易 煒， 徐 強， 趙 岳

(1.中化地質(zhì)礦山總局，北京 100013； 2.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

地熱能是來自地球內(nèi)部且能量巨大的可再生能源，在利用過程中連續(xù)穩(wěn)定且基本不排放污染物，具有強大的社會經(jīng)濟與環(huán)保優(yōu)勢[1]。山西省地熱資源相當豐富，分布非常廣泛。目前已發(fā)現(xiàn)的地下熱水點230余處，露頭點約500個[2-4]。晉中盆地位于山西省中部，是一個典型的新生代山間斷陷盆地，整體呈北東向延展，長度約120 km，寬度約45 km。其中位于太原地區(qū)向北延伸的部分為目前晉中盆地主要的地熱田分布區(qū)(圖1)，巖溶地熱資源非常豐富，截至2018年底，已鉆有地熱井54眼，多數(shù)井口水溫在61～74℃，存在巨大的地熱資源開發(fā)潛力[5-8]。研究區(qū)域位于晉中盆地西南部，主體區(qū)域為介休市及其北部。目前該地區(qū)實施的鉆井揭示熱儲特征及出水溫度與太原地區(qū)有相似之處，且該地區(qū)亦處于構(gòu)造活躍地區(qū)，具有一定的地熱資源勘探與開發(fā)潛力。本文以研究區(qū)礦產(chǎn)資源勘探及實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合前人對晉中盆地熱儲及地熱資源研究成果，分析晉中盆地西南部熱儲特征、地溫場及地熱水化學(xué)特征，進而探討該地區(qū)的地熱資源潛力。這對形成該區(qū)域地熱資源發(fā)育與分布規(guī)律的系統(tǒng)認識，以及指導(dǎo)下一步地熱資源勘探和開發(fā)利用具有重要的理論與實際意義。

1-前寒武系；2-寒武系—奧陶系；3-石炭系—二疊系；4-三疊系—侏羅系；5-古近系—第四系；6-燕山期構(gòu)造；7-喜馬拉雅期構(gòu)造；8-向斜/背斜軸跡；9-正/逆斷層；10-熱水點；11-城市圖1 晉中盆地區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)圖(據(jù)參考文獻[8])

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地層特征

晉中盆地地表由第四系覆蓋，周緣隆起區(qū)由前寒武系至侏羅系均有出露，呈現(xiàn)由北西向南東方向逐漸變新趨勢(圖1)。區(qū)域構(gòu)造-地層格架揭示，晉中盆地于加里東運動及印支-燕山運動期間出現(xiàn)過兩次長時間的沉積間斷，造成該區(qū)域的泥盆系—志留系的整體缺失及大面積的侏羅系—白堊系缺失(圖2)，因此區(qū)域上由老至新共發(fā)育五套構(gòu)造層。

1)前寒武系。形成于五臺-呂梁構(gòu)造期，為殼-幔分異、克拉通化作用下形成的一套變質(zhì)巖結(jié)晶基底[9]，晉中盆地及周邊區(qū)域基底普遍發(fā)育(圖2、圖3)。在晉中盆地西北部及北部隆起區(qū)大面積出露(圖1)，在盆地內(nèi)部，下古生界角度不整合于該套構(gòu)造層之上(圖3)。

2)寒武系—奧陶系。在區(qū)域上，下古生界以海相沉積為主，下部的寒武系在臨汾至太原地區(qū)剝失厚度較大，上部奧陶系則在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同時間段的沉積間斷(圖2)。該套構(gòu)造層系在晉中盆地西北部周緣隆起區(qū)呈大面積出露，其中奧陶系主要由厚層狀的石灰?guī)r組成，表生巖溶作用顯著，是盆地的主要熱儲層[9-13]。

3)石炭系—二疊系。上古生界以海陸交互相含煤地層為主，巖性主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖和煤層(圖2)。有前人研究成果揭示該套構(gòu)造層系除了作為主要的含煤層系外，也是晉中地區(qū)熱儲的直接蓋層[6, 9]，其發(fā)育情況對地熱資源的保存起決定作用。

