從地球物理場信息分析西寧盆地地?zé)岬刭|(zhì)條件①

王 斌，何世豪，李百祥

（1.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810008；2.甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020）

0 前言

西寧地?zé)嵩缭谏鲜兰o(jì)80年代已開發(fā)，但以往開采井深度不大，水溫不高，僅能洗浴。隨著西部大開發(fā)和人門對地?zé)峋G色能源認(rèn)識的提高，開發(fā)西寧地?zé)崽岬叫碌娜粘獭?005年在西寧市城南新區(qū)打成一口地?zé)峋?，井深達(dá)1601m，出水量1300～1400 m3／d，出水溫度達(dá)62℃。測試化驗(yàn)熱水中鋰、碘、氟、溴、鋅、偏硅酸、偏溴酸等7種微量元素含量達(dá)到國家礦泉水標(biāo)準(zhǔn)。2007年又在西寧市新寧花園打成一口地?zé)峋?，井?030.32m，自流出水量為4800m3／d，井口出水溫度53℃，主要用于小區(qū)的冬季取暖及醫(yī)療熱礦泉洗浴、游泳等。以上兩個(gè)超過千米地?zé)峥捉沂玖宋鲗幨械責(zé)豳Y源分布廣、熱儲(chǔ)層穩(wěn)定、水溫適中，且水中含有多種對人體有益的微量元素等特點(diǎn)，其開發(fā)利用前景廣闊。

2004、2007、2009年在該市南川、北川和整個(gè)盆地系統(tǒng)進(jìn)行了地?zé)峥煽卦匆纛l大地電磁測深（CSAMT）勘查。本文以這次勘查結(jié)果為基礎(chǔ)結(jié)合歷年地質(zhì)、石油、煤田等系統(tǒng)在盆地內(nèi)所進(jìn)行的地質(zhì)和物探資料對西寧盆地性狀和地?zé)豳x存特征進(jìn)行研究。

1 物探推斷西寧盆地幾何形態(tài)與性質(zhì)

西寧盆地位于中祁連地塊，四周環(huán)山，南以拉雞山為屏，北靠達(dá)坂山，西鄰湟源北山，東接樂都北山。由元古界湟源群、湟中群、花石山群構(gòu)成盆地基底，中、新生界為盆地蓋層。

圖1 西寧盆地重力推斷基底深度圖Fig.1 The depth isogram of basement under Xining basin explanated be gravity.

據(jù)重力和地震、電磁測深反演基底深度圖（圖1）分析，西寧盆地包括三個(gè)坳陷，即大通坳陷、西寧坳陷和平安坳陷。三個(gè)隆起為老爺山隆起、湟中低隆起和小峽隆起。大通坳陷又包括塔爾凹陷，東峽鎮(zhèn)凸起，七塔爾凹陷；西寧坳陷包括總寨凹陷，后子河凸起，雙樹凹陷；平安坳陷包括團(tuán)結(jié)凹陷，沙溝凸起，樂都凹陷。其中大通、平安兩坳陷長軸呈NWW走向，分別平行達(dá)坂山、老爺山和拉雞山，與區(qū)域構(gòu)造方向一致，為壓性、壓扭性坳陷；西寧坳陷為面狀展布，和小峽隆起總體呈近SN或NNE向與區(qū)域構(gòu)造方向垂直，由盆地幾何學(xué)特征和盆山耦合構(gòu)造格局分析盆地動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，可認(rèn)為處在青藏高原東北緣受印度板塊向NE推擠，在SSW向應(yīng)力場作用下形成新生代坳陷和隆起，西寧坳陷具有縱向擠壓橫向拉張下陷，隆起帶擠壓上隆的特點(diǎn)。

從西寧盆地?cái)嗔逊植紙D（圖2）還可看出，盆地形態(tài)、邊界和基底起伏受斷裂控制明顯，盆地四周被斷裂圍限，盆地內(nèi)多為隱伏斷裂，大致可分為三組：

圖2 西寧盆地?cái)嗔逊植紙DFig.2 Distribution of faults in Xining basin.

