斷裂帶對地熱資源形成的控制作用及資源潛力分析

摘要：地熱資源來源于地下巖漿熔融和放射性物質的衰變，是一種分布較廣、儲量豐富、穩定可靠的可再生能源。與傳統能源相比，地熱資源具有易開發使用、無污染及經濟價值高等優點，根據斷裂構造和能源礦產之間的空間分布和時間演進關系，能分析具體儲能位置，對于能源的大批量開發具有積極作用。在區域綜合發展中，通過對地熱能源展開全面的勘查可以發現，該能源在我國分布范圍較廣，利用率較高，開發利用地熱能有利于推動產業結構優化升級，對于我國發展綠色經濟、生態經濟具有重要意義。

關鍵詞：斷裂帶；地熱資源；控制作用；開發潛力；能源節約

DOI：10.12433/zgkjtz.20241004

隨著碳達峰、碳中和目標的提出，地熱資源作為一種新型清潔能源，有關其開發問題備受關注。在國家高度重視環境保護和清潔能源開發的背景下，結合區位不同特征，制定合適的開發計劃，可進一步推進地熱能綜合利用，促進清潔代替目標實現和綠色低碳發展。

一、內蒙古地區區域地質背景

（一）自然地理概況

工作區位于內蒙古自治區河套盆地西部邊緣，為中新生代斷陷盆地，北依狼山、南鄰鄂爾多斯高原，呈東西向寬帶狀展布，黃河由南西經磴口向北東流經平原區，海拔在1030～1050m之間，相對高差為10m，總體地勢北高南低。按地貌形態類型劃分為沖湖積平原和風積沙地兩種類型：

第一，沖湖積平原分布于工作區南部，為河套盆地主體部分，地面標高1040m左右，地勢開闊，地形平坦，局部微有起伏，坡度在2‰～6‰之間，微有向東、東南傾斜。

第二，風積沙地分布于工作區北部及東南部，地面標高1030～1050m， 分布有鏈狀、城狀沙丘，活動沙丘和半固定沙丘，高度一般為10～30m，高者達50m。多為上更新統和中下更新統湖積粉細砂，為風積物。

（二）區域地質概況

根據勘測資料整合顯示開發區巖性較豐富，灰黃綠色的變質粉砂巖層厚度在857m以上，灰白色凝灰礫巖厚度在455m以上，酸性熔巖、流紋巖厚度大于432m。其余各類巖層分布均較廣泛，包括泥巖、細砂巖、中粒巖屑砂巖等。斷裂帶位于內蒙古中部地槽褶皺系，東部呈北—東方向展布，南部為隆起的低山，西側為索倫山。從地質特征的視角看，是一種斷陷的盆地群，因為地球運動產生的斷裂、分割而形成，從整體上看，地形落差較小，地勢相對平坦，多數為半地塹型結構，從地形結構演變角度分析經歷了初始斷陷、深陷擴張、抬升收縮與消亡，邊界位置斷裂更加嚴重，斷裂帶與區域構造方向一致。

（三）區域水文概況

內蒙古地區居于內陸地區，離海較遠，由于緯度較高，降水量較少，地熱資源開發區水系不太發達，僅有的河流多為季節性河流，一般在強降雨季節出現，并伴隨著強烈的蒸發而消失。區域內湖泊數量較多，雖然存水量較少，但是數量可觀，主要含水層經過勘探確認為松散巖類單一的潛水含水層、雙層或多層結構，主要接收大氣降水補給地下水，由于水量較少，植被覆蓋率較低。松散巖類潛水含水層分布普遍，埋藏深度在2～3.5m，含水層厚度一般在4～12m，雙層、多層結構的潛水層巖性以粉細砂為主，沙地位置呈凹陷狀，含水層深度在50～220m，垂直入滲條件下，向北部盆地區匯聚。

（四）區域氣象狀況

區域屬典型半干旱大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季炎熱，降水量少，蒸發量大于降水量。根據磴口縣氣象局顯示，年最高氣溫35～37℃，最低氣溫－31℃，年平均氣溫7.1℃，晝夜溫差大。年降水量在170～244mm之間，年平均降水量197.5mm，年平均蒸發量2646.2mm，全年無霜期110～120天，最大凍土深度2.10m；區域風比較大，年平均風速2.6～3m/s，多集中在春秋兩季，主導風向隨季節而變化，常有沙塵暴出現。

