覃滿滿QIN Man-man;鄧忠DENG Zhong
(廣西水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,柳州 545006)
為應(yīng)對全球氣候變暖,作為負(fù)責(zé)的發(fā)展中國家,我國2020 年9 月提出2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”目標(biāo)。為實現(xiàn)這一目標(biāo),我國就要盡可能多地開發(fā)清潔綠色能源。地?zé)崾且环N可再生的綠色清潔能源,存儲量大、分布范圍較大、環(huán)保低碳、穩(wěn)定性強(qiáng)和可靠性好。中國是低溫地?zé)豳Y源量豐富、具有很大開發(fā)空間的地?zé)豳Y源大國。在一些地區(qū)經(jīng)常會有地?zé)崴俺?,為研究熱涌出點的形成原因,本文將結(jié)合水文地質(zhì)勘查成果,結(jié)合工程物探及鉆探、孔內(nèi)測溫等手段對區(qū)域地?zé)崴瘜W(xué)特征及循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究,為同樣地區(qū)熱儲地質(zhì)研究探明提供案例參考,為開發(fā)利用地?zé)豳Y源積累經(jīng)驗。
2013 年6 月17 日至6 月30 日,平果縣那塘村境內(nèi)連續(xù)發(fā)生小級別地震群活動,震群活動持續(xù)了1 個多月(6月17 日~7 月30 日)。隨之6 月17 日于平果某公司3 號排泥庫下游南東約3km 處的龍來村上來屯前突然冒水,水質(zhì)呈褐黃色,呈混合泥漿狀,開始時水溫達(dá)45℃,涌水量達(dá)到400~600l/s,懸浮物質(zhì)含量最多時達(dá)到180g/L;同日,在3 號排泥庫中也出現(xiàn)異?,F(xiàn)象,在庫內(nèi)西南端1 號內(nèi)壩附近也出現(xiàn)熱水上涌現(xiàn)象,流量與上來屯涌水點相仿,水溫也達(dá)46℃。同時,1 號內(nèi)庫西北角排氣井周圍和2號內(nèi)庫西南角庫邊也同時出露多個熱涌出點。涌水點噴射水柱持續(xù)約十天后,翻滾狀消失,至2013 年7 月9 日只見一小股水流出,實測水溫達(dá)到43℃。
根據(jù)地層巖性及巖組結(jié)構(gòu)特征、地下水的賦存條件及水動力條件和水理性質(zhì),勘查區(qū)內(nèi)所在區(qū)域地下水類型可劃分為碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水兩種類型。碳酸鹽巖類巖溶水又可細(xì)分為灰?guī)r裂隙溶洞水和白云巖溶洞裂隙水及不純碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水。3#排泥庫位于中部龍來—百利水文地質(zhì)單元中。中部龍來—百利水文地質(zhì)單元是一個由背斜構(gòu)造控制的地下水系統(tǒng),基本上由碳酸鹽巖巖溶水組成。單元內(nèi)沿背斜軸部和東翼發(fā)育地下河系統(tǒng)—百利地下河系統(tǒng),地下水以裂隙匯流、管道集中逕流為主要運移形式。