（1）近EW或NWW向斷裂

該組斷裂屬于區(qū)域性的壓性斷裂（圖2中F01～F09），主要以大通坳陷南北兩側(cè)的達(dá)坂山南麓斷裂、老爺山南北緣斷裂，拉雞山北緣斷裂較重要，控制著西寧盆地南北邊緣的構(gòu)造形態(tài)。該組斷裂在盆地中部也較發(fā)育，并具有多期活動(dòng)性。

（2）NW～NNW向斷裂

該組斷裂亦屬區(qū)域性壓性斷裂（圖2中F20～F29），發(fā)育在盆地中部，規(guī)模較大，具多期活動(dòng)性。主要有老右堡南斷裂、總寨南斷裂、三其－下店斷裂、蔡家堡斷裂等分布在盆地西南、東北緣，湟中低隆起東側(cè)、樂都北山西南緣。這些斷裂控制和改造著盆地中部基底的構(gòu)造形態(tài)。

（3）近SN或NNE向斷裂

該斷裂主要發(fā)育在西寧坳陷及小峽凸起兩側(cè)，發(fā)生時(shí)間較晚，亦具有多期活動(dòng)性。近年地震系統(tǒng)活斷裂調(diào)查中，北川、南川、沙塘川和哈拉直溝、紅崖子溝均發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)以來近SN或NNE向活動(dòng)斷裂發(fā)育。坳陷內(nèi)雙樹、總寨凹陷和小峽隆起兩側(cè)的NNE向張性、張扭性斷裂最為醒目，構(gòu)成凸起與凹陷的邊界。西寧盆地地震活動(dòng)相對密集帶也呈NNE向帶狀分布，與西寧坳陷長軸方向一致。

綜上所述，區(qū)域構(gòu)造有近EW或NWW向的壓性斷裂、NW－NNW向斷裂、近SN或NNE向三組方向。盆地邊界受近EW、NWW向和近SN或NNE向斷裂構(gòu)造控制明顯。區(qū)內(nèi)近EW或NWW向區(qū)域性的深大斷裂多屬壓性、壓扭性，并具有多期活動(dòng)性，一般上盤老地層逆沖到白堊系，古近系、新近系之上，斷裂角度大，斷距一般在200～800m之間。

2 盆地地溫場特征和斷裂對流型地?zé)犸@示

西寧盆地地?zé)崽荻燃按蟮責(zé)崃髦?，?0世紀(jì)80年代區(qū)內(nèi)4個(gè)地?zé)釡\孔（400～800m）測溫資料（圖3（a）），地溫梯度值在4.31～5.74℃／100m之間，計(jì)算平均地溫梯度值在4.43℃／100m。

圖3 西寧地區(qū)鉆孔溫度與深度曲線Fig.3 Curves of geothermal temperature with depth in Xining region.

另據(jù)總寨凹陷城南新區(qū)地?zé)峋?，井?600m，孔底溫度為69.25℃和新寧花園地?zé)峋?030 m?？椎诇囟葹?3.16℃，得到測溫曲線如圖3（b）所示。

由地溫梯度公式：

式中G為地溫梯度（℃／100m）；ΔT為恒溫帶起算溫度背景值與孔底溫度差（℃），分別取61.25℃、45.16℃；ΔH為恒溫帶深度與孔底深度差（m）。西寧的恒溫層溫度8℃，深度25m。分別求得G＝3.89℃／100m和4.59℃／100m

表1為民和盆地以及柴達(dá)木盆地巖石熱導(dǎo)率［8］，由表可見隨地層時(shí)代由新到老巖石壓實(shí)程度增高，熱導(dǎo)率增加。由上述6個(gè)有地溫梯度的地?zé)峥子?jì)算大地?zé)崃髦?，測地溫梯度在100～1600m間的E、K、J地層，巖性以砂質(zhì)泥巖、泥巖，砂巖、砂礫巖為主，熱導(dǎo)率在1.76～2.56W／mk間，取平均值2.16W／mk，地溫梯度平均值4.43℃／100m，計(jì)算大地?zé)崃髦翟?5.68mW／m2，較民和盆地有所偏高，與其它高地溫梯度地區(qū)比較接近。

利用熱導(dǎo)率的平均值取城南新區(qū)最小地溫梯度計(jì)算大地?zé)崃髦狄苍?4.02mW／m2，仍可說明西寧坳陷具有較高熱流值。作為比較，其周邊的大通坳陷為40mW／m2，柴達(dá)木盆地為53mw／m2。

大通坳陷和柴達(dá)木盆地屬擠壓造山型盆地，大地?zé)崃髌骄灯毡檩^低，遠(yuǎn)小于我國大陸地區(qū)大地?zé)崃髌骄?1.3mW／m2。這種擠壓造山型盆地?zé)崃髦灯偷默F(xiàn)象在西北其它盆地也存在，如塔里木盆地大地?zé)崃髌骄禐?3.31mW／m2；吐哈盆地地溫梯度為2.50 ℃／100m，大地?zé)崃髦禐?7.8 mW／m2；準(zhǔn)噶爾盆地地溫梯度平均值為21.02℃／km，大地?zé)崃髌骄禐?2.31mW／m2。均屬低地溫梯度 、低大地?zé)崃鞯睦渑琛?/p>

