乐山大佛景区区域地热资源开发远景分析

地大热能：当前,峨眉山市旅游区温泉资源开发已取得了明显的社会经济效益,对照峨眉模式,乐山大佛景区对地热资源开发需求迫切。

历史上乐山大佛景区附近共有人工揭露地热井2处。一是铁10井(20世纪70年代施工),原为探盐井,位于大佛景区乌尤坝水运局院区内,岷江左岸Ⅰ级阶地阶面,坐标为东经103°46′20.35″,北纬29°32′6.14″,井口标高361.63 m,深度2 359 m;二是佛1井(21世纪10年代施工),位于乐山市市中区全福镇,距乐山大佛景区仅7.5 km,坐标为东经103°48′42.03″,北纬29°36′19.98″,井口标高378 m,深度2 7 13 m。本文通过野外实地调查以及总结分析地热相关研究成果[1-3],结合2处地热井全面分析景区附近热矿水产出与埋藏条件、热矿水形成的水文地质条件、热矿水补给径流排泄特征等,总结成因模式,预测开发前景。

1 区域地质背景

1.1 储水构造

区内地热水属“自流斜坡岩溶深循环地下水模式”,岩溶深循环地下水的分布严格受地质构造控制,储水构造为乐山自流斜坡,乐山自流斜坡为一倾向北转北北东的缓倾斜单斜构造,倾角5°左右。乐山大佛景区位于该自流斜坡储水构造的北部(深埋区),北西受新桥逆断层控制,东界外侧20 km为威西盐田,盐层保存完好,盐田内无深层地下水活动迹象,储水构造边界为岷江以东约10 km左右(图1)。区内未发现其他断裂构造,构造简单,热储层保存完整。

1.2 地层岩性

乐山大佛景区附近出露地层主要有第四系、侏罗系和白垩系红层。以佛1井为例,钻井揭露地层岩性简述如表1所列。

2 水文地质特征

依据地下水赋存条件、水动力特征,区域内地下水含水类型可划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水及基岩裂隙水等4个含水类型(图2~3)。

(1)松散岩类孔隙潜水。赋存于第四系全新统及更新统冲洪积(Q4al+pl)及冰水堆积(Q2+3fgl)砂砾卵块漂石层之中,富水性中等-丰富,单井涌水量达500~3 000 m3/d,水质类型属HCO3-Ca,HCO3-Ca·Mg型,可溶性总固体小于0.5 g/L。

(2)碎屑岩类孔隙裂隙潜水及承压水。赋存于K2g、K2j、J2s、T3xj、T1f、P2x等地层砂岩、粉砂岩孔隙裂隙之中,富水性弱-中等,泉水流量一般小于0.1~0.5 L/s,单井涌水量达5~500 m3/d,浅部属潜水类型,水质类型属HCO3-Ca,HCO3-Ca·Mg型,可溶性总固体小于0.5 g/L;深部属承压水类型,水质类型属HCO3-Ca,HCO3·SO4-Ca或Cl-Na型,可溶性总固体达0.5~10 g/L以上。

(3)碳酸盐岩类裂隙岩溶潜水及承压水。赋存于T2l、T1j、P1m、P1q、Zbd等地层石灰岩、可溶盐岩之中,富水性不均匀,与裂隙岩溶的发育程度有关。深部裂隙岩溶的发育深度可达2 500 m以下,但发育程度较弱,属承压水类型,受峨边穹断束过渡的平缓单斜深循环储水构造控制,由于地下水深循环结果,水质类型属SO4-Ca、Cl-Na型,可溶性总固体达3.3~120 g/L以上。浅部属无压潜水类型,岩溶大泉流量可达100~1 500 L/s,水质属HCO3-Ca·Mg型,可溶性总固体0.1~0.5 g/L。

