48.2 m为蚀变混合岩，48.2～221.4 m为硅化花岗岩，富水性良好，其中0～68 m为浅层热储盖层，68～170 m为中温热储层，170 m以下为高温热储层。

ZK3井井深220 m，0～5.8 m为第四系粘性土夹块碎卵石，5.8～220 m，由上至下分别为花岗岩、混合岩、石英岩、片岩、板岩、变质石英砂岩，其中变质石英砂岩地层为热储层。

ZK4井井深305.35 m，0～12 m为第四系粘性土夹块碎卵石，12～305.35 m，由上至下分别为花岗岩、混合岩、石英岩、片岩、板岩、变质石英砂岩，其中变质石英砂岩地层为热储层。

ZK5井井深109.15 m，0～8 m为第四系粘性土夹块碎卵石， 8～109.15 m，由上至下分别为花岗岩、混合岩、石英岩、片岩、板岩、变质石英砂岩，其中变质石英砂岩地层为热储层。

3.4 放喷试验

对施工的5眼钻井分别进行了单井放喷试验（表3），井口压力为1.7 kg/cm2、1.0 kg/cm2、0.5 kg/cm2，除ZK1井是间歇喷发外，均为直接持续喷发，试验所得的涌水量为汽水混合量。据试验资料ZK1井平均20 min左右喷1次，持续约20 min，涌水量达36 m3，水头降深最大达到18.6 m，平均涌水量约为50 m3/h。其它各井直喷，涌水量较大，温度较高，最高井口温度达到124 ℃。通过试验表明了热矿水含水层的压力传递快、水动力场稳定、补给条件较好、水量丰富，是具可开发利用的热矿水资源。

3.5 热源特征

研究区位于断裂破碎带上，勘查区地热水水温高且动态稳定（多数泉年变化仅1～5 ℃，平均年变率亦仅8%），流量变化很小（平均年变率19%）且与降水不同步，说明源于深循环热水。且工作区地热水水化学类型为HCO3·Cl—Na型水，其中Cl的含量较高，平均值亦达249 mg/L。榆林宫及其附近地区不存在含盐地层，应是地下水深循环交互作用所致。根据地质条件与水文地球化学特征，地热水的形成断裂起决定性作用，渗入地下含水层的常温水在补给区向下经过深循环，与火成岩交替作用强烈，从热源获取热能增温并集聚于热储，致使地下水在经过深部热循环后变成温度较高的地热水。由于断裂的阻水作用，地热水沿断裂上涌，在破碎带处以泉（泉群）的形式出露地表[4]。

3.6 地热水含水层结构

3.6.1 从泉（泉群）分布分析

区内的热泉虽然呈散漫状泉群产状，但它们的空间分布有着明显的规律性：在榆林河右岸的二叠系Ⅰ段分布区内组成拔河15 m以下的下泉水带和拔河100 m左右的上泉水带，以及沿榆林河断裂的谷地泉水带。显示主含热水层的存在。

处在P11-2石英片岩与变质石英砂岩层出露区间内的5号、6号、9号、10号泉群。其中5号泉群的2个泉（水温54 ℃、58 ℃）直接从石英片岩中以裂隙孔隙水涌出，在片理（产状91∠87—281∠78）与一組十分发育的节理（产状139∠49）的交叉点有自然硫（1～3 cm的集合体）析出，显示P11-2层为含热水层位。下泉水带的各泉系该含热水层透过上覆全新统砾石层而形成;在弱透水的下全新统冲洪积层溢出的水温较高，如5～1号、9～l号泉，在含冷水的中上全新统冲积层溢出的水温较低而流量较大，如5～2号、5～3号、5～4号、6号、9～2号、9～3号泉。此含热水层的厚度约30～50 m，以P11-1板岩、千枚岩为下热隔水层，P11-3板岩、千枚岩为上隔热水层。

3.6.2 从钻井揭露地层分析

根据区域水文地质资料和炉城镇小热水地热钻井地质编录、钻井水文地质检测资料可以看出，炉城镇小热水地热主要赋存于蚀变花岗岩、硅化花岗岩、花岗岩及变质石英砂岩岩层中的裂隙中，热储层厚度约70～153 m，热储层岩性致密，但比较破碎，强度较低，线性裂隙率在10条/m以上。热储顶部盖层岩性为第四系地层、蚀变混合岩、花岗闪长岩、蚀变花岗岩，厚度约68～160 m，