1-泥巖；2-砂巖；3-碎屑巖；4-鐵鋁質(zhì)砂巖；5-灰?guī)r；6-鮞粒灰?guī)r；7-豹斑灰?guī)r；8-白云巖；9-基底；10-相變線；11-熱儲；12-熱蓋層圖2 晉中盆地及鄰區(qū)構(gòu)造-地層格架圖(據(jù)參考文獻[5])

4)三疊系—侏羅系。該套構(gòu)造層系主要為陸相碎屑巖建造，巖性以細粒砂巖、粉砂巖夾薄層泥巖、砂質(zhì)泥巖，其中細粒砂巖、粉砂巖具大型板狀交錯層理。三疊系主要在新安至太原地區(qū)發(fā)育，大同地區(qū)缺失，而侏羅系主要在大同地區(qū)發(fā)育，其他區(qū)域基本缺失(圖2)。該套構(gòu)造層系與下伏地層呈角度不整合接觸，并于盆地東南部的隆起區(qū)大面積出露，以三疊系為主。

5)古近系—第四系。新生界主要為陸相沉積，呈松散或半成巖覆蓋于整個盆地的地表，與下伏各時代地層呈角度不整合接觸，是晉中盆地的沉積主體，亦是熱儲的區(qū)域蓋層[6, 9]。

1.2 構(gòu)造特征

晉中盆地是一個新生代斷陷盆地，疊加在中生代擠壓作用形成的北東向展布的五臺山背斜南翼斜坡帶上，它是古近紀長期下沉及反復(fù)活動形成的[6](圖3)。盆地周邊發(fā)育眾多的隆起和斷裂等構(gòu)造，在各個時期不同程度的活動影響下，控制著盆地的邊界及盆地發(fā)育過程。這些構(gòu)造活動，使盆地的基底差異性升降運動，并伴生斷裂構(gòu)造，形成一系列隆起和凹陷。

圖3 晉中盆地構(gòu)造地層剖面示意圖

晉中盆地周邊斷裂均呈繼承性發(fā)育，盆地東南側(cè)的洪山-范村斷裂帶整體呈折線狀，具有三段式發(fā)育特征。南段為洪山-軍寨斷裂帶，繼承中生代北北東向的逆沖斷裂(北西盤向東南盤逆沖)而呈反向發(fā)展；中斷和北段則分別繼承北東東向和北東向的正斷裂而呈同向發(fā)展(圖3)?？刂婆璧匚鞅辈窟吔绨l(fā)育的清徐杏花斷裂(前人亦有稱之為交城斷裂)主要形成于燕山期，中生代呈北東向逆沖斷裂，具有樞紐斷層性質(zhì)，新生代以來至今，受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場變化影響，斷層性質(zhì)由早期的逆沖斷層轉(zhuǎn)變?yōu)閺埿哉龜鄬樱婢哂倚呋至縖14]。該斷層在平面分布上亦呈折線狀，南段過文水、交城和清徐，呈北東向延伸，在清徐北部分為兩支，一支呈北北東向近南北向延伸，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸北蔽飨蜓由?即現(xiàn)今的大留斷裂)再轉(zhuǎn)為北東向延伸(即現(xiàn)今的關(guān)口斷裂)，另一支呈北東東向延伸(即現(xiàn)今的田莊斷裂)，為該區(qū)域較大的隱伏斷裂，已得到地球物理探測的證實[15]。在剖面上，清徐杏花斷裂總體傾向南東向，控制盆地西北邊界，對盆地整體的延伸和盆地沉降及內(nèi)部地層沉積起到明顯控制作用。

綜合區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)及盆地構(gòu)造地層剖面可以看出晉中盆地沉積主體為新生界，斷陷深洼主要位于東陽-祁縣斷裂西北部，西南部總體呈凸起帶，逐漸向周緣隆起過渡。斷陷在祁縣一帶發(fā)育次凸起，在次凸起上鉆井揭示存在燕山期的火山巖侵入體。

