隴西盆地東南部地熱成田主控因素及成因模型
——以清水溫泉為例

張獻文，何俊林，馬代兵，王宇佳，冀曉彤

(甘肅煤田地質(zhì)局一四九隊，甘肅 蘭州 730020)

地熱資源是蘊藏在地球內(nèi)部的可供人類開發(fā)使用的綠色清潔能源，具有分布廣、含量豐富、低碳環(huán)保的優(yōu)勢[1-3]。通常認為地熱來源于地殼深處巖石衰變及構(gòu)造活動，通過研究地熱賦存規(guī)律及熱源、水文補給、熱流體運移通道、熱儲特征等控制因素，并建立相應(yīng)的地熱田模型，可以為地熱資源的勘探、評價及開發(fā)利用提供基礎(chǔ)性資料[4-7]。隴西盆地東南部地熱資源豐富，溫泉開發(fā)利用的歷史悠久，已查明或開發(fā)利用的溫泉及熱異可達7處，主要用于洗浴、農(nóng)業(yè)種植及旅游業(yè)，并產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益[8-11]。但受經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展條件的局限，對地熱資源的形成背景和控熱條件缺乏系統(tǒng)性研究、對盆地內(nèi)地熱的熱儲模型缺乏綜合評價。本文以隴西盆地東南部已有地熱田為研究對象，從區(qū)域地質(zhì)背景、構(gòu)造規(guī)律、巖漿活動、水文地質(zhì)特征等方面入手，在對地熱田的基本類型、儲層特征系統(tǒng)研究分析的基礎(chǔ)上，以期研究探索地熱田形成機理、建立地熱概念模型，為地熱資源勘探開發(fā)提供指導(dǎo)。

A為研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖；B中F1-六盤山西麓斷裂帶、F2-秦嶺-渭河大斷裂、F4-通渭-武都大斷裂、a-武山溫泉、b-通渭溫泉、c-義崗溫泉、d-秦安夫子溝熱異常點、e-中灘溫泉、f-街子溫泉、g-清水溫泉

1 地質(zhì)概況

隴西盆地大地構(gòu)造屬青藏高原東北緣，橫跨秦嶺—祁連、賀蘭—六盤兩個構(gòu)造帶。因其為研究青藏高原的隆升的窗口之一而受到諸多學者的關(guān)注[12-19]。研究區(qū)位于隴西盆地東南隅，地理位置在通渭—天水—秦安一帶，是由華家?guī)X、六盤山與西秦嶺圍限的山前凹陷，南緣是祁連—秦嶺褶皺帶，以東受控于賀蘭—六盤山構(gòu)造帶[20]，具有重要的構(gòu)造與氣候研究意義。受青藏高原持續(xù)性活動的影響，隴西盆地內(nèi)整體顯示出褶皺舒緩、新構(gòu)造活動強烈、地震多發(fā)、巖漿活動頻繁、地形地貌復(fù)雜的構(gòu)造格局[21，22]，是陸內(nèi)中低溫溫泉發(fā)育的有利場所。目前已開發(fā)利用的溫泉主要有通渭溫泉、義崗溫泉、清水溫泉、中灘溫泉、武山溫泉、街子溫泉及秦安夫子溝熱異常點等(圖1)。

2 地熱田基本特征

2.1 地熱田水化學特征

區(qū)內(nèi)各地熱田溫度在27.1℃～57℃之間，pH值在7.1～9.38之間，具有明顯的板內(nèi)中低溫熱水特征。除個別地熱田的熱水具H2S氣味外，一般無色無味，無懸浮物。熱水中的陽離子以Na+、Ca2+為主，水化學類型以硫酸鈉型和碳酸氫鈉型為主，并以秦嶺渭河大斷裂為界，位于中北祁連造山帶的中低溫溫泉水化學類型以硫酸鈉型為主，礦化度約1.0～2.45 g/L，位于西秦嶺造山帶的中低溫溫泉以碳酸氫鈉型為主，礦化度約小于1.0 g/L，溫泉水單井流量均在1.0 L/s左右(表1)。這些相似的地熱田特征表明其具有相似的水文補、徑、排特征。

表1 研究區(qū)中低溫地熱系統(tǒng)特征一覽表(數(shù)據(jù)來源于文獻23-27)