西寧坳陷熱流值較高，與華北（70.58mW／m2）和汾渭（平均值在70mW／m2以上）裂谷型盆地具有類似高熱流性質(zhì)。所形成的近SN向或NNE向拉張性斷裂具有導(dǎo)水導(dǎo)熱特性。而區(qū)內(nèi)近EW（NWW）向區(qū)域壓扭性斷裂具有切割深延伸長的特點(diǎn)，起到阻水作用。在兩組構(gòu)造交匯部位，更有利深部熱水上涌，側(cè)向流動(dòng)在多孔疏松地層中形成層狀熱儲(chǔ)。

通過不同性質(zhì)盆地地質(zhì)構(gòu)造單元熱流值統(tǒng)計(jì)表明，熱流與構(gòu)造活動(dòng)性及盆地性質(zhì)之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系。

表1 巖石熱導(dǎo)率測定

活動(dòng)斷裂構(gòu)造控制著地震分布和隆起斷裂型熱礦泉有規(guī)律出現(xiàn)。如處于拉雞山北緣NWW向斷裂與NNE向斷裂交匯部位的藥水灘溫泉（水溫41℃）、門旦峽溫泉（水溫21.5℃）、子溝峽溫泉（水溫22.5℃）等熱礦水均屬此類。在盆地中地震多發(fā)區(qū)往往有基底活動(dòng)斷裂存在，活動(dòng)斷裂則構(gòu)成深部熱能上涌的通道，在斷裂破碎帶內(nèi)則形成良好的熱儲(chǔ)層。

3 CSAMT地?zé)峥辈榻Y(jié)果分析

為查明西寧盆地地?zé)釛l件，分別在西寧坳陷東、西、南、北四川和沙塘川以及大通坳陷系統(tǒng)進(jìn)行了CSAMT探測，推斷了盆地基底形態(tài)和埋深，劃分了熱儲(chǔ)層和蓋層結(jié)構(gòu)以及斷裂分布。本文選取兩段具代表性斷面展示其探測結(jié)果。

3.1 南川剖面（藥水灘—總寨）推斷解釋

南川CSAMT剖面，南起藥水灘沿南川河谷敷設(shè)經(jīng)總寨至勝利公園附近，圖4為其南段。地電斷面被拉雞山北緣斷裂（F08）、老右堡斷裂（F07）明顯分為三段。

拉雞山北緣斷裂以南為藥水灘元古界薊縣系花石山群基巖出露地段，其巖性為結(jié)晶灰?guī)r和白云巖構(gòu)成基底，在淺部低阻層垂深300m的范圍內(nèi)電阻率可達(dá)20～200Ω·m，并且影響下部電性層電阻率值逐漸降低，深度可達(dá)600～700m。此低阻電性變化可認(rèn)為是藥水灘控制溫泉的NNE向斷裂破碎帶的反映。藥水灘溫泉群也正好出露于NNE向順河谷斷裂與拉雞山北麓NWW向大斷裂交匯處。在地電斷面中、下部為高阻電性層（250～1600Ω·m），是元古界變質(zhì)巖基底的反映。

在拉雞山、老右堡兩斷裂間 ，地電斷面反映的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為低阻薄蓋層和高阻基底的特點(diǎn)。淺部高低相間次高阻電性層，電阻率橫向變化在10～1000 Ω·m，厚度50～150m，為第四系河谷砂礫石、坡積、殘積、堆積物的反映；中部低阻電性層（10～150 Ω·m），呈水平層狀分布，厚度100～200m，為新近系、古近系的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖、及泥質(zhì)石膏層的反映；下為元古界薊縣系花石群基底構(gòu)成湟中低隆起或稱斜坡帶。

老右堡斷裂以北，最明顯的特點(diǎn)是中間低阻層加厚，出現(xiàn)厚層白堊系和侏羅系河流—濱湖相、湖沼相泥巖、砂巖、砂礫巖沉積層，加之高礦化度地下水影響，致使低阻層的形態(tài)和阻值變化很大。下部高阻電性層變深，向北在總寨凹陷2500m探測深度未反映出基底。并在其間出現(xiàn)遞變電性層，推斷為三疊系南營組砂巖、泥巖和礫巖，也可能包括基巖風(fēng)化殼的成分。另據(jù)地震、大地電磁測深推斷總寨凹陷的基底埋深在3200～3500m。再向北在市區(qū)基底頂面有所隆起。

