新疆烏蘇南山地熱資源成因及熱儲評價與開發(fā)

邵爭平等

[摘要]通過對烏蘇市南山溫泉溝地熱資源的勘察，對地熱資源的形成機理及開發(fā)前景進行了研究，提出溫泉水是地下水在深循環(huán)過程中由正常地熱梯度加熱而形成。研究區(qū)發(fā)育的斷裂構(gòu)造是溫泉水出露的關(guān)鍵因素，將溫泉熱儲平均流量466.5m3/d（水溫45.5℃）作為南山地熱區(qū)開發(fā)利用允許開采量，資源保證程度較高。

[關(guān)鍵詞]地熱 成因 開采量 新疆

[中圖分類號] P314 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-9-26-3

1前言

新疆地熱資源豐富，主要為褶皺山區(qū)斷裂構(gòu)造類型和中新生代自流盆地型，屬于中低溫熱水為主的地熱系統(tǒng)，南山地熱溫泉屬于山區(qū)斷裂構(gòu)造型熱儲類型，位于烏蘇市南40余公里的溫泉溝內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬于烏蘇市管轄，交通十分便利。已開發(fā)有獨山子療養(yǎng)院和烏蘇市工會療養(yǎng)院，隨著烏蘇市旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，原有地熱井水資源量不足，本文主要研究論證烏蘇南山地熱資源的成因及開發(fā)利用前景，為烏蘇市南溫泉地熱資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2自然地理與地質(zhì)背景

2.1自然地理

南山溫泉位于天山北麓，準噶爾盆地南緣。屬干旱半干旱氣候，年平均氣溫6.5℃，年平均降水量248.9mm，年平均蒸發(fā)量為1836.5mm。地表水系不發(fā)育，主要由3條較大的南北向沖溝組成，溫泉溝有少量的泉流且為常年徑流，其余2條沖溝屬季節(jié)性洪水溝，受匯水面積及降水量的限制，水量不大。總體地勢南高北低，海拔高程1600～1850m。南部為中山區(qū)，山體陡峻；中部為低中山區(qū)，分布面積廣，沖溝發(fā)育；北部為山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)，由新老洪積扇疊置而成，地表植被稀疏，呈現(xiàn)戈壁荒漠景觀。

2.2地層巖性

南山溫泉區(qū)出露地層簡單，主要由石炭系、第四系和巖漿侵入巖組成。

（1）石炭系：分布于南山溫泉的西南部，為上石炭統(tǒng)巴音溝組，巖性為灰色-深灰色、灰綠色中厚層凝灰質(zhì)粉砂巖，長石、石英砂巖、砂礫巖夾灰?guī)r；（2）第四系：①第四系中更新統(tǒng)冰磧層（Q3fgl）：在溫泉區(qū)北側(cè)的山脊覆蓋有較大厚度的含漂石砂礫石層及局部的黃土層。厚度≥0.5m。②第四系全新統(tǒng)坡積層（Q4pl）：分布于溫泉溝及東側(cè)的溝谷內(nèi)。（3）巖漿侵入巖：在南部大面積出露，為華力西晚期的花崗閃長巖（γ43c），中-細粒結(jié)構(gòu)，呈肉紅色，厚度較大，從溫泉溝現(xiàn)有的熱水井資料判斷，侵入深度>100m。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

通過地面地質(zhì)測繪和地球物理勘探，確定了斷裂構(gòu)造F2、F3、F4、F6的準確位置和性質(zhì)（圖1），經(jīng)綜合分析，推測了F5、F7存在的可能性。

由此得出地熱區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件較復(fù)雜，北側(cè)第四系與花崗閃長巖的接觸帶為近東西向展布的山前大斷裂（F1），該斷裂長38km，斷裂面傾向南，傾角70°，為區(qū)域壓扭性逆沖斷裂，與之配套的壓扭性斷裂F2、F3、F5、F7，另外還有2條張扭性斷裂（F4、F6）（表1）。這些低序次的斷裂與溫泉出露密切相關(guān)。

