陇东盆地地热资源特征与开发利用研究

马永辉

(甘肃煤田地质局庆阳资源勘查院, 甘肃 庆阳 745000)

0 引言

陇东盆地是鄂尔多斯盆地的组成部分，位于鄂尔多斯盆地西南、甘肃省东部，东邻子午岭，西屏六盘山，北靠白于山，地势由东北西三面向东南倾斜，是一个在西南部开口的非封闭性盆地。盆地内赋存着丰富的煤炭、石油、天然气等资源，并进行了大量的地质勘查和研究工作。但专门针对地热资源的勘查工作较少，本文通过收集上述勘查过程中获得的资料，对该区地热资源赋存特征进行了研究。

1 地质背景

1.1 地质构造

研究区位于鄂尔多斯盆地西南缘六盘山断褶带的东南侧，天环向斜的南端。构造位置上横跨鄂尔多斯盆地天环向斜与伊陕斜坡南部及渭北隆起三个次级构造单元(图1)。天环向斜西以鄂尔多斯盆地西缘六盘山断褶带为界，西翼宽15～20km，倾角较陡，东翼为宽缓的陕北斜坡，宽约340～350km，南为渭北隆起，天环向斜中心位于环县、镇原、崇信一线。

1.2 地层

在陇东盆地内由下到上依次发育有：奥陶系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、新近系及第四系等。其中奥陶系由水泉岭组(O1s)、马家沟组(O1m)、平凉组(O2p)组成，白垩系由下统志丹群的宜君组(K1y)、洛河组(K1l)、环河华池组(K1h)、罗汉洞组(K1lh)、泾川组(K1j)组成。奥陶系下统马家沟组(O1m)、白垩系下统志丹群的洛河组(K1l)为研究区主要的热储层，马家沟组主要以白云岩、灰岩为主，洛河组主要以砂岩为主。

1.3 水文地质条件

研究区主要含水层为白垩系下统志丹群的洛河组(K1l)和奥陶系下统马家沟组(O1m)。

1)洛河组(K1l)。为白垩系主要含水段，钻孔揭露洛河组厚度为156.30～350.58m，平均256.75m， 由各粒级砂岩组成，以中-粗粒砂岩为主要含水层段，属中等-强富水含水层，地下水径流条件相对较好。水质类型为SO4·HCO3·Cl-Na、SO4·HCO3-Na型。与上覆的环河华池组、罗汉洞组在局部地段无明显的隔水层。

图1 陇东盆地区域构造图Figure 1 Regional tectonic map of Longdong Basin

2)马家沟组(O1m)。主要由灰岩和白云岩组成，石油天然气勘查中将该组分为六个段，分别为马1-马6段，其中灰岩质纯层厚性脆，岩溶发育，富水性强。岩溶含水介质主要由构造裂隙及经岩溶作用改造后的溶蚀裂隙构成，构造特征控制了岩溶含水介质的空间分布，为隐伏深埋岩溶地下水。在研究区西缘断褶带对应层位为三道沟组(O1s)，地表有出露或钻孔揭露，水化学类型以HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Mg型为主，在断裂带上出水量普遍在1 000m3/d·m，其他位置的水量变化很大，在研究区埋深较大，水文资料较少。

2 地热地质特征

2.1 热储层

盆地内热储层主要分布于白垩系洛河组砂岩含水岩系和奥陶系灰岩含水岩系。

1)白垩系洛河组热储层。白垩系洛河组是盆地内分布最广的含水层。含水层自东向西、由南而北缓倾伏于盆地内部，顶板埋深由东向西逐渐加大，至向斜核部，埋深最大可达1 400m以深(图2)。向斜西翼受盆地西缘区域性断裂影响，顶板埋深变化较大，多在800m以深，在泾河、马莲河河谷水头高出地表，自流量变化较大，在300～2 600m3/d，水温在32～45℃。

图2 鄂尔多斯盆地下白垩系志丹群底板深度图[3]Figure 2 Floor depths of lower Cretaceous Zhidan Group in Ordos Basin[3]

2)奥陶系灰岩热储层 。根据石油钻孔资料，在研究区奥陶系马家沟组灰岩顶板埋深在2 600m以上，灰岩厚度 100～600m，其岩性主要为白云岩、灰岩，分布较稳定，呈灰白色，局部灰色、灰黑色，具裂隙及溶蚀裂隙孔洞，连通性较好，据北部的陕182井资料马家沟组出水量945m3/d·m，出水温度大于70℃。

2.2 盖层

白垩系洛河组热储层的盖层主要为其上部的白垩系环河华池组、罗汉洞组、泾川组、新近系及第四系，总厚度在500～1 200m。由于该套地层无一稳定的厚层泥岩，因而其隔热效果不佳，并非为良好的盖层，仅以大厚度形成次一级盖层，故使得洛河组热储层温度不稳定。

奥陶系灰岩顶板埋深在2 600m以下，其盖层主要由二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、新近系及第四系组成，厚度较大，由不同时代的多套岩层组合形成一良好的盖层。

