原平市东社地热资源预测分析与评价

翟虎威

(山西省煤炭地质114勘查院，山西 长治 046000)

当前，中国特色社会主义进入新时代，社会各项建设取得重大成就，我国地热产业正迅猛飞速发展，地热直接利用(非电)已连续多年居世界首位(李宁波等，2018)。近年来山西省对地热勘查开发利用的重视程度也越来越高，依据山西省自然资源厅文件(晋自然资发[2019]40号)，提到了浅层低温能、水热型地热和干热岩等清洁能源矿产调查评价工作作为重点推荐项目，并设置专项地热勘查基金，对地热资源的重视程度提高到了前所未有的高度。按照政策导向，以原平市东社镇地表天然温泉为切入点，开展搜集资料、实地调查和分析论证工作，从自然背景、地质背景、初评论证和结论四个方面进行阐述，揭示了研究区的地热异常特征及原因、地热系统形成原理、勘查开发的价值等内容。

1 研究区自然背景

1.1 自然地理

东社镇位于山西省原平市东南部，五台山区西南角，属五台山脉与忻定盆地的过渡地带，主要地貌为剥蚀基岩山区、黄土台塬和冲积谷地，标高约+800-+1 200 m。G338国道东西向通过。同河自北向南流经此地，属海河流域滹沱河水系。

1.2 地震情况

根据中华人民共和国标准《中国地震参数区划图》(GB 18306-2015)，研究区所属地区的地震基本烈度值为Ⅷ度，地震动峰加速度分区为0.20 g(中国地震动参数区划图，2015)。周边有记录的3.0级以上有感地震共16次，其中7级以上地震有三次(王跃杰等，2009)，主要集中在忻定原盆地(表1)。地震后在盆地边缘地带可见大量的新生界第四系断裂，并形成大量天然温泉。1991年5.1级地震震中即位于本区。总之，研究区及周边属地震频发区。

表1 周边地震统计表

1.3 区内温泉

经实地调查，东社镇北600 m处有一座孤立的小山峰，形似大龟，名福寿山，山顶标高+876.4 m，出露地层为下元古界滹沱超群豆村群大石岭组谷泉山段(H1dg)变质岩，周边3～8 km均为第四系松散层覆盖。山下有温泉出露，并形成温塘水库，终年不结冰，水温恒定，常年保持25 ℃左右，远高于当地恒温层温度，与周边对比显示明显地热异常。泉水涌出量为450 m3/h，矿化度0.146 g/L。当地百姓冬天在此沤麻和洗衣，俗称“沤麻滩”(图1)。据此分析，地下应该存在更高温度的地热资源。

图1 地表温泉实景图

1.4 周边温泉

本区西部20～40 km范围内分布有运营的五大温泉，均位于忻定盆地平原地带，主要用于温泉度假、洗浴、理疗和温室(表2和图2)。地热系统均属新生代断陷盆地对流型地热系统，开发原始水温35.5℃～75.6℃，地温梯度3.5～7.0 ℃/100m，单井涌水量20～60 m3/h(张海永，2016)，矿化度一般小于1 mg/L。周边温泉的分布特征对本区开展地热资源预测分析具有重要指导意义。

表2 周边温泉分布一览表

2 研究区地质背景

2.1 地层

区内大部分被第四系覆盖。根据周边出露地层推测，下伏地层自下而上为上太古界五台超群石咀群文溪组(W1w)、台怀群柏枝岩组(W2b)、下元古界滹沱超群豆村群四集庄组(H1s)、南台组(H1n)和大石岭组(H1d)。可能有下元古界吕梁期辉绿岩(Bμ)和花岗岩(γ)侵入体(山西省地质矿产局，1989)。五台超群为一套火山岩类和砂泥岩类低-中级变质岩系，滹沱超群为一套碎屑沉积岩为主的低级变质岩系，两套地层呈角度不整合接触，厚度变化很大(表3)。

