山西臨汾-運城盆地中的熱干巖型地熱資源及開發前景展望

郭景林，白翠花

（山西省煤炭工業廳資源地質局，山西 太原 030045）

山西臨汾-運城盆地中的熱干巖型地熱資源及開發前景展望

郭景林，白翠花

（山西省煤炭工業廳資源地質局，山西 太原 030045）

人類尋找環保型能源勢在必行。熱干巖型地熱能已成為當今世界能源開發利用的熱點，因它潔凈、污染環境少，屬于綠色能源，也稱“新能源”和“可再生能源”。開發利用可再生資源是人類社會可持續發展的基礎。山西臨汾-運城盆地中存在著這種資源，合理開發利用好這一資源對當地經濟的發展具有重要意義。

熱干巖型地熱；地質背景；地球物理特征；背景分析

1 熱干巖的基本特征

熱干巖是一種埋藏于地下深處，沒有水或蒸氣的熱巖體，主要是各種變質巖或結晶巖體，溫度范圍很廣，高者可達數百攝氏度。熱干巖型地熱資源是屬于溫度大于150℃的高溫地熱資源，其性質和賦存狀態有別于蒸汽型、熱水型、地壓型、巖漿型的地熱資源；其熱能賦存于巖石中，較常見的巖石有：黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長巖等。一般這些巖石上覆蓋有沉積巖或松散層等隔熱層。從現階段來說，熱干巖型地熱資源是專指埋深較淺、溫度較高、有開發經濟價值的熱巖體。判斷某個地方是否有熱干巖利用潛力，最明顯的標志是看地熱梯度是否有異常，或地下一定深處（2 000～5 000 m）溫度是否達150℃以上。

2 區域地質構造背景

山西境內喜馬拉雅運動總體是在強烈拉伸的構造環境下，以繼承性斷裂活動和地殼間歇性抬升為主導運動形式，顯著的地質特征造就了山體整體抬升和汾渭裂谷帶的形成。臨汾-運城盆地是汾渭裂谷帶的一部分，位于山西省南部，面積約10 000 km2。在這一區域內，受山前主控斷裂的影響，形成了一系列NE向、近EW向、NEE向、NW向的次級斷裂，這些次級斷裂將臨汾-運城盆地切割成一系列的斷塊，這些斷塊以配套的斷裂為邊界，又形成了一系列凹陷和隆起相間的次級單元。由北往南，大的凹陷依次有臨汾凹陷、河津凹陷、運城凹陷；大的隆起有塔兒山塊凸、稷王山塊凸（圖略）。

上述凹陷中，南部運城凹陷沉降幅度最大，北部臨汾凹陷沉降幅度次之，中部河津凹陷沉降幅度最小。新近系、第四系松散巖類沉積厚度分別為4000m、1 600 m、800 m，其下都有石炭二疊系碎屑巖類和寒武奧系碳酸鹽巖類。

各隆起（塊凸）區普遍有燕山期巖漿巖侵入，規模較大，廣泛分布于塔兒山、九原山、紫金山、稷王山、孤山等隆起區。這些巖體屬幔源型偏堿性、堿性侵入巖系列，構成了雜巖體群。這些雜巖體一部分出露于地表，多數隱伏于地下。從侵入巖的分布規模，反映了盆地中，在燕山期巖漿巖活動頻繁。進入喜馬拉雅期，這一地區巖漿活動停止，其構造特征轉變為以斷裂活動和斷塊相對升降為主，并有強烈的地震發生，為強地震活動帶。

資料表明，臨汾-運城盆地中出現的這套燕山期幔源型偏堿性、堿性侵入雜巖體，巖石地球化學特征基本相似。K2O+Na2O在含量高的基礎上，由早期到晚期進一步增高；Na2O、SiO2在偏堿性階段逐漸增高，到堿性階段二者驟然降低。揭示出巖體是在斷裂構造的先導作用下，巖漿沿斷裂所產生的空間中匯聚，呈巖墻擴張多次脈動侵位，其明顯的主動-強力就位演化特征，形成了同源巖漿演化的基本定位方式。這套偏堿性、堿性雜巖，其巖性由石英正長閃長巖、閃長巖、含石英正長閃長巖、石英二長巖、斑巖組成。SiO2的平均含量約63.33%，主要造巖礦物的含量隨巖性不同各有差異（見表1）。