研究區(qū)宏觀上屬后加里東準(zhǔn)地臺基礎(chǔ)上發(fā)展而成的印支再生地槽,為右江再生地槽的水下隆起帶,該區(qū)域從晚第三紀(jì)新構(gòu)造運動以來,地殼一直處于間歇性的上升運動中,強(qiáng)烈的火山活動和基性巖漿侵入是本區(qū)重要的地質(zhì)特征之一。本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,褶皺、斷裂發(fā)育,主要為印支運動所形成,構(gòu)造線以北西向為主,次為東西向、北東向和南北向。研究區(qū)發(fā)育的深大斷層為北西走向的右江斷裂帶,形成于印支亞旋回。近代,地震比較活躍,是廣西重要的控震斷裂之一。
研究區(qū)歷經(jīng)多期次的構(gòu)造運動,在區(qū)內(nèi)以發(fā)育NW 向褶皺及其平行斷裂為基本特點。主要褶皺構(gòu)造有果化復(fù)式向斜、雅朗背斜,研究區(qū)主要位于雅朗背斜中。
雅朗背斜:軸向呈北西—南東向,軸向長達(dá)25km,寬約7km,往北西、南東兩端傾伏,北段西南翼陡、東北翼緩;南段西南翼緩、東北翼陡,甚至局部產(chǎn)生倒轉(zhuǎn),軸部產(chǎn)狀平緩,部分地段接近箱狀褶曲類型;背斜南東端趨于斜歪褶曲類型。雅朗背斜的東北翼和西南翼分別為太平向斜和果化復(fù)式向斜的西南翼和東北翼。
研究區(qū)的斷裂構(gòu)造以平行褶皺軸向的右江大斷裂為主體,伴生一系列與之平行的次一級斷裂,性質(zhì)以逆斷層為主,傾向多為SW 向,傾角較陡,3#排泥庫在區(qū)域構(gòu)造位置上處于右江褶斷帶中部上盤部位,位于右江復(fù)式向斜東南部的雅朗背斜軸部。
地?zé)岬刭|(zhì)研究表明,能儲存地下熱水的含水層,即為熱儲層,它常具有較高的空隙率,富含地下水,熱導(dǎo)率高。而含水極貧乏,空隙率低,形成區(qū)域性相對隔水的泥質(zhì)巖類地層,其熱導(dǎo)率低,是地?zé)岢缮夭豢缮俚牧己玫母魺岜厣w層。目前地殼淺部的熱量主要來自燕山期以來的巖漿及火山活動,在深大斷層的通導(dǎo)條件下,水熱氣物質(zhì)沿斷裂裂隙向上運移。
研究區(qū)位于右江區(qū)域大斷裂東側(cè),且地震活動頻繁,有溝通深部熱源條件;其二,熱水出露的雅朗背斜形態(tài)復(fù)雜,北部傾伏端有寬闊的復(fù)式褶曲發(fā)育,上覆大面積的不純碳酸鹽巖夾碎屑巖可構(gòu)成地?zé)嵘w層;東側(cè)又與太平向斜、舊城背斜相鄰;這些褶皺構(gòu)造分布于右江大斷裂一側(cè)(上盤),地層連續(xù)分布,次級斷裂發(fā)育,對地下水的深循環(huán)有利;深部巖溶層是很好的熱儲層。
為了初步查明這一系統(tǒng)的埋藏條件和深度,本次勘查在3#排泥庫熱水涌出點和上來屯涌水點附近相關(guān)的構(gòu)造上布置了三條可控源音頻大地電磁法(CSAMT)探測剖面,探測深度約為1200m。探測的目的是初步查明深部地層巖性分布、斷裂構(gòu)造位置、產(chǎn)狀及巖溶發(fā)育程度和深度,見圖1。
圖1 CSAMT 物探線布置圖
根據(jù)各剖面的地電結(jié)構(gòu)特征結(jié)合地質(zhì)資料等推斷各剖面地質(zhì)斷面圖。由于各測線巖性(灰?guī)r)單一,在同等完整程度的條件下電阻率一般變化不大,從三條測線的電阻率等值線圖看,每個剖面均出現(xiàn)了明顯的低阻異常,推測為充水充泥的斷層破碎帶、溶蝕裂隙、溶洞引起,根據(jù)異常形態(tài)并結(jié)合地質(zhì)資料作如下解釋:
3.2.1 地層巖性
第四系(Q):第四系松散層主要分布在巖溶洼地、谷地和山麓地帶,主要為殘坡積與沖洪積層。成分為粉質(zhì)粘土,含角礫(或碎石)粘土等,厚度一般為1~6m。
基巖:測區(qū)山坡多為裸露灰?guī)r,物探顯示其視電阻率一般在500~30000Ω·m 之間,低阻對應(yīng)較破碎且含水的灰?guī)r,高阻對應(yīng)較完整貧水的灰?guī)r。
3.2.2 斷層破碎帶
根據(jù)各測線視電阻率等值線圖上的低阻異常分布及往深部延伸大的特征,共推斷有4 條斷層破碎帶。
3.2.3 巖溶發(fā)育情況及含水性
根據(jù)低阻異常的分布及形態(tài)推斷巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū),在垂向上分淺部巖溶和深部巖溶,淺部巖溶多分布在埋深300m 內(nèi),深部巖溶埋深多在400m 以下;在平面上巖溶分布受斷層構(gòu)造控制,一般沿斷層帶分布。淺部巖溶和深部巖溶由斷層破碎帶相連通,推斷巖溶形態(tài)主要有溶洞、溶蝕裂隙,充填物為水和泥。在3-3′測線的1280~1600和4-4′線的520~840 段埋深約500~600m 之間可能存在一地下河或強(qiáng)巖溶發(fā)育帶沿F4(區(qū)域編號F6)斷層走向逕流。
3.2.4 綜合分析
區(qū)內(nèi)前人的勘探和調(diào)查資料表明,本區(qū)歷史上并未發(fā)現(xiàn)熱泉出露或地?zé)岙惓?,但礦區(qū)勘探中,在那榮向斜的布絨礦段,雅朗背斜傾伏端的大路礦段的勘探中,埋藏于三疊系地層以下的合山組(P2h)、茅口階(P1m)灰?guī)r巖溶層可構(gòu)成承壓含水層,向斜和背斜傾伏構(gòu)造可構(gòu)成承壓貯水構(gòu)造,三疊系碳夾碎地層可構(gòu)成承壓頂板蓋層。
雅朗背斜構(gòu)成的地層從翼部二疊系至核部的泥盆系為一套碳酸鹽巖地層,巖性構(gòu)成相對簡單,以灰?guī)r為主間夾白云巖和含泥質(zhì)灰?guī)r。
上述的物探探測結(jié)果表明,雅朗背斜的深部巖溶發(fā)育具有如下特征:
①2-2′剖面,位于背斜北部西翼,與那榮褶曲的交接地帶。在2-2′電性剖面顯示在地下150~500m 的深度范圍內(nèi)是一個凹形的電性界面,界面以上是相對低阻層,界面以下是相對高阻層。從該斷面的地層巖性角度而言,界面上下巖性并無本質(zhì)差別,唯一可能不同的條件是巖層的完整性和含水性的差別。因此,可以推斷,該界面以上是淺層巖溶和地下水活動相對頻繁的反映,而界面以下則是另一種巖溶環(huán)境,即受斷裂構(gòu)造控制的深部巖溶環(huán)境。即界面以下,低阻層依附斷層分布,揭示巖溶作用在深部是在斷裂構(gòu)造影響下,地下水沿斷裂帶及其影響帶進(jìn)行深循環(huán)而發(fā)育了沿斷層分布的深部巖溶帶。由于探測深度的局限,該剖面上深部巖溶的展布并沒有完全揭示,巖溶沿斷裂向更深方向發(fā)育的趨勢仍有顯現(xiàn),沿斷裂巖溶發(fā)育深度大于1000m。