2.2 地熱田熱儲特征

地熱田儲層是地熱流體的有效富集帶，一般具有良好的孔滲性，巖體破碎程度較高，其結(jié)構(gòu)和形態(tài)對地熱田的形成具有重要控制作用。清水溫泉(地熱田)位于清水縣城東側(cè)牛頭河北岸的湯浴河流域，以單個泉點出露于湯峪河河谷。沿溫泉出露的湯浴河河谷，西側(cè)出露二疊紀中晚期二長花崗巖(ηγT1-2)，東側(cè)出露陳家河群變質(zhì)巖(O3ch)[28-29]，其他大部地區(qū)均被第四系黃土層覆蓋。根據(jù)清水溫泉周邊巖層、鉆探成果等分析，地熱田內(nèi)熱儲層為花崗巖體，巖性為二長花崗巖夾碎裂似斑狀鉀長花崗巖及閃長花崗巖，F(xiàn)1、F6、F2、F7斷裂構(gòu)成熱儲邊界[29]，F(xiàn)6斷裂為正斷層，是供水補給邊界；F1斷裂系為主要的熱源通道，有溫泉點出露，上盤富水、下盤阻水；F2、F7斷裂為地熱田南北兩側(cè)阻水邊界，近平行發(fā)育，F(xiàn)2東北方向的延伸段具有導(dǎo)水、導(dǎo)熱雙重作用。

圖2 清水溫泉地熱田熱儲層特征示意圖 (修自秦曉燕等[29])

物探勘查表明，清水地熱田的熱儲層西南部以條帶狀單斜形式向北傾斜發(fā)育，夾持于近東西向展布的F2及F7斷層之間，至中部地段轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚P的層狀展布，再向東北方向逐漸仰起過渡為南傾的條帶狀單斜產(chǎn)出，因此，清水地熱田熱儲以帶狀特征為主兼有層狀熱儲特征(圖2)。北西向近平行發(fā)育的次級斷裂使花崗巖體受多期擠壓、拉裂改造，構(gòu)造及節(jié)理裂隙發(fā)育，為熱水的儲集、排泄提供了空間。熱儲層埋深受斷裂和巖體侵入控制差異較大，總體為東北埋藏較深向西南逐漸變淺，直至出露地表而缺失蓋層。

3 地熱田控制因素

3.1 構(gòu)造因素

發(fā)育在秦嶺北麓沿渭河河谷延展的秦嶺—渭河大斷裂(F2)將隴西盆地東南部切割成南北兩塊：南部發(fā)育近EW向和NWW向為主的逆沖斷裂帶、NEE向左行走滑斷裂帶、NNW向右旋走滑斷裂帶。北部發(fā)育一組近平行于六盤山走向的NW向壓扭性斷裂和另一組與其斜交的NE向張扭性斷裂帶。總體上，研究區(qū)受六盤山斷裂帶(F1)、秦嶺—渭河大斷裂(F2)及通渭—武都大斷裂(F4)三條區(qū)域性深大斷裂和剛性結(jié)晶基底共同控制，發(fā)育一系列與深大斷裂垂直、斜交或呈羽狀排列的近EW向、NW向、NE向的次級張性或壓扭性斷裂?，F(xiàn)有溫泉或地熱異常點沿主要斷裂應(yīng)力方向分布，呈NW向展布于斷裂構(gòu)造兩側(cè)，呈帶狀分布(圖3)，具有明顯的斷裂隆起型地熱系統(tǒng)特征[30]。

紅外遙感信息表明，隴西盆地東南部的熱異常分為三個級別，分別為溫度在38.35℃～41.85℃的一級異常、34.85℃～38.35℃的二級異常和31.35℃～34.85℃的三級異常。一、二級異常整體呈面狀分布于通渭縣北部和南部，與深部的華家?guī)X巖漿巖體有關(guān)；三級異常多呈線狀在盆地東南部發(fā)育，異常帶周邊多有次級斷裂，多呈線狀的異常帶?，F(xiàn)有的地熱溫泉多分布于線狀異常帶的周邊，表明斷裂構(gòu)造對地熱田分布具有明顯的控制作用。對已知地熱田的研究表明，斷裂構(gòu)造既是熱儲層的重要熱力通道又是地下水補徑的重要通道。巖體熱儲來源于剛性結(jié)晶基底對地殼深處(上地幔)熱的傳導(dǎo)作用，深大斷裂則是地下熱源上涌的主要通道，張性斷裂為導(dǎo)水通道，壓扭性斷裂起阻水作用，控制地熱田的邊界。斷裂構(gòu)造為地下水運移、熱交換和排泄提供了導(dǎo)水通道，起重要的導(dǎo)熱、控水作用，是地熱成田的第一要素。

