烏魯木齊市甘泉堡-古海溫泉區地熱地質特征分析

袁麗發，謝 寧，徐海龍

(新疆地礦局第一水文工程地質大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

研究區位于新疆維吾爾自治區中部天山北麓、準噶爾盆地東南緣，南部及西部為天山北麓山前平原，中部及北部大部分地段為古爾班通古特沙漠。區內南部有吐烏大高等級公路、國道216和省道111、303等多條公路，東部有大黃山至富蘊縣高等級公路，交通較便利；北部沙漠區只有石油公路可以通行，大部分地段通行困難。本文在野外實地調查的基礎上，并結合相關研究成果[1-5]，從研究區地質背景的角度出發，對研究區地溫場特征、熱儲特征、埋藏條件、地熱流體場特征進行全面分析，進而為研究區內開展地熱資源勘查及地熱資源勘查規劃提供依據。

1 研究區地質背景分析

1.1 地層概況

研究區地層屬于天山—興安嶺地層區準噶爾地層分區、橫跨吉木薩爾縣地層小區和將軍廟地層小區。受區域構造控制，區內地層總體表現為南厚北薄，東薄西厚的特點。出露地層主要為新近系和第四系，其成分復雜，主要為風積、沖積、沖洪積層，沉積厚度變化較大從幾十米到上千米不等。

1.2 地質構造

研究區在大地構造上隸屬于準噶爾—北天山褶皺系一級構造單元內的二級構造單元北天山優地槽褶皺帶(Ⅱ3)中的博格達復背斜(Ⅱ32)、烏魯木齊山前拗陷(Ⅱ36)和準噶爾坳陷(Ⅱ2)中的準噶爾中央坳陷(Ⅱ24)、準噶爾東部凸起(Ⅱ25)。

2 研究區地溫場特征

2.1 地溫場平面特征

本次通過熱紅外遙感解譯，獲得研究區冬季地表瞬時地溫數據，編制了區內冬季地表地熱分布影像圖，發現區內大部分地段為中低熱區，高熱區主要分布于東北部五彩灣及西南角102團一帶，溫度最低地段主要為西南部各個水庫區。

通過對地溫數據進行熱紅外遙感信息提取和解譯，初步劃分了三個分區：分別為中高溫區(30℃～41.5℃)、中溫區(28℃～30℃)和低溫區(10℃～28℃)。區內低溫區分布于中部阜康市北部、六運湖農場至222團一帶，面積最小，為445.15 km2；中高溫區分布于東北部沙漠區至五彩灣一帶，面積為575.73 km2；中低溫區分東西兩片，西片為102團至甘泉堡經濟開發區一帶，東片為土墩子農場、滋泥泉子至沙漠區南部一帶。面積最大，為1 532.12 km2。

2.2 地溫場垂向特征

根據據前人成果，盆地平均地溫梯度為22.6℃/km，其中2 000 m范圍內1.75～2.7℃/100m，通過本次收集的鉆孔孔底測溫數據，研究區東部2 000 m深度范圍內，平均地溫梯度為2.56～2.65℃/100m，在準噶爾盆地中屬于地溫梯度高值區。

根據準噶爾盆地區域地熱成果，1 000 m深處平均溫度為24.2℃～42℃；2 000 m深處平均溫度為40.2～71.1℃；3 000 m深處平均溫度為60.2℃～71.1℃。總體而言，盆地腹部地溫高，向南、北方向逐漸降低，在研究區周邊以彩南地區最高，東部凸起次之，南部天山山前坳陷最低。

2.3 異常區的圈定

通過本次遙感解譯和實地調查分析得出，研究區內熱異常主要受南北向斷裂F5、F10、東西向斷裂F3，F4和北西向斷裂F1、F2控制，其中F5，F10為導熱斷裂，為主要控熱構造，受區域斷裂F3、F2和F1控制；而北西-南東向F6，F7、F8、F9和F11斷裂為導水斷裂，主要為區內深部地熱流體的補給、排泄、徑流提供通道。

受研究區構造格局影響，東部五彩灣一帶構造屬于帳篷溝凸起，下部侏羅系以上地層大部分缺失，二疊系、石炭系地層埋藏深度遠小于其他地區，深部高溫地熱流體傳至淺部乃至地面的幾率增大同時，從遙感解譯結果也看出，該區域地熱異常顯示明顯。

研究區中部存在三處水溫異常，根據該區域與上述斷裂位置對應關系，初步判段水溫異常主要受F3和F2斷裂總體控制，地下深部的高溫地熱流體，通過橫穿上述兩斷層的F6斷裂，將深部地熱運移到淺部地段，再通過機井開采地下水將地熱異常通過水溫異常顯露，在水溫這一高比熱流體的稀釋作用下，明顯的熱異常被消弱，上述過程需要后期進一步工作加以驗證。