2.4水文地質(zhì)條件

南山地熱區(qū)為以花崗巖為主的侵入巖體組成的南北向山地，在經(jīng)歷多期次構(gòu)造運動后，巖層和巖體受到破壞和錯動，為地下水的循環(huán)和儲存創(chuàng)造了有利條件，也成為山前平原地下水的補給區(qū)，地下水類型為基巖裂隙水。

次一級的斷裂與主干斷裂復(fù)合部位，巖石破碎，裂隙發(fā)育，成為較好的富水場所，常成為泉水集中出露的地段，泉水流量一般小于0.4L/S，水化學(xué)類型為SO4-Na型水，礦化度0.38-0.52g/L。新疆石油局獨山子礦區(qū)在該區(qū)打一眼深103.14m的熱水井，在井下64m處可見一層厚6m的斷層破碎帶，此帶是地下熱水的富集地段。井水涌水量3.9L/s左右，水化學(xué)類型為SO4-Na型水，礦化度0.45g/L，泉水溢出地表后，順較低洼地段或溝谷滲入北部的平原區(qū)。

3南山地熱溫泉成因分析

根據(jù)對與地下熱水形成有關(guān)的地質(zhì)、構(gòu)造、水文地質(zhì)及地球物理、地球化學(xué)特征的分析，并對比新疆區(qū)域地熱的特征，烏蘇南山溫泉屬褶皺山區(qū)斷裂構(gòu)造型熱儲。該地區(qū)構(gòu)造極為復(fù)雜，經(jīng)過多期次構(gòu)造變動，挽近以來，構(gòu)造活動極為劇烈，不同體系構(gòu)造的活動為熱水的形成、運移創(chuàng)造了良好的條件，不同構(gòu)造體系的交接復(fù)合部位成了熱水富集、出露有利地段。沿該帶出露有烏魯木齊水磨溝、呼圖壁、沙灣、烏蘇等8處溫泉，分布密度達20%以上。控制熱水形成和分布的構(gòu)造主要為一組近東西向展布的博羅科努-阿齊克庫都克斷裂為代表的區(qū)域性大斷裂，這些斷裂形成時間較長，規(guī)模巨大，活動性極強。南山地熱溫泉區(qū)分布的侵入巖屬于華里西晚期，從區(qū)域上判斷，侵入巖體的規(guī)模大、深度大，具有一定的熱源條件。加之局部地質(zhì)構(gòu)造活動造成的地熱異常，也會使地下水在地殼內(nèi)部深循環(huán)過程中獲得熱量。地下水通過深循環(huán)并通過斷裂破碎帶富水地段順通道涌上地表，形成地熱資源。

3.1地熱溫泉形成的熱源條件

南山地熱區(qū)侵入巖屬于華里西晚期，從區(qū)域上判斷，侵入巖體的規(guī)模大、深度大，具有一定的熱源條件，但勘察區(qū)淺部無近代火山或巖漿熱源。地質(zhì)構(gòu)造活動造成的地熱異常，使地下水在地殼內(nèi)部深循環(huán)過程中獲得熱量。因此，該區(qū)熱源主要是地下水在地殼內(nèi)部深循環(huán)過程中地熱增溫形成的。

3.2構(gòu)造條件

南山地熱區(qū)溫泉的分布與勘探研究區(qū)斷裂構(gòu)造密切相關(guān)（圖2）。通過地形測量、地質(zhì)測繪、地球物理勘探、遙感解釋、探采結(jié)合井的施工以及資料綜合分析研究可知，近東西向F1斷裂控制了該區(qū)地溫梯度的變化，其次一級斷裂控制了勘察區(qū)地下水的富集，初步明確了近南北向斷裂（F3）、溫泉溝斷裂（F4）、北東向斷裂（F5）、北西向斷裂（F6）對勘察區(qū)溫泉出露、地熱的形成意義較大。溫泉出露是壓扭性控熱斷裂與張扭性控水斷層綜合作用的結(jié)果。