表3 地层一览表

2.2 构造

山西省自北向南分布有五大新生界断陷盆地，分别为大同盆地、忻定盆地、太原晋中盆地、临汾盆地和运城盆地，呈“S”型纵贯全省中部。忻定盆地处于山西断陷带北中部，总体呈“C”字型，依据新构造运动差异和构造地貌特征划分为代县、原平、齐村、定襄、宏道5个凹陷和金山、阎家庄2个盆地间凸起及若干盆地边缘凸起(王跃杰等，2009)。研究区位于忻定盆地蔡家岗凸起边缘，1991年5.1级地震震中即位于此处。蔡家岗凸起是由五台山西麓断裂南段、南郭下断裂、汤头-宏道断裂和断陷盆地自然边界圈定(图2)。

图2 区域构造简图

区域构造亦属吕梁-太行断块五台块隆恒山-五台山穹状隆起西缘的区域韧性剪切带，表现为吕梁期构造行迹，总体为大型复向斜东冶-豆村坳褶带的北翼，形成一系列紧闭褶曲次级构造，构造方向为北东东向。后期与新生代蔡家岗凸起叠加，构造形态及其复杂，产状陡立和倒转现象普遍，并伴有与轴向平行的深大活动逆断裂，组成了忻定新裂陷北部边界断裂带。根据区域资料，本区至少存在东社断裂和东社北断裂两条深大活动断裂。两条断裂性质相似，呈叠瓦状平行展布，均为逆断裂，落差约200～300 m，走向北东东，倾向北北西，倾角65 °，为主要控热边界构造。

2.3 地热条件

根据研究区的地貌地质特征，可初步确定水热型热储层为松散层孔隙热储和变质岩裂隙热储两类。隔热隔水层为第四系粘土层和片岩、千枚岩及板岩类基岩，自然热传导和越流相对微弱。

由航磁勘探结果，580 ℃居里等温面区域背景值为24～26 km，忻定盆地为22～24 km，五台山区为16～18 km；根据实测大地热流值区域背景值为1.4～1.45 HFu，忻定盆地为1.5 HFu，五台山区为1.8 HFu；可以确定五台山区是熔离岩浆隆起部位(马俊红等，2004)。本区位于五台山区西南边缘，居里等温面区域背景值取值18 km，大地热流值取值1.7 HFu，热源条件远好于区域背景值和忻定盆地中心地带。

研究区周边分布有大量岩浆侵入岩体，活动断裂又比较发育。熔离岩浆不仅相对隆起，而且存在灌入上覆岩体的良好自然通道，故干热岩赋存条件比较优越。

参考忻定盆地五大温泉的实际资料，采用平均地温梯度值5 ℃/100m，初步预测区内500 m深度地温为45 ℃，1 000 m深度地温为70 ℃，1 500 m深度地温为95 ℃，2 000 m深度地温为120 ℃。

2.4 水热型地热系统

忻定盆地内的地热田均属中低温对流型地热系统，其热水温度均低于150℃，热水在偏高的区域热背景条件下，进行深部运移，在向下渗透和水平运移的过程中，不断吸收周围的热量，在断裂破碎带或断层交会处出现热水排泄点(王俊鑫，2014)。研究区地热系统基本与其类似。

2.4.1 热源

根据以往重力测量的成果，研究区莫霍面(地壳和地幔界面)深度约为41 km，康腊面(硅铝层和硅镁层界面)深度约为21.5 km(山西省地质矿产局，1989)。根据区域大地构造特征，区内深大活动断裂切割深度应未达莫霍面，但通过活动断裂进行热传导，莫霍面之上地壳深部集聚的热能足以成为热储层的热源保障。

2.4.2 热储层

与忻定盆地相比，研究区第四系松散层较薄，热储层以变质岩裂隙热储为主。受新生代多次构造作用的持续改造，断裂带及附近的变质岩岩层裂隙异常发育，且未被充填固结，横向上可形成带状或脉状储水空间；变质岩层中的结晶白云岩和大理岩可作为相对良好的含水层，纵向上可形成多层储水空间。于是可形成复杂的全方位多层带状和脉状承压储水空间。

2.4.3 地热流体

忻定盆地内五大温泉现开采的地热流体全部为第四系松散层热水，深部地热水向上运移过程中与之进行了混合，按深度水质类型呈现明显分带，上部以Cl-·SO42--Na+和Cl--Na+为主，下部以HCO3--Ca2+·Na+为主，说明HCO3-和Ca2+来自深度变质岩基岩热水。由此可初步确定研究区主要地热流体为HCO3--Ca2+型变质岩热水，同时与周边一致，富含F、Rn、Sr和H2S等，具有极强的理疗作用。

