呼和浩特市烏素圖地區HR4地熱井熱水成因分析

張春華　施俊杰　趙旭　楊文凱

摘要：烏素圖地區HR4地熱井位于呼包盆地東部，根據其地質、構造及沉積環境特征，對該井的熱儲層、熱儲蓋層、地下熱源、熱水補給來源進行了分析，認為該地區地熱類型屬于地熱增溫型，地熱資源受構造和沉積地層控制，并以斷裂構造控制為主，地層巖性控制為輔。

關鍵詞：HR4地熱井；熱儲層；烏素圖

前言

地熱資源作為一種清潔能源正在被廣泛利用，開發利用地熱資源不僅能夠節約常規能源，大大減輕對環境的污染，還能成為地方旅游業發展的新亮點。

2009年至2012年，內蒙古自治區地質勘查基金管理中心在呼和浩特市烏素圖地區實施了“內蒙古自治區呼和浩特市烏素圖地區地熱普查”項目，該項目成功地打成了一眼地熱井（HR4），本文主要依據該地熱井所獲成果對區內地下熱水成因進行分析。

1.HR4地熱井及熱水資源概況

HR4地熱井位于呼和浩特市烏素圖地區，井深2503m，井身結構按設計采用三開完井工藝。一開口徑Φ444.5mm，深度400m；二開口徑Φ311.2mm，深度1603m；三開口徑Φ215.9mm，深度2503m。全井采用泥漿一清水正循環、牙輪鉆頭無芯鉆進。HR4地熱井實際利用的熱儲層為2198.8m～2389.0m之間的元古界馬家店群含水層，有效厚度23.2m。抽水試驗的涌水量穩定在668.16m³/d，出水水溫穩定在62.0℃。如果按最大降深85確定單井可開采量，推斷該井可開采量為419.9m³/d。HR4地熱井礦化度為7.401g/L～8.332g/L，PH值為7.22～9.00，總硬度（以CaCO₃計）為536.1g/L～940.8mg/L，水化學類型為CL·HCO₃-Na型。水溫度達到醫療熱礦水的命名標準，水中偏硅酸、偏硼酸、溴的含量達到或超過礦水濃度和有醫療價值濃度，可命名為溫水型醫療熱礦水。同時，HR4地熱井熱水中還檢測出Sr、Li、Ba、Fe、Zn、Se、Co、V、Mo、Mn、Ni、Cu、Ai等多種對人體有益的微量元素，可用于洗浴、醫療等。

2.地質、地貌概況

烏素圖地區位于內蒙古自治區呼包盆地東部，工作區北部為大青山中低山構造剝蝕區，以中低山為主，區內山勢險峻且切割較深，山脊多呈魚鱗狀縱向分布，溝谷多呈“V”字型樹枝狀分布，山麓地段斷續殘留多級湖岸侵蝕構造階地；南部為堆積平原區，主要由霍寨溝沖洪積扇、烏素圖沖洪積扇、壩口子溝沖洪積扇、紅山口溝沖洪積扇組成，地勢由北向南傾斜。

綜合分析解釋本次地面調查和物探工作成果，工作區內地層自上而下依次為第四系松散層、第三系（N+E）、白堊系、侏羅系碎屑巖、元古界變質巖。其中新生界沉積厚度大于1000m，中生界一般小于1000m，元古界頂板理深大于2000m。受北東向斷裂的影向，工作區太古界埋深自北向南加深，第三系埋深由北西向南東逐漸加深，在打爾架大東營一帶第三系底板埋深大致在1100m以上，元古界基底大于2500m。工作區范圍內打爾架小東營一帶相對凸起，第三系埋深較淺。

3.控熱構造

工作區北部為陰山斷隆大青山斷褶帶，南部為鄂爾多斯臺坳北部呼和浩特坳陷區。呼和浩特坳陷區又分成南北兩個次一級的構造單元，即北側的畢克齊同生背斜帶和南側的北部凹陷區，工作區跨上述兩個次一級的構造單元（見圖1），區內主干構造斷裂為大青山山前斷裂F1。

大青山山前斷裂西起包頭市西南的恩格貝，向東沿大青山南麓延伸，終止于呼和浩特特以東的奎素一帶，總體走向為北東東，全長約200km，是呼和浩特斷陷的北邊界斷裂。斷裂在地表上基本連續出露，平面上表現為折線狀，由多條呈北東走向的斷層以左行或右行斜列組成。在剖面上表現為階梯狀正斷層，斷面南傾，傾角50°～70°。斷裂在晚更新世至全新世時期活動強烈，普遍錯斷上更新統及全新統。

