0 引言
兰州新区位于兰州—民和盆地,地处兰州、西宁、银川3个省会城市共生带的中间位置,是甘肃省下辖的国家级新区,也是国务院确定建设的西北地区重要的经济增长极。受地域和发展基础制约,兰州新区存在生态环境脆弱、城市建设基础差、环境污染严重等诸多不利因素,城市化发展缓慢,因此,优先发展清洁能源,降低能耗比,淘汰高能耗、高污染产业,对兰州新区建设具有重要现实意义。地热是一种可再生清洁能源,实施地热资源勘查,对兰州新区产业结构决策及促进节能减排具有重要作用[1]。以往该区域上开展过的主要工作有:①1∶25万、1∶5万区域地质调查,对区内地层岩性划分、构造展布及矿产资源分布进行了较为详细的研究;②1∶20万重力、直流电测深、大地电磁测深、地震勘探以及1∶5万高精度航磁等,基本查清了坳陷内基底构造形态、盖层结构和断裂分布;③兰州—永登—皋兰地区水文地质普查(1∶20万),系统叙述了工作区的地质地貌及各类地下水水文地质条件,着重分析和评价了第四系地下水的分布、埋藏和赋存特征[2]。但上述成果因受工作目的所限,多是以论述相应工作范围的地质矿产或水文地质特征为主,对地下深部地热的成因、热储层岩性、地质构造控制条件的认识仍然停留在局部。本次在收集以往地质资料的基础上,通过实地调查,在兰州新区选择重点工作区(西部恐龙园区块)开展了地球物理勘查及钻探工作,对研究区地热资源的盖储条件、控制构造等进行综合分析,总结地热成因,提出地热资源勘查开发远景区,以期为兰州新区地热勘查提供依据。
1 地质概况
1.1 区域地质
研究区(西部恐龙园区块)地层区划属祁连地层区(V)—中祁连地层分区(V3)—民和盆地小区(V34),区域上属于兰州—民和盆地,盆地位于甘肃、青海两省交界地区,属中祁连隆起带的山间断陷盆地。该盆地褶皱、断裂发育,由东北至西南依次分为皋兰隆起、永登凹陷、周家台断隆、巴州凹陷4个次级构造单元[3]。研究区主要位于永登凹陷东部。
1.2 研究区地质
研究区(西部恐龙园区块)位于兰州新区西南角,距兰州市区约50 km,行政区划分属兰州新区管辖。该区块是兰州新区重要的旅游、度假、休闲景点,地貌特征以洪积平原和沟谷为主,海拔1 840~1 980 m,平均海拔1 910 m,东西南三面为低缓黄土丘陵,南部局部为堆积梁峁丘陵,高出研究区40~60 m。地层自下而上依次为新元古界皋兰群(Ptg)、下侏罗统炭洞沟组(J1t)、中侏罗统窑街组(J2y)、上侏罗统享堂组(J3x)、下白垩统河口群(K1h)、新近系(N)、第四系(Q)[4],其中新元古界皋兰群为变质岩。研究区主要被第四系黄土、砂砾石或新近系砂、泥岩所覆盖。
图1
图1
研究区地质构造概况及物探工程布置示意
Fig.1
General situation of geological structure and layout of geophysical prospecting engineering in the study area
1.3 研究区地热地质特征
1.3.1 地热场特征
图2
图2
甘青宁地区地温梯度分布
Fig.2
Distribution map of geotemperature gradient in Gansu, Qinghai and Ningxia area
1.3.2 邻近区域地热异常
1.3.3 热储类型
结合区域地质资料分析,研究区热储在F1断层以南大面积分布, F1断层以北由于断层抬升隆起,热储缺失,地热成因类型为断裂构造控制型和沉积盆地型兼有,以沉积盆地型为主,地热田兼有层状热储和断裂带状热储特征。由于断层断距大,断裂构造多次活动,构造较为复杂,初步分析地热勘查类型划为Ⅱ-3型[11],是一个中低温对流型地热系统。
1.4 研究区地球物理特征
表1 民和—兰州盆地地层电阻率特征
Table 1
