原平市東社地熱資源預測分析與評價

翟虎威

(山西省煤炭地質114勘查院，山西 長治 046000)

當前，中國特色社會主義進入新時代，社會各項建設取得重大成就，我國地熱產業正迅猛飛速發展，地熱直接利用(非電)已連續多年居世界首位(李寧波等，2018)。近年來山西省對地熱勘查開發利用的重視程度也越來越高，依據山西省自然資源廳文件(晉自然資發[2019]40號)，提到了淺層低溫能、水熱型地熱和干熱巖等清潔能源礦產調查評價工作作為重點推薦項目，并設置專項地熱勘查基金，對地熱資源的重視程度提高到了前所未有的高度。按照政策導向，以原平市東社鎮地表天然溫泉為切入點，開展搜集資料、實地調查和分析論證工作，從自然背景、地質背景、初評論證和結論四個方面進行闡述，揭示了研究區的地熱異常特征及原因、地熱系統形成原理、勘查開發的價值等內容。

1 研究區自然背景

1.1 自然地理

東社鎮位于山西省原平市東南部，五臺山區西南角，屬五臺山脈與忻定盆地的過渡地帶，主要地貌為剝蝕基巖山區、黃土臺塬和沖積谷地，標高約+800-+1 200 m。G338國道東西向通過。同河自北向南流經此地，屬海河流域滹沱河水系。

1.2 地震情況

根據中華人民共和國標準《中國地震參數區劃圖》(GB 18306-2015)，研究區所屬地區的地震基本烈度值為Ⅷ度，地震動峰加速度分區為0.20 g(中國地震動參數區劃圖，2015)。周邊有記錄的3.0級以上有感地震共16次，其中7級以上地震有三次(王躍杰等，2009)，主要集中在忻定原盆地(表1)。地震后在盆地邊緣地帶可見大量的新生界第四系斷裂，并形成大量天然溫泉。1991年5.1級地震震中即位于本區。總之，研究區及周邊屬地震頻發區。

表1 周邊地震統計表

1.3 區內溫泉

經實地調查，東社鎮北600 m處有一座孤立的小山峰，形似大龜，名福壽山，山頂標高+876.4 m，出露地層為下元古界滹沱超群豆村群大石嶺組谷泉山段(H1dg)變質巖，周邊3～8 km均為第四系松散層覆蓋。山下有溫泉出露，并形成溫塘水庫，終年不結冰，水溫恒定，常年保持25 ℃左右，遠高于當地恒溫層溫度，與周邊對比顯示明顯地熱異常。泉水涌出量為450 m3/h，礦化度0.146 g/L。當地百姓冬天在此漚麻和洗衣，俗稱“漚麻灘”(圖1)。據此分析，地下應該存在更高溫度的地熱資源。

圖1 地表溫泉實景圖

1.4 周邊溫泉

本區西部20～40 km范圍內分布有運營的五大溫泉，均位于忻定盆地平原地帶，主要用于溫泉度假、洗浴、理療和溫室(表2和圖2)。地熱系統均屬新生代斷陷盆地對流型地熱系統，開發原始水溫35.5℃～75.6℃，地溫梯度3.5～7.0 ℃/100m，單井涌水量20～60 m3/h(張海永，2016)，礦化度一般小于1 mg/L。周邊溫泉的分布特征對本區開展地熱資源預測分析具有重要指導意義。

表2 周邊溫泉分布一覽表

2 研究區地質背景

2.1 地層

區內大部分被第四系覆蓋。根據周邊出露地層推測，下伏地層自下而上為上太古界五臺超群石咀群文溪組(W1w)、臺懷群柏枝巖組(W2b)、下元古界滹沱超群豆村群四集莊組(H1s)、南臺組(H1n)和大石嶺組(H1d)。可能有下元古界呂梁期輝綠巖(Bμ)和花崗巖(γ)侵入體(山西省地質礦產局，1989)。五臺超群為一套火山巖類和砂泥巖類低-中級變質巖系，滹沱超群為一套碎屑沉積巖為主的低級變質巖系，兩套地層呈角度不整合接觸，厚度變化很大(表3)。

表3 地層一覽表

2.2 構造

山西省自北向南分布有五大新生界斷陷盆地，分別為大同盆地、忻定盆地、太原晉中盆地、臨汾盆地和運城盆地，呈“S”型縱貫全省中部。忻定盆地處于山西斷陷帶北中部，總體呈“C”字型，依據新構造運動差異和構造地貌特征劃分為代縣、原平、齊村、定襄、宏道5個凹陷和金山、閻家莊2個盆地間凸起及若干盆地邊緣凸起(王躍杰等，2009)。研究區位于忻定盆地蔡家崗凸起邊緣，1991年5.1級地震震中即位于此處。蔡家崗凸起是由五臺山西麓斷裂南段、南郭下斷裂、湯頭-宏道斷裂和斷陷盆地自然邊界圈定(圖2)。