(4)基岩裂隙潜水。赋存于J3p、J3sn、J2s2、J2xs、J1-2z红色地层砂岩、砂质黏土、黏土岩的风化裂隙及火山岩花岗岩r2、玄武岩P2β构造裂隙之中,一般呈无压潜水类型。泉水流量一般小于0.2 L/s,水质类型属HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型,可溶性总固体0.1~0.7 g/L。无裂隙分布的岩层,则组成隔水层。

3 热矿水形成模式分析

3.1 热源

大气降水渗入地下,并逐渐向地层深处运移,深部地下水受地热增温等因素影响,进行缓慢热交换致使地下水水温增高而形成地热水。区内地温场地热主要来自地压性地热,随深度增加,地热温度按一定梯度升高。佛1井物探测井深度2 700 m,温度87.17℃,推算出本区域的地温梯度为2.64℃/100 m。

3.2 热矿水产出条件

3.2.1 热储层

乐山大佛景区内开采深度适合的热储层为三叠系中下统的上热储层(T2l+T1j2),厚约550~700 m,埋深2 000~3 000 m,由白云岩、泥质白云岩、石灰岩、泥质灰岩及石膏岩组成。雷口坡组(T2l)由一套白云岩、泥质白云岩、石灰岩、泥质石灰岩、膏盐岩层组成,岩性稳定,变化小。该组地层地表出露在乐山大佛景区西南部沙湾以南的福录、轸溪、谭坝一带,出露标高415~750 m,向北东倾伏,深埋在乐山大佛景区区域。顶部为古侵蚀面,并发育有古岩溶,与上覆三叠系上统垮洪洞组黏土岩、泥质石灰岩接触。据佛1井揭露,全组厚度356~658 m,其中四段、三段岩溶发育,西南地表露头区多见溶蚀洼地、漏斗、落水洞、溶洞及岩溶大泉;深部岩溶发育程度减弱,深井揭露。在2 000 m深度仍可见顺层间的溶蚀现象,并赋存有热矿泉水。二段、一段地层由于含泥质及黏土岩,岩溶相对不发育。嘉陵江组二段(T1j2)由泥质石灰岩、白云岩、白云质灰岩及石膏盐岩组成,分上下两段。该组地层地表出露位置与雷口坡组地层大致相同,向北东倾伏,深埋在乐山大佛景区。上段上部为薄至中厚层状白云岩夹多层石膏,下部为夹泥质条带白云岩。下段以泥质石灰岩、生物碎屑石灰岩为主,夹白云岩及泥质白云岩,该组地层岩性较稳定。上部地层在西南部露头地表区多见溶蚀洼地、漏斗、落水洞及小型溶洞,下部岩溶洞穴及暗河发育,见岩溶大泉。深部岩溶发育程度减弱,深井揭露在2 000~2 300 m深度仍可见顺层间的溶蚀现象,并赋存有热矿泉水。铁10井揭露至三叠系下统嘉陵江组三段终井,在井深2 244.52~2 245.00 m,岩性为白云岩,经测定Cl-离子浓度由1 403 mg/L猛增至50 024 mg/L,后更增至70~90 g/L,泥浆黏度由28 s降至17.5 s,pH由13变为5。井口有水流自溢,水温由29℃升至44℃,终井后1个多月,井水仍能自流出井口。佛1井含水层总厚673 m,主要出水层位亦为三叠系中统雷口坡组(T2l)、下统嘉陵江组二段(T1j2)。

3.2.2 热储盖层

热储盖层为热储层上部隔水盖层,其作用是热储层可形成热循环,由三叠系上统垮洪洞组(T3k)、小塘子组(T3x)、须家河组(T3xj)组成,总厚度达570~630m,为一套陆相碎屑岩地层,岩性为薄煤层、黏土岩、砂质黏土、粉砂岩及砂岩,呈多旋回沉积,属相对隔水地层,为良好的热矿泉水储层的顶板盖层,有利于热储层深循环和防止地表水及浅层地下水下渗至热储层。