3.7 地热水补径排系统

该区地热水的补给受断裂破碎带的影响较大，由于断裂带的阻水作用，只在断裂带的右岸形成地下水的补给场所。据区域地形、水系与水文地质条件分析，主要补给区处在跑马山西坡，以大小黑海子南分水岭为北界，蛇海子山一白海子山为东界，雪门坎分水岭为南界（含小沟流域），榆林河为西界，面积105 km2。补给来源主要是来自大气降水入渗与包括冰川融水的地表水的渗漏，降水是含水层补给的基本来源。康定—磨西断裂自北而南横切跑马山西坡所形成的断陷洼地与槽地，拦截了相当部分的地面径流，通过一系列的积水洼地（断陷湖）沿断裂带渗漏，转经轮沟、黑海子沟、连山海子沟等常年性流量的大部都直接以断裂渗漏的方式补给地下含水层。这也表明，康定一磨西断裂是深循环水的主要导水通道。除区内的垂直浅层补给外，还可能存在着沿控制性断裂带的更大区域深部水平循环水的补给作用[4]。还要指出，地热水区周边高海拔区发育的约1 km2体积的现代冰川，以源于冰川区的水系通过热储岩体断裂系统补给地下含水层，在稳定深循环水的补给量上有着至关重要的作用。

本区含水层从补给区与得到降水与地表水的渗入补给，通过岩层裂隙及断裂，与深部热流体发生交换对流，而当封存储热体的盖层，二叠系岩层与弱透水的第四系，受到榆林河谷切割与龙头沟断裂、转经轮沟断裂、白杨湾断裂的破坏，致使地下热矿水外泄形成带状地热泉群。康定—磨西断裂与榆林河断裂的南北端，也是地表水下行补给的通道，对地热水的深循环也有一定的补给。同时，榆林河断裂的中段还是热矿水的排泄通道。

3.8 地热水水文地球化学特征

物理特征：根据钻井与泉水的水质分析结果工作区的地热水泉水属于以高热泉为主的混合型泉群。绝大多数平均水温在22～85 ℃之间，属高热水。酸碱度类型：属于中性与弱碱性为主，包括弱酸性的多类型泉群。硬度类型：属于微硬、软为主和极硬、极软多类型泉群。色与浑浊度：地热水均无色透明。色度为0，混浊度小于5。臭：多且有硫化氢臭。味：多有微咸与微酸甜味。

化学特征：经过对研究区各井地热水水质分析报告分析比较，工作区水化学类型为HCO3·Cl—Na型水，其中Na+离子毫克当量百分比最大达93.6%，HCO3-离子毫克当量百分比达55.7%，Cl -离子毫克当量百分比达44.2%，溶解性总固体2 263.6～2 482.5 mg/L，pH值6.8～8.0，属中性-弱碱性水，总硬度185.2 mg/L（以CaCO3计）。根据测试结果显示，地热水属于以重碳酸钠为主的重碳酸盐型水。地热水温度较高，含有多种腐蚀性化学组分，对地热利用的设备和管材产生不同程度的腐蚀破坏作用，本区地热水腐蚀性评价结果为非腐蚀性水，结垢性评价结果为锅垢多的水[5]。

4 地热资源潜力评价

4.1 开采水量

根据群孔同时放喷试验测试的数据及Q/t曲线，各个钻井的稳定最大涌水量即开采水量如下： ZK1井每日排放量为1 080 m3/d，ZK2井每日排放量为4 512 m3/d，ZK3井每日排放量为1 152 m3/d，ZK4井每日排放量为1 680 m3/d，ZK5井每日排放量为5 760 m3/d。则勘查区每日的允许开采量为13 524 m3。

