甘肅省天水市中灘地熱賦存特征及成因

王有權，魏林森

(1.甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050)

甘肅省天水市中灘地熱賦存特征及成因

王有權1，魏林森2

(1.甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050)

中灘地熱田是受斷裂構造控制的裂隙型地熱田，屬低溫地熱資源，儲量豐富，水質良好。本文通過對大量勘查資料的分析總結，闡述了地熱賦存特征，分析了地熱成因，目的是為后期合理、有序地開發利用地熱資源提供依據。

地熱;賦存特征;成因分析

天水市位于甘肅省東南部，是一座歷史悠久的文化古城，旅游業是該市主導產業之一。天水市區西北18 km處的麥積區中灘鄉張家溝 －汪李坪一帶依山傍水，氣侯宜人，毗鄰國道，交通便利，地熱異常明顯，極具開發潛力。異常區面積58 km2。異常區南為渭河，多年平均徑流量12.7億 m3。

1 地質環境概況

研究區位于渭河三陽川盆地西北部，地處渭河與葫蘆河的交匯地帶，總體地勢西高東低，北高南低，海拔介于1 140～1 580 m之間。主要地貌類型為河谷階地和丘陵。

區內大部分被黃土、黃土狀土覆蓋，僅在河谷谷坡兩側和沖溝溝底見有零星的新近系砂質泥巖、上元古界葫蘆河群變質砂巖板巖和下元古界牛頭河群碎裂狀硅化白云質大理巖出露(圖1)，另在區內西部、南部見有華力西期黑云母花崗侵入巖體。

區域地處祁連—北秦嶺造山帶的復合部位，自北而南由多條次級構造帶及邊界斷裂帶組成。構造帶寬約2～2.5 km，中灘地熱異常區恰恰位于該構造的主應力集中帶上。通過物化探勘測，認為對地熱形成具有控制意義的斷裂系構造主要有:北東向延伸的壓扭性F1斷裂系、近東西走向的張性F2斷裂系和北東向走向的張性 F3斷裂系(見圖1)。

圖1 天津市中灘地熱田區域地質圖

2 地熱賦存特征

2.1 地表熱異常分布特征

中灘地熱異常區位于三陽川盆地渭河高階地，是受斷裂控制的裂隙型地熱田，兼有層狀熱儲和帶狀熱儲特征。異常區主要由三個被黃土覆蓋的溫泉露頭點組成，泉點大致沿NE55°方向呈線狀分布與 F1斷裂走向一致。區內地下水的正常水溫12℃ ～14℃，而溫泉點的水溫值 22℃ ～26℃，高于正常值10℃ ～14℃，熱異常十分明顯。

根據短時間連續干式成孔5m移動測溫法取得的系列資料成果(圖2)，地熱異常區嚴格受斷裂控制，其南北分別以F2、F3斷裂為界，西至霍家坪，東到 F1斷裂，形成長約1 300 m，平均寬1 200～1 250 m，面積約 1.6 km2的地熱田，異常區等溫線總體呈封閉狀，長軸北東南西向，與F1斷裂走向一致，地熱田東部地溫線圍繞溫泉點呈斷續帶狀分布，線條較密，說明溫泉點周圍增溫很快，溫度較高;西部地溫線間距明顯變寬，溫度也由東部的26℃、22℃逐漸降至15℃左右;主干斷裂線外圍等溫線收縮很快。

圖2 中灘地熱熱田范圍及地溫等值線

區內熱流體的分布嚴格受斷裂控制。F2斷裂系以北渭河高階地溫泉點高于以南河谷 II級階地地下水水位37～40 m，并且水溫、水質差別明顯，說明F2斷裂系為地熱田南部阻水邊界;F3斷裂發育方向北西－南東，在地熱田內大致與F2斷裂系平行發育，通過地溫場測量和出露泉點水質、水溫有較大差異分析，亦認為是一阻水屏障;F1斷裂系主斷裂帶上有多處地熱溫泉點出露，高出低階地地下水位45～55 m，亦為一阻水斷裂，現狀熱水排泄除以泉形式有少部分自溢外，絕大部分可能沿F1斷裂破碎帶向兩側徑流排泄。由此說明，熱流體主要分布于F2、F1、F3斷裂所圍成的半包圍區域內，其補徑排也嚴格受上述斷裂的控制。