二、內蒙古地區斷裂對地熱資源的控制作用分析

（一）熱儲特征及其埋藏條件

根據前期充分勘查驗證，斷裂帶以南區域地熱資源儲能豐富，從此處出發設立開發點位，將地層底板埋藏深度大于2000m的等值線投影數據作為熱儲層探測參考，用可控源的音頻大地電磁展開勘探，確定地熱資源埋藏深度在2500m以下，結合地質構造分析熱儲溫度大約在25℃。熱儲層巖性為新近系砂巖、砂礫巖，以層狀熱儲為主，在地下1350m處時，熱儲層位置在668，熱儲有效厚度為200.03m，平均滲透率為389.72（10－3Um2）。鉆井分為三個階段：第一階段熱儲層位置在1350～1750m之間，熱儲有效厚度大約在160m以內；第二階段熱儲層位置在1750～2288.2m，熱儲厚度為182m；第三階段熱儲層位置2288.2～3018.6m，熱儲厚度在202m。該套地層結構分布穩定，地表傳導和散失效應較好，具有良好的導熱性和保溫效果。熱儲蓋層主要以砂質黏土和粉細砂為主，總厚度剛剛超過300m，導熱性較差，該位置多次發生斷裂運動，發育良好，地溫梯度較小，不同井段地溫溫差較大，與巖性與巖層固結程度有直接關聯，一般情況下，巖石較松散，溫度較高。

（二）地溫場特征

根據地熱資源地質勘查規范文件顯示，開發區地熱資源度分級為低溫地熱資源，初始開挖期間地溫為8℃，打孔深度從10m開始，依次增加10m最高加到120m。經過統計分析，該開發區域恒溫層深度為30m，恒溫層溫度為8.6℃，地熱資源儲能豐富，集中在2200m位置。地熱井平均地熱增溫2.85℃/100，熱儲層中地熱流體的交替作用強，這是由于斷裂帶運動產生的連鎖反應所致。

（三）區域地熱地質條件

臨河盆地為一大型盆地型地熱田，位于河套斷陷盆地中，主要分為層狀地熱增溫型，主要熱儲層為新近系粉、細砂巖層，以孔隙裂隙含水為主，由于含水層較厚，水量相對豐富，礦化度相對較高。地熱增溫型熱水中，很多微量元素達到醫療礦泉水命名標準，例如，溴、碘和鍶等，臨河區正在施工的LR1地熱井即屬于此類。熱儲層蓋層主要是第四系粉土、粘土及新近系上部厚層泥巖。工作區為層狀地熱流體資源。

區域上屬于河套盆地，根據長慶石油勘探局地震成果資料，河套盆地主要為近東西向及近南北向斷裂控制，F1、F2、F3、F4、四條斷裂相交，F2、F4為走向北東—南西，傾向西北的逆斷層，F1、F3為走向北西—南東，傾向西南的正斷層，這些構造斷裂控制了工作區，易形成深部熱流上升通道，有利于熱水的形成。

根據臨深2、臨深3鉆孔資料及地震資料分析，河套盆地3000m內主要地熱儲層分為三段，即860～960m以第四系中砂為主的地熱儲層，1000～2000m新近系上新統上部細砂巖地熱儲層和2200～2797m新近系上新統下部細砂巖、粉細砂巖地熱儲層。受F1、F2、F3、F4四條斷裂控制，區域內該熱儲層分布穩定，埋深由東南向西北加深，厚度加大。根據臨深3鉆孔測溫結果，800～1000m熱儲層孔內溫度為45.2～52.2℃，1000～2000m熱儲層孔內溫度為50.2～75.3℃，2200～2797m熱儲層孔內溫度為80.4℃～94.0℃，熱度高于地熱平均梯度，主要原因包括：第一，工作區內斷層發育；第二，該區上部第四系地層為900m左右的厚層粘土、粉土，構成了良好的蓋層。在河套盆地范圍內已完成施工的地熱井5眼（臨河LR1、五原、烏梁素海、章嘉廟LR2、巴音寶力格）的地熱井均位于河套盆地中。

