河西走廊大型沉降盆地水热型地热赋存特征及开发利用

张家峰 谢娜 丁宏伟 杨殷哲 康亮

摘  要：据已有勘探成果及地热勘探资料，在综述河西走廊大型盆地区域地质构造基础上，详细归纳总结瓜州-敦煌盆地、张掖-民乐中新生代沉降盆地地质结构、地层岩性、厚度、接触关系及孔隙率等;深刻阐述不同盆地盖层、热储层空间分布、热源、地下水赋存特征及补给来源;提出适用于河西地区统一的大型沉降盆地地热概念模型;计算评价了2个大型盆地的地热资源及地热能;探讨了地热资源优先开发利用方式和方向，提出存在地热尾水尚未回灌、不利于地热可持续利用等方面问题。

关键词：水热型地热;地质结构;地热概念模型;地热能;开发利用

地热资源是蕴藏在地球内部的可再生热能，是一种清洁低碳、分布广泛、储量丰富、安全优质的可再生能源。按地质成因和能量传递方式，河西走廊属沉降盆地传导型地热田[1]。自上世纪50年代以来，有关地勘单位及地学科研人员对河西走廊大型盆地地质构造、地质演化过程、地热地质条件及地热资源分布特征、成因类型、储存富集规律和开发利用等诸多领域开展了探索研究，取得丰富的勘探研究成果。从盆山构造格局角度，定性-半定量探讨了南北山地及河西走廊地质构造特征及地质演化过程[2-3]❶，深入研究分析了深层地下水的形成机理[4-6]，总结了地热资源类型、埋藏分布规律、开发利用现状[7]，进行了地热资源概略评价[8]。上述成果对河西走廊地热资源勘查开发产生了积极的推动作用，但与我国内地及东部沿海地区相比，该区地热勘探程度还很低，地热资源的开发利用仅限于零星低层次的理疗洗浴，不利于低碳环保能源的可持续利用。笔者根据20年来在西北地区从事水文地质工作掌握的调查与勘探资料，以研究程度相对较高的瓜州-敦煌盆地、张掖-民乐盆地为例，分析河西走廊中新生代大型沉降盆地地质构造及地层结构、地热资源赋存特征及热能量，提出统一的地热概念模型，探讨地热资源优先开发方向。

1  研究区概况

河西走廊地处西北内陆，地势平坦，土地肥沃，光热风资源充沛，矿藏资源丰富，是甘肃省乃至整个西北地区工农牧业经济最为发达的地区之一及国家重要的商品粮及制种基地。该区气候干旱，年降水量50～200 mm，年蒸发量1 800～2 800 mm，生态环境脆弱，社会经济发展规模和水平与水资源的分布格局、开发历史、利用程度密切相关。南部高亢广阔的祁连山区降水相对丰富，海拔4 500～4 800 m以上发育冰川积雪资源，是河西走廊水源涵养区和径流产流区，孕育并形成疏勒河、黑河、石羊河3大流域（水系），57条河流入（流经）走廊平原，形成西北地区独具特色的“河流-含水层”水资源系统，支撑着该地带绿洲经济的可持续发展❷。位于走廊西部的瓜州-敦煌盆地地处疏勒河流域下游地区，人口约30.5×104，行政区划包括酒泉市瓜州县和敦煌市，社会经济以绿洲农业垦殖、牧业和旅游业为主，兼有少量矿业开发。现拥有1处世界地质公园和2处4A级、3处3A级、2处2A级旅游景区，2018年人均GDP为5.31×104元。位于走廊中部的张掖-民乐盆地地处黑河流域中游地区，人口约98.3×104，行政区划涵盖张掖市民乐县、甘州区、临泽县的走廊平原区，社会经济以绿洲农业、中药材种植和旅游业为主。现拥有1处世界地质公园、1处国家湿地公园和2处4A级、5处3A级、2处2A级旅游景区，2018年人均GDP为3.32×104元。区内社会经济能源结构以利用化石资源为主，已勘探发现的十余处地热点（温泉、地热管井）部分已开采利用，以理疗洗浴为主。