| 地层 | 主要岩性 | 电阻率/(Ω·m ) |
|---|---|---|
| 第四系 | 砂土、砂砾碎石 | 59~98 |
| 新近系 | 泥岩、细砂岩、砾岩 | 12~16 |
古近系 | 泥岩、砂岩夹石膏 | 3~20 |
| 泥岩、砾岩 | 38~94 | |
白垩系 | 粉砂岩、泥岩 | 5~35 |
| 砾岩、砂砾岩 | 45~65 | |
| 侏罗系 | 砾岩、砂砾岩、砂岩、泥岩 | 30~60 |
| 新元古界皋兰群 | 片岩、硅质灰岩 | >100 |
2 地质勘查成果
2.1 工作方法
已有地质资料表明,研究区兼有断裂型带状热储和层状热储的特征,深部地热研究基本空白。物探和钻探是目前常用的地热勘查方法,其中物探的主要作用是圈定断裂带和热储层分布,是勘查地热空白区的有效手段[14]。结合本区地热地质特征及后期开发利用状况,前期工作主要在研究区西南部的西部恐龙园周边,物探工作主要围绕区域大断裂F1开展,钻探依据物探成果布设在断裂内,形成 “双保险”,从而保证地热孔成功率,为后续地热勘查提供依据。本次物探采用可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、大地电磁测深(MT)2种方法,自西北至东南共布设4条测线,依次命名为1、3、4、5线,测点编号由西南至东北依次增大;又围绕西部恐龙园布设2条SN向可控源音频大地电磁测线(A5、A6),测点编号由南至北依次增大(图1所示)。通过2种方法提供的多参数相互佐证,查明研究区断裂构造的位置、热储层的埋藏深度等,为钻探提供依据[15]。
CSAMT是研究区的主要物探方法,该方法具有勘探深度相对较大(通常勘探深度在数十米至3 km之间)、有效屏蔽高阻、对低阻敏感、横向分辨率强、施工效率高等优点[16]。本次 CSAMT测量采用加拿大产V8多功能电法仪,结合测区地质条件,采用赤道偶极观测装置(TM)标量测量[17],供电偶极AB长1.2 km,发射角θ<30°,供电电流13 A以上,发射频率960~0.17 Hz,测量点距为100~200 m。MT测量具有勘探深度大、不需考虑发射源问题、施工装置简便等优点[18],用于进一步确定研究区基底起伏和埋深,划分构造单元,辅助确定地热勘探孔位置。本次 MT测量采用V8多功能电法仪,测点点距600~1 000 m,频率320~0.011 Hz,采集时间210~240 min。记录电场水平分量
2.2 物探剖面推断解释
图3
图3
4线(a)和A6线(b)CSAMT反演电阻率断面
Fig.3
CSAMT inversion resistivity section of line 4(a) and line A6(b)
图4
反演电阻率剖面由浅至深可划分为低阻—中低阻—高阻3个电性层(图3、图4中的一、二、三),呈近水平层状展布略有起伏变化。结合地热孔钻遇地层情况,第一电性层为低阻电性层,电阻率值在5~20 Ω·m,F1断层上盘厚度一般约400 m,断层下盘厚度为1 000~1 400 m,电阻率值由浅至深递增,横向上略有变化,反映了岩性差异,推断低阻电性层为第四系砂砾石和新近系砂岩、砂砾岩、泥岩的反映。第二电性层为中低阻电性层,电阻率值为20~100 Ω·m,厚度变化在1 400~1 800 m,推断中低阻电性层为白垩系及侏罗系砾岩、砂砾岩、砂岩、泥岩的反映。第三电性层为高阻电性层, 电阻率值通常大于100 Ω·m,电阻率呈递增变化,电性层变化稳定、形状相似,电阻率值的高低变化反映了基底内的岩性差异,推断高阻电性层为基底新元古界皋兰群变质岩。