三、內蒙古地區斷裂對地熱資源開發的潛力分析

（一）地熱資源開發可行性評價

斷裂交匯處以及斷裂破碎帶，地溫較高且地熱能量相對富集，可以為熱水的儲存、循環提供足夠空間。地熱資源開發成井深度小于1000m時，經濟性較高，開發難度較小；在1000～3000m之間時，經濟性一般且開發難度較大；如果成井深度大于3000m，在開發過程中存在較大安全風險，資源開發經濟性無法保證。其次，在地熱供暖上，民用建筑低溫熱水地面輻射供暖的供水溫度一般在40～50℃，如果出水溫度較高，需要考慮安裝地暖溫控器進行換熱，以防止供暖溫度過高，同時避免對送暖的塑料管材造成損耗，經過測驗此處鉆井出水溫度為45℃，舒適度較高。

（二）地熱資源開發環境影響評價

地熱資源必須具備熱源、蓋層、儲層和水四個條件才能形成，對地熱資源有效開發，并將資源應用在各個領域，可以降低環境污染，為當地相關產業的優化升級提供良好機遇，促進當地經濟發展。本區域地熱資源儲能十分豐富，為進一步提高資源開采效益，避免對環境造成污染，在開發過程中需要檢驗地熱井水中含有的各種成分，具體如表1所示。

對照排放標準，開發區地熱井熱水中的氟含量超過最高允許排放量，其余各種有害成分均符合排放標準，地熱濃度整體不會對環境造成化學污染。

除了有害組分化學污染，熱污染也是地熱資源開發中需要重點關注的環境問題。熱污染的主要危害在于水中存在缺氧現象，水體富營養化，造成水中水生生物大量繁殖。隨著水體溫度升高，水生生物難以正常生長、發育與繁殖，在越來越嚴重的污染狀況下會改變局部地區的生態環境，更會導致水分子劇烈運動，進而造成陸地上液體蒸發過快，失水現象嚴重。對此，在開發地熱資源的過程中，需要查探清楚開發區的熱儲、水質與溫度，采取多種方法確定地熱資源量、流體儲量并做好控制，避免造成嚴重的熱污染。

（三）地熱資源開發利用建議

在地熱資源的開發和利用過程中，要本著“在保護中開發，在開發中保護”的原則，開發前期展開系統的勘探工作，采用階梯式開發的方法，最大程度上利用地熱資源，科學布設地熱井，從綜合利用的角度出發，確保開發工作有序進行，避免造成資源浪費及環境污染，實現循環發展。

雖然內蒙古地區目前地熱資源開發利用形式較單一，總體上能量利用率相對較低，但是結合當前地熱資源分布情況和開發狀況上看，各項工作的開展很有秩序，相關產業正朝著規模化方向發展。地熱資源的開發和利用主要集中在地熱供暖與制冷、烘干、大棚種植與養殖、溫泉療養及旅游等方面。為延長地熱資源利用鏈，目前進一步加深對開采技術的研究，希望通過豐富地熱資源開發模式，提高資源利用率，拓寬資源適用范圍。

（四）地熱資源保護

內蒙古自治區地熱資源儲能豐富，資源開發時間較早，具有一定的經驗，為提高地區經濟發展質量，實現綠色、生態的發展目標，在資源開發中還要做好保護。當前，地方政府高度重視地熱資源的開發，結合地熱資源分布情況，制定開發利用保護規劃，同時加大對地熱資源的勘查評價力度，詳細分析不同開發潛力的區域存在的危險性，并根據各類產業布局，設計階梯型開發方案。為了使能源得到充分利用，相關部門正在逐步建立系統的綜合利用開發體系。

基于科學發展觀的理念，一定要加強管理，保護好地熱資源。內蒙古地熱開發區具有很大潛力，但在開發過程中必須以保護為先，重點進行全面的勘查作業，集中管理開發區，設立單獨的地熱資源保護機構，并參照其他地區開發經驗出臺相關政策，制定法律法規依據，避免造成不符合規范的開發。同時，可以建立數據監控平臺詳細記錄地熱資源的開發情況，并做好監管，根據利用途徑設計分層管理方案，以確保資源得到高效利用，為相關產業可持續發展奠定良好的基礎。

四、結語

我國地熱資源儲量豐富，但當前資源利用程度還有待提升，開發潛力巨大。相比于太陽能和風能等清潔能源，地熱能源開發的關鍵技術還有待突破，這是現階段能源開發成本較高的重要影響因素。對于不同的地質情況和水文條件，要嘗試采用不同的技術手段進行勘探、鉆井，通過精細刻畫熱儲層空間分布，不斷完善開發技術，盡快形成產業規模，最大程度上提升能源開發效率，促進能源高效利用，以實現可持續發展。

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