3.2.3 热储下部隔水层

热储下部隔水层主要是隔断嘉陵江组热储层中的地热水向下渗透。本区由三叠系下统飞仙关组(T1f)碎屑岩组成,总厚度达100~200 m,岩性为黏土岩、砂质黏土岩、粉砂岩及砂岩,隔水性良好,能有效地阻隔上覆热储层中的地热水继续向下渗透、运移和热量向下扩散的可能性,有利于地热水赋存于上覆热储层中,起到了隔水保温作用。综上所述,该区域热储构造由热储层、热储盖层和下部热储隔水层3个部分组成,热储构造完整,十分有利于地热水的产出。

3.3 热矿水赋存条件

大佛景区热储层为三叠系中统雷口坡组(T2l)及下统嘉陵江组二段(T1j2),地层在景区西南部福禄、轸溪、谭坝处一带大面积出露,并形成岩溶发育的槽谷地带。槽谷中岩溶发育,形成溶沟、溶洞等地质现象,露头区域地表同时覆盖了大量的泥土,雨量冲沛、植被茂盛,有利于地下水渗透、径流,形成深循环岩溶地下水。乐山自流斜坡热储构造简单、完整,没有大的断层和起伏,地下水的纵、横向通道良好,有利于地热水的形成、汇集、保存。

3.4 热矿水补给、径流、排泄特征

(1)补给条件。受区域地热地质、水文地质条件控制,乐山大佛景区地热水补给区主要在西南部沙湾以南的福录、轸溪、谭坝一带,热储层出露标高415~750 m,补给区地势较高,地形切割剧烈,大渡河直接切割热储层,热储层岩溶地貌形态发育,接受大气降水及地表水的补给。补给区内降水丰沛,年均降水量达1 384.8 mm,再加上沟谷发育,几乎汇集了热矿泉水储层以上整个汇水区内的降水,大渡河水水量亦大。可见其具有较好的补给条件及较大的补给量。

(2)径流条件。区内地热水的径流,严格受“乐山自流斜坡控储水构造”控制,主要是顺热水储层的层间,由南西向北东径流。径流距离达26~37 km,径流深循环深度达2 200~2 500 m。推算乐山大佛景区区域内径流距离达30 km,径流深度达2 500 m。经地温场加热升温有利于形成地热水。

(3)排泄及储存条件。地下水通过补给并经过一定距离(深度)循环径流形成地热水后,呈停滞状态储存于热储层之中,通过钻井揭露热储含水层后沿井眼上升而排泄。乐山大佛景区附近无导水断层,地热资源开发需人工钻井揭露。综上所述,本区地热矿泉水属“地下水深循环热交换,水热对流型地热水系统”。

3.5 热矿水的地球化学特征铁10井和佛1井水质化学类型均为氯化钠型(Cl-Na),具如下特征:

(1)化学成份中氯化钠占绝对优势,微量组分中锶(Sr)、氟(F)、硼(B)等元素含量较高,其物质来源为从地下水溶解热储层中的岩盐、造岩矿物层获取。

(2)溶解性总固体含量相对较高,各类放射性元素含量均很低,排除了因火山活动、放射性物质蜕变深大断裂形成地热水的可能性。

(3)地热水中的Na+、K+、Mg2+、Cl-、SO42-、Ca2+、HCO-3等相关离子的含量说明地热水的成因是碳酸盐地层岩溶裂隙水经深循环地温加热而形成。以上特征说明地热水形成机理是:在其热储层露头区接受大气降水、地表水与浅层地下水补给,在水动力(压差)作用下通过构造裂隙、溶隙、溶孔、溶洞向热储层深部入渗,在单斜构造的深部富集,形成远距离补给、深部循环的地热水。热储层中的石膏层在溶蚀过程中放热也进一步提高了地热水的温度。根据摩尔浓度,按舒卡列夫地下水化学类型分类属Cl-Na型水。分析热矿水地球化学特征形成原因,二叠系雷口坡组碳酸盐岩为主要的地热含水层,在乐山地区雷口坡组碳酸盐岩中富含岩盐层,岩盐为氯化钠的矿物,它们都是由盐水在封闭的盆地中蒸发而形成卤化物矿物。石盐矿层一般厚几米到数十米,因此地热水中化学成份中氯化钠占绝对优势是淋滤岩盐的结果;在海水中沉淀的顺序上,其在石膏和硬石膏的后面,因此,常常在石盐之下找到石膏和硬石膏,含量高的Mg2+、Ca2+、SO2-4、HCO-3是热矿水对围岩溶蚀的结果。地热水中锶(Sr)主要为溶解膏盐的结果,氟(F)、硼(B)为溶解碳酸盐岩伴生造岩矿物的成果,H2S含量较高反映热矿水处于相对封闭的还原环境。热矿水主要阴阳离子含量随水循环深度增加,在水化学特征中体现了明显的垂直分带特征。

