山西臨汾-運(yùn)城盆地中的熱干巖型地?zé)豳Y源及開(kāi)發(fā)前景展望

郭景林，白翠花

（山西省煤炭工業(yè)廳資源地質(zhì)局，山西 太原 030045）

山西臨汾-運(yùn)城盆地中的熱干巖型地?zé)豳Y源及開(kāi)發(fā)前景展望

郭景林，白翠花

（山西省煤炭工業(yè)廳資源地質(zhì)局，山西 太原 030045）

人類(lèi)尋找環(huán)保型能源勢(shì)在必行。熱干巖型地?zé)崮芤殉蔀楫?dāng)今世界能源開(kāi)發(fā)利用的熱點(diǎn)，因它潔凈、污染環(huán)境少，屬于綠色能源，也稱(chēng)“新能源”和“可再生能源”。開(kāi)發(fā)利用可再生資源是人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。山西臨汾-運(yùn)城盆地中存在著這種資源，合理開(kāi)發(fā)利用好這一資源對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

熱干巖型地?zé)幔坏刭|(zhì)背景；地球物理特征；背景分析

1 熱干巖的基本特征

熱干巖是一種埋藏于地下深處，沒(méi)有水或蒸氣的熱巖體，主要是各種變質(zhì)巖或結(jié)晶巖體，溫度范圍很廣，高者可達(dá)數(shù)百攝氏度。熱干巖型地?zé)豳Y源是屬于溫度大于150℃的高溫地?zé)豳Y源，其性質(zhì)和賦存狀態(tài)有別于蒸汽型、熱水型、地壓型、巖漿型的地?zé)豳Y源；其熱能賦存于巖石中，較常見(jiàn)的巖石有：黑云母片麻巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖等。一般這些巖石上覆蓋有沉積巖或松散層等隔熱層。從現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，熱干巖型地?zé)豳Y源是專(zhuān)指埋深較淺、溫度較高、有開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱巖體。判斷某個(gè)地方是否有熱干巖利用潛力，最明顯的標(biāo)志是看地?zé)崽荻仁欠裼挟惓?，或地下一定深處? 000～5 000 m）溫度是否達(dá)150℃以上。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

山西境內(nèi)喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)總體是在強(qiáng)烈拉伸的構(gòu)造環(huán)境下，以繼承性斷裂活動(dòng)和地殼間歇性抬升為主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)形式，顯著的地質(zhì)特征造就了山體整體抬升和汾渭裂谷帶的形成。臨汾-運(yùn)城盆地是汾渭裂谷帶的一部分，位于山西省南部，面積約10 000 km2。在這一區(qū)域內(nèi)，受山前主控?cái)嗔训挠绊懀纬闪艘幌盗蠳E向、近EW向、NEE向、NW向的次級(jí)斷裂，這些次級(jí)斷裂將臨汾-運(yùn)城盆地切割成一系列的斷塊，這些斷塊以配套的斷裂為邊界，又形成了一系列凹陷和隆起相間的次級(jí)單元。由北往南，大的凹陷依次有臨汾凹陷、河津凹陷、運(yùn)城凹陷；大的隆起有塔兒山塊凸、稷王山塊凸（圖略）。

上述凹陷中，南部運(yùn)城凹陷沉降幅度最大，北部臨汾凹陷沉降幅度次之，中部河津凹陷沉降幅度最小。新近系、第四系松散巖類(lèi)沉積厚度分別為4000m、1 600 m、800 m，其下都有石炭二疊系碎屑巖類(lèi)和寒武奧系碳酸鹽巖類(lèi)。

各隆起（塊凸）區(qū)普遍有燕山期巖漿巖侵入，規(guī)模較大，廣泛分布于塔兒山、九原山、紫金山、稷王山、孤山等隆起區(qū)。這些巖體屬幔源型偏堿性、堿性侵入巖系列，構(gòu)成了雜巖體群。這些雜巖體一部分出露于地表，多數(shù)隱伏于地下。從侵入巖的分布規(guī)模，反映了盆地中，在燕山期巖漿巖活動(dòng)頻繁。進(jìn)入喜馬拉雅期，這一地區(qū)巖漿活動(dòng)停止，其構(gòu)造特征轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳嗔鸦顒?dòng)和斷塊相對(duì)升降為主，并有強(qiáng)烈的地震發(fā)生，為強(qiáng)地震活動(dòng)帶。