2.2 熱流體分布與埋藏特征

中灘地熱田熱流體主要賦存于下元古界牛頭河群碎裂狀硅化大理巖中，熱儲呈單斜狀發育，為低溫地熱資源。地熱田由上、下兩層熱儲組成(圖3)，第一層熱儲埋深在張家溝F1斷裂附近為35～150 m，熱儲溫度 28℃ ～35℃，其它地段隨地形增高，埋深相應增加，厚度200～400 m，蓋層為新近系泥巖和第四系。第二層熱儲與上覆第一層熱儲以所夾200～250 m巨厚層絹云母片巖和斷層糜棱巖為分隔層，張家溝F1斷裂一帶埋深600～620 m;汪李坪一帶埋深50～150 m，且隨地形起伏而變化。雖然鉆探對第二層熱儲層揭露僅80 m，但結合實測地剖面和測溫推斷，熱儲體厚度450～600 m。

圖3 中灘地熱田熱儲埋藏分布地質剖面圖

經實測，K1鉆孔650 m深處熱儲溫度為46℃。利用KMg、SiO2、K－Na水化學溫標和地熱增溫梯度推算相應第二層熱儲體溫度分別是 73.65℃、94.16℃、202.81℃ 和 65.8℃。K－Na算得200℃左右，這代表地下熱水在深循環過程中曾經達到過的溫度。據上結果初步確定第二層熱儲溫度應介于65℃ ～70℃之間較為符合實際。

2.3 富水性及動態特征

地熱田內熱儲富水性良好，通過對第一層熱儲體抽水試驗證明，熱流體具承壓狀，水頭高出地面8～10 m，成井后可自流，當水頭降低8 m、20 m和50 m時，相應單井涌水量分別是450 m3/d、1 400 m3/d和2 600 m3/d。計算的滲透系數是7.71 m/d，給水度0.12。經對第二層熱儲650 m處使用井中流速儀測量和對該段鉆探過程中泥漿漏失量的統計表明，單井涌水量大于2 000 m3/d。

通過連續三年對區內泉點流量、溫度及水化學組分監測:汪李坪泉點平均水溫24℃，流量1.15L/s;張家溝泉水溫度22℃，流量0.063L/S。流量隨季節和降水變化不明顯，水化學組分較穩定;水溫年變幅2℃ ～3℃，夏秋兩季較高，冬季最低，分析水溫變化是由氣候和人為因素造成。

2.4 地下熱水的水化學特征

地熱田地下熱水自然出露和人工揭露點集中分布在F1斷裂一線。水化學類型單一，為－Cl－－Na+－Ca2+－Mg2+型，PH 值 7.5～7.93，溶解性總固體 1 200－1 500 mg/L。水中除常規化學組分外，還含有偏硅酸、鍶、鋅、溴、碘、硒、鋰、氡等十幾種與人體健康有益的微量元素。其中偏硅酸達到醫療礦泉水濃度，F達到有醫療價值濃度。鍶(1.87 mg/L)、偏硅酸(29 mg/L)硒(0.02 mg/L)、溶解性總固體(1 372.4 mg/L)等四項指標達到了飲用天然礦泉水界限指標。

3 地熱成因分析

3.1 地下熱水的熱源分析

形成地下熱水的熱源種類繁多，但歸納起來主要有放射性蛻變熱、深循環熱和局部熱源等。

3.1.1 放射性蛻變熱能

是地球內部熱能的重要來源，其熱能的大小主要取決于巖石尤其是花崗巖體中易于富集的鈾、釷、鉀(K40)等放射性元素的含量。測區內雖未見花崗巖體，但其西、西北外圍有大面積的華力西期花崗巖體出露，鉆探揭露也有橄欖巖脈存在，水中SiO2含量高，F、氡等逸出性氣體也有一定含量。說明形成地下熱水的熱源與巖體放射性蛻變生熱關系極為密切，是主要的熱源體。據此并根據區域調查資料推斷:地熱田處在熱水系統的排泄區，外圍花崗巖體很可能就是地下熱水的主要熱源體，二者以斷裂通道相連。

3.1.2 深循環地熱能

是指通過地球內部正常增溫所獲得的熱量。前已推算出區內第二層熱儲溫度為65℃ ～70℃，要達到此溫度以陸地最大正常地溫梯度3℃/百米推算，其熱儲也至少在2 100 m深度以下，而區內斷裂非區域性深大斷裂，難以達到此影響深度。因此認為該地下熱水純粹由“正常增溫”形成的可能性較小。盡管如此，由于熱水的循環深度相對較大，部分熱能也可能是通過“正常增溫”而獲得的。