②3-3′剖面,位于雅朗背斜軸部。在3-3′電性剖面上,顯示地下深度100~200m 深度也存在類似于2-2′剖面的電性層,但其另外顯示出在該層之下存在一近似水平的低阻層,視厚度50~100m;該層之下才出現(xiàn)依附斷裂延伸的低阻帶。深部電性顯示出靠近背斜軸部(龍幫洼地至龍香洼地西部)表現(xiàn)為高阻背景下的槽狀低阻,東翼一側(cè)(龍香洼地東側(cè))則表現(xiàn)為在斷層一側(cè)出現(xiàn)團(tuán)塊狀的極低阻帶,并有向東側(cè)翼部擴(kuò)展的趨勢。這一低阻帶的分布深度在500m以下,底板大于1000m 未見收斂。背斜軸部深部高阻帶中的槽狀低阻應(yīng)是斷裂破碎帶的反映,其巖溶發(fā)育強(qiáng)度和地下水的活動強(qiáng)度應(yīng)弱于東側(cè),即東部的背斜翼部因斷裂的作用,深部地下水的循環(huán)強(qiáng)度和巖溶發(fā)育強(qiáng)于背斜核部。
③4-4′剖面是上來屯涌水點旁側(cè)剖面,總體位置靠近背斜東翼。其探測結(jié)果與3-3′剖面類似,同樣存在淺部巖溶層,水平巖溶帶和深部巖溶帶。不同的是,水平巖溶帶在西北側(cè)龍香洼地內(nèi)厚度變小。深部巖溶帶則與3-3′剖面相同,在斷層?xùn)|側(cè)深部400~1000m 則是一個規(guī)模較大的低阻帶,并具有往東延展的明顯趨勢。上來涌水點正好位于該低阻帶之上。
以上特征表明,雅朗背斜的巖溶發(fā)育具有特殊性和復(fù)雜性。從物探揭示的深部巖溶分布特征看,地面調(diào)查所揭示的地下河系統(tǒng)僅是淺部巖溶系統(tǒng)的表層部分而已。在背斜構(gòu)造中沿斷裂普遍發(fā)育深部巖溶帶,該巖溶帶應(yīng)是深部熱水賦存運移所在,即深部熱儲層所在。
按正常地?zé)嵩鰷芈?.5℃/100m 計算,當(dāng)?shù)乇砥骄鶜鉁厝?1.7℃,地下1000m 處的地溫約46℃。即當(dāng)?shù)叵滤蛳卵h(huán)至1000m 以下的地層中時,即可獲得45℃以上的能量。從“6.17”地震的震源觀測數(shù)據(jù)計算,本次地震的震源深度主要集中在3-7km。地下水循環(huán)在這一深度內(nèi),僅依靠正常地?zé)嵩鰷丶纯尚纬蔁崴?/p>
本次的鉆探工作,最大控制深度為300m,一般孔深為70~120m。從孔內(nèi)水溫測量結(jié)果來看,地溫的異常分布則是顯而易見的。鉆孔孔內(nèi)多次測溫結(jié)果表明:
①CK01 號孔位于3#排泥庫北側(cè),F(xiàn)7 斷層帶上,孔深201.02m。2013 年12 月至2014 年8 月的四次不同時段的測溫結(jié)果反映,孔內(nèi)水溫變化在22.5℃~25.0℃,顯示有低溫?zé)岙惓,F(xiàn)象。不同深度、不同時段的溫度變化處在一種不穩(wěn)定波動狀態(tài),時間上處于緩慢下降的過程,垂向上處于向深部有緩慢的增溫過程,顯示熱源的影響在該地段的深部,即所在的F7 斷裂深部有熱流體活動。
②CK02 號孔,位于3#排泥庫西南熱水涌出點的西北側(cè),位于F6 分支斷裂F10 斷裂帶上,孔深299.27m。該孔的水溫處在極不穩(wěn)定的狀態(tài),變化在21.2℃~29.0℃??變?nèi)水溫除具有隨時間緩慢下降的趨勢外,在孔深150m 處兩次捕捉到水溫26℃~29.0℃的異常水溫,但此水溫極不穩(wěn)定,測量當(dāng)時隨即校測就再沒能捕捉到,上下溫度一般只在21℃~22.0℃。
