靈陜盆地地熱水成因分析

姚 文 兵

(山西省第八地質工程勘察院，山西 運城 044000)

·巖土工程·地基基礎·

靈陜盆地地熱水成因分析

姚 文 兵

(山西省第八地質工程勘察院，山西 運城 044000)

結合地熱水資源的地質勘查工作，查明了靈陜盆地的地熱水的賦存特征，從地溫場特征、地質構造的控制作用、同位素特征等方面對其成因進行了分析，為今后地熱水資源的綜合開發與合理規劃提供了依據。

靈陜盆地，地熱水，成因

隨著社會經濟的發展，地熱水資源的開發利用，越來越多的被人們所重視，并取得很好的經濟效益。位于黃河金三角地區，既晉陜豫交界處的靈陜盆地的地熱水開發已經開始，但目前利用地熱水井(泉)有限，結合近年地熱水資源的地質勘查工作，本文著重闡述了靈陜盆地地熱水資源的賦存特征，并對其成因進行分析判定，為今后該地區地熱水的綜合開發與合理規劃提供依據。

1 地質特征

靈陜盆地位于晉陜豫三省交界處，地理坐標東經110°30′～111°30′，北緯34°29′～34°55′，北起中條山，南抵小秦嶺，東臨三門峽水庫，西至豫陜交界函谷關，盆地東西90 km,南北約25 km,面積約2 000 km2，地勢較平坦，屬半濕潤大陸性氣候，年平均降雨量573 mm，年平均氣溫13.5 ℃。地下熱水的補給來源主要由四周基巖山區的大氣降水入滲和中部黃河斷陷河谷區的側向徑流補給，由于其地下熱水資源賦存埋藏較深，補給、徑流速率緩慢。

1.1 地層

太古界：涑水雜巖。

下古生界：寒武系，由白云巖、白云質灰巖、頁巖組成。奧陶系，主要為灰巖夾泥灰巖、泥巖組成。

中生界：白堊系，河湖相沉積的泥巖、砂質泥巖、砂巖、礫巖。

新生界：下第三系，湖河相堆積的半膠結狀泥巖、砂質泥巖、砂巖、砂礫巖。上第三系，河湖相堆積的砂巖、泥巖。第四系，以河流相沉積為主的砂、粉土、粘土組成，夾黃土堆積。

1.2 構造

本區位于鄂爾多斯地塊與豫皖斷塊交接處，主要構造格架為：北部中條山地壘。中部黃河河谷地塹。南部小秦嶺隆起區。

構造運動是在地殼大型隆起的背景上，沿襲古老斷裂不斷沉積發展形成的，靈陜盆地在地形上為一狹長中央斷陷的地塹式盆地，最大沉積厚度在2 300 m以上。主要構造特征如下：

1)盆地南北邊緣山前發育縱深正斷層，分別為中條山南麓山前大斷裂和小秦嶺(崤山)北麓山前大斷裂；2)裂谷作用始于老第三紀古新世，至中新世達到高潮，形成半封閉的古三門湖盆地；3)上新世后，隨著南北山區不斷隆起遭受剝蝕，盆地中部地塹產生河、湖相堆積，形成現代地形地貌形態；4)盆地中部黃河地塹被新生代松散沉積物覆蓋，發育有一系列階梯狀走向南北、東西的高角度平行隱伏正斷層，南北向斷層控制地層巖性，東西向斷層控制地貌形態，中東部存在基巖隆起區。

2 賦存特征

2.1 地熱含水層段

1)中新統熱儲層段。中新統(N1)下部承壓孔隙含水層，底板埋深900 m，厚度325 m，為一層鈣質半膠結的礫巖、砂礫巖及中粗砂巖等，出水溫度小于30 ℃，為低溫熱水，一般不予開采。

2)漸新統熱儲層段。盆地內均有分布，漸新統(E3)承壓孔隙含水層，底板埋深1 480 m，厚度115 m，為一套膠結較好的河湖相地層，巖性為粉細砂巖、中～粗砂巖、砂礫巖與泥巖互層，砂厚比為34.5%，孔隙度8.9%～28%。該熱儲層段開采區間為930 m～1 480 m，出水溫度±48 ℃，為中低溫熱水。孔隙裂隙透水性好，滲透系數0.05 m/d，是盆地主要地熱水開采層段。

3)始新統熱儲層段。盆地中東部鉆孔缺失，始新統(E2)承壓孔隙含水層，底板埋深1 900 m，平均厚度94 m，為一套固結較好的河湖相地層，巖性為砂礫巖、砂巖、砂質泥巖、泥巖、含石膏泥巖、泥灰巖互層，砂厚比為22.4%，孔隙度13.4%～43.6%。該熱儲層段開采區間為1 481 m～1 900 m，出水溫度大于50 ℃，為中低溫熱水。

