西寧盆地北川河谷地帶地熱地質特征
——以莫家莊—孫家寨地熱田地為例

陳迎輝

（河北省地礦局第三地質大隊，河北 張家口 075000）

青海西寧市北川河谷莫家莊—孫家寨地熱田是西寧盆地地熱系統的一部分，在北川河谷地熱區具有典型性和代表性，地熱系統具有中低溫對流型、傳導型及復合型地熱系統的特點。莫家莊—孫家寨地熱田成熱條件受力學性質多變、具多期活動性的北北西和近南北向兩組斷裂構造控制，由此形成莫家莊—孫家寨一帶相對獨立的地下熱水富水塊段。通過物探、鉆探和流體化學分析，總結了莫家莊—孫家寨地熱田的熱儲特征、埋藏條件、地熱流體場特征、地溫場特征等。

1 地熱田概況

青海省西寧市北川河谷莫家莊—孫家寨地熱田位于西寧城北二十里鋪河谷地帶，是西寧盆地地熱系統的一部分，根據主管部門勘查區塊劃分，莫家莊—孫家寨地熱田呈近似方形，南起二十里鋪鄉，北至花園臺附近，東西兩側均以河谷與丘陵區界線為界，面積13.76km2。熱源以來源于地殼地熱梯度的加熱為主，其次來源于斷裂摩擦熱、放射性物質蛻變熱和化學反應熱。熱儲為中生界白堊—侏羅系裂隙孔隙熱儲，熱儲埋深約750m，溫度48.1℃～61.9℃。蓋層為新近系棕紅色泥巖和白堊系河口群棕紅、灰綠色泥巖夾薄層石膏。熱儲基底為長城系板巖、千枚巖以及加里東期花崗巖。地熱流體礦化度高，具有腐蝕性、結垢性和起泡性。

2 地球物理特征

2.1 可控源音頻大地電磁測深

根據北川河谷東、西兩側可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）剖面資料分析，總體形態和電性分層基本相似（圖1、圖2）。陶家寨—長寧堡CSAMTⅠ剖面115～461點與劉家溝—郭家塔CSAMTⅡ剖面81～181點，電性結構均表現為5層KHA型和6層HKHA型2種主要曲線類型。

陶家寨—長寧堡CSAMTⅠ剖面和劉家溝—郭家塔CSAMTⅡ剖面，表現為HKHA 6層電性結構，當第一電性層較薄或缺失時，相間出現HKHA 5層電性結構。

2.2 直流電測深

北川地區直流電測深曲線表現為KHA和HKH兩大類型（圖3）。上部K型部分電性高低變化較大，為粗細相間的第四系和古近—新近系。下部H型部分為低阻連續的白堊系或侏羅系。由物性資料可知，泥巖、砂質泥巖電阻率較低，為10～30Ω·m；而砂巖、砂礫巖較高，為40～80Ω·m。當含礦化度較高的地下水時，可使電阻率大為降低。根據地質條件，可將整個白堊系或侏羅系低阻、次低阻相間電性層作為熱儲，埋深500～2000m，與勝利公園8701地熱井熱儲埋深相當或稍深。

2.3 熱儲推斷

陶家寨—長寧堡CSAMTⅠ剖面反映出，北川地區元古宇變質基底波狀起伏，由南向北逐漸抬升，由埋深大于2000m變為1500m。在338點對應的上孫家寨以南基底埋深大于2000m，為一凹陷（圖4）。據地震勘探和直流電測深資料推斷，小橋—莫家莊基底埋深3300～3400m。后子河—長寧堡一帶，基底埋深1100m，與地震勘探和直流電測深推斷的基底埋深基本一致，為長寧凸起。

圖4 西寧市北川地區地質構造剖面圖

2.4 斷裂構造的推斷

陶家寨—長寧堡CSAMTⅠ剖面和劉家溝—郭家塔CSAMTⅡ剖面中，不同區段曲線類型不同，電性層發生錯位不連續，是推測斷裂存在的依據。陶家寨—長寧堡CSAMTⅠ剖面255、257點和447、451點間及劉家溝—郭家塔CSAMTⅡ剖面93、95點間，171、175點間可認為是斷裂在地表的斷點，依次劃分出東西向隱伏斷裂1條，北東向隱伏斷裂1條，近南北向隱伏斷裂兩條。

莫家莊—孫家寨地熱田附近東西向斷裂，在斷裂南北兩側基底埋深和儲蓋層位均發生變化，推測斷裂傾向向南，傾角60°～80°為高角度斷裂。近南北向斷裂位于北川河谷東、西兩側與丘陵區交接部位附近，推測斷裂東傾，傾角近直立。

3 熱儲特征

開采熱儲層具有以下地質特征：

中生代白堊系砂巖、砂礫巖孔隙裂隙熱儲：熱儲層巖性為中砂巖、粉砂巖、砂礫巖，夾薄層泥巖，總厚度160m，該熱儲層頂、底層位變化不大，分別在770～930m，為大厚度含水層，熱儲溫度42.3℃～47.2℃，平均熱儲溫度為43.5℃。

