太原盆地地熱構造研究

王聰明 山西省太原市水源勘測隊 030002

太原盆地地熱構造研究

王聰明 山西省太原市水源勘測隊 030002

1、太原盆地地質構造概況

1．1 地形地貌

太原市位于太原盆地北端，其北、西、東三面為丘陵和山地環(huán)繞。東部罕山屬太行山系，山勢海拔1350～1600米，相對高差在500～800米。西部為呂梁山系，最高峰為石千峰，海拔1760米，山巒起伏，地勢陡峻，森林以落葉松為主，植被覆蓋率較高。北部地勢較低，為陽曲構造盆地，其分水嶺為棋子山，海拔高1400米。太原盆地總的地勢是北高南低，東西高中間低，自兩側邊山向盆地中心呈階梯狀下降。汾河流經市區(qū)中部，形成地勢較平坦的汾河沖積平原，標高一般為771～810米。盆地東西寬10～15公里，向南擴展20～30公里。西側丘陵山區(qū)與盆地邊緣直接相連，山前洪積扇裙發(fā)育短小。東山與盆地邊緣相接平緩，之間分布寬窄不等的黃土丘陵和黃土臺地。山區(qū)河流進入盆地形成較明顯的洪積扇和扇間洼地，構成寬闊平緩的洪積傾斜平原。

區(qū)內地貌形態(tài)自燕山運動中期形成雛形，自老第三紀末期喜山期新構造運動以來，在漫長的地質歷史時期中，受內外應力的作用，繼承和進一步發(fā)展太原斷陷盆地的地貌形態(tài)。其特點是石灰?guī)r山區(qū)地勢陡峭，屬侵蝕溶蝕構造中低山，而砂頁巖地層組成剝蝕構造中低山區(qū)，盆地平原兩側為黃土丘陵和洪積扇裙；中間沖積平原呈帶狀分布。

綜觀本區(qū)地貌形態(tài)，兩側山區(qū)強烈隆起遭受剝蝕，中間盆地劇烈下沉接受堆積，喜山運動以來，邊山區(qū)與盆地多接受新第三紀與第四紀紅土、黃土堆積，反映新構造運動的控制作用。

1．2 地質構造

以褶皺為主的燕山期造山運動，奠定了整個山西地勢的展布格局，東西兩側高、中間低，地形起伏不平，并造就了山西中部諸多盆地。老第三系末期以垂直運動為主的喜馬拉雅運動使山西陸臺進一步分化，由南向北形成一系列北東—南西向雁行式排列的五大斷陷盆地，太原盆地就是其中之一。其余為運城、臨汾、忻定、大同構造盆地。

太原盆地主要受西部晉祠—交城大斷裂和東部太谷—祁縣大斷裂控制和演化。

盆地邊緣輪廓清晰，北部有石嶺關隆起與忻定盆地相隔，南部以靈石隆起與臨汾盆地隔開，使盆地成為獨立的沉積區(qū)。由于新構造運動的北東、南西向擠壓應力作用，使盆地基底形成許多與盆地邊緣相平行、垂直或斜交的隱伏斷裂，將基底切割成許多斷塊，由于不均勻沉降，形成一系列凹陷和隆起。

太原盆地自北向南排列為城北凹陷、三給地壘、太原凹陷、親賢地壘、晉源凹陷及西溫莊隆起等。可見，太原盆地基底構造極為復雜。在地表最明顯的構造為北部棋子山地壘，分成東側陽曲盆地，西側泥屯盆地。由于新構造運動仍在活動，致使山地不斷上升，盆地相對下降，山區(qū)分布有各種方向的構造斷裂和褶皺帶。

1．2．1 地壘和凹陷

三給地壘：由兩條走向北東東近似平行的正斷層構成，長8公里，寬約1500～2000米，據鉆孔資料，約130米見基巖，巖性為二迭系砂頁巖，地壘頂面較平坦，但自西向東埋深逐漸加大。

三給地壘以南為城區(qū)凹陷（即太原凹陷），據物探資料，凹陷區(qū)迎澤大橋處基巖埋深達700米以上。

親賢地壘、西溫莊隆起：是太原盆地初步探明存在地熱異常構造帶，是地熱構造研究重點。

晉源凹陷：平面呈西寬東窄的楔形，基底埋深700～800米，巖性為三迭系砂頁巖。

西溫莊隆起：總體呈北東向延伸，東北端與親賢地壘相連，基底埋深300～500米，巖性為三迭系砂頁巖。

1．2．2 斷裂

1）晉祠大斷裂：為太原西部邊界，也稱山前大斷裂，由一系列北北東和北東東向的壓性、壓扭性斷裂組成，構成該斷裂帶的斷裂至少有三級，向盆地呈階梯狀分布，一般斷距200～300米。斷裂東側與盆地第四系松散層接觸，西側與二迭系、石炭系、奧陶系地層相接。斷裂帶巖石破碎，為地下水匯集、運移創(chuàng)造了條件，成為西山巖溶水排泄邊界。自喜山運動以來，晉祠斷裂一直處在活動狀態(tài)，還曾發(fā)生過巖漿巖侵入。交城奈林村一眼深井中揭露到燕山期的侵入巖。