綜上所述，初步判斷區內東北部、西南部兩片區域均存在地熱異常，據此劃分兩個地熱異常區，現分述如下。

2.3.1 古海溫泉地熱異常區

位于研究區東北部，西以南北向斷裂F10為界，北、東至研究區邊界，南以北西向斷裂F1、F11為界，呈四邊形分布，面積約391.6 km2。熱異常主要受南北向斷裂F10控制，北西-南東向F9、F11斷裂為深部地熱流體的通道。

2.3.2 甘泉堡地熱異常區

位于研究區西南部，西以南北向斷裂F5為界，東至北西向斷裂F7與東西向斷裂F3交接地段，北部、南部均至研究區邊界，呈不規則六邊形區域分布，面積599.78 km2。熱異常主要受南北向斷裂F5控制，北西-南東向斷裂F6、F7為深部地熱流體的通道。

3 研究區熱儲特征及其埋藏條件

3.1 熱儲層及蓋層的確定

本次圈定的兩處地熱異常區均位于準噶爾盆地東南，地表出露地層為第四系風積物和沖洪積物，地層中含有大量的粉土、粘土；其下伏地層依次為古近系-新近系、白堊系、侏羅系和三疊系，這些地層中含有砂巖-泥巖互層、泥質砂巖或多層泥巖，構成不透水或弱透水巖層，成為了區內深部地熱的良好蓋層。

在兩處地熱異常區中，甘泉堡異常區內現有勘探鉆孔大多未揭穿第四系，因而本次重點分析古海溫泉地熱異常區的熱儲層特征。綜合分析沙南一井、沙南油田SQ3111、SQ3231鉆孔資料和前人區域地熱成果，初步判斷古海溫泉異常區地下深部存在熱儲層，而上部第四系至三疊系地層為該區熱儲層的蓋層，在現有鉆孔勘探深度內，蓋層厚度約為1 591～2 047 m。二疊系至石炭系為熱儲層，其類型為層狀熱儲。

3.2 熱儲特征及其埋藏條件

3.2.1 二疊系熱儲層

該熱儲層主要分布于二疊系中統上芨芨槽群、上統下倉房溝群，巖性主要為陸緣近海湖相砂泥巖、海陸交互相灰黃-灰綠色砂泥巖、濱海淺海相砂泥巖夾泥灰巖及火山巖夾碎屑巖等。據沙南一井、彩參2井和沙南油田SQ3111、SQ3231鉆孔資料，厚度在657～835 m，埋藏深度在1 866～3 247 m。

由于該層段不是石油鉆孔的目的層，該層段的其他特征需進一步工作查明。

3.2.2 石炭系熱儲層

該地層在整個研究區均有分布，巖性以海陸交替相砂泥質凝灰巖夾石灰巖為主，該時期由于巖漿活動較強烈，玄武巖、安山巖和火山碎屑巖也較為發育。通過沙南1井(古海溫泉)資料和實地調查，該熱儲層主要分布于下石炭統八塔瑪依內山組，巖性以深灰色、墨綠色玄武巖為主，埋藏深度為1 866～3 762 m。

1)熱源條件

綜合前面的區域地質背景和前人對準噶爾盆地地熱研究成果可知：區內石炭系地層埋藏深度遠小于其他地段，同時該地層中的玄武巖、安山巖和火山碎屑巖等為高熱導率巖石，由此推斷高熱導率石炭系巖石埋藏淺是導致古海溫泉異常區地溫較高的原因之一，進而推斷區內熱源來自深部地幔熱和構造形變轉化熱。

2)水源條件

據沙南1井勘探資料，石炭系八塔瑪依內山組中賦存基巖裂隙水，含水層深度為1 858.85～2 038.92 m，總厚度約為55.3 m，從深到淺大體分為三層自流水層。由于遠離補給區，裂隙水徑流滯緩，流量1.1～43.2 m3/d，礦化度高達17.39～18.67 g/L，具有深循環徑流特征。其中氯離子含量高達10.37～10.94 g/L，水化學類型為Cl-Ca·Na型，導熱性和導水性相對較差，水溫22℃～70℃。