反演电阻率剖面横向变化大,总体表现为测线东北部(北部)电阻率相对较高,主要表现为A6线上测点1700附近及4线测点7700、5线测点7800附近电阻率等值线均呈陡立状分布,电阻率横向变化大,推测为区域F1逆断层在3条测线上的反映, 断层走向N45°W,倾向NE,倾角约80°,错断新元古界皋兰群,断距约2 000 m。另外在5线测点1800附近,深度约3 000 m位置,电阻率等值线呈缓陡立状分布,电阻率横向存在变化,推测为F3正断层在测线上的反映,断面倾向NW,错段新元古界皋兰群,断距约200 m。受F1逆断层影响及F3正断层作用,基底深度变化较大,F1断层上盘地层抬升,缺失白垩系和侏罗系。断层上盘基底埋深变化在400~800 m,断层下盘基底埋深变化在2 600~3 200 m。总体上研究区基底构造形态为一向西倾斜次级断裂构造发育的单斜构造。
2.3 钻探验证
结合物探剖面特征,拟在F1断层下降盘断裂带内布设钻孔,经实地踏勘并考虑后续的开发利用,最终围绕西部恐龙园布设了1口地热孔——T01。钻孔位于物探测线4线7500测点上,成功打出可供开发利用的地下热水,单井出水量2 148 m3/d,井口出水温度46 ℃,井底温度84.6°。
T01孔钻遇地层解释深度为:Q,0~39.15 m;N,39.15~1 337.03 m;K1h,1 337.03~2 252.1 m;J3x,2 252.1~2 578.52 m(未及底)。从剖面解释可以看出,物探推断地层深度基本与钻探结果相吻合。T01孔在2 252~2 382 m段地层破碎,取心困难,井径从250 mm扩大到600 mm,该段声速曲线呈跳波状,说明地层破碎,严重不均一;深浅双侧向电阻率在2 252~2 332 m段数值波动变化大(图5),说明该层段裂隙发育。依据以上参数推断该段存在断层或大断裂影响带,与物探推断的F1断裂位置基本相符。可以看出,应用可控源音频大地电磁测深和大地电磁测深查明研究区断裂构造位置、热储层埋深及基底构造形态,并为钻探提供依据,其效果是可靠的,取得了较好的地热勘查成果。
图5
3 地热地质特征分析
3.1 地热形成条件
根据T01孔资料,地面以下1 000 m处地温为40 ℃,2 000 m处地温达70 ℃,2 520 m处地温达86.5 ℃,平均地温梯度为3.05 ℃/100 m。侏罗系最大地温梯度达10 ℃/100 m,2 200 m以下地温梯度<3.8 ℃/100 m,是中低温地热资源分布的有利地段。结合邻区大量的测温资料进行分析,本区热异常主要来源于地层深部地热增温及沿断裂构造的热水上移对流。研究区内F1断裂带上,从南向北有T01地热孔和上大涝池民用供水孔,显示出沿F1断裂带存在断裂构造型地热资源。区域构造资料显示,研究区存在F2、F3张扭性正断层,断裂构造及形成的破碎带为地壳深部蕴藏的大量地热流向上运移和循环提供了良好的通道。
研究区热储主要分布在F1断层以南区域,分为3个热储。新近系热储的岩性为中粒砂岩、细砂岩,埋深为1 070~1 350 m,总厚度约50 m;第二热储位于白垩系河口群中部,岩性为中粒砂岩、细砂岩,埋深为1 360~2 150 m,总厚度约90 m;第三热储位于侏罗系享堂组,岩性为中粒砂岩、细砂岩,埋深为2 260~2 450 m,总厚度约50 m。热储的富水性中等,平均地温梯度3.05 ℃/100 m,存在地温异常。新近系、河口群以及上侏罗统享堂组的粉砂岩、泥岩隔水性能良好,为致密不透水隔水层,分别构成了新近系、河口群、上侏罗统享堂组热储的盖层。
研究区热源、通道、热储层、热储盖层等热水形成的4大因素皆有,初步分析认为兰州新区地热成藏的必要条件有3个:有断裂体系作为导水导热通道,本区F1大断裂为主要控热构造,F2、F3断层为热水及热流运移的次要通道;新近系、河口群、上侏罗统享堂组裂隙发育、高孔隙度的细砂岩、中砂岩及粗砂岩为热储层;大面积、大厚度的致密不透水粉砂岩、泥岩为盖层。
3.2 地热模型
