內蒙古棋盤井地區地熱田特征研究

王平偉，王永懷，鄧國成，白曉飛，吳 俠，劉世響

(1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質物探工程技術研究中心，河南 鄭州 450009)

棋盤井鎮地熱田位于華北地臺鄂爾多斯盆地西緣逆沖帶之桌子山斷褶帶，區域受東西向應力擠壓，形成了以南北向為主的構造格架，并控制著區域地層、構造和地熱水的分布規律。研究區地熱資源豐富，多分布在南北向構造的次級構造破碎帶以及與北東向構造的交匯部位，潛在資源儲量巨大，找礦意義巨大[1-2]。近些年來，開發綠色能源逐漸成為研究的熱點，是緩解能源危機的主要措施之一，尤其是地熱資源具有儲量大、分布廣和清潔安全優勢。國內外地熱資源的利用主要以供暖、發電、醫療等為主，對地熱資源的利用程度較低，亟待后續研究提高地熱能源的利用率。棋盤井鎮以豐富的地熱資源為依托，結合國家實施西部大開發戰略契機，為發展區域經濟，提出了開發棋盤井地區地熱資源的戰略目標。因此，為了推動該戰略計劃的順利進行以及擴大該區域地熱水資源找礦遠景區，以二維地震勘探和可控源音頻大地測量方法為主，對棋盤井鎮地區的地熱田特征進行了研究，為進一步勘查鉆孔布設位置的確定提供依據，同時為進一步開發規劃提供基礎依據。

1 地熱田區域地質概況

1.1 地層

地熱田位于區桌子山背斜向南傾伏的東翼，區內新生界覆蓋較厚，尤其是上更新統(Q3)黃土、粉砂巖以及全新統(Q4)沖積層砂礫巖(圖1)。區域地層由老到新依次為：①下奧陶統三山子組(O1s)，巖性為灰色灰巖與石英砂巖組合；②下奧陶統馬家溝組(O1m)，為青灰色厚層狀生物碎屑灰巖；③上石炭統本溪組(C2b)，由砂質泥巖、黏土巖、鐵質砂巖等組成，是山西式鐵礦的主要賦礦層位；④上石炭統太原組(C2t)，由灰白色石英質細砂巖以及煤層組成，是重要的含煤層位之一；⑤下二疊統山西組(P1s)，由砂巖、黏土巖以及煤層組成，為重要的含煤層位之一；⑥下二疊統石盒子組(P1x)，為1套河床相的細碎屑巖組合；⑦上二疊—下三疊統石千峰群(P2T1)，巖性為雜色碎屑巖、泥巖、泥灰巖；⑧下白堊統志丹群(K1zh)，由礫巖、砂巖、砂礫巖及泥巖等組成；⑨古近系(E)，巖性為深灰色泥巖、砂巖；⑩新近系(N)，由棕紅色泥巖、粉砂巖夾泥灰巖、礫巖等組成[3]。

圖1 棋盤井鎮地熱田區域地質簡圖Fig.1 Geothermal field regional geological diagram of Qipanjing Town

1.2 構造

區域構造發育，受桌子山背斜影響，區內發育一系列的褶皺構造和斷裂構造(圖1)，其中褶皺軸向以近南北向為主，如桌子山背斜、崗德爾山復背斜和卡布其復向斜等。其中研究區位于桌子山背斜向南傾伏的東翼，桌子山背斜北起千里山，南至棋盤井鎮，長約55 km，東西寬約10 km，軸向近南北向。核部為中太古界烏拉山群變質巖系，兩翼由震旦系—二疊系地層構成，東翼另有三疊紀和侏羅紀地層卷入褶皺變形?？傮w上核部老變質巖和翼部青白口系及寒武系中部分層位是隔水、阻水的，系統內地下水僅能通過斷裂導通側向補給巖溶水和其他地下水。

