陳曉晶，虎新軍，李寧生，仵陽，程國強，倪萍，曹園園，卜進兵

(1.寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學勘查院， 寧夏 銀川 750001； 2.寧夏回族自治區(qū)地質工程院， 寧夏 銀川 750001)

0 引言

地熱作為一種清潔能源，具有儲量豐富、分布廣闊、用途廣泛等特點，近年來受到多位學者的廣泛關注[1]。汪集旸等根據地熱成因分析，將地熱系統(tǒng)分為：中低溫傳導型地熱系統(tǒng)、中低溫對流型地熱系統(tǒng)、高溫傳導型地熱系統(tǒng)、高溫對流型地熱系統(tǒng)四種類型，并認為我國大型沉積盆地中蘊含豐富的中低溫地熱資源，它們以傳導型地熱系統(tǒng)為主，在局部地帶，由于受到斷裂活動的影響形成傳導—對流的亞類[2-5]。以往眾多學者研究表明，河北雄縣地熱田屬于地類地熱系統(tǒng)，其熱源為地殼放射性元素產生的熱量和來自上地幔的熱，熱儲層為淺層的新近系砂巖及深層的薊縣系霧迷山組白云巖，導水通道為基巖中的斷裂和次生裂隙，蓋層為第四系、新近系下部和古近系致密泥巖[6-11]。相比較，銀川斷陷盆地內部為以古近系、新近系砂巖為儲層，第四系泥巖、黏土為蓋層的“傳導型”地熱[12-15]，其埋藏深、熱水礦化度高。但近年來以天山海世界井田為典型的鉆探實踐揭示：銀川盆地東緣賦存有顯著區(qū)別于盆地內部“傳導型”的地熱資源，其成藏特征與河北雄縣地熱田類似，具有埋深淺、熱水礦化度低、易開發(fā)利用等優(yōu)點，因此，比勘查利用傳統(tǒng)的斷陷盆地深部的地熱資源(如Y1井)更具開采意義[16]。筆者以地球物理及鉆孔資料為基礎，對銀川盆地東緣地熱資源的成藏模式進行了分析探討，為該區(qū)后期地熱勘探開發(fā)與研究提供依據。

1 區(qū)域地質與地球物理概況

1.1 地質構造概況

如圖1所示，研究區(qū)位于銀川斷陷盆地東緣，北界為正義關斷裂東延，南界為靈武南—磁窯堡一帶，西側以黃河斷裂為界，大地構造位置屬柴達木—華北板塊Ⅰ級構造單元、華北陸塊Ⅱ級構造單元、鄂爾多斯地塊Ⅲ級構造單元、鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶Ⅳ級構造單元、陶樂—彭陽沖斷帶內北段陶樂—橫山堡陸緣褶斷帶Ⅴ級構造單元[17]，NNE向斷裂構造發(fā)育，黃河斷裂為最主要的控邊斷裂[18-24]。鉆孔資料表明，新生界下伏多套中、古生界地層，由老到新依次為：寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及白堊系。由于周緣巨厚的新生代沉積覆蓋，前新生代地層出露非常有限，僅在橫山堡、靈武之間有較大面積的白堊系地層出露，這些地層作為隆起區(qū)地熱資源的儲層、隔熱層及沉積蓋層，共同構成了本區(qū)地熱資源的賦存環(huán)境。

1—上部風積層；2—湖沼積層；3—下部風積層；4—靈武組；5—馬蘭組；6—水洞溝組；7—洪積層；8—干河溝組；9—彰恩堡組；10—清水營組；11—宜君組；12—廟山湖組；13—直羅組；14—延安組；15—上田組；16—大風溝組；17—二馬營組；18—和尚溝組；19—劉家溝組；20—孫家溝組；21—上石盒子組；22—下石盒子組；23—山西組；24—羊虎溝組；25—靖遠組；26—中寧組；27—米缽山組；28—天景山組；29—胡魯斯臺組；30—陶思溝組；31—王全口組；32—黃旗口組；33—趙池溝巖群；34—宗別立巖組；35—賓布勒巖組；36—英云閃長巖；37—黑云母花崗巖；38—隱伏斷層；39—裸露斷層1—upper aeolian deposits；2—lacustrine deposits；3—lower aeolian deposits；4—Lingwu formation；5—Malan formation；6—the tunnel ditch formation；7—diluvium layer；8—Ganhegou formation；9—Zhangenbao formation；10—Qingshuiying formation；11—Yijun formation；12—Miaoshanhu formation；13—Zhiluo formation；14—Yan′an formation；15—Shangtian formation；16—Dafengou formation；17—Er′maying formation；18—Heshanggou formation；19—Liujiagou formation；20—Liujiagou formation；21—upper Shihezi formation；22—lower Shihezi formation；23—Shanxi formation；24—Yanghugou formation；25—Jingyuan formation；26—Zhongning formation；27—Miboshan formation；28—Tianjingshan formation；29—Hulustai formation；30—Taosigou formation；31—Wangquankou formation；32—Huangqikou formation；33—Zhaochigou group；34—Zongbieli rock group；35—Binbulite formation；36—tonalite；37—biotite granite；38—concealed fault；39—exposed fault圖1 銀川盆地地質構造Fig.1 Geological structure map of Yinchuan basin

