應用綜合物探技術勘查蘭州地熱田

蘭州資源環境職業技術學院 曾永耀 趙文青 周集忠 張芳

地熱能系地球內部巖漿和放射性物質衰變產生的熱能。一個理想的地熱能系統除熱源之外，還要有地下水源的補給[1]，因此地熱能的主要表現形式為地熱水。地熱水也是繼煤炭、石油和天然氣之后開發前景較為廣闊的潔凈能源。特別是按照國務院《“十三五”節能減排綜合工作方案》的要求，到2020年煤炭等化石燃料占能源消費總量的比重要陸續下降，因此地熱能作為一種綠色的潔凈能源，在環保意識日漸增強和國家節能減排任務日益緊迫的情況下，再次引起學界的關注，國家能源局也發布了《關于促進地熱能開發利用的指導意見》。

蘭州盆地的地熱資源勘探工作起步較早，20世紀70年代甘肅省地礦局曾對蘭州市地熱資源進行調查研究，在蘭州市區周邊的永登龍王溝一帶發現地熱異常點。21世紀初期，隨著旅游地學的發展，甘肅省地礦局利用可控源音頻大地電磁測深法等物探手段，在蘭州市區圈定了七里河地熱異常區，并于2003年7月在七里河區首次打出具有經濟意義的地熱井，該井田單井出水量約500 m3/d、井口水溫約60℃[2]。隨后，地質工作者圍繞蘭州市區的七里河-安寧小型斷陷盆地繼續開展工作，相繼打成3眼地熱水井[3]。2015年甘肅省地礦局在蘭州盆地開展了地熱資源勘查專項工作，在七里河-安寧斷陷盆地又成功勘探出一口地熱井田，該井田單井出水量約90 m3/h、井口水溫約70℃。該井田也是迄今為止蘭州市井深最深、出水量最大、水溫最高的地熱水井。這些成果進一步說明，蘭州盆地內的七里河-安寧小型斷陷盆地有著豐富的地熱資源。

1 蘭州盆地地質背景

蘭州盆地隸屬于祁連造山帶“中祁連隆起”東段，是典型的陸內斷陷沉積盆地。盆地的基底主要由前寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系變質巖和加里東褶皺帶花崗巖組成從區域構造背景和盆地的演化歷史來看，奧陶紀蘭州盆地受控于古浪運動，隆升成為古陸并遭受剝蝕。印支運動后，接受下侏羅統沉積。燕山運動早期處于斷陷擴張期，蘭州盆地由斷陷逐漸向坳陷發展。早白堊世晚期受燕山運動影響，盆地不斷隆起，結束其陸內演化歷史[4]。

2 蘭州盆地地熱資源條件分析

由于地熱能的最主要表現形式為地熱水，因此對地下熱能來源的研究，是研究地熱資源地質條件（熱源條件）的主要內容，除此之外，具有良好的保溫條件（蓋層）、水源補給條件也是地熱資源不可或缺的。通常地熱的熱源條件有兩大類：構造隆起區熱流類，即火山型；構造沉陷區熱傳導類，即斷陷盆地型。

2.1 構造條件

前人研究表明蘭州斷陷盆地的地熱井主要發育在蘭州市區主要受三條斷裂帶控制：金城關斷裂（F1）、宋家溝-直溝門斷裂（F2）和劉家堡-雁灘南隱伏斷裂（F3）。其中由F2和F3斷裂帶為南、北邊界的七里河-安寧斷陷是蘭州斷陷盆地形成地熱資源的有利地區之一，這是因為七里河-安寧斷陷的基底斷裂帶可以成為地熱流體的上升通道，為深部地熱流體循環創造了有利條件。

2.2 熱蓋層和熱儲層條件

蘭州盆地已探明的地熱資源屬于中低溫型，即井口溫度為60～90℃，其熱蓋層主要為厚層古新統泥巖、粉砂質泥巖，最大厚度約400m,埋藏深度一般在600～1400m。熱儲層為古新統砂巖和白堊系沙礫巖以及元古界皋蘭群變質巖。其中白堊系砂礫巖厚度大、透水性好、埋藏深度在1400～2000m，元古界皋蘭群變質巖熱儲層埋藏深度大于2000m，起到隔熱保溫作用，是較為理想的地熱流體保溫層。