研究区地下水的深循环是形成地热系统的主要因素,大气降水和地表水沿着古生界、侏罗系、白垩系、新近系露头岩石裂隙下渗,进行深循环后,将分散在岩石中的热量“清扫”并集中起来,形成地下热流,直接补给热储,或者遇到断层后向上移动,补给热储,热源主要是较高的大地热流[21⇓-23](图6)。新近系、白垩系河口群和侏罗系享堂组热储总出水量为2 148.34 m3/d,经计算新近系热储出水量为1 190.01 m3/d,占总出水量的55%;河口群和享堂组热储出水量为958.33 m3/d,占总出水量的45%。从热水量所占比例来分析,新近系热储在本区是一个主要的热含水层,由于F1断层没有断达新近系,构造对新近系热储影响小,说明新近系热储是一个层状热储,所以本区地热田具有在F1断层以南全区分布的层状热储特征。
图6
依据民和盆地其他区域的水文地质资料显示,河口群和享堂组热储层一般情况下富水性差,钻孔抽水试验出水量小,但T01孔显示河口群和享堂组热储层中等富水,出水量相对较大。分析认为T01孔在F1断层附近,并穿越F1断层影响带,断层带裂隙发育造成河口群和享堂组热储层富水性和导水性变好,由此推测本区存在一个以断层带为中心,沿F1断层呈带状分布的热水富水区域,富水区域的宽度受F1断裂构造控制,F1断裂构造宽3~5 km,推测带状分布的热水富水区域宽度不小于断裂带宽度。另外,推测沿F3断层也可能存在一个条带状热储,富水区域的宽度受F3断裂构造控制,推测本区也存在一个以F3断层带为中心沿断层呈带状分布的热水富水区域。从已取得的资料证实,研究区F1构造断裂带具有带状热储特征,由此可以看出盆地内的地热成因类型为断裂构造控制型和沉积盆地型兼有,地热勘查类型为Ⅱ-3型,是一个中低温对流型地热系统。
4 结论及认识
本次深部地热调查评价工作,初步查明了研究区断裂位置、地层结构、埋深及热储层空间分布,所选用的物探方法是有效的,研究区具备热源、通道、热储层、热储盖层等热水形成条件,具有较好的地热勘查前景。为今后类似地区开展地热勘查选择物探方法提供了可参考的范例,对邻区地热勘查具有借鉴意义。通过本次地热勘查工作,有几点认识:
1)兰州新区地热成因类型断裂构造控制型和沉积盆地型兼有,具有以盆地传导型层状热储和断裂对流型带状热储特征,有丰富的中低温地热资源。
2)物探先行,地质指导,物探工作应建立在区域地质认识的基础上。F1为区域性逆断层,是由大大小小断层所组成的一条长期发育、多次活动、具有复杂性质及演化历史的深大基底断裂带,断裂带内裂隙发育,为地热形成提供了储水空间和运移通道,前期在断裂带内布设钻孔,可形成“双保险”,能极大提高地热孔成功率。本次前期围绕F1断裂布置物探工作是有效的,清楚识别了断裂位置,查明了深部热储分布,有效指导了地热孔布设。
3)虽然在断裂附近已施工的地热孔(T01)获得了较好的成果,但本次施工范围有限,不足以查明F1断裂走向上地热的分布情况。其次,在研究区南部存在新近系层状热储和F3断裂走向分布的白垩系、侏罗系带状热储,根据5线物探成果,新生界地层厚度约1 400 m,且向西南有加厚的趋势,因此在南部(远离F1主要控热断裂)结合构造有利部位(F3断裂带内)布设1口地热孔对全区地热勘查更具有指导意义。下一步将优先考虑在南部开展物探工作及布设地热孔(T02),然后在西北方向围绕F1、F2断裂布设物探测线,在2个断裂交汇处布设T03地热孔。通过后续的 “2步走”勘查,全面了解研究区地热地质特征,进一步搞清F1断裂以南断陷盆地内的沉积特征、地温场分布状况以及水文地质条件等。
4)研究区低阻覆盖层厚度大,CSAMT探测深度受到限制,实际应用中应在保证信噪比的前提下,通过实验确定适合的收发距(尽量采用大收发距)来保证勘探深度,并结合其他物探手段,如MT法等,通过多种方法互相佐证,避免单一方法的局限性和盲目性。
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