从地球物理、化学特征分析兰州市榆中盆地地热资源前景

1、从地球物理、化学特征分析兰州市榆中盆地地热资源前景第32卷第6期2010年12月甘肃冶金cansumetaliurcyvo1.32no.6dec.,2010文章编号:1672-4461(2010)06-0069-06从地球物理,化学特征分析兰州市榆中盆地地热资源前景罗坤杰(甘肃地质工程有限责任公司,甘肃兰州730050)摘要:尽管榆中盆地的地热资源勘查被搁置至今,通过对已有资料进行综合分析认为,榆中盆地地热资源具良好的储,断,通,源条件,虽然在f反s型断裂构造以南一f.断裂问没有较明显的温度异常显示,但地球物理勘查成果反映在该断裂以南具备更好的热储条件,同时地球化学温标温度计算结果从温度条件支

2、持这一推断结论,因而榆中盆地的地热资源因认识的改变和区域范围和变化有了良好的开发利用前景.关键词:地球物理;化学特征;榆中盆地;地热资源中图分类号:p631文献标识码:a1引言甘肃省兰州市榆中盆地地热资源自1998年2003年进行过普查和勘探工作,探采结合井虽然测井结果证实了该井内温度异常的存在,但因多方原因出水量很少,基本不具开采,利用价值而被搁置至今;尽管于2003年在兰州市七里河区运通大厦,2005年兰州市城关区九州台打出地热井,出水温度约60和42,与理论估测基本相符,而出水量均不大于25m/h,这一客观现象极大地限定了投资信心,使得投资商望而却步.但于2009年初经深部地球物理勘查后

3、于兰州市七里河区深沟桥成功打出7oqc的出水温度和约50m/h出水量的地热井后,对处于同一沉积盆地,相同地质,构造条件的榆中县地热异常区已有资料进行重新认识,分析,本文就地热资源的地球物理,化学特征,结合形成地热资源必须具备的储,断,通,源四个条件对兰州市榆中县地热资源进行探讨和分析.2区域地质概况2.1区域地层根据区域地质调查和钻探物探资料,该区地层属祁连山地层区中祁连分区的湟源一兰州小区,由老到新出露有:震旦系,前寒武系变质岩,受历次构造变动,褶皱,断裂发育,有岩浆岩侵入;侏罗系,白垩系,第三系,第四系地层j.2.2区域构造榆中盆地位于祁连褶皱带的最东端,经历了多期构造层次和构造体制的交替

4、变化,形成区内兴隆山岩群及皋兰岩群等地质体的复杂构造变形特征.根据沉积建造,构造变动和岩浆活动等因素划分,为马衔山一兴隆山褶皱隆起带,皋兰隆起带及兰州一榆中凹陷带等次级构造单元j.在榆中盆地内断裂构造极为发育,自南往北依次有兴隆山山前断裂,蒋家营一许家台断裂和北部山区ne向断裂.2.3区域水文概况据区域水文地质资料,榆中盆地为南北两山峡峙,东西为丘陵地貌分割的独立的水文地质单元.地下水具有完整的补一径一排系统.根据地下水赋存条件,含水岩系岩性特征将测区地下水分为第四系孔隙潜水和第三系碎屑岩层问裂隙,孑l隙承压水两大类.上述第四系孔隙潜水和第三系,白垩系碎屑岩系问承压水的补给,均来自南部兴隆山区

5、降雨下渗形成的基岩裂隙水和地表水下渗形成的沟谷潜水侧向补给,盆地南部大气降水及灌溉水下渗也是一不可忽略的补给来源.南部平原区形成的地下水一部分补给第四系潜水,一部分补给第三系,白垩系层间承压水.由于盆地内地貌整体呈东南高西北低特征,上述地下水在重力作用下整体由南向北径流,层间承压水遇断裂导水构造可形成越层补,排或向第四系排泄并与第四系孔隙潜水混合,一并排泄于宛川河,而后向西流动汇人黄河.嬲肿n17o甘肃冶金第32卷地层时代平视专自主要岩性3.2电性特征据收集电测深资料,如以小于25q?m视电阻率值(北京,天津及甘肃敦煌等地在地热勘查时均以2025q?rn)圈闭异常区(图1),则异常区呈nww向