F1：六盤山西麓斷裂帶；F1-1隆德縣-韓店走滑逆沖斷層；F1-2：海子峽-山寨逆沖斷層；F2：秦嶺-渭河大斷裂；F3：新陽-元龍大斷裂；F4：散渡河-西吉隱伏斷裂；f1：會寧-莊浪-廟灘逆沖斷層；f2：通渭-陳家大莊隱伏斷裂；f3：潘河莊逆沖推覆斷裂帶；f4：苦水河隱伏斷裂；f5：常家河隱伏斷裂；f6：岸峪寺韌性剪切帶；f7：木集溝門逆沖斷裂；f8：寨柯里逆沖斷裂；f9：野雀窩-劉家大莊逆沖斷裂；f10：楊家大山斷裂；f11：木漆溝門-關(guān)莊逆沖斷層；f12：木樹莊-關(guān)子河逆沖斷層；f13：大坪-黃草坪逆沖走滑斷層；f14：鞍子坪正斷層；f15：尹道寺正斷層；f16：碾盤溝走滑斷層；f17：白楊樹逆沖斷層；f18：下金柳灘韌性逆沖剪切帶；f19：范家渠逆沖斷層；f20：王家窯逆沖斷層：f21：羅家河-站溝門逆沖韌性剪切帶；f22：毛家磨逆沖斷層；f23：南湖-葫蘆河隱伏斷層；f24：水洛河隱伏斷裂；a：武山溫泉；b：通渭溫泉；c：義崗溫泉；d：秦安夫子溝熱異常；e：中灘溫泉；f：街子溫泉；g：清水溫泉

3.2 巖漿巖因素

隴西盆地東南部巖漿活動頻繁[31]，分屬加里東期、印支—海西期、燕山期及喜馬拉雅期[32-33]，鉆孔揭露的各地熱田地層自下而上主要有古元古代與中新元古代變質(zhì)巖、華力西期花崗巖、新近系及第四系(表2)。

隴西盆地東南部除中灘溫泉周邊不發(fā)育巖漿巖外，其余多個地熱田或分布于巖漿巖體中或緊鄰巖漿巖體，各溫泉熱儲層巖性以花崗巖體為主。華力西期的花崗巖是地熱水主要儲層，各巖漿巖儲層沿區(qū)域性斷裂帶呈北西南東向展布(圖3)，儲層埋深一般為0～600 m，厚度70～600 m，巖性主要為二長花崗巖，呈淺肉紅色，由斜長石、鉀長石、石英、角閃石及黑云母等組成，發(fā)育中細粒斑狀、似斑狀結(jié)構(gòu)及塊狀構(gòu)造[33]。

受斷裂活動影響，花崗巖巖體破碎程度高，次生裂隙、節(jié)理發(fā)育，有利于地下水儲集和排泄?；◢弾r體的平均熱導(dǎo)率高于其他巖體，有利于深循環(huán)的地下水收集更多熱量[34]。第四系淺黃色粘土或砂礫層，新近系棕紅色泥巖、粉砂巖、磚紅色粉砂質(zhì)粘土巖與鈣質(zhì)粘土巖等導(dǎo)熱率低，是熱儲層的良好蓋層，缺點是在第四系及新近系沉積較薄，易與外界形成水文及熱量溝通交流，存在熱量散失現(xiàn)象。