大青山山前斷裂形成于燕山早期，侏羅紀時為一條近東西向的右旋逆傾滑斷裂。早白堊紀時，轉變為拱張正斷層，仍具右旋性質。進入新生代以來，區域應力場發生重大變化，斷裂轉變為拉張正斷層，表現為南降北升的垂直差異運動。斷裂活動造成了兩側明顯的地貌差異。北側的大青山受斷裂控制，間歇性抬升，遭受剝蝕，形成夷平面、山前臺地、河流階地、斷層陡坎等地貌。南側受斷裂控制，持續下陷，接受巨厚的新生界沉積，在地貌上表現為廣闊的呼包平原。根據本次物探工作的成果，推測及校核工作區內5條斷裂（見圖2），分別是F2′、F3′、F6′、F7′和F8，其中F2′、F3′、F6′和F8斷裂走向均為北東向；F7′斷裂形成時期較晚，錯斷了一系列的北東向斷裂，經此次物探推測該斷裂走向為北北西向，傾向北東東。這些構造斷裂控制了山前平原的沉積特征和基底起伏特征。這些構造斷裂易形成深部熱流上升通道，有利于熱水的形成。

4.HR4地熱井熱儲層及蓋層

（1）區域熱儲層

烏素圖地區地處呼和浩特坳陷盆地，地熱特征表現為受構造和沉積地層控制。HR4地熱井的成功證實了在北部山前大斷裂及其附屬斷裂所構成的斷裂帶所在的區域，無論從地熱具備的要素方面，還是熱水的補給源方面，都是呼和浩特地區最具備地熱資源開發利用潛力的地段。在該地段，地熱資源受構造和沉積地層控制，并以斷裂構造控制為主，地層巖性控制為輔。

從地區構造、基底和大理巖分布情況、區域地熱地質條件及HR4地熱井所取資料分析，在工作區熱儲層有三種類型：

①山前斷裂帶熱儲層

主要分布在工作區平原區北部，在斷裂構造發育的山前地帶將其作為區域熱儲層是可能的。

②大理巖熱儲層

主要分布在工作區平原區北部，由于山前大斷裂可能將二道凹群大理巖斷至平原下部，使山前平原區下部可能有大理巖熱儲層存在。航磁異常圖中磁異常與呼和浩特市北部大理巖分布區相似，說明山前平原區下部有大理巖熱儲層的可能，HR4地熱井的成功證實了這一推斷。

③第三系熱儲層

根據HR4地熱井測井及鉆探資料，HR4第三系底板埋深在1010m，孔隙度小，泥質含量大，滲透率低，溫度為36.0℃～41.6℃，雖地層溫度較高，但利用價值不高，不作為HR4地熱井的熱儲層。熱2井揭露的第三系上新統、中新統以中、粗砂巖為主，因而在工作區東南部，第三系底板埋深在1000m以下，第三系上新統、中新統中、粗砂巖累計厚度可達數百米，地層溫度可達40℃左右，可選作熱儲層。

（2）HR4井熱儲層

根據HR1、HR2地熱井資料，上部古第三系及中生界熱儲層溫度低，礦化度高，不適宜開采；下部大理巖熱儲層溫度高，礦化度低，適宜開采。故在本次工作中，設計階段初定的熱儲層為斷裂帶熱儲層及中元古界馬家店群大理巖熱儲層。

HR4地熱井未鉆遇斷裂帶，HR4井揭露的含水層包括第三系、中生界及元古界馬家店群大理巖組三段，HR4地熱井鉆遇地層詳見表1。

①第三系含水層

根據測井解釋結果，工作區第三系含水層孔隙度為4.22%～14.12%，泥質含量為4.08%～64.36%，滲透率為0.67%～67.00%（10^-3μm²），導熱性和透水性較差，該熱儲層溫度36.0℃～41.6℃，平均熱儲溫度為50℃，溫度雖然較高，但其利用價值不高，不作為本次工作的熱儲層。

②中生界含水層

HR4所在地中生界地層以致密砂巖、泥頁巖、凝灰巖為主，孔隙度和滲透率都極低，測井解釋也多為干層和低產層，幾乎沒有利用價值，不作為熱儲層。

根據測井解釋結果，從1128.9m～1261.5m，井溫由43.4℃增至50.0℃，地溫梯度為4.98℃/100m，遠大于呼和浩特地區平均地溫梯度（2～3℃/100m），根據測井解釋結果，1128.9m～1133.2m為一類裂縫層，斷裂構造的導熱作用導致地層溫度的上升。