研究區(qū)位于晉中盆地西南部，地理范圍上包括介休市及其北部區(qū)域。該區(qū)域主要發(fā)育兩組不同方向的斷裂，一組為北北東至北東東走向的洪山-軍寨斷裂及與其同走向的三給北賈斷裂、平遙斷裂及凈化斷裂等，一組為北西走向的東許斷裂和宏寺大堡斷裂及其附屬斷裂(圖1)。兩組不同方向斷裂相互作用形成研究區(qū)復(fù)雜構(gòu)造變形，為地熱資源提供有利構(gòu)造條件。

1.3 區(qū)域水文地質(zhì)

晉中盆地在構(gòu)造、風化及地下水等因素綜合作用下，巖石產(chǎn)生裂隙和巖溶，為區(qū)域地下水儲存創(chuàng)造良好條件。水系類型主要分為三類：一為松散巖類孔隙水，賦存于盆地中松散堆積物中，多為沖(洪)積扇中的砂礫石層，孔隙發(fā)育，相互連通，補給條件好；二為碎屑巖類裂隙水，主要賦存于基底石炭系、二疊系、三疊系砂巖和灰?guī)r裂隙中，以大氣降水入滲側(cè)向補給為主；三類為碳酸鹽類巖溶裂隙水，主要賦存于奧陶系灰?guī)r中，以大氣降水補給為主，以地下徑流方式補給為輔[9]。

2 地熱地質(zhì)條件

研究區(qū)位于晉中盆地西南部，以往地熱勘查井揭露地層至寒武系，煤成氣勘查井揭露地層為奧陶系頂部。本次研究以鉆探揭露的地層巖性及鉆測井數(shù)據(jù)為主，綜合分析研究區(qū)地熱資源潛力。

2.1 熱儲特征及埋藏條件

根據(jù)區(qū)域熱儲分布特征，結(jié)合研究區(qū)鉆探揭露的地層組合巖性、鉆井時的簡易水文觀測及鉆孔測井解釋，研究區(qū)內(nèi)熱儲層總體可以分為三個不同深度的熱儲層。

第一熱儲為奧陶系至寒武系碳酸鹽巖溶裂隙型熱儲：主要為海相石灰?guī)r，研究區(qū)普遍發(fā)育，具有埋藏深、水溫高、出水量較大的特點。奧陶系主要為表生巖溶裂隙型含水巖組熱儲，以厚層灰?guī)r為主，夾白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r和鮞?；?guī)r(圖4)。由于該區(qū)域經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運動，相對脆性的灰?guī)r及白云巖形成大量裂隙，后經(jīng)地下水運移、溶蝕作用形成了溶洞、溶孔及溶蝕裂隙等，其中溶蝕裂隙和溶洞是地下熱水良好的儲藏空間和運移通道。熱儲總厚度500～700 m，有效厚度100～200 m。介探6地熱井揭露的奧陶系頂部平均地溫約53℃(圖5)，屬于低溫地熱資源之溫熱水。X地熱井單井出水量約400m3/d，出口水溫50℃左右，是該區(qū)開發(fā)利用的主要熱儲層[16]。該套熱儲整體富水，水位線明顯高于其上部地層(圖4)，且兩口井揭露的奧陶系灰?guī)r的視電阻率與密度曲線同步明顯低值也反映了地層裂隙相對發(fā)育，富水性好。但富水性強弱往往因裂隙發(fā)育程度及埋藏深度變化而存在明顯差異性，一般在埋藏較淺、構(gòu)造裂隙相對發(fā)育地段，熱儲富水性較強，埋藏深、構(gòu)造裂隙不發(fā)育地段，富水性弱。

第二熱儲為二疊系—三疊系砂巖裂隙型熱儲：主要是河流相砂巖，在研究區(qū)普遍發(fā)育，巖性穩(wěn)定，與第三系(古近系、新近系)熱儲相似，亦具有埋藏淺、水溫低、出水量小的特點。X地熱井測井顯示該段中細粒砂巖層為儲水層段，平均地溫約40℃(介探6地熱井平均地溫約44℃)(圖5)，屬低溫地熱資源之溫熱水。但因該層具有出水量弱、地溫低的特點，因此總體利用價值不高，可做為下部碳酸鹽巖熱儲的直接蓋層。