本次的鉆探工作,最大控制深度為300m,一般孔深為70~120m。所勘查的幾個鉆孔,在當(dāng)?shù)氐叵滤灰韵戮鶝]有遇到有價值的巖溶通道,鉆孔抽水試驗表明,鉆孔涌水量極小,孔內(nèi)地下水的循環(huán)交潛很弱,孔內(nèi)水溫基本接近于地溫。而地溫異常很可能與本次地震活動造成深部熱源向上運移形成的傳導(dǎo)型地?zé)釙炗嘘P(guān)。異常分布在構(gòu)造上以F6 斷層為中心向兩側(cè)減弱,平面上由3#排泥庫至上來屯一帶表現(xiàn)較明顯,與熱水出露基本一致。
綜上所述,本區(qū)不論物探探測的深部巖溶發(fā)育程度,還是地表出現(xiàn)的熱異?,F(xiàn)象,都揭示出位于右江斷裂帶上盤的雅朗背斜軸部北部及東翼為地?zé)峄顒赢惓^(qū)。結(jié)合本區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和熱水出露史分析,本區(qū)的熱儲構(gòu)造模型的一種可能是西部那榮向斜補(bǔ)給并儲存→雅朗背斜封閉熱力自循環(huán)→構(gòu)造地震東部→F10 活動斷層性質(zhì)變化并導(dǎo)水→在3#排泥庫出露。
另一種可能是舊城背斜補(bǔ)給向太平向斜深逕流→雅朗背斜封閉熱力自循環(huán)→構(gòu)造地震+熱爆地震→F6 斷層導(dǎo)水出露地表。即地下水由補(bǔ)給區(qū)向深部逕流,再向雅朗背斜運移,并在運移過程中取得熱能,并進(jìn)行熱力自循環(huán),在熱力自循環(huán)過程中同時也塑造了深部巖溶,不斷擴(kuò)展貯水空間。在漫長的地質(zhì)歷程中,隨著貯水空間的增大,熱水體積也不斷增加,積蓄的熱膨脹力也越來越強(qiáng)大,最終在構(gòu)造地震應(yīng)力的協(xié)助下,最終發(fā)生熱爆效應(yīng),沖破背斜中較薄弱的斷層結(jié)構(gòu)面,于近期最終出露于地表。據(jù)廣西地震局對本次地震的觀測研究表明,本次地震的地震波形在2km 以上淺部具有爆破和氣爆地震的波形特征,后期還伴隨有地下水作用波形,與上述的地質(zhì)條件推斷是吻合的,說明這次熱水出露是地震作用和熱水壓力共同作用的結(jié)果。
①上來屯S50 號涌水點的出現(xiàn)是地震作用引發(fā)深部熱水越流上升并激活地下河堵塞的東支流管道后復(fù)活的一種水文地質(zhì)現(xiàn)象。地下河逕流管道復(fù)活是導(dǎo)致3#排泥庫泄漏的關(guān)鍵因素之一。②3#排泥庫3 號內(nèi)庫東側(cè)物探探測到深部有規(guī)模較大的疑似巖溶發(fā)育帶,推測可能為深部熱水儲存的熱儲層。該地段有F7 和F7-1 斷層發(fā)育,是庫區(qū)淺層巖溶最發(fā)育的地段。③深部熱水系統(tǒng)是目前本區(qū)新發(fā)現(xiàn)且尚待深入研究的深部地下水系統(tǒng)。這次熱水涌出現(xiàn)象,揭示了這一熱水系統(tǒng)的存在。④這次現(xiàn)象表現(xiàn)出來的水溫、水量特征,反映出這一系統(tǒng)不僅存在,而且規(guī)模較大。如果這一熱水資源能得到深入研究,并加以有效利用,其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益將是巨大的。⑤地?zé)衢_發(fā)屬高投入、高風(fēng)險、高產(chǎn)出投資項目,鑒于工作區(qū)目前尚缺乏深部勘探地質(zhì)資料,本次進(jìn)行的可控源音頻大地電磁測深亦無先驗資料作對比,對地?zé)峋貙訋r性劃分、斷裂構(gòu)造推斷可能存在有失偏妥之處。