1.2 地球物理概況

1.2.1 重力場特征

研究區(qū)布格重力異常整體上表現為NNE向展布的高值區(qū)特征，反映出深部地層整體隆升；局部上，高值區(qū)帶內部重力場特征差異明顯，南部橫山堡、臨河鎮(zhèn)附近的布格重力高異常呈橢圓狀展布，形態(tài)較規(guī)則，反映了沖斷帶南部基底局部隆升幅度較大；中部布格異常值逐漸降低，至月牙湖鎮(zhèn)附近，為重力異常低值區(qū)；北部禮和鄉(xiāng)以東區(qū)域，存在布格重力高值區(qū)。綜上所述，該區(qū)布格重力異常反映了陶樂—橫山堡沖斷帶內部南北高、中部低的基底隆升特征[25-26]。

1.2.2 航磁場特征

研究區(qū)以平穩(wěn)而略有起伏的負磁場為主要展布特征，僅在內蒙古自治區(qū)鄂托克前旗境內的巴音陶亥南部分布一處面積較大、形態(tài)規(guī)則的局部高磁異常，其西側梯度陡、東側梯度緩，對應著西緣褶斷帶的地質和構造特征。

2 地熱地質特征

2.1 地熱異常顯示

圖2熱異常礦區(qū)位置及鉆孔測溫曲線揭示，該區(qū)內地熱異常明顯，且南北部均有分布。其中：北部三眼井勘探區(qū)最高井底溫度值52.4℃，深度1 360 m，最低溫度值31.4 ℃，深度673 m；中部紅墩子礦區(qū)井底溫度值最高為30 ℃，深度640 m，最低地溫值23 ℃，深度636 m；天山海世界井田DRT-03鉆孔深度1 690 m處，井底溫度可達64.03 ℃。

2.2 地溫梯度分布

如圖3所示，平面上，銀川平原地溫梯度異常以平羅南為中心呈NW向展布，東部隆起區(qū)地溫梯度約在(2～4.4)℃/100 m之間，最高值位于盆地東緣隆起區(qū)的平羅南(4.4 ℃/100 m)，地溫梯度明顯高于盆地內。

如圖4所示，縱向上，隆起區(qū)地溫梯度變化直接受地層巖性控制。上部新生代中粗砂巖及泥巖地層中，地溫梯度由淺部向深部呈線性逐漸增大，中部古生代石炭—二疊系含煤地層中地溫梯度隨著深度明顯陡增，最高可達5.04 ℃/100 m，深部穿過煤系地層進入奧陶系灰?guī)r地層后地溫梯度則又逐漸變小。

圖2 熱異常礦區(qū)位置Fig.2 Location map of thermal anomaly mining area

圖3 銀川平原地溫梯度分布Fig.3 Geothermal gradient distribution map of Yinchuan plain

圖4 天山海世界地熱井地溫梯度變化Fig.4 Geothermal gradient change map of Tianshan sea world geothermal well

3 地熱成藏模式探討

以河北雄縣地熱類型及特征為參考，按照熱源、導熱通道及儲蓋組合等特征，將銀川盆地東緣隆起區(qū)地熱類型歸納為盆地邊緣中低溫“傳導—對流混合型”。

3.1 熱源分析

處于南北構造帶北段鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶內，這一特定的大地構造環(huán)境造就了本區(qū)具有良好的深部熱源條件。以銀川平原航磁資料為基礎估算的銀川平原居里等溫面[27]如圖5所示，等溫面隆起區(qū)以平羅為中心呈NW向展布，SE向居里面深度較淺，等深線逐漸圈閉。由此認為，銀川盆地東緣居里等溫面相對較淺，致使地殼深處的熱流在傳遞過程中聚集于淺部，形成局部熱流高值異常區(qū)。

圖5 銀川平原居里等溫面深度Fig.5 Depth map of Curie isothermal surface in Yinchuan plain

3.2 導熱導水研究

黃河斷裂作為銀川盆地規(guī)模最大的邊界斷裂，淺部南段為裸露狀，中北段表現為隱伏狀[28]，圖6～圖7為研究區(qū)大地電磁測深剖面及銀川盆地深地震疊加剖面解釋成果[29]，研究表明黃河斷裂作為盆地邊緣一張性斷裂，具有規(guī)模大、切割深、延伸遠等特征，同淺部發(fā)育的多條小規(guī)模次級斷裂組成的“黃河斷裂系”，構成了地熱流體良好的導熱導水通道。