苛素烏逆斷層(F2)為一壓性逆斷層，走向呈近南北向，斷層傾角較大，一般為50°～76°，斷層錯距0.1～1.0 km，下盤可見牽引褶皺，被新生界地層覆蓋，多為隱伏斷層；西來峰逆斷層(F4)走向340°，長15 km，斷層面傾向西至南西，傾角45°～80°，斷距90～300 m，斷層破碎帶發育；棋盤井東F86張性斷裂位于棋盤井鎮東，走向近東西，傾向南，傾角70°～80°，落差50～100 m，上盤為中—上石炭統及下二疊統砂巖，下盤為中石炭統砂巖及下奧陶統灰巖。

地熱田范圍內未見巖漿巖出露。

2 地熱田區域水文地質特征

2.1 巖溶水含水巖組特征

(1)中—上寒武統弱含水巖組。中—上寒武統巖性為薄層灰巖夾中厚層灰巖、白云質灰巖、白云巖、泥質條帶灰巖、竹葉狀灰巖、鮞狀灰巖、瘤狀灰巖、頁巖及生物碎屑灰巖，該巖組由于層薄、質不純、含泥質及白云石，故溶蝕作用微弱，巖溶化程度很低，方解石含量高的層位，溶蝕作用稍強，為弱含水層，而泥質條帶含量高的層位及頁巖段則為隔水層。該組只在裸露區接受降雨補給，徑流不暢，不能形成統一的區域性巖溶含水層，為弱含水巖組。

(2)下奧陶統三山子組弱含水巖組。該組巖性為石英砂巖、白云質灰巖及灰巖互層，中下部夾生物碎屑灰巖、泥質白云巖，厚50～198 m。該組中的白云質灰巖及灰巖有一定的巖溶溶蝕作用，為弱含水層，而石英砂巖則為隔水層，三山子組層薄，且含水層分布不穩定，定為弱含水巖組[4]。

(3)下奧陶統馬家溝組含水巖組。馬家溝組廣泛出露于研究區北部，巖性以厚層、塊狀、質純灰巖為主，夾淺褐紅色斑塊狀灰巖及燧石結核灰巖、弱白云巖化鮞狀灰巖及微晶灰巖。該組與下伏三山子含水巖組的關系為：若馬家溝組與三山子組灰巖段直接接觸，可視為統一含水層；若馬家溝組與三山子組石英砂巖段接觸，則石英砂巖段為馬家溝組隔水底板。此外，該層構造裂隙及經巖溶作用改造后的溶蝕裂隙較發育，富水性好，單井涌水量1 000～4 000 m3/d，為本區最主要的巖溶裂隙含水巖組。

2.2 巖溶水賦存條件及特征

棋盤井鎮區域為典型的北方半干旱區巖溶特征，巖溶化程度低，巖體內溶隙、溶孔及溶洞均不發育，故此層狀巖溶水不甚豐富，而斷裂帶及影響帶的巖溶水則大大增加。斷裂帶切割巖體形成破碎帶，而斷裂帶附近也由于推擠、拉張及扭動應力的作用，形成了大量的構造裂隙，裂隙相互交切，使得巖體破碎程度加大，從而也形成了地下水貯存、運移的空間。另外由于斷裂帶及影響帶地下水交替強烈，巖體溶蝕作用也加強，溶隙、溶孔大為發育，從而進一步擴大了巖溶水賦存空間[5]。區內較大的斷裂都控制一定的巖溶區域，使斷裂帶成為其控制范圍內總的集水廊道及運移通道，在水壓作用下向排泄區徑流。因此，區內斷裂帶為強巖溶帶、強徑流帶及富水地段。