4 预测单井水量、水温和水质

以佛1井为例,在一个水文年内丰水期、枯水期、平水期分别进行了抽水试验(表2)。试验结果显示:丰、平、枯期水位埋深仅差0.03 m,属相当稳定;3次试验虽在不同水期进行,但井口水温均保持在36~37℃;钻井稳定最大出水量在56.70~58.45 m3/d之间。以上现象共同反映了热矿水源远流长,在地下深部有固定的储水层位和相对稳定的循环深度,是深部循环的水位、水量、水温、水质相对稳定的深埋藏地下热矿水资源。同时由于水动力关系Q-S曲线呈直线型,则可开采水量按下式计算:Q=86.4q·S式中:Q为井孔可开采量,m3/d;q为由抽水试验确定的枯期单位出水量,L/(s·m),取值3.05×10-3;S为井孔可开采量的水头最大降深值,m,取值215.20 m。由式(1)求得,可开采水量为Q=86.4×3.05×10-3×215.20=56.7 m3/d,由此可得该热矿水井1 a的可开采量为2.07×104m3。

通过1 a的枯、平、丰期3次全分析水样检测结果(表3),地下水中溶解性总固体含量为164 179~201 609.58 mg/L,水质类型为Cl-Na型,pH为6.59~6.70,锶含量253.3~276.5 mg/L,氟含量1.31~14.70mg/L,锂含量13.90~96.35 mg/L,偏硼酸含量787.0~1 050 mg/L,硫化氢275.22~31 1.0 mg/L,达到“理疗热矿水水质标准”中命名矿水浓度界限以上;其次偏硅酸含量44.59~60.97 mg/L,具有理疗价值。因此,命名为含偏硅酸的偏硼酸、硫化氢、氟、锶、锂理疗热矿水。

5 结论

(1)乐山大佛景区区域位于乐山自流斜坡储水构造的北部,热矿泉水属“自流斜坡岩溶深循环地下水模式”,热矿泉水与熔融热源无关,而属于地压型地热,随着深度增加,地热温度按一定梯度增高。该区域适合开采的热储层为三叠系雷口坡组(T2l)、嘉陵江组(T1j2)碳酸盐岩层,埋深2 000~3 000 m。岩溶裂隙发育,盖层较厚,加之西南部露头区地下水补给条件好,在自流斜坡储水构造的有利部位,其循环深度可达到2 000~3 000 m,径流距离达26~37 km,具有补给充足、深循环、远径流等特点,最终形成并储存地下地热资源。

(2)结合佛1井概况,根据储层富水性、地下水深循环条件、埋深及区域地温梯度值等,预测经酸化后大佛景区一带单井涌水量可达300~500 m3/d,井口自溢水水温可达40℃,抽水水温可达50℃。根据储层含膏盐的特征及埋深情况,预测区内地下水水质类型为Cl-Na型,可溶性总固体大于10 g/L,可达到医疗热矿水标准。

(3)从资源角度分析,大佛景区一带地热资源具有较好的形成条件,在附近深井勘探中有热矿泉水显示,有好的资源远景,同时该区域临近城区,交通条件较好,景区旅游产业当前发展红火。综上,乐山大佛景区地热资源开发前景较好。