上述地電斷面中，拉雞山北麓、老幼堡、總寨南等幾處電阻率陡變帶，推斷為斷裂構(gòu)造造成基底落差，其中拉雞山北麓斷裂（F08），具備上陡下緩向南傾逆沖斷裂的性質(zhì)，構(gòu)成盆邊界。其它是控制西寧坳陷邊界斷裂，斷裂北測基底呈階梯下降，推測斷裂傾角較陡。

3.2 大通地電斷面（大坂山—老爺山）推斷解釋

大通CSAMT斷面縱貫大通坳陷，南、北跨老爺山和大坂山兩隆起，地電斷面明顯分為三段（圖5）。

圖5 大通坳陷CSAMT電阻率及推斷解釋綜合斷面圖Fig.5 Electric resistivity and explanted comprehensive profile of Datong depression in Xining basin from CSAMT prospecting.

南段老爺山基底隆起，剖面由峽谷穿過，地電斷面中垂向分層側(cè)向分塊的特征非常明顯。在老爺山兩側(cè)電性層發(fā)生突變，推測在南、北為相向而傾斷裂構(gòu)造致使山體以斷塊抬升。在隆起區(qū)，淺部為低阻電性層（5～50Ω·m），厚度100～150m，為古近系祁家川組，巖性為礫巖、砂巖夾砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)石膏夾泥巖。中部為次低阻電性層（50～100Ω·m），呈層狀，厚度600～800m，推斷為侏羅系中統(tǒng)砂巖、泥巖夾煤層、底部為礫巖。另從旁側(cè)基巖為元古界薊縣系花石山群，推測這些團(tuán)塊狀、不規(guī)則狀次低阻體有可能是碳酸鹽巖中形成的溶隙、溶洞等巖溶體，東側(cè)南門峽打出巖溶水。此處多組斷裂發(fā)育，有可能在深部有巖溶存在。第三電性層為夾在高低阻電性層之間電阻率遞增梯級層（100～250Ω·m），厚度200～300m，推斷為三疊系南營組砂巖、泥巖和礫巖，更有可能是基巖風(fēng)化殼或古巖溶。下部為高阻電性層（250～800Ω·m），是元古界薊縣系花石山群變質(zhì)巖基底的反映，這套地層古巖溶極為發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，斷裂構(gòu)造密布，受其影響，其內(nèi)賦存有碳酸鹽巖裂隙溶洞水。

中段大通坳陷明顯的特點(diǎn)是中間低阻層加厚，下部高阻層變深或缺失，并在其間出現(xiàn)遞變梯級層。淺部次高阻電性層與北段基本相同。中淺部低阻電性層（10～100Ω·m），從中又可劃分出淺部呈層狀分部的低阻電性層和中部呈團(tuán)塊狀低阻電性層，兩電性層總體相連，局部被高阻夾層分隔。層狀電阻電性層電阻率變化不大，厚度在100～200m，為新近系、古近系的反映，在剖面北段缺失。其下團(tuán)塊狀、不規(guī)則狀低阻電性層（6～100Ω·m），厚度2000～2400m，并在塔爾一段未見底，推斷為侏羅系河流－濱湖相、湖沼相、泥巖、砂巖、砂礫巖沉積層。另據(jù)重力推斷基底深度，塔爾凹陷基底埋深最大可達(dá)到2400m。中下部電性遞增梯級層（100～250Ω·m），厚度200～400m，推斷為三疊系也可能包括基巖風(fēng)化殼，呈北高南低斜坡狀超伏在基底之上。下部為高阻電性層（250～2000Ω·m），是元古界變質(zhì)巖基底的反映。受基底隱伏斷裂（F02）和南側(cè)老爺山北緣斷裂（F03）控制由北向南呈斜坡狀加深，構(gòu)成大通坳陷的塔爾凹陷。

大坂山寶庫河谷和山前地段，地電斷面反映的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為薄蓋層、厚高阻基底的特點(diǎn)。淺部為次高阻電性層（200～800Ω·m），厚度在50～150m，為第四系河谷和山前地段砂礫石、坡積、殘積、堆積物的反映。中間為低阻電性層（10～150Ω·m），呈水平層狀分布，厚度300～600m，據(jù)剖面西側(cè)有侏羅系中統(tǒng)出露，其電性相當(dāng)，據(jù)此低阻層推斷為侏羅系砂巖、泥巖夾煤層和礫巖的反映。下部高阻電性層（250～6000Ω·m），是元古界變質(zhì)巖基底的反映。