4)古新統熱儲層段。盆地中東部鉆孔缺失，古新統(E1)承壓孔隙含水層，底板埋深2 016 m，為一套膠結較好的河湖積相地層，砂質泥巖、泥巖的互層，其下部夾有8.7 m粉細砂巖，富水性差。孔隙度28.3%。該熱儲層段開采區間為1 900 m～2 016 m，出水溫度大于55 ℃，為中低溫熱水。

5)奧陶～寒武系熱儲層段。分布在盆地北部中條山南麓和南部陜縣段，開采段含水層頂板埋深0 m～300 m，厚度350 m，在盆地中東部鉆孔1 380 m見該熱儲層段，鉆孔揭露1 600 m～1 690 m段灰巖裂隙寬1 mm～5 mm，裂隙率10%左右。巖性為鮞狀灰巖、白云質灰巖夾薄層泥質條帶灰巖及泥頁巖，平均孔隙度20%，單井出水量大于1 000 m3/d,出水溫度大于55 ℃。

2.2 地熱水化學特征

受含水層段和補給條件影響，靈陜盆地地熱水水化學特征存在差異。東部區地熱水水化學類型為Cl·SO4～Na型，礦化度11.5 g/L～20.5 g/L，pH值6.8～7.3，呈弱酸～堿性咸水；中東部基巖隆起區地熱水水化學類型為SO4·Cl～Ca·Na,HCO3·SO4·Cl～Na·Ca型，礦化度0.6 g/L～1.3 g/L，pH值7.2～7.4，呈弱堿性淡水；西部區地熱水水化學類型為Cl·SO4～Na·Ca型，礦化度16.2 g/L，pH值7.1，呈弱堿性咸水。

3 成因分析

3.1 地溫場特征

靈陜盆地地熱系統屬于傳導熱水類型，根據勘探資料，盆地中部沉積厚度在2 300 m以上，有著優越的地熱儲溫條件。

1)地溫梯度異常的隆起區。地溫梯度大于2.97 ℃/100 m～12.85 ℃/100 m。盆地中東部地段和東南崤山山前陜縣溫塘～會興鎮斷裂溫泉出露處，水溫高達65°～68°。由水溫和出露位置分析，溫泉的形成非地溫梯度加熱地下水，而是與山前深層大斷裂的地熱傳導有關。

2)盆地中部斷陷地塹區。根據地層資料和物探測井，確定其存在多個熱儲層段，其主要開采熱水含水層為900 m以下的3個熱儲層的地下熱水，數據分別如下：

a.儲層含水層段厚度一般2 m～10 m，最大厚度可達21 m；b.保溫蓋層相對較厚，一般厚度大于900 m；c.含水層巖性一般為粉細砂巖、粗砂巖、砂礫巖，礫度中等；d.熱儲層較為集中，單位涌水量較高，屬中等滲透型熱儲層；e.底部具有良好的地熱異常。

井溫、地溫梯度推算：

a.井溫梯度。

測井深度30 m～530 m，30 m～930 m，30 m～1 330 m，30 m～1 730 m，30 m～2 080 m，平均井溫梯度分別為8.38 ℃/100 m，5.04 ℃/100 m，3.78 ℃/100 m，3.03 ℃/100 m，2.73 ℃/100 m。

b.地溫梯度。

測井井底溫度66.87 ℃(T)，井深2 080 m(H)，盆地常溫帶深度30 m(h)，常溫帶溫度13.5 ℃(t)。

根椐公式G=(T-t)/(H-h)×100 計算，平均地溫梯度(G)約為2.73 ℃/100 m。

3.2 地質構造的控制作用

1)地殼結構。

根據山西大地電磁測深資料，中地殼電阻率為2 Ω·m～5 Ω·m的低速高導層，在盆地中埋深14 km左右，而向兩側山區逐漸變薄以至消失，埋深增至20 km以上，低速高導層是因物質高溫熔融，熱源主要來自花崗巖殼中的熱核反應，對地下熱水的形成具有重要意義。新生代斷陷盆地之下的莫霍面為相對隆起狀，隆起幅度約2 km～4 km，其形態正好與斷陷盆地的下凹形態相反(據王西文)。

2)居里等溫面。

該等溫面的高低可反映地熱源的熱流值大小，靈陜盆地內居里等溫面位于中地殼的上部，深度30 km～35 km,其位置和上述低速高導層相對應，且具有溫度高(達到600 ℃)等物理特性，在盆地中形成地熱異常區(據王貴玲)。