2）東山山前弧形斷裂：為走向北北東向壓扭性斷裂。該斷裂帶有兩條斷層，近山一條斷距較小，長度短，西側一條長約30公里，斷距300米左右。斷裂西側為石炭二迭系砂頁巖和第三系紅粘土與東側奧陶系灰?guī)r相接。因此，東山巖溶水與盆地孔隙水聯系微弱，但與深部巖溶水有一定聯系。

3）汾河大斷裂和南堰—展覽館斷裂是研究區(qū)兩條重要斷裂。

1．3 新構造運動及地震

1．3．1 新構造運動

新構造運動即以垂直升降為特征的喜山運動，距今約6000萬年，它直接影響地貌的發(fā)育過程和形態(tài)變化，影響現代地殼的穩(wěn)定性和活動性。特別是垂直運動的差異活動，造成盆地強烈下陷，基底凹凸不平，形成較厚的湖相沉積，表現為盆地兩側山地不斷上升，盆地相對下降，而西山上升比東山強烈，盆地基底的沉降幅度又西部強于東部，尤其在清徐西谷凹陷基底埋深達3800米，可見早更新世以來，新構造運動強烈，盆地下降速度快，據晉祠地震站監(jiān)測資料，晉祠斷裂兩側垂直位移速率約1.5mm/年。

1．3．2 地震

太原斷陷盆地是山西地震帶上的一個主要構造盆地，它的總體走向為北東，由周邊山前斷裂所控制。沿汾河南北向展布的汾河斷裂是區(qū)內主要活動斷裂。另外，東西向斷裂在盆地內也非常發(fā)育，往往構成凹陷和地壘的南北邊界。盆地的地震活動集中在兩個地區(qū)，一個是盆地南端平遙、介休一帶，另一個是盆地北端的太原地區(qū)，北格、晉源、徐溝一帶尤為突出。太原盆地是有臺網記錄以來山西強震活動頻繁度較高的一個地段，僅1957年就發(fā)生過兩次5級地震。

研究地震活動是為從一個重要側面認識基底構造的穩(wěn)定性與地熱能量的平衡關系，了解地震與活動斷裂的關系，進而查明活動構造對熱水賦存的意義，當地熱能量積聚到一定程度，超過地質構造的相對穩(wěn)定性，必然引發(fā)斷裂的復活——地震，因而開發(fā)地熱能源不失為減震的重要途徑。

2、構成地熱田基本條件

2.1 盆地區(qū)親賢地壘的空間展布

親賢地壘鉆孔資料表明，其南北邊界由兩條東西向近于平行的正斷層圈定，兩斷層內側的地層均為上升盤。地壘北邊界在南內環(huán)北雙塔西街至大王村，南邊界在大馬村至吳家堡之間，地壘的西邊界為晉祠斷裂帶，東部邊界基本平行于南同蒲鐵路，即荻村至許西村，該地壘東西長約12公里，南北寬約6公里，地壘的空間展布面積約72平方公里。

地壘區(qū)基巖埋深較淺，最深在300米左右，而沿南北向的地壘區(qū)外側基巖埋深較大，基巖面南北向形成梯級斷裂，東西向越近盆地中心基底面越深，構成東西兩端高中間低的馬鞍形，東西兩端基巖埋深120～180米，中部基巖巖面在300～360米間，展示了太原盆地內地壘與凹陷相間的斷陷構造特征。

2.2 親賢地壘構成地熱田的基本條件

親賢地壘具有儲熱構造的觀點形成于1998年，2003年實施了鉆勘勘測，2004年7月成功地驗證了該區(qū)地熱資源的客觀存在，對這樣一個雖面積不大（約70平方公里），但地處太原城市中心區(qū)域的地熱田進行總體勘查評價，決非幾個分散的勘探開采井所能解決的。現只對親賢地壘形成地熱田的基本條件進行簡要闡述。

2.2.1 地壘深部構造熱源的存在

太原盆地地下莫霍面以上地殼可分為上、中、下三層。中地殼主要由花崗巖巖熔體組成，具低速高導層的特征，厚度4～5公里，埋深14公里左右。根據物理特征推斷，該低速高導層具600℃以上的高溫，在此深度形成熔融的相對軟弱層構成深部熱源。

上述推測可能存在的熱源，從山西居里等溫面埋深等值線及山西大地熱流值說明。太原盆地居里等溫面埋深20公里，僅次于臨汾、忻定盆地，其兩側山區(qū)均大于30公里。太原盆地內大地熱流值普遍高于1.7HFU（71mW/m2），也僅次于臨汾。而山區(qū)大地熱流值一般均小于1.3HFU（54mW/m2）。這些數據說明地處太原盆地的親賢地壘地殼薄、高溫高導層埋藏較淺。