2.3 巖溶水補徑排條件

研究區巖溶地下水的主要補給來源為灰巖裸露區大氣降水入滲和白堊系盆地東部邊緣地下水的側向補給。

3 地熱田地熱地質特征

研究區影響巖溶發育的諸多因素中，構造為主導因素。由于斷裂構造的作用，使巖層強烈破碎，裂隙和節理密集，加速了地下水運動，增強了溶蝕作用。區內的主干斷裂，主要為北北西向壓性斷裂，在這些壓性斷裂帶阻水一側，巖溶最為發育，為本區巖溶水的強徑流帶和富水地段[6]。本區的巖溶水井多集中在上述位置，如老石旦東山斷裂、黑龍貴斷裂等。區內東西向或北東東向的次一級斷裂多為張性斷裂，其破碎帶也為巖溶水富集帶，如桌子山東南部棋盤井的F86、F27、F28斷層。綜上所述，斷裂帶為研究區碳酸鹽巖的強巖溶帶，區內巖溶水井的主要含水層為斷層破碎帶及影響帶。因為在破碎帶或影響帶上，地下水交替強烈，溶蝕作用大大加強，形成了大的溶隙、溶孔及溶洞，故揭露破碎帶的巖溶水井涌水量大為增加(盡管有的孔破碎帶寬度并不大)[7]。而非破碎帶巖體完整性好，巖溶不發育，含水甚微。據YR2孔資料，該孔揭露均為完整灰巖，巖溶裂隙不發育，降深為47.98 m時，涌水量為169.44 m3/d，可見斷裂構造對該區巖溶發育起主控作用。

3.1 地溫場特征

地溫場的分布特征主要受斷層、基底構造和地層巖性的控制。棋盤井地區位于鄂爾多斯盆地西緣的逆掩斷裂帶，斷裂發育，構造活動強烈，具有較高的地溫特征。根據近年施工的鉆孔測溫，棋盤井地區地溫梯度一般為3.2 ℃/hm；20世紀90年代中國科學院地質研究所陳墨香等對鄂爾多斯盆地地熱研究，大地熱流值較高為65～70 mW/m2；1 000 m深度地溫一般為35～40 ℃，2 000 m深度地溫一般為60～70 ℃，3 000 m深度地溫一般為90～100 ℃[8-11]，認為棋盤井地區是低溫地熱資源形成的有利地段。

3.2 地熱田類型

根據研究區水文地質條件分析，研究區巖溶水受主要斷裂控制，斷裂破碎帶既是導水通道也是控熱構造。因此，棋盤井鎮地區地熱田類型屬于斷裂構造型。

3.3 地熱形成條件

研究區斷裂構造發育，構造破碎帶巖溶發育，斷裂破碎帶也是巖溶水富水地段。據以往勘探孔資料，在一定深度內，巖溶地下水顯示地溫異常的特征，而且具備地下熱水形成的基本條件，即熱儲層、蓋層、通道和熱源。

(1)熱儲層。寒武系和奧陶系為廣淺海相碳酸鹽巖建造，富含豐富的巖溶地下水，巖溶地下水在循環過程中，通過斷裂構造吸收深部巖體中的熱量，使巖溶水不斷增溫，碳酸鹽巖在熱水及混合溶蝕作用下，巖溶發育深度大，具有含水層厚度大、水量大、水質好、溫度高的特征，是理想的熱儲層。通過前期施工的YR3水文地質孔(深度430 m)資料顯示，該孔位于F28斷裂的上盤，揭露灰巖斷裂破碎帶56 m(361～417 m)，在鉆探過程中漏水嚴重。經正式抽水試驗，降深11.1 m，單井涌水量3 408 m3/d，出水口溫度18 ℃，根據測溫資料，孔底泥漿溫度25 ℃，平均地溫梯度4.2 ℃/hm，說明在奧陶系灰巖中存在水量豐富、水質良好、溫度較高的巖溶地下水。應該指出的是，研究區巖溶熱田熱儲層為典型的非均質巖溶裂隙介質，地下熱水分布不均勻，具有勘探和開發前景的富水靶區主要集中在一些斷裂帶附近，這些斷裂帶往往形成良好的富水帶，特別是在斷層交叉部位，更是熱水富集地段[12]。這些斷層多是張扭性斷層，多是活動斷裂，盡管有的斷層斷距較小，但其水文地質意義重大。

(2)蓋層。在寒武系和奧陶系灰巖上覆有石炭、二疊、三疊、侏羅和白堊系地層，有巨厚的泥巖存在，且分布連續、厚度穩定，由于泥巖類巖層熱導率較低(平均1.35 W/(m·K))，其導熱性明顯低于飽水巖溶化石灰巖。泥巖層對熱流的傳導及熱量的散失具有阻滯作用，構成本熱田的良好蓋層。對于斷裂帶熱儲而言，因本區斷裂均為前白堊系斷裂，白堊系厚層泥巖形成良好蓋層。