資料表明，臨汾-運(yùn)城盆地中出現(xiàn)的這套燕山期幔源型偏堿性、堿性侵入雜巖體，巖石地球化學(xué)特征基本相似。K2O+Na2O在含量高的基礎(chǔ)上，由早期到晚期進(jìn)一步增高；Na2O、SiO2在偏堿性階段逐漸增高，到堿性階段二者驟然降低。揭示出巖體是在斷裂構(gòu)造的先導(dǎo)作用下，巖漿沿?cái)嗔阉a(chǎn)生的空間中匯聚，呈巖墻擴(kuò)張多次脈動(dòng)侵位，其明顯的主動(dòng)-強(qiáng)力就位演化特征，形成了同源巖漿演化的基本定位方式。這套偏堿性、堿性雜巖，其巖性由石英正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、含石英正長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、石英二長(zhǎng)巖、斑巖組成。SiO2的平均含量約63.33%，主要造巖礦物的含量隨巖性不同各有差異（見(jiàn)表1）。

表1 塔兒山—二峰山雜巖體礦物含量統(tǒng)計(jì)表 /%

3 盆地的地球物理特征

地?zé)崂碚摱嗍茄芯康貧そY(jié)構(gòu)。地殼可分為：上地殼、中地殼、下地殼，底界為莫霍面，其下為上地幔。與熱干巖型地?zé)豳Y源有關(guān)的是中地殼，主要由花崗巖組成。該層在華北地區(qū)普遍為低速層，地震波速約6.3～6.4 km/s，反映平緩的構(gòu)造特征，基本無(wú)反射層，它與上地殼、下地殼的地震波速有明顯不同。根據(jù)山西境內(nèi)大地電磁測(cè)深資料，中地殼電阻率為2～5歐姆的低速高導(dǎo)層，在臨汾-運(yùn)城盆地中埋深約14 km，厚度約4km，向東西兩側(cè)山區(qū)，低速高導(dǎo)層的厚度逐漸變薄以至消失，埋深增至20km以上。

資料證實(shí)，臨汾-運(yùn)城盆地之下的莫霍面為相對(duì)隆起區(qū)，隆起幅度約2～4 km，其形態(tài)正好與盆地的下凹形態(tài)相反，隆起為NE向的長(zhǎng)條狀，與盆地展布方向基本一致。山西的居里等溫面也表現(xiàn)是一條NE向的隆起帶特點(diǎn)，與盆地的軸線(xiàn)基本吻合，在臨汾-運(yùn)城盆地中埋深小于18 km，邊山區(qū)居里等溫面埋深顯著增大，一般在24～28 km以上，這說(shuō)明兩側(cè)山區(qū)與中部盆地的地?zé)嵛锢頎顟B(tài)存在明顯差異。山西省的大地?zé)崃髦档戎稻€(xiàn)圖也表明臨汾-運(yùn)城盆地中大地?zé)崃髦荡笥?.9HFU，為全省大地?zé)崃髦底罡叩牡貐^(qū)，高于全球平均大地?zé)崃髦档?.3倍。區(qū)域熱流值高一般表明地殼薄，居里等溫面埋深淺，深部熱狀態(tài)高。

由上述知，臨汾-運(yùn)城盆地中部中的地殼為低速高導(dǎo)層（高溫半熔融狀態(tài)），具有高溫度（600℃）的物理特征，使盆地形成熱異常區(qū)。再者，居里等溫面與莫霍面在盆地中部都有上拱現(xiàn)象，處于半熔融狀態(tài)的巖漿熱流會(huì)在地殼薄的盆地深部向地表進(jìn)行熱傳導(dǎo)，推測(cè)盆地?zé)崃髦饕獊?lái)自花崗巖殼。

4 熱干巖型地?zé)豳Y源背景分析

臨汾-運(yùn)城盆地，按其地震勘探資料，地殼厚度相對(duì)較薄，居里等溫面埋深約18 km。該盆地中，平均大地?zé)崃鞅尘爸?1.64 mW/m2（1.95HFU），為一個(gè)面積近萬(wàn)平方公里的熱異常大盆地。按盆地中已有地?zé)峋Y料，凹陷區(qū)地溫梯度低，隆起區(qū)地溫梯度高。運(yùn)城凹陷中盆地鹽池?zé)崴?121m，取新近系松散層孔隙水，自流水溫68℃，平均增溫梯度每100米3℃。臨汾凹陷中熱水井井深2 650.96 m，取奧灰?guī)r溶水，抽出水溫75℃，平均增溫梯度每100米2.85℃。井底灰?guī)r溫度113℃，平均增溫梯度每100米4.3℃。