6、展布,向东北方向变宽,分岔,而西南方向收敛,面积约40km.经系统整理前期的直流电法及后期补充进行的音频大地电磁勘查成果,结合收集到的水井资料,地热探采井反映地层情况及各地层岩性的电性特征,分析推断地热异常区内由南向北依次存在ff2,ff四条断裂构造,见图1,2.其中ff断裂位于2on?m闭合圈北界,f:断裂位于20n?iti闭合圈的南界.!【_il=:=i=-卫ll_l1l_:.ul=|.:图1榆中盆地地热地质构造及地球物理勘查成果图按电性特征分析推断的断裂构造的延深情况,盖层及基底埋深条件,可将地热异常区分为两个区块:以f反s型断裂为界,其南为榆中盆地深凹陷区,基底埋深大于1.5km(图3

7、,4),是区内主要储水场所;其北为隐伏断阶抬升区,基底埋深小于i.5kmo3.3地温场特征3.3地热勘查区地温场特征据对地热勘查区及其周边5i眼农用机井出水温度测量成果j,以15为异常下限(区内年平均气温为6.5一i0)圈定的地温度异常区大致呈nww向展布(图1),与圈定的视电阻率异常区形态相仿(略向北偏移);以f2反s型断裂为南界,与划分出隐伏断阶抬升区基本相符,异常中心与f,一f走向基本一致.若粗略按130m计水井深度,以年平均气温1o为30m深处恒温带温度,以外围区水井出水温度12为异常下限值,来计算地温梯度,则圈闭的地嚣鳐t.c0m第6期罗坤杰:从地球物理,化学特征分析兰州市榆中盆地地

8、热资源前景7l热异常区温度梯度达35c/100in,高于正常地温梯度3c/io01ti.l衄oh-:.:,.,tat-:i_图2榆中盆地地热地质构造图图3榆中盆地ii拟地质断面图:第四系田第三幕中新缓回第三累新新筑固第三系新新统t臼垩系田前寒武幕曰推测地层再线匹垩推测断裂构造及编图4榆中盆地-拟地质断面图4地球化学水文特征4.1区域地球水化学分布规律通过对区内51个水井的水质分析结果(表2,3)表明,榆中盆地水化学特征呈带状分布规律:勘查区南部平原区,三角城平原,宛川河中上游补给,径流区水质普遍较好,矿化度均小于0.5g/l,水化学类型为hco/co;或hco/so3一c/m;.型水;到平原区

9、以北至隐伏断阶抬升区之间矿化度增至0.11.0g/l,水化学类型为c1一/soi一c/n或c1./hc0i/s0:一m/c:(c/ms+/n),到隐伏断阶抬升带以南水质急剧变差,矿化度增至27g/l,水化学类型变为c1/so:zc/n(ca+/mi/n+);到铁路以北宛川河下游北岸i一阶地地下水矿化度大于3g/l,南岸则小于2g/l,水化学类型为c1/so/(so/cl)一n/m()型水.总的规律是补给区水质良好,径流变差,排泄区水质急剧变差.4.2地球水化学异常在总的水化学背景基础上,在f3一f4断裂附近则出现了小于1g/l的低矿化带,而在这两个低矿化带两侧均为高矿化咸水,微咸水带,与一般水

10、化学分带规律相悖的水化学异常带.该异常带地下水的矿化度均小于0.7g/l,水化学类型为hco;i/cl一一n,so;2/hco;,c1/一n/cj或ci/hco;1一c一c/m型水.重碳酸氯化钠型水及钙镁型水的成因,从所处位置看正好与水温异常带轴向和基底断裂位置一致,说明是由深层循环热水沿断裂上移,传导,扩散与冷水混合后发生化学变化而成,与基底含钠长石的花岗岩有关(rn:/rcl>1,c1./一srt300),矿化度降低应与f一f间带状裂隙水(由东南向西北补给的第四系潜水及沿断裂上升的深循环热水)沿蕊e|o|mh72甘肃冶金第32卷断裂构造的补给有关.井3,4的水化学类型则属另一种氯化物

11、一钙钠型水,这种类型的地下水与区域水化学特征也不一致,同样属异常水,属深层循环热水沿断裂上升至地表而成并与海水入侵有关,封闭的自流盆地和油田,侵入岩构造断裂带大多也具此类水的特征.井3,4位于反s型断f一f断裂之间,基底埋深200300m,其成因依rn:./rc1>0.5,rc1/rb+>2000分析,除与沉积层含盐,地下水循环迟缓有关外与基底花岗岩,自云岩,片岩及断裂构造有密切关系.从硅酸,硼酸盐含量和锂氟的含量高于周边含量并与温度成正相关推测,反映深部有高温热水存在.表2榆中地热普查重点区水质分析成果表(mg/l)表3地热异常区水井化学组份比值与水温关系统计表在这个水化学异常带