(3)導熱、導水通道和熱源。研究區內無年輕的酸性巖漿巖，其熱源主要來自地球內部，通過斷裂帶水熱對流進行熱傳導。同時，研究區經歷多期次的構造運動，構造斷裂相當發育，部分斷裂發育深度大，活動性強，直接延伸到地下10 km的低速高導層，通向深部熱源。因此，斷裂構造是導熱的良好通道。此外，淺部的常溫巖溶地下水受斷裂導熱的影響，在水動力條件作用下，深部地下熱水向上運移形成熱水循環系統[13]。除主伸展斷裂外，次級斷裂或斷裂交叉帶也可起到導熱構造的作用。

4 地球物理解譯成果及建議鉆孔位置

4.1 控水構造解譯

為了評價棋盤井鎮地熱田的資源潛力以及確定找礦方向，此次開展了二維地震勘探。根據地震信息，采用水平疊加剖面進行交點閉合的方式對控水構造進行了解譯，同時與可控源音頻大地電磁法進行了對比分析，為勘探鉆孔的布設提供依據。此次主要解譯出控水構造F27和F28斷層。

(1)F27斷層。位于研究區北部，走向NEE，傾向SSE，傾角70°，落差30～48 m，區內長度為8 km，在二維地震時間剖面和可控源音頻大地電磁測深剖面(圖2)上具有良好的反映，故斷層評價為可靠斷層。

(2)F28斷層。位于研究區北部，走向NEE，傾向NNW，傾角70°，落差35～49 m，區內長度為8 km，在二維地震時間剖面和可控源音頻大地電磁測深剖面(圖2)上具有良好的反映，故斷層評價為可靠斷層。

4.2 地熱井有利位置

研究區斷裂構造發育，構造破碎帶巖溶發育，斷裂破碎帶也是巖溶水富水地段。據以往勘探孔資料，在一定深度內，巖溶地下水顯示地溫異常的特征，而且具備地下熱水形成的基本條件，即熱儲層、蓋層、通道和熱源。根據物探解譯成果，在斷層F27與斷層F28附近，地下水溫度明顯出現異常，結合可控源音頻大地電磁測深成果以及研究區二維地震勘查成果，進而圈定地熱井有利位置(圖2)。

圖2 建議鉆孔ZK1在二維地震時間剖面及可控源D1線上的位置Fig.2 The position of proposed borehole ZK1 on the 2D seismic time profile and the controlled source D1 line

4.3 地熱鉆孔位置

根據研究區二維地震勘查成果和可控源音頻大地電磁測深成果，結合研究區水文地質條件及地熱地質條件，提出了下一步勘查的地熱井位置，建議鉆孔ZK1位于二維地震測線DZ6線6280樁(圖2)，鉆孔ZK2位于二維地震測線DL2線4400樁。在選取熱水孔鉆孔位置時，主要考慮了以下因素：①所選取的地熱孔ZK1、ZK2均有二維地震測線控制，且均位于三維地震勘探區內，反映的F28斷層的可信度高，把孔位布置在地震剖面上，有助于準確預測鉆遇地層和斷裂構造。②建議孔位的深部地層推斷為奧陶系灰巖熱儲層，巖石低阻(富含水)，但不破碎(利于鉆孔實施)；此外，奧陶系灰巖頂界面埋藏相對較淺，有助于鉆孔實施。③建議鉆孔要位于地熱異常區及可控源音頻大地電磁測深解釋的破碎帶內。

5 結論

(1)棋盤井鎮地熱田地熱資源豐富，明顯受控于斷裂構造破碎帶，其地溫場分布特征受斷層、基底構造和地層巖性的多重控制。

(2)地熱田的熱源主要來自于地球內部，通過斷裂帶水熱對流進行熱傳導，除主伸展斷裂外，次級斷裂或斷裂交叉帶也可起到導熱構造的作用。

(3)二維地震勘探和可控源音頻大地測量在控水構造識別上具有良好的應用效果，并根據物探測量成果提出了建議勘查鉆孔位置。研究成果為下一步找礦勘查工作提供了參考依據。