应用综合物探技术勘查兰州地热田

2021-12-01兰州资源环境职业技术学院曾永耀赵文青周集忠张芳

河北农机 2021年5期

兰州资源环境职业技术学院曾永耀赵文青周集忠张芳

地热能系地球内部岩浆和放射性物质衰变产生的热能。一个理想的地热能系统除热源之外，还要有地下水源的补给[1]，因此地热能的主要表现形式为地热水。地热水也是继煤炭、石油和天然气之后开发前景较为广阔的洁净能源。特别是按照国务院《“十三五”节能减排综合工作方案》的要求，到2020年煤炭等化石燃料占能源消费总量的比重要陆续下降，因此地热能作为一种绿色的洁净能源，在环保意识日渐增强和国家节能减排任务日益紧迫的情况下，再次引起学界的关注，国家能源局也发布了《关于促进地热能开发利用的指导意见》。

兰州盆地的地热资源勘探工作起步较早，20世纪70年代甘肃省地矿局曾对兰州市地热资源进行调查研究，在兰州市区周边的永登龙王沟一带发现地热异常点。21世纪初期，随着旅游地学的发展，甘肃省地矿局利用可控源音频大地电磁测深法等物探手段，在兰州市区圈定了七里河地热异常区，并于2003年7月在七里河区首次打出具有经济意义的地热井，该井田单井出水量约500 m3/d、井口水温约60℃[2]。随后，地质工作者围绕兰州市区的七里河-安宁小型断陷盆地继续开展工作，相继打成3眼地热水井[3]。2015年甘肃省地矿局在兰州盆地开展了地热资源勘查专项工作，在七里河-安宁断陷盆地又成功勘探出一口地热井田，该井田单井出水量约90 m3/h、井口水温约70℃。该井田也是迄今为止兰州市井深最深、出水量最大、水温最高的地热水井。这些成果进一步说明，兰州盆地内的七里河-安宁小型断陷盆地有着丰富的地热资源。

1 兰州盆地地质背景

兰州盆地隶属于祁连造山带“中祁连隆起”东段，是典型的陆内断陷沉积盆地。盆地的基底主要由前寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系变质岩和加里东褶皱带花岗岩组成从区域构造背景和盆地的演化历史来看，奥陶纪兰州盆地受控于古浪运动，隆升成为古陆并遭受剥蚀。印支运动后，接受下侏罗统沉积。燕山运动早期处于断陷扩张期，兰州盆地由断陷逐渐向坳陷发展。早白垩世晚期受燕山运动影响，盆地不断隆起，结束其陆内演化历史[4]。

2 兰州盆地地热资源条件分析

由于地热能的最主要表现形式为地热水，因此对地下热能来源的研究，是研究地热资源地质条件（热源条件）的主要内容，除此之外，具有良好的保温条件（盖层）、水源补给条件也是地热资源不可或缺的。通常地热的热源条件有两大类：构造隆起区热流类，即火山型；构造沉陷区热传导类，即断陷盆地型。

2.1 构造条件

前人研究表明兰州断陷盆地的地热井主要发育在兰州市区主要受三条断裂带控制：金城关断裂（F1）、宋家沟-直沟门断裂（F2）和刘家堡-雁滩南隐伏断裂（F3）。其中由F2和F3断裂带为南、北边界的七里河-安宁断陷是兰州断陷盆地形成地热资源的有利地区之一，这是因为七里河-安宁断陷的基底断裂带可以成为地热流体的上升通道，为深部地热流体循环创造了有利条件。

2.2 热盖层和热储层条件

兰州盆地已探明的地热资源属于中低温型，即井口温度为60～90℃，其热盖层主要为厚层古新统泥岩、粉砂质泥岩，最大厚度约400m,埋藏深度一般在600～1400m。热储层为古新统砂岩和白垩系沙砾岩以及元古界皋兰群变质岩。其中白垩系砂砾岩厚度大、透水性好、埋藏深度在1400～2000m，元古界皋兰群变质岩热储层埋藏深度大于2000m，起到隔热保温作用，是较为理想的地热流体保温层。