表1 塔兒山—二峰山雜巖體礦物含量統計表 /%

3 盆地的地球物理特征

地熱理論多是研究地殼結構。地殼可分為：上地殼、中地殼、下地殼，底界為莫霍面，其下為上地幔。與熱干巖型地熱資源有關的是中地殼，主要由花崗巖組成。該層在華北地區普遍為低速層，地震波速約6.3～6.4 km/s，反映平緩的構造特征，基本無反射層，它與上地殼、下地殼的地震波速有明顯不同。根據山西境內大地電磁測深資料，中地殼電阻率為2～5歐姆的低速高導層，在臨汾-運城盆地中埋深約14 km，厚度約4km，向東西兩側山區，低速高導層的厚度逐漸變薄以至消失，埋深增至20km以上。

資料證實，臨汾-運城盆地之下的莫霍面為相對隆起區，隆起幅度約2～4 km，其形態正好與盆地的下凹形態相反，隆起為NE向的長條狀，與盆地展布方向基本一致。山西的居里等溫面也表現是一條NE向的隆起帶特點，與盆地的軸線基本吻合，在臨汾-運城盆地中埋深小于18 km，邊山區居里等溫面埋深顯著增大，一般在24～28 km以上，這說明兩側山區與中部盆地的地熱物理狀態存在明顯差異。山西省的大地熱流值等值線圖也表明臨汾-運城盆地中大地熱流值大于1.9HFU，為全省大地熱流值最高的地區，高于全球平均大地熱流值的1.3倍。區域熱流值高一般表明地殼薄，居里等溫面埋深淺，深部熱狀態高。

由上述知，臨汾-運城盆地中部中的地殼為低速高導層（高溫半熔融狀態），具有高溫度（600℃）的物理特征，使盆地形成熱異常區。再者，居里等溫面與莫霍面在盆地中部都有上拱現象，處于半熔融狀態的巖漿熱流會在地殼薄的盆地深部向地表進行熱傳導，推測盆地熱流主要來自花崗巖殼。

4 熱干巖型地熱資源背景分析

臨汾-運城盆地，按其地震勘探資料，地殼厚度相對較薄，居里等溫面埋深約18 km。該盆地中，平均大地熱流背景值81.64 mW/m2（1.95HFU），為一個面積近萬平方公里的熱異常大盆地。按盆地中已有地熱井資料，凹陷區地溫梯度低，隆起區地溫梯度高。運城凹陷中盆地鹽池熱水井，井深2121m，取新近系松散層孔隙水，自流水溫68℃，平均增溫梯度每100米3℃。臨汾凹陷中熱水井井深2 650.96 m，取奧灰巖溶水，抽出水溫75℃，平均增溫梯度每100米2.85℃。井底灰巖溫度113℃，平均增溫梯度每100米4.3℃。

這個大熱盆地的中部一帶，是地表熱流量最大的異常中心，大地熱流值在110 mW/m2（2.60HFU）以上。這個最大的熱流異常中心，處在塔兒山塊凸西南段燕山期侵入雜巖的隱伏區。區內董村附近一鉆孔（CK5）（見圖 1）孔深 280 m，井底花崗巖類巖石的溫度86.5℃，平均增溫梯度達每100米33.27℃。

塔兒山塊凸區西南段，水文地質條件也表現出特殊性。以CK5鉆孔為例，孔深280 m，揭露地層和巖性分別為 0～129.75 m，為第四系松散層；129.75～188.05 m，為新近系半膠結砂巖和卵礫石；188.05m以下為花崗巖類巖石，松散層孔隙水水位埋深106.5m，水量較小，單井出水量62.2m3/d。花崗巖類巖石段鉆孔巖芯完整，水含水，溫度較高。

隱伏的燕山期侵入雜巖屬花崗巖類巖石，石英含量較高。我們知道，石英的熱導率最高，其值為7.1176W/（m·K）；其次為角閃石、輝石，熱導率為4.1868W/（m·K）。長石、云母熱導率為2.3027W/（m·K）。巖石的導熱率隨各造巖礦物含量不同而變化。巖石的導熱率，除隨巖石中不同造巖礦物含量變化之外；還與巖石的密度有關，密度越高，導熱率越高。與侵入巖相接觸的圍巖，其巖性多為寒武奧陶系灰巖，石炭二疊系砂頁巖，新近系、第四系松散巖。按西法O·卡普邁耶，R·海涅爾提供的世界上不同部位熱導率測量結果，松散沉積物，倒如干砂、干粘土、耕地土壤，導熱率最低，其值僅為0.2512W/（m·K）；砂巖、頁巖的熱導率為 1.2560W/m·K；石灰巖的熱導率為1.8840W/m·K。