圖2 區域構造簡圖

區域構造亦屬呂梁-太行斷塊五臺塊隆恒山-五臺山穹狀隆起西緣的區域韌性剪切帶，表現為呂梁期構造行跡，總體為大型復向斜東冶-豆村坳褶帶的北翼，形成一系列緊閉褶曲次級構造，構造方向為北東東向。后期與新生代蔡家崗凸起疊加，構造形態及其復雜，產狀陡立和倒轉現象普遍，并伴有與軸向平行的深大活動逆斷裂，組成了忻定新裂陷北部邊界斷裂帶。根據區域資料，本區至少存在東社斷裂和東社北斷裂兩條深大活動斷裂。兩條斷裂性質相似，呈疊瓦狀平行展布，均為逆斷裂，落差約200～300 m，走向北東東，傾向北北西，傾角65 °，為主要控熱邊界構造。

2.3 地熱條件

根據研究區的地貌地質特征，可初步確定水熱型熱儲層為松散層孔隙熱儲和變質巖裂隙熱儲兩類。隔熱隔水層為第四系粘土層和片巖、千枚巖及板巖類基巖，自然熱傳導和越流相對微弱。

由航磁勘探結果，580 ℃居里等溫面區域背景值為24～26 km，忻定盆地為22～24 km，五臺山區為16～18 km；根據實測大地熱流值區域背景值為1.4～1.45 HFu，忻定盆地為1.5 HFu，五臺山區為1.8 HFu；可以確定五臺山區是熔離巖漿隆起部位(馬俊紅等，2004)。本區位于五臺山區西南邊緣，居里等溫面區域背景值取值18 km，大地熱流值取值1.7 HFu，熱源條件遠好于區域背景值和忻定盆地中心地帶。

研究區周邊分布有大量巖漿侵入巖體，活動斷裂又比較發育。熔離巖漿不僅相對隆起，而且存在灌入上覆巖體的良好自然通道，故干熱巖賦存條件比較優越。

參考忻定盆地五大溫泉的實際資料，采用平均地溫梯度值5 ℃/100m，初步預測區內500 m深度地溫為45 ℃，1 000 m深度地溫為70 ℃，1 500 m深度地溫為95 ℃，2 000 m深度地溫為120 ℃。

2.4 水熱型地熱系統

忻定盆地內的地熱田均屬中低溫對流型地熱系統，其熱水溫度均低于150℃，熱水在偏高的區域熱背景條件下，進行深部運移，在向下滲透和水平運移的過程中，不斷吸收周圍的熱量，在斷裂破碎帶或斷層交會處出現熱水排泄點(王俊鑫，2014)。研究區地熱系統基本與其類似。

2.4.1 熱源

根據以往重力測量的成果，研究區莫霍面(地殼和地幔界面)深度約為41 km，康臘面(硅鋁層和硅鎂層界面)深度約為21.5 km(山西省地質礦產局，1989)。根據區域大地構造特征，區內深大活動斷裂切割深度應未達莫霍面，但通過活動斷裂進行熱傳導，莫霍面之上地殼深部集聚的熱能足以成為熱儲層的熱源保障。

2.4.2 熱儲層

與忻定盆地相比，研究區第四系松散層較薄，熱儲層以變質巖裂隙熱儲為主。受新生代多次構造作用的持續改造，斷裂帶及附近的變質巖巖層裂隙異常發育，且未被充填固結，橫向上可形成帶狀或脈狀儲水空間；變質巖層中的結晶白云巖和大理巖可作為相對良好的含水層，縱向上可形成多層儲水空間。于是可形成復雜的全方位多層帶狀和脈狀承壓儲水空間。

2.4.3 地熱流體

忻定盆地內五大溫泉現開采的地熱流體全部為第四系松散層熱水，深部地熱水向上運移過程中與之進行了混合，按深度水質類型呈現明顯分帶，上部以Cl-·SO42--Na+和Cl--Na+為主，下部以HCO3--Ca2+·Na+為主，說明HCO3-和Ca2+來自深度變質巖基巖熱水。由此可初步確定研究區主要地熱流體為HCO3--Ca2+型變質巖熱水，同時與周邊一致，富含F、Rn、Sr和H2S等，具有極強的理療作用。