2.3 水源条件

兰州断陷盆地地下水来源多样，主要有大气降水、沟谷地表水和黄河地表水补给。①年大气降水量大于187.9mm的大气降水才是对地下水有补给意义的，而兰州盆地年降水量平均为317.6mm，因此在黄河河谷阶地大气降水是兰州盆地地热资源重要的水源来源之一，但是对于Ⅳ级以上阶地，大气降水渗入补给较为微弱。②沟谷地表水补给，兰州盆地南北两侧沟谷极为发育、汇水面积大，特别是洪水期，沟谷地表水也是兰州盆地地热资源水源的补给条件。③地表水流黄河水源的补给，在兰州盆地黄河水对地下水的补给占有很重要的地位，是保证地下水正常开采必不可少的条件[5]。

2.4 地热源条件

兰州断陷盆地地热资源属于中低温地热田。根据以往的钻孔测温数值判断，兰州盆地的地热源除正常的大地热流值之外，还有一定的放射性元素衰变产生的热能。这是因为，钻孔测温资料显示地下1000m的地温为45～50℃，而目前已探明的兰州盆地1000m以内的地热井田出水温度为60～70℃。另外，地热水水化学分析表明兰州盆地地热水含有一定的放射性物质，因此可以认为热源中还存在放射性元素衰变产生的热量。

3 地热储层的地球物理场特征

3.1 重力场特征

通过对兰州盆地开展1比10万区域重力异常调查，发现兰州盆地布格重力异常，具有两高一低的特征（南北高、中间低）。南北两侧的重力高值是对兴隆山隆起与仁寿山-白塔山隆起的响应，重力低值是对兰州断陷盆地基底的响应。同时李百祥和柏崇伟反演出桃树坪低隆起的基底深度约为2200m[6]。

3.2 电磁场特征

魏林森等采用可控源音频大地电磁测深法研究了兰州断陷盆地中生界基底的分布范围和形态，其基底形态具有由西部向东部平缓抬升的现象，最深处在西固区陈官营-深沟桥一带，埋深约2800 m。兰州断陷盆地第四系电性变化较大为中高阻电性层，其电阻率值为中高阻(40～1000Ω·m)；中间层新近系、古近系为低阻电性层，其电阻率值为(10～30Ω·m)；元古宇基底层电阻率值较高(＞100Ω·m)。

4 兰州断陷盆地基底形态与富存地热的关系

上述用重力场和电磁场特征分析兰州断陷盆地的基底形态，是为了更好地讨论兰州断陷盆地基底形态与富存地热的关系，这是因为来自深部的地热能会在导热性能良好、热阻较小的基底变质岩层中上涌。因此对于兰州断陷盆地基底形态的研究，有助于搞清楚该区域的基底深度和断裂发育情况，有助于进一步分析地热能可能的热流运移和聚集方式。例如，白福和马根喜根据区域重力场特征研究了兰州断陷盆地的基底形态，推断划分出了几组大断裂的分布特征；除此之外，白福和马根喜还利用可控源音频大地电磁测深法重新划分了雁滩隐伏断裂，而且较清楚地显示了该断层的分布、走向倾角、基底位置和热储层埋藏深度等。

综上所述，应用综合物探方法（重力和电磁法）可以较为明显的确定兰州断陷的基底形态以及较大的断裂破碎带，结合钻探工作可以较为可信的确定地热田分布特征，因此综合物探方法对在兰州断陷盆地寻找地热资源具有重要的意义。

5 开发潜力分析

根据以往重力和电磁场资料，划分出兰州断陷盆地有利赋存热储的地段主要有：①兰州盆地西部西固区域的寺儿沟、李麻沙沟、深沟桥等一系列NNW向断裂带，该区域断裂活动明显，可以作为热水深循环的通道；②七里河次级凹陷区，该区域主要受NNW向断裂、NWW向断裂以及NE向断裂控制，凹陷内的白垩系底部砾岩是很好的热储层。