圖1 CK5鉆孔地溫梯度變化曲線圖

臨汾-運城盆地中，塔兒山塊凸西南段隱伏的燕山期侵入雜巖隱伏埋深多在200～300 m之間，埋藏深度較淺。雜巖侵入體為第四系、新近系松散層、石炭二疊系砂頁巖、以及寒武奧陶系灰巖所包圍，封閉條件好，巖石完整，不含水與水蒸氣，處于干熱狀態。該隱伏區侵入巖體分布范圍初步估計大于100km2，規模較大。巖體巖石熱導率比圍巖高，有利于深部熱流沿巖體向地表傳輸。圍巖熱導率低，降低了巖體熱量的散失，形成了有利的熱積聚環境。可見該區地熱資源屬熱干巖型。

將本區與法國萊茵地塹蘇爾茲熱干巖型地熱資源勘探開發區比較，條件極為相似。在構造類型上，同屬地塹。在大地熱流值上，萊茵地塹的背景值為80 mW/m2，本區為 81.6426 mW/m2；萊茵地塹有熱異常中心，熱流值140mW/m2以上，本區也有熱異常中心，熱流值110mW/m2以上。萊茵地塹地殼厚度較薄，本區也具備同樣條件。熱儲巖性同屬花崗巖類；熱干巖埋藏條件相似，上覆巖層均為新生界沉積物。

按地溫梯度值，熱干巖型地熱資源分為三級，地溫梯度達到80℃/km為高級，50℃/km為中級，30℃/km為低級。盆地中熱異常中心地溫梯度達到每100米33.27℃，有望成為高級干熱巖地熱資源分布區。

5 勘查開發前景展望

一般來說，地熱能的開發利用包括：發電和非發電利用。世界各國利用地熱能的經驗表明：高溫地熱資源（150℃以上）主要用于發電，發電后排出的熱水可進行逐組多用途利用；中溫（150℃以下，90℃以上）和低溫（90℃以下）的地熱資源，則以直接利用為主，多用于采暖、干燥、工業、農林牧副漁業、醫療、旅游、人們的日常生活等方面。目前，山西開發利用的地熱屬于低溫地熱資源。

地熱發電是把地下熱能轉變為機械能，然后再把機械能轉變為電能的生產過程。有數據表明，利用熱干巖產生的熱能發電的成本與以煤炭和天然氣為燃料的火力發電站的成本大體相當，是風力發電的一半，只有太陽能發電的八分之一到十分之一。為滿足國家調整能源結構的需要，發展無污染的新能源，實現減少排放保護環境，實行地方經濟轉型發展的目的，勘查開發臨汾-運城盆地熱干巖型地熱資源，獲取高熱能資源用于發電是很好的發展方向。熱干巖具有高熱能、低滲透率、不含熱水和蒸氣的特點。通過熱干巖體激發，亦即人為地使熱干巖體產生透水裂隙，然后通過鉆孔將地表水送入其中汽化，再通過另一鉆孔引出蒸氣而后用于發電，國內尚無先例，國際上已有成功的試例。

美國芬頓山熱干巖試驗證明，經過30d的抽水，供水量50 m3/h，水溫200℃，熱功率達10MW，循環水水質良好，水量損耗隨時間的推移而逐漸減少，未檢測到對周圍環境的不良影響。比天然地熱水更具環保性。法國蘇爾茲熱干巖試驗證實，隱伏熱干巖（花崗巖）埋深1400 m，為中新生代沉積物覆蓋，在相距500 m的兩眼井中，對3000～3500 m深處通過壓裂技術，使花崗巖形成人造地下熱交換器。在4個月的循環試驗中，灌入了24萬m3水，產水流量20～25L/s，水溫140℃以上，熱能凈出力10 MW；這些實例證明，熱干巖既經濟又環保。總之，開發利用熱干巖型地熱資源其社會效益、經濟效益、環境效益、學術價值等方面均有廣闊的前景。

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[5]黃宗理，等.地球科學大辭典［M］.北京：地質出版社，2006.

Abstract:Finding environment-friendly energy is imperative.Hot-dry-rock geothermal energy has become the hotspot in the world energy development and application due to its cleanness and less damage to the environment.It belongs to green energies,called new energy or renewable energy.Since development and application of renewable energy is the basis of human sustainable development,rational development of this geothermal energy in Linfen-Jincheng Basin is beneficial to the local economy.

Keywords:hot-dry rock;geological background;geophysical features;background analysis

編輯：劉新光

Outlook of Hot-dry-rock Geothermal Energy in Linfen-jincheng Basin

GUO Jing-lin,BAI Cui-hua

（Bureau of Resource and Geology,Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 030045,China）

TE09；P641.6

A

1672-5050（2010）08-0079-04

2010-03-25

郭景林（1987—），男，山西平遙人，本科，高級工程師，從事地質勘探工作。