第三熱儲為新生界第三系砂巖及砂礫巖孔隙型熱儲：主要為河湖相半膠結(jié)的砂層及砂礫層，在研究區(qū)普遍發(fā)育，巖性穩(wěn)定，具有埋藏淺、水溫低、出水量較弱的特點。但因該層出水量弱、地溫低，利用價值不高，可視為下部地熱儲層的間接蓋層。

圖4 研究區(qū)地層巖性及水文地質(zhì)綜合柱狀圖

2.2 地溫場特征

晉中盆地是一個新生代斷陷盆地，新生代強烈構(gòu)造活動為盆地帶來了充足的熱量。盆地西南部清徐地區(qū)熱流值高達79.12 mW/m2，明顯高于中國大陸平均熱流值60.4 mW/m2[3, 5]。前人研究認為該盆地的高熱流異常是因為新生代時期地殼與南部臨汾盆地具有相似的熱結(jié)構(gòu)特征，即具有低速、高導(dǎo)、高溫特性的高導(dǎo)層存在，且地殼呈簡單剪切的大地構(gòu)造活動，因此盆地熱異常帶并非處于盆地中心部位，而是位于盆地西南部清徐地區(qū)[2, 6]。

受深部熱異常影響，晉中盆地淺層地溫場分布特征及其所反映出的地溫類型、蓋層保/聚熱效果也明顯不同，主要反應(yīng)在一些典型地熱鉆井的地層溫度-深度關(guān)系上。SL-1井與SS-1井位于晉中盆地太原南部，地層溫度隨深度增加基本(略高)呈線性增加，顯示蓋層至熱儲層的地溫梯度基本不變(變化較小)，為2.0～3.0 ℃/100m，屬于傳導(dǎo)型地溫類型(圖5a，圖5b)。該地溫類型是我國主要地熱資源類型，通常埋藏深度相對大。S2井位于太原市西南部，奧陶系—寒武系熱儲上部蓋層僅500m，但該井位于西部晉中斷裂附近，該斷溝通了深部熱源，形成強烈熱對流作用，對熱儲產(chǎn)生強烈加溫作用，使得該區(qū)域在300 m左右地層溫度呈迅速增溫趨勢，石炭系蓋層地溫梯高達5℃/100 m，屬于深部熱對流型地溫類型(圖5c)。該地溫類型揭示即使熱儲蓋層較薄，但受深部強烈熱對流作用影響，蓋層仍具有良好的保熱、聚熱效果。TD-1井位于田莊斷裂中北部，與S2井存在相似的地溫變化特征，500 m以淺的蓋層最高溫度約50℃，地溫梯度一度高達7.2℃/100 m，向深層石炭系—二疊系直接蓋層至寒武系—奧陶系熱儲層的地溫又呈線性增加趨勢(圖5d)。研究區(qū)介休市北部實施的地熱井，兩側(cè)發(fā)育有北北西走向的大斷裂，兩條斷裂的強烈構(gòu)造活動為該地區(qū)帶來充足熱量，深部存在強烈熱對流作用對淺層蓋層起到增溫效果，因此500 m以上的蓋層地溫梯度約4.5℃/100 m， 石炭系—二疊系直接蓋層的地溫梯度也高于下部寒武系—奧陶系熱儲地溫梯度(圖5e)。介探6井位于介休市與平遙縣之間，揭露奧陶系熱儲頂部。該井受到凈化斷裂、平遙斷裂及北賈斷裂的共同影響，因此地溫-深度曲線也揭示出深部熱對流型的地溫類型。

圖5 晉中盆地典型地熱井溫度-深度關(guān)系(據(jù)參考文獻[5])