4 盆地?zé)醿?chǔ)類型探討

西寧盆地地?zé)崽餆醿?chǔ)類型在20多年勘探中一致認(rèn)為屬盆地傳導(dǎo)型地?zé)崽铮?］，近年研究者［2］依據(jù)地溫梯度異常區(qū)的平面、垂向上的條帶狀分布特征，認(rèn)為“西寧地區(qū)地?zé)豳Y源的分布與構(gòu)造關(guān)系密切，斷裂構(gòu)造是控?zé)岬闹饕蛩亍?。也有?］在管狀模型［9］的基礎(chǔ)上認(rèn)為“西寧盆地?zé)醿?chǔ)構(gòu)造概念模型是大地?zé)崃鳛闊嵩础蜔釋?dǎo)率巖層聚熱—深循環(huán)逐漸加熱受迫對流為機(jī)制—構(gòu)造控水控?zé)帷?。由此看來，后二者提出西寧盆地?zé)醿?chǔ)是斷裂對流型的新認(rèn)識。

筆者通過地質(zhì)和地球物理資料對西寧地?zé)岬刭|(zhì)條件分析，結(jié)合數(shù)眼探、采井顯示地下熱水的熱儲(chǔ)層為古近系、白堊系和侏羅系等中—新生界砂巖、砂礫巖孔隙裂隙熱儲(chǔ)，認(rèn)為雖然西寧地?zé)峋販瞎瘸蕩Х植?，同時(shí)也在南川西岸、北川東岸和湟水河北岸發(fā)現(xiàn)規(guī)模都很小、在地表斷續(xù)分布活動(dòng)斷裂［7］，但也不能表明西寧坳陷熱儲(chǔ)是受斷裂控制呈帶狀分布。目前在溝谷以外尚無地?zé)峥追植?，這就很難說明西寧坳陷熱儲(chǔ)不是層狀熱儲(chǔ)。并且長寧堡塔爾地?zé)峋诒贝ㄎ靼叮洗ㄈ獌簽橙A和城南新區(qū)地?zé)峋苍谀洗|岸，新城花園地?zé)峋阡宜幽习?，均與發(fā)現(xiàn)活動(dòng)斷裂的位置并不一致，且相距一定距離。并據(jù)物探勘查推測和結(jié)合鉆孔資料分析，組成西寧坳陷熱儲(chǔ)是中—新生界砂巖、砂礫巖等孔隙、裂隙發(fā)育巖層，而不是古老造山帶緻密基巖中發(fā)育斷裂裂隙，因此不應(yīng)是斷裂對流型地?zé)嵯到y(tǒng)。

從盆地邊緣和基底斷裂分布來看，盆地中的西寧坳陷屬張性、張扭性斷陷，區(qū)內(nèi)NNE向斷裂與NWW向斷裂的交匯部位是最有利的地?zé)針?gòu)造條件；NNE向斷裂具有導(dǎo)水導(dǎo)熱作用。NWW向區(qū)域壓扭性斷裂切割深延伸長，具有阻水作用；在兩組構(gòu)造交匯部位更有利深部熱水上涌，側(cè)向流動(dòng)在多空疏松地層中形成熱儲(chǔ)。因此，西寧盆地?zé)醿?chǔ)應(yīng)是盆地傳導(dǎo)型為主疊加對流作用兼有斷裂對流型特征。這也是斷陷盆地，尤其是張性、張扭性斷陷盆地?zé)醿?chǔ)特征。

5 結(jié)語

（1）西寧盆地具有三隆三坳的盆地構(gòu)造格局，其中大通、平安坳陷呈NWW向，與區(qū)域構(gòu)造方向一致具有壓性、壓扭性征、西寧坳陷呈NNE向與區(qū)域構(gòu)造方向正交，具有張性、張扭性。并在盆山耦合部位NNE斷裂控制溫泉分布。

（2）西寧盆地地溫場明顯受構(gòu)造控制，在壓性、壓扭性坳陷地溫梯度小、大地?zé)崃鞯?，張性、張扭性陷地溫梯度大、大地?zé)崃鞲摺?/p>

（3）西寧坳陷具有以盆地傳導(dǎo)型面狀熱儲(chǔ)為主，兼有斷裂對流型帶狀熱儲(chǔ)特征。拉雞山具有斷裂對流型帶狀熱儲(chǔ)，老爺山有薊縣系克素兒組可能存在巖溶熱儲(chǔ)。

（4）在西寧坳陷以第四系和較厚第三系為蓋層，厚層白堊系和侏羅系為孔隙裂隙熱儲(chǔ)層，含高礦化度（15.39～34.2g／L）熱水、電阻率小于20Ω·m范圍，可認(rèn)為是熱儲(chǔ)層分布空間。基于盆地型地?zé)崽锟空５販靥荻燃訙?，足夠深的坳陷和巨厚熱?chǔ)層為開采溫度較高熱水提供先決地質(zhì)條件。

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