表2 研究區(qū)地熱田儲層類型

3.3 水文地質(zhì)因素

隴西盆地東南部屬渭河流域，水系發(fā)育，河網(wǎng)密布，溫泉沿主要河流分布[35]。大氣降水和常年性地表徑流下滲是本區(qū)地下水的主要補給源。通渭、清水、武山等溫泉的熱水深循環(huán)深度在3.71～4.28 km，平均3.99 km[36-37]，深潛的地下水從地勢高處向低處流動，徑流過程中與地下熱源進行充分熱交換，受壓扭性斷層阻隔后，在基巖破碎帶匯聚形成熱源，通過導(dǎo)水裂隙帶(或溫泉探井)上涌出地表形成溫泉露點(圖4)。

圖4 地熱田補徑排條件模式圖

經(jīng)調(diào)查，盆地內(nèi)地熱出露點主要分布于山前河谷低洼地帶?，F(xiàn)有溫泉水文補給特征表明，森林涵養(yǎng)率高的山區(qū)是水文補給的重要地區(qū)之一，大氣降水憑借地形高差從高處向低處徑流，并為地熱水的出露和自噴提供壓力[34]；地形較平緩地區(qū)降水沿地表流失的少、下滲補給多，該區(qū)常年性地表水是地下水的另一重要補給區(qū)。

4 地熱模型

地熱模型是預(yù)測地熱田開發(fā)潛力的重要手段之一，是對已知地面熱異常、熱顯示區(qū)域地熱背景系統(tǒng)梳理基礎(chǔ)上，利用遙感解譯信息、地球物理勘探、地熱鉆探、熱儲溫標計算等手段，獲取與地熱系統(tǒng)相關(guān)的地形地貌、控制因素、物性參數(shù)等信息，通過擬合與熱儲層相關(guān)的各種參數(shù)而建立的定量或定性模型[38]。

地熱模型的建立是一個動態(tài)過程，隨數(shù)據(jù)的不斷完善逐漸精確。本文從隴西盆地東南部已知地熱田入手，分析各地熱田的成因、地熱水補徑排、熱儲巖性、埋藏、上覆蓋層及斷裂構(gòu)造等，總結(jié)地熱田特征及成因規(guī)律、控熱因素等，建立適用于隴西盆地東南部地熱成田的概念模型，揭示地熱田的熱源及補給通道、熱流運移方向、熱流體的補給、賦存狀態(tài)等。

圖5 隴西盆地東南部地熱田模型圖

該地熱模型表明盆地東南地熱系統(tǒng)從熱量傳導(dǎo)方式上屬傳導(dǎo)型地熱系統(tǒng)，熱儲層主要為花崗巖，呈帶狀展布,各地熱田均屬受斷裂構(gòu)造控制的帶狀中低溫地熱田(Ⅱ-2)。熱源主要來自地殼深處上地幔傳導(dǎo)型熱流，其次為放射性元素衰變熱及地層壓力；大量的熱流沿深大斷裂上涌加熱儲層，深大斷裂既是熱流傳遞的重要通道，也是地下水循環(huán)的重要通道之一，次級斷裂或是地熱田的邊界或是地下水的運移通道。受大氣降水和地表河流補給的地下水在沿著斷層破碎帶及巖石裂隙帶徑流過程中與地下熱源進行了充分的熱交換匯聚而形成熱泉，而位于花崗巖巖體之上的新近紀和第四紀地層是隔水層和保溫蓋層，使熱能得以保存和聚集(圖5)。

5 結(jié)語

(1)隴西盆地東南部的已知地熱田從分布位置及控制因素上屬于斷裂隆起型地熱系統(tǒng)，受斷裂構(gòu)造控制作用明顯；從成因規(guī)律上屬對流傳導(dǎo)型地熱系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)大地熱流背景較正常，巖體熱儲主要來源于剛性結(jié)晶基底對地殼深處(上地幔)熱的傳導(dǎo)作用。

(2)地熱田成田受斷裂構(gòu)造、巖漿巖活動、水文地質(zhì)、地形地貌等因素的綜合控制。斷裂構(gòu)造是地熱田的主要控制因素，既是熱儲層的重要熱力通道也是地下水補徑的重要通道，張性斷裂一般為導(dǎo)水通道，壓扭性斷裂控制著地熱田的邊界，是重要的阻水斷層。破碎程度高的巖漿巖體是地熱水的主要儲集空間。大氣降水及常年性地表流水為地熱田提供了充足的物質(zhì)補給。