陇西盆地东南部地热成田主控因素及成因模型——以清水温泉为例

张献文，何俊林，马代兵，王宇佳，冀晓彤

(甘肃煤田地质局一四九队，甘肃 兰州 730020)

地热资源是蕴藏在地球内部的可供人类开发使用的绿色清洁能源，具有分布广、含量丰富、低碳环保的优势[1-3]。通常认为地热来源于地壳深处岩石衰变及构造活动，通过研究地热赋存规律及热源、水文补给、热流体运移通道、热储特征等控制因素，并建立相应的地热田模型，可以为地热资源的勘探、评价及开发利用提供基础性资料[4-7]。陇西盆地东南部地热资源丰富，温泉开发利用的历史悠久，已查明或开发利用的温泉及热异可达7处，主要用于洗浴、农业种植及旅游业，并产生了较好的经济效益[8-11]。但受经济技术发展条件的局限，对地热资源的形成背景和控热条件缺乏系统性研究、对盆地内地热的热储模型缺乏综合评价。本文以陇西盆地东南部已有地热田为研究对象，从区域地质背景、构造规律、岩浆活动、水文地质特征等方面入手，在对地热田的基本类型、储层特征系统研究分析的基础上，以期研究探索地热田形成机理、建立地热概念模型，为地热资源勘探开发提供指导。

A为研究区大地构造位置图；B中F1-六盘山西麓断裂带、F2-秦岭-渭河大断裂、F4-通渭-武都大断裂、a-武山温泉、b-通渭温泉、c-义岗温泉、d-秦安夫子沟热异常点、e-中滩温泉、f-街子温泉、g-清水温泉

1 地质概况

陇西盆地大地构造属青藏高原东北缘，横跨秦岭—祁连、贺兰—六盘两个构造带。因其为研究青藏高原的隆升的窗口之一而受到诸多学者的关注[12-19]。研究区位于陇西盆地东南隅，地理位置在通渭—天水—秦安一带，是由华家岭、六盘山与西秦岭围限的山前凹陷，南缘是祁连—秦岭褶皱带，以东受控于贺兰—六盘山构造带[20]，具有重要的构造与气候研究意义。受青藏高原持续性活动的影响，陇西盆地内整体显示出褶皱舒缓、新构造活动强烈、地震多发、岩浆活动频繁、地形地貌复杂的构造格局[21，22]，是陆内中低温温泉发育的有利场所。目前已开发利用的温泉主要有通渭温泉、义岗温泉、清水温泉、中滩温泉、武山温泉、街子温泉及秦安夫子沟热异常点等(图1)。

2 地热田基本特征

2.1 地热田水化学特征

区内各地热田温度在27.1℃～57℃之间，pH值在7.1～9.38之间，具有明显的板内中低温热水特征。除个别地热田的热水具H2S气味外，一般无色无味，无悬浮物。热水中的阳离子以Na+、Ca2+为主，水化学类型以硫酸钠型和碳酸氢钠型为主，并以秦岭渭河大断裂为界，位于中北祁连造山带的中低温温泉水化学类型以硫酸钠型为主，矿化度约1.0～2.45 g/L，位于西秦岭造山带的中低温温泉以碳酸氢钠型为主，矿化度约小于1.0 g/L，温泉水单井流量均在1.0 L/s左右(表1)。这些相似的地热田特征表明其具有相似的水文补、径、排特征。

表1 研究区中低温地热系统特征一览表(数据来源于文献23-27)

2.2 地热田热储特征

地热田储层是地热流体的有效富集带，一般具有良好的孔渗性，岩体破碎程度较高，其结构和形态对地热田的形成具有重要控制作用。清水温泉(地热田)位于清水县城东侧牛头河北岸的汤浴河流域，以单个泉点出露于汤峪河河谷。沿温泉出露的汤浴河河谷，西侧出露二叠纪中晚期二长花岗岩(ηγT1-2)，东侧出露陈家河群变质岩(O3ch)[28-29]，其他大部地区均被第四系黄土层覆盖。根据清水温泉周边岩层、钻探成果等分析，地热田内热储层为花岗岩体，岩性为二长花岗岩夹碎裂似斑状钾长花岗岩及闪长花岗岩，F1、F6、F2、F7断裂构成热储边界[29]，F6断裂为正断层，是供水补给边界；F1断裂系为主要的热源通道，有温泉点出露，上盘富水、下盘阻水；F2、F7断裂为地热田南北两侧阻水边界，近平行发育，F2东北方向的延伸段具有导水、导热双重作用。