③元古界馬家店群含水巖組

根據測井解釋結果，該熱儲段共有4層含水層，總厚度23.2m，占整個熱儲段厚度的7.18%，其中單層最大厚度8.1m，最小厚度4.1m。從測井解釋來看，該熱儲層孔隙度較小，泥質含量偏高，滲透率也偏低，富水性不太理想，但經過破壁洗井后試水，該熱儲層出水情況超過了預期。這可能是由于洗井作用所致，HR4雖未鉆遇破碎帶，但根據區域地質資料及本次物探工作分析可知，HR4地熱井所在區域為F7′、F3′斷裂帶的影響區域。根據測井解釋成果，該熱儲段為二類裂縫層和三類裂縫層，裂隙較為發育，巖石較破碎，本次洗井采用的是“多磷酸鹽-噴射-壓縮空氣-水泵聯合洗井”的方法，水柱壓力及氣體壓力的瞬間釋放有助于含水層的疏通出水，增加HR4地熱井的出水能力。

因此，元古界馬家店群含水巖組為工作區最主要熱儲層。HR4地熱井實際利用的熱儲層為2198.8m～2389.0m之間的元古界馬家店群含水層，有效厚度23.2m。

（3）蓋層

熱儲蓋層起著隔熱保溫作用，并能阻止地球內部的熱能向地表傳導和散失。工作區內第四系和第三系地層為主要的熱儲蓋層。第四系總厚度288m，其中0m～85m、225m～235m、255m～270m為砂質粘土。第三系330m～420m、436m～488m、632m～682m為厚層泥巖（見圖3），粘土滲透性差，厚層泥巖膠結程度好。滲透性差，導熱率低，它把地熱儲層和上部地下水分割開來，限制了深部地熱水與淺部地下水之間的水熱循環。

5.導熱、導水通道及熱源

通道系指地下熱水在靜水壓力作用下向上涌的構造斷裂空間。該區區域上曾經過多期次的構造運動，構造斷裂相當發育。大青山山前斷裂，F2′、F3′、F6′、F7′、F8斷裂均切割深度較大，特別各深大斷裂的交匯處，會給地下熱水上涌創造極有利的條件。

工作區位于河套斷陷呼和浩特斷陷盆地的北部，深部地下水通過斷裂構造與北部基巖裂隙水和松散巖類孔隙水均相互溝通，有一定的水力聯系。山區基巖裂隙水側向補給山前平原區，山前沖洪積扇含水層厚度大，以砂礫石含水為主，涌水量都大于1000m³/d，補給條件較好。地熱水在開采后，北部基巖裂隙水以及山前第四系含水層地下水進入斷裂破碎帶，通過深部斷裂構造帶補給深部含水層（熱儲層）的循環速度會有所加快，同時補給水在向深部運移的過程中，在地熱增溫率的影響下逐漸加溫，到達熱儲層，最終形成地下熱水資源。

呼和浩特坳陷盆地具有地熱增溫型熱源，根據HR1、HR2、HR3、HR4四眼地熱井測井資料顯示，其孔深分別是3005m、3252.3m、3368.95m、2503m，孔底溫度分別是89.4℃、102℃、99.7℃、64.2℃，證明該盆地深部有熱源存在。山前大斷裂和F2′、F3′、F6′、F7′、F8斷裂均切割深度較大，與深部熱源導通，且具有多期活動的特征，增強了深部熱能向上傳導的能力。

6.結論

（1）工作區地熱類型屬于地熱增溫型，基本具備地熱形成的熱、蓋、儲、通四個條件：地熱主要來自深部隨深度增加而升高的地溫；周邊的斷裂構造的活動可構成導熱通道；來自北部山前向深部的緩慢循環的水為導熱介質；巨厚的第四系和第三系弱含水層和隔水層是該井的熱儲蓋層；元古界馬家店群熱儲層則構成了該井的熱儲層。

（2）HR4地熱井的成功是在分析以往資料的基礎上的一個突破和提高，證實了在北部山前大斷裂及其附屬斷裂所構成的斷裂帶所在的區域，無論從地熱具備的要素方面，還是熱水的補給源方面，都是呼和浩特地區最具備地熱資源開發利用潛力的地段。在該地段，地熱資源受構造和沉積地層控制，并以斷裂構造控制為主，地層巖性控制為輔。地熱孔孔深可控制在2500m左右，主要熱儲層和取水段有大理巖和斷裂破碎帶，水質、溫度和涌水量較好。