2.2.2 地壘周邊及地壘區(qū)內斷裂發(fā)育，構成深部熱水的上循環(huán)的通道

太原盆地的形成和演化，受盆地西部邊緣的晉祠—交城大斷裂及東部的太谷—祁縣大斷裂控制。由于北東、南西向擠壓應力作用，盆地基底形成許多與盆地邊緣斷裂相平行、垂直以及斜交的隱伏斷裂。親賢地壘的周邊，幾乎完全由斷裂所控制，地壘區(qū)內已得到證實的斷裂就有展覽館—南堰斷裂和汾河斷裂。這些斷裂形成的破碎帶，均具有導水作用，它們縱橫交錯，彼此連通，將地下熱水經深循環(huán)對流作用，沿構造通道將深部熱能攜帶到表層。

2.2.3 地壘之下深埋奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲層

本區(qū)實探資料記錄，孔深1232米揭露奧灰峰峰組頂板，孔深1380揭露上馬家溝組頂板，孔深1650米揭穿上馬家溝組見下馬家溝組頂板，終孔深度1690米尚未穿透下馬家溝組（僅40米）。揭穿的峰峰組、上馬家溝組地層厚度分別為148米和270米，下馬家溝組為熱儲層下部，地溫更高，全組厚180米，全部揭穿至1800米是理想的孔深。據簡易水文地質觀測資料，鉆進奧灰地層采用中等粘稠度泥漿，從揭露峰峰組地層至下馬家溝組地層，均有循環(huán)液輕度滲失，其中在孔深1360米至1380米、1470米孔段，循環(huán)液滲失明顯，孔壁掉塊坍塌十分嚴重。經多次貫入水泥才護住孔壁止住滲漏?？咨钸_到1480米，進尺8米之余泥漿漏失超過20m3；孔深1670米，進尺10余米泥漿漏失近30m3?？梢妸W灰?guī)r地層不但厚度可觀，裂隙巖溶也很發(fā)育。

在區(qū)域水位以下的巖層，只要有裂隙和孔隙，即會被水充填。上述可觀厚度的奧灰層同時裂隙巖溶發(fā)育，必然是蘊藏豐富地下水的儲水層，這一點可由省展覽館地熱井抽水試驗資料中得到證實；此井成井深度1690米，孔深1360米以上全部下實管和固井，日出水量達到3000m3，雖有承壓因素也足以證明含水層的水量相當豐富。

地壘之下的奧灰?guī)r地下水，深埋于千米之下，導熱率達1.7～3.3w/（mk），吸收和匯集的熱能難以散失，而且既有深部中地殼熱源條件，又有熱水對流循環(huán)的通道密布，是十分理想的熱儲層。

2.2.4 熱儲層之上是千余米厚的蓋層

構成地熱田的蓋層厚度及隔熱功能是至關重要的。如果蓋層薄或者透水性強、導熱功能好就會使熱儲層儲存的熱能散失。據省展覽館井資料，熱儲層（奧灰?guī)r）頂板之上的蓋層厚度達1240米。本蓋層上部是300米厚的第四系、第三系砂質粘土及粘質土層，導熱率僅為0.8w/（mk），基巖主要為三迭系、二迭系、石炭系泥質砂巖、頁巖組成，導熱率0.8～2.1w/（mk），巨厚蓋層構成隔熱層，基本阻止了深部熱量向地表層的散失，而且還對下部熱儲形成高壓。

2.2.5 東西山前深大斷裂帶地下水構成深循環(huán)熱儲層的補給水源

太原盆地的地下水都來自于盆地本身及山區(qū)的大氣降水。補給盆地深層的（包括親賢地壘）地下水來自于東山、西山巖溶區(qū)，因盆地松散層地下水自北向南逕流，親賢地壘東西兩端及地壘內發(fā)育的斷裂破碎帶既是地下熱水循環(huán)通道，也是地壘接受東西側向補給的通道，從而使親賢地壘成為具有補給通道和深循環(huán)增溫的地熱田。

地下熱水屬于礦產資源，但又與其它礦產資源有區(qū)別，其它礦產資源是不能再生的，有固定的評價量和可供開采量，地下熱水是以合理開發(fā)利用的服務年限確定其社會效益和經濟效益的。至于如何評價親賢地壘可供利用的資源量和服務年限，需要進一步勘查、試驗與動態(tài)觀測。必須指明，目前“親賢地壘地熱田”僅僅是發(fā)現證實階段。親賢地壘地下熱水的勘查與開發(fā)也僅僅是剛剛開始，對于開發(fā)利用價值的過高估計和剛剛起步就憂慮重重，都是沒有科學依據的，需要長期投入實物工作量，才能做出科學評價。

3、結論

親賢地壘及西溫莊隆起在2003年以來完成6眼1600米～1800米地熱水井，水溫在56度左右，東西邊山在03年之前已有幾眼不同溫度的地熱異常井建成使用。因此太原盆地地熱構造是客觀存在，但僅僅是太原盆地區(qū)諸多儲熱構造的一部分，全面研究太原盆地區(qū)地熱田儲藏量及評價開發(fā)利用價值，尚需進一步勘探試驗。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.06.001