寧夏黃河東岸天山海世界對流型地熱資源賦存地質條件及補給特征研究

程國強

（寧夏回族自治區水文環境地質調查院，銀川 750021）

地熱資源屬于可再生清潔資源，開發利用過程具有低成本、可持續利用以及環保等優點，對發展低碳經濟具有極其重要的作用[1]。寧夏地熱資源豐富，它屬于中低溫地熱資源。汪集旸等[2]根據地熱成因分析，將中低溫地熱系統分為中低溫傳導型地熱系統和中低溫對流型地熱系統。2017 年，調查人員在寧夏黃河東岸天山海世界園區內開展地熱勘查工作。在實施KT2 井的過程中，鉆進至617 m 時，預測出水量為1 萬m3/d。經專家現場論證，該地熱系統是受構造控制的對流型地熱系統。這一發現填補了寧夏對流型地熱系統的空白，是寧夏地熱資源勘探方面取得的重大突破。本文對研究區地熱資源賦存地質條件及補給特征進行研究，為該區域地熱資源的合理開發利用、保護、規劃及進一步勘查提供依據。

1 研究區地熱賦存的地質條件分析

研究區位于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶西部邊緣部位，地質構造復雜，三級構造單元為鄂爾多斯盆地西緣中元古代-早古生代裂陷帶，構造上主要受黃河斷裂及其次生斷裂控制。黃河斷裂主要在燕山期晚期活動，是銀川盆地東部邊界斷裂，總體呈北北東向延伸，斷面西傾，淺部南段呈裸露狀，中北段表現為隱伏狀[3]。在黃河主斷裂東側，推斷存在系列次級雁型斷裂組，可能控制地熱資源的分布賦存規律[4]。

自2017 年10 月至2018 年8 月，項目共實施4 眼地熱勘探井，井孔編號分別為KT2、DRT-03、DRT-04、DRT-05。鉆孔揭露地層特征如表1 所示。KT2 井井深為617 m，因自流量過大，使用高壓分隔器進行封井完鉆，井口溫度為42 ℃，井口壓力為0.52 MPa。DRT-03 井井深為1 710 m，自流量為1 200 m3/d，井口溫度為60.5 ℃，井口壓力為0.46 MPa。DRT-04 井井深為995 m，自流量為4 800 m3/d，井口溫度為40 ℃，井口壓力為0.45 MPa。DRT-05 井井深為1 708 m，自流量為3 780 m3/d，井口溫度為52 ℃，井口壓力為0.45 MPa。下面分析地熱資源賦存地質條件。

表1 不同地熱勘探井的鉆孔揭露地層特征

1.1 蓋層

研究區地熱蓋層由古近系和石炭-二疊系地層組合而成，其中，古近系地層巖性主要為半膠結紅土層，石炭-二疊系地層巖性主要為泥巖，巖石熱導率較低，使得地下熱量不易散失，能夠形成良好的保溫層。

1.2 熱儲層

熱儲層主要為巨厚的奧陶系地層。經鉆孔揭露，奧陶系碳酸鹽巖熱儲層主要為厚層、脈狀的巖溶裂隙結構，含水層結構單一，厚度大，它是研究區主要的熱儲層。

1.3 熱源

研究區處于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶，莫霍界面和軟流層均呈明顯上隆形態，其上隆導致深部熱流體上涌，形成局部熔融，相應部位升溫形成較高的溫度。因此，大地熱流為主要地熱熱源。

1.4 熱流通道

研究區發育的黃河斷裂向下切割了殼幔邊界，切割深度超過40 km[5]，錯斷基底巖系和古生界地層，是深部地熱向上傳導的有利通道（所有鉆孔均在鉆進至石炭-二疊系地層時遇到破碎帶，破碎帶延伸至奧陶系頂部），可以很好地將深部地熱流體帶到淺層地殼。

1.5 研究區地溫場特征

DRT-03與DRT-05兩井開展了井溫測試，如圖1。

圖1 DRT-03 與DRT-05 井溫變化曲線

DRT-03 井平均地溫梯度為2.86 ℃/百米，DRT-05 井平均地溫梯度為2.78 ℃/百米。測溫曲線分別在550 m 和400 m 出現溫度急劇升高的情況，這與鉆探遭遇構造破碎帶的位置高度重合，證明溫度突變是構造活動溝通深部熱源所致。與研究區內地熱勘探井相比，銀川盆地內地熱井地溫梯度值明顯偏低，其中地溫梯度最高的NSR-1 井地溫梯度僅為2.25 ℃/百米，在相同的1 700 m 深度，其溫度僅為50.3 ℃。對比發現，在相同深度，研究區地熱井的溫度及地溫梯度值較盆地內地熱井明顯更高。斷裂對地熱的地溫場有明顯的控制作用。

2 研究區地熱水同位素分析

本次調查采集研究區3 眼地熱井的地熱水水樣，開展14C 年齡、氫氧穩定同位素分析，結果如圖2 所示。與馬洪云等對銀川盆地湖水、排水溝水、潛水、承壓水等構成的水體同位素分布體系研究成果相比，研究區地熱水不遵循盆地各水體同位素分布特征規律。研究區地熱水與銀川盆地深層地下水同位素特征存在較明顯的差異，該地熱水不是來源于銀川盆地，這也證明黃河斷裂作為一條阻水斷裂，阻止了盆地內地下水向東部邊緣運移。

圖2 地熱水同位素分析結果

結合研究區內東高西低的地形特征及其地溫梯度與鄂爾多斯盆地地下水地溫梯度（約2.8 ℃/100 m）更為接近的特點，推斷地下水可能來源于東部的鄂爾多斯盆地。地熱水14C 年齡測定值均大于3 萬年（見表2），已超出14C 年齡測試范圍。因此，地熱水的年齡可能會更大，說明地熱水循環更新速率較慢，屬于深層循環水。

表2 地下水年齡分析

3 研究區地下水熱循環分析

從東西方向剖面來看，東部鄂爾多斯高原大氣降水沿基巖裂隙等下滲，在下部地層中深循環加熱，并沿著東西向導水斷裂向西流動，在區域水頭壓力作用下上升，通過巖溶裂隙向西匯聚。黃河斷裂阻斷了東部巖溶水向銀川盆地流動，地熱水最終在黃河斷裂東側聚集，構成強富水、高水溫的熱儲層。熱儲層上部第三系地層以砂泥巖為主，導水性能較差，為地熱資源提供良好的覆蓋層。

4 結論

研究區地層自上而下為新生界第四系、古近系，古生界石炭-二疊系和奧陶系。地熱資源主要受黃河斷裂及其次生斷裂控制，在深部形成地熱流體向上傳導的有利通道。上覆的古近系地層形成了很好的蓋層。地熱水主要賦存在二疊-石炭系地層下部及奧陶系地層上部破碎帶中，為研究區主要的熱儲層。研究區地熱水不遵循銀川盆地中部各水體同位素分布特征規律，證明了黃河斷裂作為一條阻水斷裂，阻止了盆地深部地下水向東部流動。研究區地熱水循環更新速率較慢，屬于深層循環水，而鄂爾多斯高原大氣降水沿基巖裂隙下滲，為其補給來源。