4南山地熱區(qū)熱儲評價與開發(fā)前景

F3斷裂與F4斷裂復(fù)合部位富水特征明顯，存在的含水構(gòu)造頂板埋深在120～130m，長度30m，寬度20m，含水層厚度20m左右，熱儲層厚度20m，體積12000m3，熱儲蓋層達120～130m，由此確定F3斷裂與F4斷裂復(fù)合部位區(qū)段為地熱資源集中分布地段，具有實際的開發(fā)利用意義。

通過勘察區(qū)斷裂構(gòu)造地下三維模擬系統(tǒng)，將F3斷裂面與F4斷裂面復(fù)合部位即兩斷裂面交線投影到地面，更加精確的得出120～150m深度熱儲層在地面的投影范圍，據(jù)此確定孔位后進行了勘探孔及探采結(jié)合孔的施工，在孔深70～140m范圍連續(xù)揭露裂隙含水段61.2m（熱儲層），熱儲涌量460 m3/d，水溫45.5℃，由此證實了對南山地熱區(qū)熱儲特征及成因分析的結(jié)論較為可靠、正確。

4.1熱儲產(chǎn)量評價

通過抽水試驗和涌水試驗資料實測分析以及近一個水文年的動態(tài)觀測（表2），探采結(jié)合井的穩(wěn)定熱儲自流涌量為460 m3/d，水溫45.5℃。

4.2熱儲水質(zhì)評價

本次施工的探采結(jié)合孔水質(zhì)， 除氟化物和pH值超標外，其余均符合生活飲用水衛(wèi)生標準。氟化物含量指標相對于國家生活飲用水衛(wèi)生標準超標9.2倍，pH值（9.8）也超出允許的范圍（6.5-8.5）較多，因此不適宜作為生活飲用水。

烏蘇南山地熱水含有豐富的硫化氫氣體和偏硅酸等具有醫(yī)療保健作用的成分，宜開發(fā)為地熱醫(yī)療礦泉水，熱水中特有的化學(xué)成分硫化氫具有興奮作用，洗浴時對慢性皮膚病有良好的抗菌止癢作用；豐富的偏硅酸有治療胃病、強健骨骼、降低心血管疾病等功效。

4.3開發(fā)前景

為避免疏干性開采造成地熱資源的破壞，應(yīng)采取以現(xiàn)有自流量為保證的合理開發(fā)利用方式，一是加強對自流量變化的（包括水溫）的監(jiān)測，通過多個水文年的動態(tài)監(jiān)測，進一步評價地熱產(chǎn)量豐枯水年的變化、開發(fā)潛力和保證程度。二是目前以自流量進行調(diào)配，可在用水高峰時采用臨時調(diào)蓄措施，建議井口取水裝置結(jié)合調(diào)蓄水池采用地埋式，既可以增強保溫效果，又減少了運行維護及占用土地的費用，三是在建設(shè)正式的保溫調(diào)蓄水池仍不能滿足高峰期用水需求時，可以考慮下入揚程40m、流量30m3/h的地熱專用變頻水泵進行一個落程的穩(wěn)定流抽水試驗，經(jīng)評價為穩(wěn)定、可靠的出水量前題下，可作為臨時增水措施，以保證地熱井長期穩(wěn)定地運行。

5結(jié)論

烏蘇南山溫泉的熱儲類型為褶皺山區(qū)斷裂構(gòu)造類型。

（1）淺部無近代火山或巖漿熱源。其熱源是地下水在地殼內(nèi)部深循環(huán)過程中在正常地熱梯度下加熱形成的。溫泉水的溫度取決于地下水深循環(huán)的深度及徑流、排泄條件。

（2）南山地熱區(qū)壓扭性控熱斷裂與張扭性控水斷層是溫泉分布與出露的關(guān)鍵因素。

（3）溫泉熱儲平均流量466.5m3/d（水溫45.5℃）可作為南山地熱區(qū)開發(fā)利用允許開采量，且保證程度較高。