中生界侏羅系砂巖、砂礫巖孔隙裂隙熱儲：熱儲層巖性為泥質粉砂巖、粉砂巖、中砂巖、砂礫巖，由侏羅系中統的享堂組、窯街組構成。熱儲特點層位多、熱儲薄，含水層和非含水層互層，總厚度350m，頂底板的埋深在1030～1480m之間，熱儲溫度57.8℃～61.9℃，平均熱儲溫度為59.8℃。

4 熱儲埋藏條件

第四系：北川河谷地帶大范圍出露，沖洪積層以下至新近系泥巖頂部全部為黃土，形成時代為第四紀上更新世地層，多為不含水層，滲透系數極小，地層分布較連續，厚度34.2～60.0m不等。

新近系：屬新近系西寧群，平均埋深60.8～240.0m，地層平均厚度為180.0m，下部巖性為紅棕、黃棕色砂礫巖夾褐棕、棕色泥巖及石膏層，向上巖性變細，并由砂、泥巖互層過渡到淺紅棕、褐棕色泥巖夾淺棕、淺黃灰色砂巖及石膏層。局部夾砂巖，含有薄層、低溫熱儲，不具備開采利用價值。新近系地層分布連續，地熱田范圍內層位穩定，是主要蓋層。

5 地熱流體流場特征

莫家莊—孫家寨地熱田位于西寧凸起的北部，按照西寧盆地“凹中凸”的理論原則，地熱流體流向大體為:自西→北向東→南方向流動。前人建立的西寧盆地地熱系統理論模型為中低溫對流型地熱系統。盆地邊緣基巖出露區接受大氣降水、地下滲流補給后，其中的一部分沿構造裂隙從深部向盆地中心徑流，在盆地深部形成承壓熱儲層，構成完整的補徑排地下水徑流系統。地下水在深部徑流過程中逐漸被加熱，形成中低溫熱水。西寧盆地內凸起的北面為雙樹凹陷，南側為總寨凹陷，凹陷內部斷裂不發育，形成較好的熱流通道；而由于古近紀以來的基底隆起構造運動，使盆地內凸起兩側發育多組斷裂，這些斷裂是形成地熱流體的良好通道。

6 地溫場特征

6.1 北川地區地溫場特征

北川地區地熱異常的民井和泉點共有31處，主要分布在北川河西岸，水溫10℃以上，尤以49號泉點溫度最高，為12℃，18號民井溫度最高，為11.5℃。常溫水點24處，溫度均小于10℃，一般9.0℃～9.9℃。從北至南隨地勢降低，水溫略有升高的現象。受氣溫影響的水點共有18處，水溫8.5℃～13.5℃。

在水平方向上，由北部的8206地熱井、8309地熱井的井口水溫為23.5℃～34.0℃到西寧市區8601地熱井的井口水溫為42.2℃。垂向上，上部熱儲性能差，熱流量小，水溫偏低。中下部富水性強，流量大，水溫亦較高，表現出水溫隨熱儲埋深增大而增高的規律。

6.2 北川地熱異常區特征

（1）生物科技產業園區—廿里鋪地熱異常區：位于莫家泉斷裂兩側，地處生物科技產業園區—莫家泉，面積約32.32km2。該區有11眼地熱異常民井，水溫10.0℃～11.5℃；7個地熱異常泉點，水溫10.3℃～12.0℃。分別與天峻橋—生物科技產業園區淺層地溫異常區和二十里鋪—花園臺淺層地溫異常區相吻合。其中，天峻橋—生物科技產業園區淺層地溫異常區，有地溫異常點19個，溫度12.1℃～13.7℃，最高值分布于奶牛場西側。廿里鋪—花園臺淺層地溫異常區，有地溫異常點10個，溫度12.1℃～15.1℃，最高值分布于青海大學南側。

（2）后子河—長寧地熱異常區：位于長寧基底凸起區，地熱異常與長寧斷裂關系密切，面積約17.35km2。地表有兩眼地熱異常民井，水溫10.1℃～10.4℃。兩眼地熱井井口水溫分別為23.5℃和34.0℃。該區與后子河—長寧淺層地溫異常區相吻合，共有淺層地溫調查點14個，地溫12.1℃～14.2℃，最高值位于長寧堡西側。

6.3 地熱田地溫場特征

西寧盆地的熱儲構造模型為：大地熱流為熱源—低熱導率巖層聚熱—深循環逐步加熱受迫對流為機制—構造控水控熱。莫家莊地熱田位于西寧盆地內大寨—后子河—泉灣凸起北部，相對面積小，地熱類型屬沉積盆地熱傳導型。地溫在平面分布上基本一致，與北側的雙樹凹陷相比較，基底隆起，地熱增溫率在深度方向上變化較均勻。根據地溫在垂向上的分布和變化規律，可分為變溫帶、常溫帶及增溫帶。根據實測資料，莫家莊地熱田的常溫帶深度為在20～40m，基準溫度西寧盆地地下恒溫層一般取8℃。