本次實測水溫約為72℃，水樣測試溶解性總固體數值為18.02 g/L，其中氯離子含量高達11.43 g/L，水化學類型仍為Cl-Ca·Na型。

3)構造條件

據沙南1井(古海溫泉)勘探資料，該井地處準噶爾盆地東部凸起內的帳篷溝凸起，燕山期強烈抬升導致基底隆起、地層剝蝕嚴重，侏羅系以上地層缺失。石炭系地層埋藏較淺(1 866 m，遠小于盆地其他地段)，巖性為玄武巖、安山巖和火山碎屑巖，該類巖石熱導率較高，地溫較高。位于地下1 984～2 002 m的地熱流體(熱水)，通過該井將深部熱能傳至地表自流，井口出水溫度高達70℃(1983年)，以本次實際調查地下水平均水溫12℃計算，該井的地溫梯度為2.9℃/100m，遠高于準噶爾盆地2 000 m范圍內1.75～2.7℃/100m的地溫梯度。

從區域大地熱流分布情況可看出，古海溫泉地熱異常區的大地熱流值明顯高于周邊，而且區內發育有4條斷裂，通過遙感解譯及現場驗證：北西向斷裂F9、F11為導水導熱，成為深部地熱流體傳輸的主要通道，在南北向斷裂F10和導熱斷裂(F11)綜合作用下，地下深部的高溫地熱流體沿著F11斷層方向(北西-南東向)運移，沙南1號油井(五彩灣古海溫泉)本次實測井口水溫高達72℃。

4 研究區地熱流體特征

4.1 化學特征

甘泉堡地熱異常區南部地下水深埋區，第四系松散巖類孔隙水含水層顆粒粗大，徑流條件好，水交替強烈，地下水的礦化度均小于0.5 g/L，水化學類型為HCO3-Ca·Na型水；北部含水層顆粒逐漸變細，出現細顆粒夾層和粘土，徑流條件變差，水交替作用逐漸滯緩，潛水溶解性總固體為一般1.0～3.0 g/L。水化學類型由南向北依次變為HCO3·SO4-Ca·Na型水、SO4·HCO3-Na型水、SO4·Cl-Na型水，承壓水水質較好，溶解性總固體為0.67～0.77 g/L。

根據本次采集的古海溫泉地熱流體水樣測試結果可知：該熱水溶解性總固體為18.02 g/L(其中氯離子含量高達11.43 g/L)，水化學類型為Cl-Ca·Na型。水中氟、鍶、鋇、硼、硅的含量達到理療礦水命名濃度，鍶、鋇、硼達到礦水濃度命名。

4.2 動態特征

研究區內地下水水位年內動態類型分為：徑流-開采型和徑流-蒸發型。

4.2.1 徑流-開采型

主要分布在南部山前礫質平原、細土平原和北部沙漠區的大部分區域。每年4-8月為河流豐水期，但受農灌開采的影響，地下水位呈現為低水位期；每年11月至翌年2月為河流枯水期，但農灌區基本無開采，因此地下水位呈現為高水位期。其動態曲線一般為“單谷”型，年內水位變幅通常大于1 m。

4.2.2 徑流-蒸發型

小片分布于沖洪積平原北部、風積沙漠南緣一帶，即阜康市北部222團、土墩子農場和五彩灣一帶，可見埋深小于5 m的區域，局部地勢低洼處埋深為1～3 m，該區域為地下水排泄區，降水量較少，蒸發極為強烈，氣候干旱，主要接受上游地下水側向徑流補給，以向下游側向徑流和蒸發為主要排泄方式，周圍常見有大面積的鹽漬化土壤分布。區內地下水埋深年內動態曲線波動不大，年內變幅小于1米。每年5-8月蒸發量較大，出現低水位期。

5 結語

(1)研究區從北向南區域性斷裂主要有4條，其中北西-南東向壓性逆斷層2條(分別為F1、F2)，近東西向的壓性及壓扭性斷裂2條(分別為F3、F4)，均為區域主要控熱構造；區內還發育7條隱伏斷裂，其中北西-南東向5條，其中F6，F7和F8為張扭性斷裂，為區內主要控水(導水)構造；F11斷裂周邊熱異常明顯，為區內主要的導熱構造。南北向2條(F5、F10)為壓性構造，為控熱構造(導熱斷裂)。

(2)研究區內地溫分為三級，東北部為中高溫區，面積為575.73 km2；中部為低溫區，面積為445.15 km2，其他地段為中低溫區，面積為1 532.12 km2。

(3)研究區內第四系至三疊系地層為地熱異常區的蓋層，厚度為1 591～2 047 m；二疊系至石炭系為熱儲層，埋藏深度為1 866～3 762 m，其類型為層狀熱儲；將區內地下水水位年內動態類型分為徑流-開采型和徑流-蒸發型。