2.4.4 盖层

第四系粘土、片岩、千枚岩和板岩渗透系数和热导率低，作为相对良好的隔水隔热层，可以全面阻断了地热水与地表的直接对流和自然热传导，形成多层隔水隔热封盖条件。

2.4.5 地热流体补径排及热传导

通过基岩风化裂隙和断裂带接受大气降水、松散层类孔隙水和地表水的补给，在地下蓄水空间和径流通道内与热岩发生热交换，东社断裂作为隔热隔水边界，使地下热水受阻后向上运移，或与第四系孔隙含水层混合后溢流于地表，或直接溢流于地表。由此还可初步圈定地热田范围。预测的地热系统简化剖面模型见图3。

图3 地热系统示意图

3 论证初评

(1)从周边已开发的五大温泉与本区温塘水库的展布形态和地震震中的分布形态来看，均呈北东和北北东向的“多”字型(图2)，与新华夏系构造体系中忻定盆地的地貌地质特征极为吻合。温泉分布的共同特点是位于古老变质岩结晶基底凹中隆的断裂深切部位，高温中心在断裂带上，地热田规模较小，大营、奇村、顿村和汤头地热田面积分别为15.0、2.18、3.0和1.2 km2(贺秀全，2010)。1991年东社5.1级地震震中大致位于东社断裂带，东社断裂的持续活动是温塘水库形成的直接原因。研究区具有的温泉和地震特征是区域优良地热地质条件的佐证。

(2)区内无工矿企业，地面地下开发程度低，未进行过深层探矿和采矿活动，尤其是变质岩裂隙含水层地下流场未被扰动和破坏，地热资源原生状态保持良好。奇村地热田由于不合理的粗放开采，导致水位年平均下降0.14～0.18 m，水温年平均降低1.6～1.8℃，水中Cl-、Na+和SO42-逐年增加，地热田面积年平均减少4%～8%(黄卫星等，2003)。故应尽早做好地热资源科学集约的勘查开发利用规划。

(3)目前，开发经济合理、技术成熟的地热资源为水热型地热。水热型地热供暖供热量稳定，供热面积大，单井供暖面积在20万 m2左右。初始投资100元/m2左右，运营成本12元/m2左右，远低于集中供暖和燃气锅炉供暖(郭森等，2015)。利用地热能供暖也符合国家和地方政策，原平市正在实施大营水热型地热远程输送供暖工程，将解决全市25%的清洁供暖替换问题，对于寻找新的地热能源，有很大的需求空间。

(4)忻定盆地五大温泉开发前均未做勘查评价，近3～5 a跟随国家和地方政策导向，才陆续开始全面勘查工作。本区作为勘查开发空白区，应先进行深入系统的地热勘查工作，详细查明地层、构造、热储层、地下水流场及地温场等特征。依据《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)，本区主要热储受断裂构造控制呈带状分布，主要为中低温地热，勘查类型为Ⅱ-2型，对比确定达到了地热资源调查阶段，具有进一步进行预可行性勘查开发的价值和前景。

(5)五台山区居里等温面区域背景值偏低，是熔离岩浆隆起部位，活动断裂形成岩浆灌入上覆岩体的良好自然通道，故也是干热岩勘查开发的优选地段。2019年11月，中国煤炭地质总局水文地质局U型井中深层地热换热试验技术成果发布，填补了我国在中深层“取热不取水”技术研究领域的空白，将水热型和干热岩型地热开采技术融合，极大的推动了两类地热资源的协同快速发展。干热岩是潜力巨大的本土化资源，理论上只要达到足够深度处处都有干热岩，与水热型地热相比不受地域限制(汪集旸等，2013)。

(6)本区处于G338国道连接的滹沱水利-天涯山和五台山两个风景名胜区间的重要节点，可与当地知名品牌“同川酥梨”整合开发，打造综合性的温泉度假旅游目的地。

4 结语

经过对原平市东社镇一带的地热资源进行调查分析，初步判断该区为受断裂构造控制呈带状分布的地热田，地热系统为对流型，随深度变化具有优质的中低温水热型和高温干热岩型地热资源。围绕地热异常的温塘水库进行勘查开发前景广阔。