图2 清水温泉地热田热储层特征示意图 (修自秦晓燕等[29])

物探勘查表明，清水地热田的热储层西南部以条带状单斜形式向北倾斜发育，夹持于近东西向展布的F2及F7断层之间，至中部地段转变为平卧的层状展布，再向东北方向逐渐仰起过渡为南倾的条带状单斜产出，因此，清水地热田热储以带状特征为主兼有层状热储特征(图2)。北西向近平行发育的次级断裂使花岗岩体受多期挤压、拉裂改造，构造及节理裂隙发育，为热水的储集、排泄提供了空间。热储层埋深受断裂和岩体侵入控制差异较大，总体为东北埋藏较深向西南逐渐变浅，直至出露地表而缺失盖层。

3 地热田控制因素

3.1 构造因素

发育在秦岭北麓沿渭河河谷延展的秦岭—渭河大断裂(F2)将陇西盆地东南部切割成南北两块：南部发育近EW向和NWW向为主的逆冲断裂带、NEE向左行走滑断裂带、NNW向右旋走滑断裂带。北部发育一组近平行于六盘山走向的NW向压扭性断裂和另一组与其斜交的NE向张扭性断裂带。总体上，研究区受六盘山断裂带(F1)、秦岭—渭河大断裂(F2)及通渭—武都大断裂(F4)三条区域性深大断裂和刚性结晶基底共同控制，发育一系列与深大断裂垂直、斜交或呈羽状排列的近EW向、NW向、NE向的次级张性或压扭性断裂。现有温泉或地热异常点沿主要断裂应力方向分布，呈NW向展布于断裂构造两侧，呈带状分布(图3)，具有明显的断裂隆起型地热系统特征[30]。

红外遥感信息表明，陇西盆地东南部的热异常分为三个级别，分别为温度在38.35℃～41.85℃的一级异常、34.85℃～38.35℃的二级异常和31.35℃～34.85℃的三级异常。一、二级异常整体呈面状分布于通渭县北部和南部，与深部的华家岭岩浆岩体有关；三级异常多呈线状在盆地东南部发育，异常带周边多有次级断裂，多呈线状的异常带。现有的地热温泉多分布于线状异常带的周边，表明断裂构造对地热田分布具有明显的控制作用。对已知地热田的研究表明，断裂构造既是热储层的重要热力通道又是地下水补径的重要通道。岩体热储来源于刚性结晶基底对地壳深处(上地幔)热的传导作用，深大断裂则是地下热源上涌的主要通道，张性断裂为导水通道，压扭性断裂起阻水作用，控制地热田的边界。断裂构造为地下水运移、热交换和排泄提供了导水通道，起重要的导热、控水作用，是地热成田的第一要素。

F1：六盘山西麓断裂带；F1-1隆德县-韩店走滑逆冲断层；F1-2：海子峡-山寨逆冲断层；F2：秦岭-渭河大断裂；F3：新阳-元龙大断裂；F4：散渡河-西吉隐伏断裂；f1：会宁-庄浪-庙滩逆冲断层；f2：通渭-陈家大庄隐伏断裂；f3：潘河庄逆冲推覆断裂带；f4：苦水河隐伏断裂；f5：常家河隐伏断裂；f6：岸峪寺韧性剪切带；f7：木集沟门逆冲断裂；f8：寨柯里逆冲断裂；f9：野雀窝-刘家大庄逆冲断裂；f10：杨家大山断裂；f11：木漆沟门-关庄逆冲断层；f12：木树庄-关子河逆冲断层；f13：大坪-黄草坪逆冲走滑断层；f14：鞍子坪正断层；f15：尹道寺正断层；f16：碾盘沟走滑断层；f17：白杨树逆冲断层；f18：下金柳滩韧性逆冲剪切带；f19：范家渠逆冲断层；f20：王家窑逆冲断层：f21：罗家河-站沟门逆冲韧性剪切带；f22：毛家磨逆冲断层；f23：南湖-葫芦河隐伏断层；f24：水洛河隐伏断裂；a：武山温泉；b：通渭温泉；c：义岗温泉；d：秦安夫子沟热异常；e：中滩温泉；f：街子温泉；g：清水温泉

3.2 岩浆岩因素

陇西盆地东南部岩浆活动频繁[31]，分属加里东期、印支—海西期、燕山期及喜马拉雅期[32-33]，钻孔揭露的各地热田地层自下而上主要有古元古代与中新元古代变质岩、华力西期花岗岩、新近系及第四系(表2)。