12、上,相关离子比值与温度,矿化度有明显的相关关系,在相同地质条件下,总的趋势是rnl/rk和rn:/rc:与温度正相关,rm/m:和re1/rhcoi/,rc1./rbrc1./rsr,rcl/rb,rc1./rf一,rcl/rsio均呈负相关,这与已知沉积盆地层控地热田的规律基本吻合,从另一侧面反映出深部热源机制的存在(见表4).iia第6期罗坤杰:从地球物理,化学特征分析兰州市榆中盆地地热资源前景73表4计算温标温度统计表从水化学比值对温度的指示作用,分析该勘查区的地热显示均指向f一f断裂带上.f3,f4断裂附近4,12水井rn:/rk值为11一l6.5之间,按水化学理论,一般为重要地热田(

13、但有些已知的地热系统的比值不在此变化范围之内).而值得特别一提的是f1断裂附近的井1的rn:/rk值为l2.7,说明f断裂也与区内地热资源的密切关系.4.4温标计算基于上述认识,对f断裂附近的井l,f断裂附近井2,f,f4断裂附近井3,4,12的水质分析结果,进行h2sio3,kmg温标,温度计算,其结果见表4.计算公式如下:h2s.o3温标=-237k-mg:t=西4418乏37从计算结果看,上述5眼井的h:sio.温标在6876,kmg温标5463c【=,在各水井间同一温标温度无多大差别.这一计算结果说明:(1)电磁测深剖面推断解释的地热异常为同一热源由南向北径流的结论;(2)温度异常的显

14、示受盖层及构造条件影响较大,并不客观,真实地代表实际地热资源的分布范围及有利于开发的深部经济型地热资源;(3)从温度上有力地支持了物探电磁测深剖面推测f断裂以南为良好地热资源的结论.5储,断,通,源条件分析5.1勘查区的热储条件据区内地层岩石水文特性,地热探采井揭露地层及测井资料,勘查区内热储盖层为:第四系中砂土层,粘土层,第三系上部砂质泥岩反映套结构致密的弱透水性层,构成区热储盖层.第三系中下部细,粉砂岩,白垩系砾岩中的含水层及含水构造破碎带,前寒武系顶部风化壳及含水构造破碎带,构成区内地热资源的热储.由此可将区内热储类型分为两大类:其一为层状热储,由第三系中下部细,粉砂岩,白垩系砾岩中的含

15、水层组成;其二为带状裂隙型热储,由因构造活动形成的含水构造破碎带组成.按音频大地电磁测深解释成果(图4,5),据热储类型可将勘查区划分为两个区块,以f:反s型断裂为界,其南以层状热储为主,带状热储为辅;其北则以带状热储为主,层状热储为辅.5.2勘查区的断裂构造条件据区域地质资料及大地电磁资料,盆地南有兴隆山断裂,走向nww,倾角7o.,延深达40km以上,其北有nww向展布的宛川河一线断裂构造.受区域地质构造控制,在地热异常区,经大地电磁测深成果反映,沿勘查剖面方向,水平电性层视低值电阻率曲线呈闭合块体状断续展布,块体间隔达200m左右,低值电阻率曲线具纵向穿透沉积碎屑岩地层的分布特征,结合其

16、底部基底的电性特征,推断由南向北依次有f,f,f,f断裂构造,除f断裂构造向北倾斜外其余断裂构造均呈向南倾斜,且其构造类型为上盘下降,下盘上升的正断层.断裂部位电性低阻异常应为沿断裂构造上升运移的深循环低阻热水及充填于孑l隙裂隙地层形成低阻热储所致.依电性特征分析,上述断裂构造的断距50500m之间,南部及基底断距大,北部及浅部断距小.据地震资料,f:反s型断裂构造延伸长度达100km以上,延深深度达20km.据天然场大地电磁音频测深反演,f断裂构造延深超过2km.5.3勘查区的导热,导水通道条件地热异常区地球物理,地球化学勘查成果,均较好地反映了异常区良好的导水,导热条件.在地球化学方面,第