2.4.4 蓋層

第四系粘土、片巖、千枚巖和板巖滲透系數和熱導率低，作為相對良好的隔水隔熱層，可以全面阻斷了地熱水與地表的直接對流和自然熱傳導，形成多層隔水隔熱封蓋條件。

2.4.5 地熱流體補徑排及熱傳導

通過基巖風化裂隙和斷裂帶接受大氣降水、松散層類孔隙水和地表水的補給，在地下蓄水空間和徑流通道內與熱巖發生熱交換，東社斷裂作為隔熱隔水邊界，使地下熱水受阻后向上運移，或與第四系孔隙含水層混合后溢流于地表，或直接溢流于地表。由此還可初步圈定地熱田范圍。預測的地熱系統簡化剖面模型見圖3。

圖3 地熱系統示意圖

3 論證初評

(1)從周邊已開發的五大溫泉與本區溫塘水庫的展布形態和地震震中的分布形態來看，均呈北東和北北東向的“多”字型(圖2)，與新華夏系構造體系中忻定盆地的地貌地質特征極為吻合。溫泉分布的共同特點是位于古老變質巖結晶基底凹中隆的斷裂深切部位，高溫中心在斷裂帶上，地熱田規模較小，大營、奇村、頓村和湯頭地熱田面積分別為15.0、2.18、3.0和1.2 km2(賀秀全，2010)。1991年東社5.1級地震震中大致位于東社斷裂帶，東社斷裂的持續活動是溫塘水庫形成的直接原因。研究區具有的溫泉和地震特征是區域優良地熱地質條件的佐證。

(2)區內無工礦企業，地面地下開發程度低，未進行過深層探礦和采礦活動，尤其是變質巖裂隙含水層地下流場未被擾動和破壞，地熱資源原生狀態保持良好。奇村地熱田由于不合理的粗放開采，導致水位年平均下降0.14～0.18 m，水溫年平均降低1.6～1.8℃，水中Cl-、Na+和SO42-逐年增加，地熱田面積年平均減少4%～8%(黃衛星等，2003)。故應盡早做好地熱資源科學集約的勘查開發利用規劃。

(3)目前，開發經濟合理、技術成熟的地熱資源為水熱型地熱。水熱型地熱供暖供熱量穩定，供熱面積大，單井供暖面積在20萬 m2左右。初始投資100元/m2左右，運營成本12元/m2左右，遠低于集中供暖和燃氣鍋爐供暖(郭森等，2015)。利用地熱能供暖也符合國家和地方政策，原平市正在實施大營水熱型地熱遠程輸送供暖工程，將解決全市25%的清潔供暖替換問題，對于尋找新的地熱能源，有很大的需求空間。

(4)忻定盆地五大溫泉開發前均未做勘查評價，近3～5 a跟隨國家和地方政策導向，才陸續開始全面勘查工作。本區作為勘查開發空白區，應先進行深入系統的地熱勘查工作，詳細查明地層、構造、熱儲層、地下水流場及地溫場等特征。依據《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 11615-2010)，本區主要熱儲受斷裂構造控制呈帶狀分布，主要為中低溫地熱，勘查類型為Ⅱ-2型，對比確定達到了地熱資源調查階段，具有進一步進行預可行性勘查開發的價值和前景。

(5)五臺山區居里等溫面區域背景值偏低，是熔離巖漿隆起部位，活動斷裂形成巖漿灌入上覆巖體的良好自然通道，故也是干熱巖勘查開發的優選地段。2019年11月，中國煤炭地質總局水文地質局U型井中深層地熱換熱試驗技術成果發布，填補了我國在中深層“取熱不取水”技術研究領域的空白，將水熱型和干熱巖型地熱開采技術融合，極大的推動了兩類地熱資源的協同快速發展。干熱巖是潛力巨大的本土化資源，理論上只要達到足夠深度處處都有干熱巖，與水熱型地熱相比不受地域限制(汪集旸等，2013)。

(6)本區處于G338國道連接的滹沱水利-天涯山和五臺山兩個風景名勝區間的重要節點，可與當地知名品牌“同川酥梨”整合開發，打造綜合性的溫泉度假旅游目的地。

4 結語

經過對原平市東社鎮一帶的地熱資源進行調查分析，初步判斷該區為受斷裂構造控制呈帶狀分布的地熱田，地熱系統為對流型，隨深度變化具有優質的中低溫水熱型和高溫干熱巖型地熱資源。圍繞地熱異常的溫塘水庫進行勘查開發前景廣闊。