3.3 熱儲蓋層探討

依據研究區(qū)地熱鉆孔揭露的地層巖性特征與綜合測井資料分析，研究區(qū)熱儲層為奧陶系，蓋層為石炭—二疊系與新生界地層。

3.3.1 熱儲層

如圖8所示，受基底構造控制，本區(qū)奧陶系熱儲層頂板埋深700～1 050 m，厚度近千米。巖性主要為泥質灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖、頁巖互層，巖層裂隙發(fā)育，裂隙率為2.70%～20%，滲透率為0.01～115.4 μm2。測井溫度、地溫梯度數據顯示，該段井溫較高，為38℃～64℃，地溫梯度變化緩慢且隨深度增加逐漸減小。即：該層段富水性好、裂隙發(fā)育、地層厚度大，可作為有利的熱儲層。

3.3.2 蓋層

蓋層是地熱賦存的重要地質條件之一。本區(qū)蓋層主要為第四系、新近系、古近系、二疊系、石炭系地層，其中石炭—二疊系組成第一蓋層，古近系、新近系與第四系構成第二蓋層，地層總厚度約500～1 000 m。巖性主要以砂巖、粉砂巖、泥巖、泥質砂巖、砂質泥巖、炭質泥巖細砂、砂黏土為主，此類巖石熱導率較低，均小于2.3 W/(m·℃)，石炭—二疊系所含煤系地層熱導率最低為0.61 W/(m·℃)[30]。如圖8所示，此巖段地溫梯度變化較快，最大值與最小值相差4.03 ℃/100 m。綜上，此組地層隔熱保溫作用好，厚度大，發(fā)育范圍廣，構成了本區(qū)良好的地熱蓋層條件。

3.4 地熱成藏模式總結

銀川盆地東緣地熱資源成藏模式如圖9所示，具體可歸納為：由正常地溫梯度增加所積累的熱量聚集于銀川斷陷盆地東緣隆起區(qū)，黃河斷裂系將高孔高滲的奧陶系熱儲層中富含的基巖孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖裂隙孔隙水向上運移，在局部凸起部位富集，上覆大面積的低熱導率的石炭—二疊系，對地熱能的逸散進行首次阻隔，其上厚度較大的新生界地層對深部熱能進行二次保護。

圖6 賀蘭山—陶樂北大地電磁測深(MT)剖面Fig.6 Helanshan-Taolebei magnetotelluric sounding (MT) profile

圖7 銀川盆地深地震疊加剖面解釋結果[29]Fig.7 Interpretation results of deep seismic superimposed sections in Yinchuan Basin[29]

圖8 地熱井地層溫度變化Fig.8 Formation temperature change diagram of geothermal well

綜上所述，銀川盆地東緣隆起區(qū)地熱成藏必要條件有3個：① 要有斷裂體系作為導熱導水通道，在銀川盆地東緣即黃河斷裂系；② 高孔高滲、裂隙發(fā)育的奧陶系灰?guī)r為熱儲層；③ 大厚度、大面積、低熱導率的石炭—二疊系與新生界砂巖、泥巖、頁巖為蓋層。

圖9 地熱資源成藏模式Fig.9 Geothermal resource accumulation model map

4 結論

1) 鉆孔測溫數據顯示，銀川盆地東緣隆起區(qū)內地熱異常明顯，且南、北段均有分布。平面上，地溫梯度異常最高值位于盆地東緣隆起區(qū)的平羅南，為4.4 ℃/100 m，明顯高于盆地內部。縱向上，隆起區(qū)地溫梯度變化直接受地層巖性控制。淺部地溫梯度呈線性逐漸增大，中部地溫梯度隨著深度明顯陡增，深部地溫梯度又逐漸變小。

2) 以構造成因與熱傳遞方式為依據，將銀川盆地東緣隆起區(qū)地熱類型歸為“傳導—對流混合型”。

3) 銀川盆地東緣地熱成藏模式為：由正常地溫梯度增加所積累的熱量聚集于斷陷盆地邊緣凸起區(qū)并形成高地溫異常區(qū)，黃河斷裂作為導熱導水通道將奧陶系中的孔隙、裂隙水向淺部運移，石炭—二疊系與新生界地層覆于奧陶系之上，防止熱能散失。

4) 銀川盆地東緣地熱成藏三個必要條件：一是要有斷裂體系作為導熱導水通道；二是高孔高滲、裂隙發(fā)育的灰?guī)r為儲層；三是大厚度、大面積、低熱導率的泥巖、頁巖為蓋層。

黃河斷裂作為控制銀川盆地的東部邊界斷裂，垂直斷距較大，銀川盆地東緣地熱來源是否為深切至地幔的張性斷裂(黃河斷裂)作為導熱通道，將來源于深部地幔的熱能向上導入，并將奧陶系中富含的基巖孔隙水、碳酸巖鹽裂隙巖溶水、碎屑巖孔隙水加熱，將是下步研究的重點。