這個(gè)大熱盆地的中部一帶，是地表熱流量最大的異常中心，大地?zé)崃髦翟?10 mW/m2（2.60HFU）以上。這個(gè)最大的熱流異常中心，處在塔兒山塊凸西南段燕山期侵入雜巖的隱伏區(qū)。區(qū)內(nèi)董村附近一鉆孔（CK5）（見(jiàn)圖 1）孔深 280 m，井底花崗巖類(lèi)巖石的溫度86.5℃，平均增溫梯度達(dá)每100米33.27℃。

塔兒山塊凸區(qū)西南段，水文地質(zhì)條件也表現(xiàn)出特殊性。以CK5鉆孔為例，孔深280 m，揭露地層和巖性分別為 0～129.75 m，為第四系松散層；129.75～188.05 m，為新近系半膠結(jié)砂巖和卵礫石；188.05m以下為花崗巖類(lèi)巖石，松散層孔隙水水位埋深106.5m，水量較小，單井出水量62.2m3/d。花崗巖類(lèi)巖石段鉆孔巖芯完整，水含水，溫度較高。

隱伏的燕山期侵入雜巖屬花崗巖類(lèi)巖石，石英含量較高。我們知道，石英的熱導(dǎo)率最高，其值為7.1176W/（m·K）；其次為角閃石、輝石，熱導(dǎo)率為4.1868W/（m·K）。長(zhǎng)石、云母熱導(dǎo)率為2.3027W/（m·K）。巖石的導(dǎo)熱率隨各造巖礦物含量不同而變化。巖石的導(dǎo)熱率，除隨巖石中不同造巖礦物含量變化之外；還與巖石的密度有關(guān)，密度越高，導(dǎo)熱率越高。與侵入巖相接觸的圍巖，其巖性多為寒武奧陶系灰?guī)r，石炭二疊系砂頁(yè)巖，新近系、第四系松散巖。按西法O·卡普邁耶，R·海涅爾提供的世界上不同部位熱導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果，松散沉積物，倒如干砂、干粘土、耕地土壤，導(dǎo)熱率最低，其值僅為0.2512W/（m·K）；砂巖、頁(yè)巖的熱導(dǎo)率為 1.2560W/m·K；石灰?guī)r的熱導(dǎo)率為1.8840W/m·K。

圖1 CK5鉆孔地溫梯度變化曲線(xiàn)圖

臨汾-運(yùn)城盆地中，塔兒山塊凸西南段隱伏的燕山期侵入雜巖隱伏埋深多在200～300 m之間，埋藏深度較淺。雜巖侵入體為第四系、新近系松散層、石炭二疊系砂頁(yè)巖、以及寒武奧陶系灰?guī)r所包圍，封閉條件好，巖石完整，不含水與水蒸氣，處于干熱狀態(tài)。該隱伏區(qū)侵入巖體分布范圍初步估計(jì)大于100km2，規(guī)模較大。巖體巖石熱導(dǎo)率比圍巖高，有利于深部熱流沿巖體向地表傳輸。圍巖熱導(dǎo)率低，降低了巖體熱量的散失，形成了有利的熱積聚環(huán)境。可見(jiàn)該區(qū)地?zé)豳Y源屬熱干巖型。

將本區(qū)與法國(guó)萊茵地塹蘇爾茲熱干巖型地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)區(qū)比較，條件極為相似。在構(gòu)造類(lèi)型上，同屬地塹。在大地?zé)崃髦瞪?，萊茵地塹的背景值為80 mW/m2，本區(qū)為 81.6426 mW/m2；萊茵地塹有熱異常中心，熱流值140mW/m2以上，本區(qū)也有熱異常中心，熱流值110mW/m2以上。萊茵地塹地殼厚度較薄，本區(qū)也具備同樣條件。熱儲(chǔ)巖性同屬花崗巖類(lèi)；熱干巖埋藏條件相似，上覆巖層均為新生界沉積物。

按地溫梯度值，熱干巖型地?zé)豳Y源分為三級(jí)，地溫梯度達(dá)到80℃/km為高級(jí)，50℃/km為中級(jí)，30℃/km為低級(jí)。盆地中熱異常中心地溫梯度達(dá)到每100米33.27℃，有望成為高級(jí)干熱巖地?zé)豳Y源分布區(qū)。