17、四系潜水水井反映出了深部地球水化学特征,说明勘查区内具较好的导水条件.在地球物理方面,反映出的低阻构造带同样也说明勘查区内具良好的导水,导热条件;地球化学异常带与电磁类勘查成果反映的电性异常位置一致,而地球化学温标温度又有力地支持地球物理勘查成果的推断结论.上述既相互支持又相互依赖的成果资料,反过来也证明地热异常区良好的导水导热通道条件.综合已有的勘查成果分析,地热异常区导热通道以裂隙型断裂构造为主,以水平层状孔隙型地层为辅;当地下水在强大压力作用下通过深大断裂进行深循环时,吸收,携带,运移大量地热能,形成近垂向方向的导热,导水通道.当深循环热水沿裂隙型断裂构造自深部运移上升至基底顶部后,一部

18、分进入水平层状孔隙层内扩散,向北运移,形成侧向水平导热,导水通道,另一部分继续沿断裂构造运移最终汇人第四系潜水,并随之向北径流.因此该地热勘查区中深大断裂型导热,导水通道占主导地位,特别是在基底地层中更是如此,对深部热能的导出起决定性作用;而在沉积碎屑岩,基底风化壳内则以含水.:蠢tom74甘肃冶金第32卷孔隙层和裂隙型断裂构造统一构成导热,导水通道,对地热井的形成和热能的贮存起控制作用.5.4地热异常区的热源,水源条件据甘肃东部地区短周期地磁变化推测,兰州一天水一线存在一条从地壳一直延深至上地幔电导率异常带,这个电导率异常带被认为是由地热异常和岩石裂隙中富含地下热水所致,而甘肃东部地区已知大

19、量温泉,地热井均在这个异常带上,认为该勘查区的热源主要来自于该电导率异常带,具深源热机制;而今年兰州打出70的地热井,说明热源机制的客观存在.另外,兰州榆中地区北部大面积出露的侵入岩体,是该区域内放射性异常区引,因此侵入于前寒武系变质岩中岩体的放射性元素衰变热能,也是该地区地热资源的不可忽视的热源之一.也就是说兰州,榆中地区地热资源的热源既有深成机制,又有含放射性异常岩体内放射性元素的衰变热能.榆中盆地地热异常区,自盆地南部的富含地下水的深凹陷带中可以直接得到补充水源,当然沿深大断裂运移上升的热水也是其补充水源之一;再往北由沿深大断裂运移上升的热水,第四系潜水及沿沉积碎屑岩孔隙层中向北径流的地

20、下水构成补充水源,从根本上讲榆中盆地南部富含地下水的深凹陷带是该区地热资源最根本的补充水源,而深大断裂构造,沉积碎屑岩,基底顶部风化壳中的孔隙层为该区地下水垂向深循环和水平径流构成了既完整独立又相互交织的网络体系,为该区地热资源的形成提供了充沛的热能,水源.6结语愉中地热通过上述地球物理,地球化学特征分析,认为:(1)榆中盆地内断裂构造发育,由南向北依次为f】,f:,ff正断层,除f4断裂向北倾斜外均向南陡倾;地热异常区以f,断裂为南界,断裂为北界.(2)据电磁类剖面勘查成果,将榆中地热异常区划分为两个区块,f:反s型断裂以南为深凹陷区,以北为隐伏断阶抬升区;据电性划分的碎屑岩沉积地层,在f:

21、反s型断裂以南厚度超过1.5km,而以北急剧抬升,至f断裂附近不足500m;相应地在f2反s型断裂以南碎屑岩沉积孔隙含水地层较以北增厚,即层状热储的厚度加大.因此在f反s型断裂以南地热资源以碎屑岩沉积孔隙含水地层构成的层状热储为主,以含水断裂构造型带状热储为辅;而在f:反s型断裂以北,则以含水断裂构造裂隙型带状热储为主,沉积碎屑岩孔隙含水地层构成的层状热储为辅.(3)榆中盆地地热异常区导热通道以断裂构造为主,以沉积碎屑岩孔隙含水地层为辅;而导水通道则由断裂构造裂隙及沉积碎屑岩孔隙含水地层共同构成.(4)榆中盆地地热资源为来自于地壳深部热能,由深大断裂构造导出;前寒武系地层内侵入岩体中放射性元素的衰变热能也是其热源之一.f2反s型断裂以南富含地下水的深凹陷带则为地热资源的形成提供丰富地下水资源.(5)地温异常和极小值视电阻率闭合曲线尽管较好地反映了地热异常区,但测得的电磁