陇西盆地东南部除中滩温泉周边不发育岩浆岩外，其余多个地热田或分布于岩浆岩体中或紧邻岩浆岩体，各温泉热储层岩性以花岗岩体为主。华力西期的花岗岩是地热水主要储层，各岩浆岩储层沿区域性断裂带呈北西南东向展布(图3)，储层埋深一般为0～600 m，厚度70～600 m，岩性主要为二长花岗岩，呈浅肉红色，由斜长石、钾长石、石英、角闪石及黑云母等组成，发育中细粒斑状、似斑状结构及块状构造[33]。

受断裂活动影响，花岗岩岩体破碎程度高，次生裂隙、节理发育，有利于地下水储集和排泄。花岗岩体的平均热导率高于其他岩体，有利于深循环的地下水收集更多热量[34]。第四系浅黄色粘土或砂砾层，新近系棕红色泥岩、粉砂岩、砖红色粉砂质粘土岩与钙质粘土岩等导热率低，是热储层的良好盖层，缺点是在第四系及新近系沉积较薄，易与外界形成水文及热量沟通交流，存在热量散失现象。

表2 研究区地热田储层类型

3.3 水文地质因素

陇西盆地东南部属渭河流域，水系发育，河网密布，温泉沿主要河流分布[35]。大气降水和常年性地表径流下渗是本区地下水的主要补给源。通渭、清水、武山等温泉的热水深循环深度在3.71～4.28 km，平均3.99 km[36-37]，深潜的地下水从地势高处向低处流动，径流过程中与地下热源进行充分热交换，受压扭性断层阻隔后，在基岩破碎带汇聚形成热源，通过导水裂隙带(或温泉探井)上涌出地表形成温泉露点(图4)。

图4 地热田补径排条件模式图

经调查，盆地内地热出露点主要分布于山前河谷低洼地带。现有温泉水文补给特征表明，森林涵养率高的山区是水文补给的重要地区之一，大气降水凭借地形高差从高处向低处径流，并为地热水的出露和自喷提供压力[34]；地形较平缓地区降水沿地表流失的少、下渗补给多，该区常年性地表水是地下水的另一重要补给区。

4 地热模型

地热模型是预测地热田开发潜力的重要手段之一，是对已知地面热异常、热显示区域地热背景系统梳理基础上，利用遥感解译信息、地球物理勘探、地热钻探、热储温标计算等手段，获取与地热系统相关的地形地貌、控制因素、物性参数等信息，通过拟合与热储层相关的各种参数而建立的定量或定性模型[38]。

地热模型的建立是一个动态过程，随数据的不断完善逐渐精确。本文从陇西盆地东南部已知地热田入手，分析各地热田的成因、地热水补径排、热储岩性、埋藏、上覆盖层及断裂构造等，总结地热田特征及成因规律、控热因素等，建立适用于陇西盆地东南部地热成田的概念模型，揭示地热田的热源及补给通道、热流运移方向、热流体的补给、赋存状态等。

图5 陇西盆地东南部地热田模型图

该地热模型表明盆地东南地热系统从热量传导方式上属传导型地热系统，热储层主要为花岗岩，呈带状展布,各地热田均属受断裂构造控制的带状中低温地热田(Ⅱ-2)。热源主要来自地壳深处上地幔传导型热流，其次为放射性元素衰变热及地层压力；大量的热流沿深大断裂上涌加热储层，深大断裂既是热流传递的重要通道，也是地下水循环的重要通道之一，次级断裂或是地热田的边界或是地下水的运移通道。受大气降水和地表河流补给的地下水在沿着断层破碎带及岩石裂隙带径流过程中与地下热源进行了充分的热交换汇聚而形成热泉，而位于花岗岩岩体之上的新近纪和第四纪地层是隔水层和保温盖层，使热能得以保存和聚集(图5)。

5 结语

(1)陇西盆地东南部的已知地热田从分布位置及控制因素上属于断裂隆起型地热系统，受断裂构造控制作用明显；从成因规律上属对流传导型地热系统，区域内大地热流背景较正常，岩体热储主要来源于刚性结晶基底对地壳深处(上地幔)热的传导作用。

(2)地热田成田受断裂构造、岩浆岩活动、水文地质、地形地貌等因素的综合控制。断裂构造是地热田的主要控制因素，既是热储层的重要热力通道也是地下水补径的重要通道，张性断裂一般为导水通道，压扭性断裂控制着地热田的边界，是重要的阻水断层。破碎程度高的岩浆岩体是地热水的主要储集空间。大气降水及常年性地表流水为地热田提供了充足的物质补给。