5 勘查開(kāi)發(fā)前景展望

一般來(lái)說(shuō)，地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用包括：發(fā)電和非發(fā)電利用。世界各國(guó)利用地?zé)崮艿慕?jīng)驗(yàn)表明：高溫地?zé)豳Y源（150℃以上）主要用于發(fā)電，發(fā)電后排出的熱水可進(jìn)行逐組多用途利用；中溫（150℃以下，90℃以上）和低溫（90℃以下）的地?zé)豳Y源，則以直接利用為主，多用于采暖、干燥、工業(yè)、農(nóng)林牧副漁業(yè)、醫(yī)療、旅游、人們的日常生活等方面。目前，山西開(kāi)發(fā)利用的地?zé)釋儆诘蜏氐責(zé)豳Y源。

地?zé)岚l(fā)電是把地下熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后再把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿纳a(chǎn)過(guò)程。有數(shù)據(jù)表明，利用熱干巖產(chǎn)生的熱能發(fā)電的成本與以煤炭和天然氣為燃料的火力發(fā)電站的成本大體相當(dāng)，是風(fēng)力發(fā)電的一半，只有太陽(yáng)能發(fā)電的八分之一到十分之一。為滿(mǎn)足國(guó)家調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的需要，發(fā)展無(wú)污染的新能源，實(shí)現(xiàn)減少排放保護(hù)環(huán)境，實(shí)行地方經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的目的，勘查開(kāi)發(fā)臨汾-運(yùn)城盆地?zé)岣蓭r型地?zé)豳Y源，獲取高熱能資源用于發(fā)電是很好的發(fā)展方向。熱干巖具有高熱能、低滲透率、不含熱水和蒸氣的特點(diǎn)。通過(guò)熱干巖體激發(fā)，亦即人為地使熱干巖體產(chǎn)生透水裂隙，然后通過(guò)鉆孔將地表水送入其中汽化，再通過(guò)另一鉆孔引出蒸氣而后用于發(fā)電，國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例，國(guó)際上已有成功的試?yán)?/p>

美國(guó)芬頓山熱干巖試驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò)30d的抽水，供水量50 m3/h，水溫200℃，熱功率達(dá)10MW，循環(huán)水水質(zhì)良好，水量損耗隨時(shí)間的推移而逐漸減少，未檢測(cè)到對(duì)周?chē)h(huán)境的不良影響。比天然地?zé)崴攮h(huán)保性。法國(guó)蘇爾茲熱干巖試驗(yàn)證實(shí)，隱伏熱干巖（花崗巖）埋深1400 m，為中新生代沉積物覆蓋，在相距500 m的兩眼井中，對(duì)3000～3500 m深處通過(guò)壓裂技術(shù)，使花崗巖形成人造地下熱交換器。在4個(gè)月的循環(huán)試驗(yàn)中，灌入了24萬(wàn)m3水，產(chǎn)水流量20～25L/s，水溫140℃以上，熱能凈出力10 MW；這些實(shí)例證明，熱干巖既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保?？傊_(kāi)發(fā)利用熱干巖型地?zé)豳Y源其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、學(xué)術(shù)價(jià)值等方面均有廣闊的前景。

[1]山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局.山西省區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京：地質(zhì)出版社，1989.

[2] 邢集善.試從地球物理資料論山西地塹系的構(gòu)造特征［J］.山西地質(zhì)，1989，4（2）.

[3] 武鐵山.試論山西燕山期花崗巖類(lèi)的成因類(lèi)型［J］.山西地質(zhì)，1987，2（1）.

[4]張孟昂.熱干巖地?zé)衢_(kāi)發(fā)-一項(xiàng)新能源前景的展望［J］.科技信息（吉林）1990，2.15-17

[5]黃宗理，等.地球科學(xué)大辭典［M］.北京：地質(zhì)出版社，2006.

Abstract:Finding environment-friendly energy is imperative.Hot-dry-rock geothermal energy has become the hotspot in the world energy development and application due to its cleanness and less damage to the environment.It belongs to green energies,called new energy or renewable energy.Since development and application of renewable energy is the basis of human sustainable development,rational development of this geothermal energy in Linfen-Jincheng Basin is beneficial to the local economy.

Keywords:hot-dry rock;geological background;geophysical features;background analysis

編輯：劉新光

Outlook of Hot-dry-rock Geothermal Energy in Linfen-jincheng Basin

GUO Jing-lin,BAI Cui-hua

（Bureau of Resource and Geology,Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 030045,China）

TE09；P641.6

A

1672-5050（2010）08-0079-04

2010-03-25

郭景林（1987—），男，山西平遙人，本科，高級(jí)工程師，從事地質(zhì)勘探工作。