2.3 水源條件

蘭州斷陷盆地地下水來源多樣，主要有大氣降水、溝谷地表水和黃河地表水補給。①年大氣降水量大于187.9mm的大氣降水才是對地下水有補給意義的，而蘭州盆地年降水量平均為317.6mm，因此在黃河河谷階地大氣降水是蘭州盆地地熱資源重要的水源來源之一，但是對于Ⅳ級以上階地，大氣降水滲入補給較為微弱。②溝谷地表水補給，蘭州盆地南北兩側溝谷極為發育、匯水面積大，特別是洪水期，溝谷地表水也是蘭州盆地地熱資源水源的補給條件。③地表水流黃河水源的補給，在蘭州盆地黃河水對地下水的補給占有很重要的地位，是保證地下水正常開采必不可少的條件[5]。

2.4 地熱源條件

蘭州斷陷盆地地熱資源屬于中低溫地熱田。根據以往的鉆孔測溫數值判斷，蘭州盆地的地熱源除正常的大地熱流值之外，還有一定的放射性元素衰變產生的熱能。這是因為，鉆孔測溫資料顯示地下1000m的地溫為45～50℃，而目前已探明的蘭州盆地1000m以內的地熱井田出水溫度為60～70℃。另外，地熱水水化學分析表明蘭州盆地地熱水含有一定的放射性物質，因此可以認為熱源中還存在放射性元素衰變產生的熱量。

3 地熱儲層的地球物理場特征

3.1 重力場特征

通過對蘭州盆地開展1比10萬區域重力異常調查，發現蘭州盆地布格重力異常，具有兩高一低的特征（南北高、中間低）。南北兩側的重力高值是對興隆山隆起與仁壽山-白塔山隆起的響應，重力低值是對蘭州斷陷盆地基底的響應。同時李百祥和柏崇偉反演出桃樹坪低隆起的基底深度約為2200m[6]。

3.2 電磁場特征

魏林森等采用可控源音頻大地電磁測深法研究了蘭州斷陷盆地中生界基底的分布范圍和形態，其基底形態具有由西部向東部平緩抬升的現象，最深處在西固區陳官營-深溝橋一帶，埋深約2800 m。蘭州斷陷盆地第四系電性變化較大為中高阻電性層，其電阻率值為中高阻(40～1000Ω·m)；中間層新近系、古近系為低阻電性層，其電阻率值為(10～30Ω·m)；元古宇基底層電阻率值較高(＞100Ω·m)。

4 蘭州斷陷盆地基底形態與富存地熱的關系

上述用重力場和電磁場特征分析蘭州斷陷盆地的基底形態，是為了更好地討論蘭州斷陷盆地基底形態與富存地熱的關系，這是因為來自深部的地熱能會在導熱性能良好、熱阻較小的基底變質巖層中上涌。因此對于蘭州斷陷盆地基底形態的研究，有助于搞清楚該區域的基底深度和斷裂發育情況，有助于進一步分析地熱能可能的熱流運移和聚集方式。例如，白福和馬根喜根據區域重力場特征研究了蘭州斷陷盆地的基底形態，推斷劃分出了幾組大斷裂的分布特征；除此之外，白福和馬根喜還利用可控源音頻大地電磁測深法重新劃分了雁灘隱伏斷裂，而且較清楚地顯示了該斷層的分布、走向傾角、基底位置和熱儲層埋藏深度等。

綜上所述，應用綜合物探方法（重力和電磁法）可以較為明顯的確定蘭州斷陷的基底形態以及較大的斷裂破碎帶，結合鉆探工作可以較為可信的確定地熱田分布特征，因此綜合物探方法對在蘭州斷陷盆地尋找地熱資源具有重要的意義。

5 開發潛力分析

根據以往重力和電磁場資料，劃分出蘭州斷陷盆地有利賦存熱儲的地段主要有：①蘭州盆地西部西固區域的寺兒溝、李麻沙溝、深溝橋等一系列NNW向斷裂帶，該區域斷裂活動明顯，可以作為熱水深循環的通道；②七里河次級凹陷區，該區域主要受NNW向斷裂、NWW向斷裂以及NE向斷裂控制，凹陷內的白堊系底部礫巖是很好的熱儲層。

6 結語

（1）蘭州盆地具有形成地熱資源的有利的構造條件、水源條件、熱源條件、熱蓋層和熱儲層條件；

（2）重力、電磁等綜合物探技術在勘查蘭州斷陷盆地地熱田分布規律方面具有重要作用。