3)地熱形成模式。

由于深部地殼熱能向上傳導與淺部流體對熱，才使地球內部的熱能轉化為地表附近的熱水，形成地熱田。基巖的熱傳導率明顯大于松散層，可使來自殼內的熱流在傳導時，局部向基巖集中。對于新生界斷陷盆地，在有一定厚度的松散蓋層存在的前提下，其基巖隆起部位的地溫值又相對鄰區要高。斷陷盆地中的斷裂破碎帶，其熱傳導率也較大，更加表現為相對高的地溫值。對流傳熱是基巖內部及其頂部與運動流體(地下水)之間的換熱，而松散蓋層和地下水的換熱作用則屬于次要地位，此種對流可以由兩種原因引起，一是由于地下水的靜水壓力而形成的深循環，使冷水加熱，稱之為“受迫對流”，是主要因素；二是基巖或松散層中已有的層間水受熱后，由于本身溫度場引起密度變化而向上運移，稱之為“自然對流”，屬次要因素，兩種因素是互相配合的，從而加速了熱水的向上對流。

本區為大陸裂谷帶，屬于地溫場之熱異常區，固態巖層的傳導傳熱，使基巖上部的地溫值達到100 ℃～200 ℃左右，特別是新生代松散物覆蓋下的基巖隆起和斷裂破碎帶相對更高，可形成高地溫場(熱異常)，這就是地熱田形成的深部條件。同時，本區具有:a.有邊緣鏟式活動斷裂帶，其斷裂深、破碎帶寬，可成為冷水下傳至基巖加熱的主要通道；b.有盆地內活動斷裂作為加熱后的熱水向地表運移的通道；c.有基巖隆起帶熱儲構造，碳酸鹽巖巖溶裂隙。這就是地熱田形成的淺部條件。

3.3 同位素特征

根據采集的水樣，進行C-14，δD，δO-18同位素測定，其測試結果：C-14(%)=2.86±1.02；δD(‰)=-78；δO-18(‰)=-8.2。

由此建立δD=7.4(δO-18)+ 9.52的函數關系式，與相鄰地區西安市的大氣降水直線方程公式δD=8(δO-18)+10相比，查明本區地下熱水主要來源于大氣降水，屬于降水成因。

C-14測定結果可以得出，靈陜斷陷盆地第三系地熱水儲層埋藏深，熱水年齡在29 400年左右。本區地下熱水補給距離長、運移速度緩慢、徑流時間長。

4 結論與建議

1)靈陜盆地位于鄂爾多斯地塊與豫皖斷塊交接處，地熱系統屬于傳導熱水類型，新生代松散物沉積厚度大于2 300 m。地熱水主要賦存于900 m～1 480 m漸新統熱儲層段、1 480 m～1 900 m始新統熱儲層段、奧陶～寒武系熱儲層段中，含水巖性主要為砂巖、碳酸鹽巖，富水性中等～強。受含水層段和補給條件影響，水化學特征存在差異。

2)靈陜盆地東南崤山山前與中東部存在基巖地溫梯度異常區，地溫梯度2.97 ℃/100 m～12.85 ℃/100 m；中部盆地斷陷地塹區平均地溫梯度2.73 ℃/100 m。

3)靈陜盆地為大陸裂谷帶，屬于地溫場之熱異常區，特別是新生代松散物覆蓋下的基巖隆起和斷裂破碎帶相對更高，可形成高地溫場(熱異常)，同時，a.有邊緣鏟式活動斷裂帶可成為冷水下傳至基巖加熱的主要通道；b.有盆地內活動斷裂作為加熱后的熱水向地表運移的通道；c.有基巖隆起帶熱儲構造，碳酸鹽巖巖溶裂隙就是地熱田形成的兩個條件。

4)該盆地目前開采的地熱水井(泉)很少，僅僅開采使用陜縣崤山山前奧陶～寒武系熱儲層段地熱(泉)井四處；盆地中部已有探采井五眼，但沒有開采使用。通過C-14測定結果，熱水年齡在29 400年左右，說明靈陜盆地地熱水資源補給徑流途徑長，可開采量是有限的，必須合理規劃開采井。

The formation analysis of geothermal water in Ling Shaanxi basin

Yao Wenbing

(The8thGeologicalEngineeringInvestigationInstituteofShanxi,Yuncheng044000,China)

Combining with geological prospecting work of geothermal water resources, this paper identified the geothermal water characteristics of Ling Shaanxi basin, from the geothermal field characteristics, tectonic control effect, isotope features and other aspects analyzed its causes, provided basis for future comprehensive development and rational planning of geothermal water resources.

Ling Shaanxi basin, geothermal water, cause

2015-04-06

姚文兵(1966- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)17-0030-02

TU461

A