3.1.3 構造余熱

是由近期或挽近期的活動斷裂產生。研究區位于天水—蘭州地震帶，挽近期構造活動明顯，歷史上曾多次發生地震，7級以上地震就有3次。有關資料表明，一次5級地震(2×1 019爾格)所釋放出來的能量相當于爆炸一個兩萬噸 TNT的原子彈(8×1 019爾格)。由此可以推測，歷次地震活動中所產生的構造余熱在地下熱水形成的漫長歷史過程中，可能也對其產生過一定的影響。

3.2 地下熱水的補給來源分析

利用氫氧同位素測試結果所建立的本區雨水線方程為δD=7.15δ18O+4.18，而區內各類地下水的 δ 值都落在雨水線附近，說明本區地下熱水主要接受大氣降水和由降水形成的地表水入滲轉化而成。前述地下熱水賦存于 F2、F3間的構造破碎帶內，所有的泉點都位于F1斷裂西側，從而排除了東部方向來水的可能性，據此初步認為補給區應在地熱田西北部。通過補給高程的計算，確認距中灘地熱田西北25～30 km、海拔1 300～1 700 m左右的渭河河谷上游基巖裸露區是地下熱水的主要補給區。根據所采集的氚樣分析結果顯示，區內地下熱水的氚濃度值介于3～14.48TU之間，說明熱水中含有少量熱核試驗生成的氚，地下水可能形成于1954－1961年間，據此推算地下水循環年齡大于40年。從現掌握的資料分析，中灘一帶應為該地熱系統排泄區域，除少部分自然流出的溫熱水外，推測大部分可能沿F1斷裂向東北、西南方向徑流排泄。

3.3 熱水水化學組分來源分析

地下熱水中除含有常規化學組分外，還含有十幾種與人體健康有益的微量元素，其中可溶性 SiO2、氟和氡等是熱水中標志性元素，含量較高。這些化學組分和微量元素除少部分來自大氣降水或地表水外，其余大部分是地下水在深循環過程中，在一定的溫度和壓力下，溶濾花崗巖體中標志性元素或因花崗巖體中放射性元素衰變而成。地下熱水在循環徑流的過程中，經歷著不同的水化學環境，從而形成了不同于一般地下水的一些水化學特征及標志性化學元素。

4 結語

綜上，距中灘地熱田西、西北25～30 km處，海拔1 300～1 700 m的渭河上游基巖裸露區的大氣降水、地表水滲入地下后，沿北西西向延伸的F2、F3斷裂間的破碎帶向南東東徑流，地下水在漫長的深循環徑流的過程中，在一定的溫度和壓力下，不但接受了花崗巖體中放射性元素蛻變熱和地震時構造余熱的加熱，而且通過溶濾、混合、離子交換等作用把圍巖中的標志性等元素溶于地下水中，在F1斷裂處受擋后，在靜水壓力傳導下上涌形成溫泉。

［1］劉光亞.基巖地下水［M］.地質出版社，1979.12.

［2］胡玉祿，胡紅文，等.5m地溫測量在地熱勘探中的應用.水文地質工程地質.2002.

［3］黃尚瑤，等.地球熱學.地質出版社，1998.

［4］地熱資源評價方法.DZ40－85.

［5］地熱資源地質勘查規范.GB 11615－89.

Occurrence of Geothermal Beach Characteristics and Causes of Tianshui City in Gansu Province

WANG You－quan，WEI Lin－sen
(The 3rd mineral investigation academy，Gansu provincial mine bureau，Lanzhou 730050，Gansu)

Zhongtan geothermal field is cranny type and is a microtherm geothermal resource，which has amount of heat quantity and good quality water.In order to provide geothermal resources for development and utilization orderly and properly in the future，a lot of exploration review have been analyzed and summarized，geothermal contribution factor and storage feature is elaborated and analyzed in the paper.

geothermal;properties of deposit;genesis exploitation

P641.139

B

1004－1184(2012)01－0014－03

2011－10－10

甘肅省天水市中灘地熱資源開發項目(GDK04－258)

王有權(1966—)，男，甘肅會寧人，高級工程師，主要從事水文地質、工程地質及環境地質勘查研究工作。