綜上所述，晉中盆地主要發(fā)育兩類地溫類型，一是傳導(dǎo)型地溫類型，地溫隨著深度增加基本呈線性增加趨勢；二是對流型地溫類型，以深部熱流對流型為主，全盆普遍發(fā)育，這與深部地殼熱結(jié)構(gòu)異常及溝通熱源的深大斷裂活動密切相關(guān)。該類地溫類型中地溫曲線存在一個共同點，即在淺部高熱流值背景下，地溫梯度在一定深度上往往會出現(xiàn)一個變化的拐點，由此向深部通常對應(yīng)著低的地溫梯度段。這與雄安新區(qū)地熱井及法的蘇爾茨地區(qū)地熱井具有高度相似性[17]。

2.3 地熱水化學(xué)特征

研究區(qū)西南地區(qū)熱儲主要為奧陶系—寒武系巖溶熱儲，以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主。研究區(qū)地下熱水的相對年齡約一萬多年，揭示該區(qū)域地熱流體在地下交替相對緩慢，主要為巖溶古水。該水主要來自大氣降水及汾河水。該水氟離子含量相對較高，可能是地下流體經(jīng)深循環(huán)與圍巖充分溶濾有關(guān)。研究揭示研究區(qū)的深部地熱水處于相對半封閉狀態(tài)，屬于深埋滯留型巖溶古水。

3 地熱資源潛力分析

研究區(qū)熱儲模型由蓋層、熱儲層、熱源通道及熱源4個要素組成。直接蓋層為石炭系煤系地層及二疊系碎屑巖，間接蓋層為新生界的古近系—第四系，蓋層厚度1 200～1 600 m。熱儲為奧陶系—寒武系碳酸鹽巖，巖溶普遍發(fā)育，部分層段裂隙、巖溶不發(fā)育。熱源主要來自于巖漿巖殼，與簡單剪切作用下形成的非對稱熱異常結(jié)構(gòu)有關(guān)[6]。地下熱水主要來自古代大氣降水及汾河水從西、南裸露灰?guī)r區(qū)、斷層破碎帶或孔隙裂隙向地下滲入，在漫長的地質(zhì)年代及水頭差位置能作用下，源源不斷向深處運移，水向深處運移過程中被圍巖加熱后產(chǎn)生密度差，造成自然的水熱對流，受熱流體循環(huán)上升，送至地殼淺部奧陶系—寒武系巖層，并在巖溶裂隙溶隙中儲存下來，成為當今的熱水。

研究區(qū)所在區(qū)域地熱區(qū)邊界條件主要受到西部東許斷裂及南部北賈斷裂控制，北部受宏寺大堡斷裂限制，面積約20 km2，奧陶系有效熱儲厚度約90m，平均溫度50℃。綜上，晉中盆地西南部總體的地熱資源開發(fā)潛力可觀。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)主力熱儲為奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙型熱儲，主要為海相石灰?guī)r，夾白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r和鮞粒灰?guī)r。復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)運動及地下水運移、溶蝕共同作用下形成的溶蝕裂隙和溶洞是地下熱水良好的儲藏空間和運移通道。巖溶熱儲總厚度500～700 m，有效厚度100～200 m，熱儲地溫高達55℃左右，水溫約50℃，具有埋藏深、水溫高、出水量較大的特點。

2)研究區(qū)主發(fā)育深部熱流對流地溫類型，與深部地殼熱結(jié)構(gòu)異常及溝通熱源的北北西向宏寺-大堡斷裂、東許斷裂及北北東向的平遙斷裂、凈化斷裂及北賈斷裂等深大斷裂活動密切相關(guān)。在淺部高熱流值背景下，淺部蓋層受深部熱對流增溫作用，保熱、聚熱效果較好，地溫梯度在一定深度上往往會出現(xiàn)一個變化拐點，由此向深部通常對應(yīng)著低的地溫梯度段。

3)奧陶系巖溶熱儲為研究區(qū)最有利勘探開發(fā)層位，熱儲地熱資源量較大，在醫(yī)療價值及采暖等方面表現(xiàn)出一定開發(fā)潛力。