2.3 导热通道

研究区地下热能除通过岩层进行地温传导外，还通过断裂进行热流传导。白垩系洛河组有一个稳定巨厚的基底，断裂不发育，其地热传导方式主要是底部地热能通过岩层传导的方式使地温增加，其地温较低，一般温度在35℃左右，在局部断裂构造部位存在热流传导的方式，地下热能以断裂带为通道通过水等介质携带向上传导，温度稍高，如位于泾川的泾参井，出水深度1 060m处水温达42℃，位于宁县的NK1206孔在1 100m处地温达44.5℃，位于正宁的NK302孔在910m处地温达41℃，主要是受局部发育的断裂构造影响所致。而奥陶系马家沟组灰岩热储层，受奥陶世末加里东构造运动抬升作用的影响，马家沟组上部地层经受了长期的风化侵蚀，顶部风化壳白云岩及下部灰岩岩溶孔洞发育，埋深较大，一方面靠地温增温，另一方面由基底断裂构造导热增温，使该热储层温度较高。

2.4 地温梯度

根据石油钻孔的测井资料，盆地内3 000m孔底温度为90～100℃，与3℃/100m正常地热增温基本相符。根据任战利等相关研究，研究区的地温梯度(图3、图4)总体是中间高，四周底，研究区的华池-庆阳一带地温梯度较高，在3.0～3.5℃/ 100m。根据煤炭勘查过程的测温资料，白垩系洛河组埋深1 000m左右地温梯度在局部地段较高，可达到3.5℃/ 100m左右，比3℃/100m的正常值稍高，究其原因，是断裂构造将下部热源引向上部，受盖层的控制，造成上部温度高于正常值，这说明该盆地下部有良好的热源。

图3 鄂尔多斯盆地地温梯度分布图 (单位：℃/100m)[1]Figure 3 Geothermal gradients distribution in Ordos Basin (unit: ℃/100m)[1]

图4 鄂尔多斯盆地地层测温与深度关系图[1]Figure 4 Relationship between stratum temperature and depth in Ordos Basin[1]

2.5 热源

陇东盆地为地热增温型，热源主要来自上地幔及地壳中放射性元素衰变产生的放射热。内热源主要来自于上地幔传导热、地壳中放射性元素衰变产生的放射热。根据《中国大陆地区大地热流数据汇编》[6-7]等相关资料(图5)，研究区大地热流值在58～64mW/m2，与鄂尔多斯盆地平均大地热流值61.78mW/m2和全球平均大地热流值61mW/m2基本接近，远低于大型断裂构造区(如陕西的韩城为84mW/m2，临潼为96mW/m2)。白垩系洛河组地热异常来源于水热活动效应，水热活动是由盆地深部热源补给系统驱动的， 而深部热补给系统向上运移的通道则是深大断裂带。根据地温与深度的关系(图4)也可以看出，越向深部温度越高。

2.6 补给水源

热水主要来源于大气降水的补给， 通过边缘沿断裂带、出露区接受现代大气降水的补给，中心区域则表现为古代大气降水补给或沉积水的特征，洛河组含水层还接受上部松散层含水的补给。区内泾河地表水系呈扇状发育，分布广泛，切割较深，洛河组含水层多直接出露河谷，尤其是在区域地表水系中上游，地表河流多直接流经白垩系含水层之上，形成良好的补给接触关系，地表河流入渗补给是白垩系含水层的主要补给水源。区内白垩系含水层与区外灰岩含水层形成对接关系，接受区外地下水补给(图6)。

3 结论

(1)陇东盆地内赋存有较好的中低温地热资源，白垩系洛河组砂岩、奥陶系马家沟组灰岩，其热储、水量等地热条件较好，前者热储层温度在35～45℃，后者热储层温度在70～100℃，有较好的开发利用前景。

(2)区内热源主要来自于上地幔传导热、地壳中放射性元素衰变产生的放射热；热水主要来源于大气降水的补给，通过断裂带、出露区接受补给，孔隙、裂隙、溶洞型地层为区内地下热水提供了储存场所；断裂为地热流体的运移、混合提供了通道；上覆地层为区内地热资源保存的盖层；独特的地质构造及地热地质条件，使得区内地热资源以上地幔热传导加热上覆岩层，并传热于热储层热水。

图5 鄂尔多斯盆地大地热流等值线图(单位：mW /m2)[1]Figure 5 Isogram of geothermal fluxes in Ordos Basin (unit: mW/m2)[1]

图6 研究区水文地质剖面图[11]Figure 6 Hydrogeological profile of the research area[11]

(3)在研究区泾河河谷的泾川-长庆桥一带，已在白垩系获得了地下热水正在利用，在断裂带附近等有利地段还有望找到温度更高的地热资源。宁县、正宁、华池-庆阳局部地温梯度相对较高区，也是地热开发的有利区，应作为工作的重地区域。

(4)奥陶系马家沟组从其埋深、地温等条件来说都是很理想的热储层，但属岩溶型含水层，水量变化很大，含油气等，加之研究区资料较少，开发的风险也较大。

(5)研究区为煤炭、石油、天然气等资源富集区，地下热水开发利用过程中，应避免对其他资源的影响或破坏；地热开发要避免上层常温水和地表水的混入，应防止过量抽取地下热水，以保证地下热水的可持续开采。