在地熱田鉆探過程中，對鉆孔進行了系統測溫，總體趨勢一直處于逐漸遞增趨勢。

7 地熱增溫率的變化規律

綜合西寧盆地北川河谷各地熱田增溫率的變化特征，可總結以下規律：

（1）地熱增溫率在深度上的變化規律：西寧盆地地熱井不同深度實際測溫數據表明，隨孔深的增加，水溫不斷增高，顯示出水溫與孔深呈正相關關系。且井深愈淺，增溫趨勢愈大，曲線變化亦大，反映出淺部井溫場變化的復雜性；井深愈深，增溫趨勢明顯減弱，呈直線的趨勢愈明顯，同時也說明了深部熱源由下而上的熱傳導作用。

地熱增溫率的高低受地層熱導率顯著影響。熱導率除與巖性有關外，還與地層壓實程度有關。通常，地表淺部沉積層壓實程度低，熱導率低，地熱增溫率高；沉積盆地深部地層壓實程度高，熱導率高，地熱增溫率低。

（2）地熱增溫率在平面上的變化規律：通過井深1000～2000m的4眼地熱井增溫率比較可以看出，近總寨坳陷中心部位1600m深的杜家莊DR2005地熱井地熱增溫率為3.16℃/100m，系全盆地最高；大堡子—西寧隆起1030.32m深的新寧花園DR2007地熱井地熱增溫率為3.56℃/100m，井深1203.10m的海湖新區R2地熱井地熱增溫率為2.09℃/100m，平均2.825℃/100m為全盆地最低；地處雙樹坳陷北緣井深1935.65m的威遠鎮DR2010地熱井地熱增溫率為2.85℃/100m，居兩者之間。

上述現象說明，盡管西寧中央凸起具區域構造上的“凹中凸”構造特征，但因上部的西寧背斜縱張節理及斷裂發育，導致了地熱的向上釋放，使熱儲蓋層的保溫性能大大降低，故而西寧中央凸起帶的聚熱條件較差。

（3）地熱增溫率區域對比分析：西寧盆地北川河谷地帶數眼地熱井平均地熱增溫率與世界若干盆地和中國主要盆地對比，其值與國外、國內主要沉積盆地和甘寧青地區地熱增溫率分布相當，高于巴西亞馬遜盆地、新西蘭塔拉納吉盆地和中國準噶爾盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、渭河盆地、山西盆地和銀川盆地。

8 地球化學溫標計算

對地熱井利用地球化學溫標來估算熱儲溫度，預測地熱田潛力，主要方法是采用二氧化硅、鉀鎂和鉀鈉三種地球化學溫標法進行計算。

莫家莊—孫家寨地熱田計算的熱儲溫度與熱儲測溫溫度一致或相近，比熱儲層底部溫度低8℃～10℃。通過與西寧盆地其它地熱田利用地球化學溫標估算熱儲地溫場比較。SiO2地球化學溫標估算的溫度最高是海湖新區R2地熱井，為69.26℃，最低為原地研所8309井，為52.40℃；鉀鎂地球化學溫標估算溫度最高是城南新區杜家莊DR2005井，為105.17℃，最低為本次施工的地熱井，為57.73℃；鉀鈉地球化學溫標估算溫度最高是威遠鎮DR2010井，為144.27℃，最低為海湖新區R2地熱井，為38.09℃。

從平面上分析，西寧盆地中鉀鎂地球化學溫標總體上是南部高，向北逐漸降低，到北川則最低，溫度低于70℃，而向西海湖新區高于北川地區；鉀鈉地球化學溫標是互助威遠鎮DR2010地熱井最高，次為城南新區的杜家莊DR2005井，盆地中部地區則較低，最低為新寧花園到海湖新區一線，呈近東西向分布。

本區地熱田SiO2地球化學溫標與全盆地相比較屬中等地區，鉀鎂和鉀鈉地球化學溫標與其它地熱田相比較屬偏低，但與盆地增溫型地熱生熱理論一致。

9 結論

（1）西寧北川河谷莫家莊—孫家寨地熱田是西寧盆地地熱系統的一部分，其地熱地質特征遵從西寧盆地總體規律，而北川河谷具有獨特的地質條件，困此地熱田與西寧盆地其它地熱田相比，有其獨特的地熱地質特特征。

（2）地熱田可開采熱儲層基本局限在埋深750～1650m之間，共劃分33個含水層或含水組，平均累計厚度304.00m，主要集中在白堊系河口群（K1H）和侏羅系享堂組（J2x）兩個熱儲層內，熱儲上部的泥巖以及第四系不透水層均可視為熱儲的蓋層。

（3）西寧盆地的地熱增溫率經對比分析取值2.915℃/100m，地熱增溫率的高低受地層熱導率顯著影響，熱導率除與巖性有關外，還與地層壓實程度有關。

（4）莫家莊—孫家寨地熱田一帶的西寧盆地北川河谷區深部地層相對平緩，壓實程度高，儲熱層埋藏較深，蓋層封蓋性好，處于封閉—半封閉狀態，地熱資源潛力較大。

（5）地熱田SiO2地球化學溫標與全盆地相比較屬中等地區，鉀鎂和鉀鈉地球化學溫標與其它地熱田相比較屬偏低，但與盆地增溫型地熱生熱理論一致。