4.2 开采热能估算

井孔开采热水每日所排放的热量，计算公式为

式中：[Qw]为热水井开采期间所排放的热量（kJ/d）;Q为热水井开采量（m3/d），按允许开采量;[Cw]为热水平均热容量（J/（kg·℃）），水的比热C = 4.186 8 kJ/（kg·℃），密度ρ = 1×103 kg/m3;则[Cw]= C × ρ = 4 186.8 kJ/ （m3·℃）;[tw]为热矿水井口温度（℃）;[t0]取值25 ℃[6]。

由上式算得勘查区各井每日排放的热量为：

ZK1井：[Qw]= 1 080 × 4 186.8 × （70 - 7.1） = 2.84 × 108 kJ/d，相当于9.70 t标准煤的发热量，折合成79 005 kWh的电能，折合成热能为3 291.87 kW。

ZK2井：[Qw]= 3 552 × 4 186.8×（124 - 7.1）= 17.38 × 108 kJ/d，相当于59.32 t标准煤的发热量，折合成482 911 kWh的电能，折合成热能为20 121.30 kW。

ZK3井：[Qw]= 1 152 × 4 186.8×（118 - 7.1）= 5.35 × 108 kJ/d，相当于18.25 t标准煤的发热量，折合成148 581 kWh的电能，折合成热能为6 190.88 kW。

ZK4井：[Qw]= 1 680 × 4 186.8 × （124 - 7.1） = 8.22 × 108 kJ/d，相当于28.06 t标准煤的发热量，折合成228 403 kWh的电能，折合成热能为9 516.83 kW。

ZK5井：[Qw]= 5 760 × 4 186.8 × （118-7.1） = 26.74 × 108 kJ/d，相当于91.25 t标准煤的发热量，折合成742 905 kWh的电能，折合成热能为30 954.41 kW。

则研究区内每日开采的热资源量为[Qw总]=60.55×108 kJ/d，相当于206.58 t标准煤的发热量，折合成1.68×106 kWh的电能，折合成热能为70.08 MW[7]。

5 结论

1）本研究区域位于构造破碎带，地貌上属于构造强烈侵蚀高山区，地层分布主要为二叠系变质岩和第四系地层。区内构造特征主要表现为断裂构造，主要断裂有康定—磨西断裂、榆林河断裂、白杨湾断裂、龙头沟断裂和转经轮沟断裂。断裂构造发育为地热水的形成提供了有力的条件，也是地热水补径排的通道和主要場所。

2）探采井均为间喷或直喷，井口工作压力1.4～1.7 kg/cm2，井口出水温度除ZK1井较低为70 ℃，其它均在118～124℃，水温较高。热储层岩性花岗岩及变质石英砂岩，热储层厚度约70～153 m，热储顶部盖层岩性为第四系地层、蚀变混合岩、花岗闪长岩、蚀变花岗岩，厚度约68～160 m。

3）根据钻井放喷试验结果计算，研究区允许开采水量为13 224 m3/d，折合成热能为70.08 MW，相当于1.68×106 kWh的电能或206.58 t标准煤发热量。地热温度较高，建充分发挥地热资源优势，进行地热发电。

参考文献：

[1]    张志刚，苏永强，田自浩. 四川省康定市炉城镇小热水、驷马桥地热勘查报告[R]. 衡水：河北省地矿局第三水文工程地质大队，2011.

[2]    康定市炉城镇小热水矿区音频大地电磁法（AMT）勘探报告[R]. 成都：四川省地矿局物探队，2010.

[3]    武斌，曹俊兴，邹俊，等. 音频大地电磁测深法在康定小热水地热勘查研究中应用[J]. 物探化探计算技术，2011，33（5）：507-510.

[4]    刘艳明. 四川省康定县驷马桥—小热水地区地热成因研究[D]. 北京：中国地质大学（北京），2011.

[5]    韦梅华，田廷山，孙燕冬，等. 四川省康定地区地热水结垢趋势分析[J]. 水文地质工程地质，2012，39（5）：132-138.

[6]    蔺文静，刘志明，王婉丽，等. 中国地热资源及其潜力评估[J]. 中国地质，2013，40（1）：312-321.

[7]    刘红战，张小凌，姚明波，等. 云南石林盆地地热地质特征及成因分析[J]. 东华理工大学学报（自然科学版），2014，37（1）：69-74.

[责任编辑 田 丰]