2  大型沉降盆地地质构造

调查与勘探证实，尽管河西走廊及南北山地还保留着中新生代以前许多重大的构造运动形成的基本构造格架，但大部分地区自中新生代以来明显进入了一个统一强烈的差异性断块运动为主的构造运动发展时期❶。一系列NWW向、NW向和近EW向（西部尚有NEE向）大断裂及沿断裂所产生的断块分异，将河西走廊进一步分割成8个被构造-地貌条件所控制的压扭性大型山前坳陷或山间断陷拉分盆地。南部的武威、张掖-民乐、酒泉、玉门-踏实、阿克塞5个盆地紧靠祁连山，北部的民勤-潮水、金塔、瓜州-敦煌3个盆地与北山邻接，南北盆地间多为地势低矮的构造山梁所分隔。盆地中自下而上堆积了数千米厚的中新生代碎屑岩类和数百米乃至上千米厚的松散岩类，盆地基底为前古生代变质岩类及加里东期-印支期侵入岩，为盆地传导型地热资源的赋存提供了良好的地质条件。

2.1  瓜州-敦煌盆地地质结构

该区地质结构具山前或山间断陷特征，盆地南缘可见由大型逆冲断层组成的叠瓦式构造。盆地北缘地质构造上为边缘断陷类型，被巨大断裂所限（图1）12。盆地地层结构自上而下依次为：第四系河湖相松散岩类沉积物，厚80～320 m，北部小于20 m;新近系白杨河组滨海相碎屑岩类沉积，厚300～600 m，主要由浅桔红色泥质砂岩、泥质粉砂岩和泥质砂砾岩等组成，地层孔隙率5%～10%，中、上部小于2%，产状近似水平，南北山前略向盆地倾斜;侏罗系浅海相碎屑岩夹灰岩和火山岩沉积，与上覆新近系呈平行不整合接觸，产状近似水平，厚800～1 800 m，北部小于500 m（物探推测），主要由上统粉细砂岩、泥质粉砂岩、砾岩和中下统粉细砂岩、砾岩、泥岩、粉砂岩组成。岩性致密且较坚硬，孔隙率小于2%、表层5%～10%。基底中南部为古元古界敦煌群变质碎屑岩夹大理岩及多层中基性火山岩，厚度大于2 882 m。北部及南北两端为印支期、华力西期侵入岩（图2）。

2.2  张掖-民乐盆地地质结构

地质结构具山间断陷特征，南缘和北缘可见大型逆冲断层组成的叠瓦式构造（图3）34。盆地自上而下地层依次为：第四系河湖相松散岩类，厚600～1 000 m，南部祁连山山前地带大于1 000 m，向北逐步递减为100～400 m。新近系滨湖沼泽相碎屑岩类，厚800～1 200 m，北山山前递减至500～600 m，产状近似水平，南北山前略向盆地倾斜，主要包含上新统疏勒河组和中新统白杨河组。疏勒河组上部为牛胳套-胳塘沟段，由厚度不等、互层状杂色含砾（砾状）砂岩、黄色泥岩组成，岩性致密且较完整，孔隙率小于2%～5%;下部为弓形山段，由棕红色泥岩、砂质泥岩夹灰白色砾状、含砾砂岩组成，局部含钙质结核，岩性致密且较完整，孔隙率小于3%。白杨河组上部为干油泉段，厚120～160 m，由棕红色、棕黄色砂质泥岩、泥质粉砂岩及灰白色粗砂岩、砂砾岩组成，岩性致密完整，具水平成层韵律，孔隙率小于5%;中部为石油沟段，厚50～90 m，由厚度不等、互层状棕红色砂质泥岩、杂色砂砾岩组成，局部含次生石膏薄层及钙质结核，岩性致密完整，孔隙率小于2%;下部为间泉子段，厚90～120 m，由灰白、浅棕红色含砾砂岩、砾状砂岩、杂色砂砾岩夹薄层棕红色泥岩、含砾砂岩组成，含钙质结核，岩性疏松破碎，孔隙率约40%左右。白垩系为下白垩统新民堡群，产状近似水平，与上覆新近系间泉子段呈平行不整合接触，厚2 000～3 000 m，盆地中北部朝元寺凹陷、张掖凹陷推测大于3 000 m（如民参1井孔深5 047.3 m仍未揭穿K1xn）1，盆地南部基底构造隆起带厚度可能小于500～800 m，上部（上岩组K1x2）为灰黑色泥岩、粉砂质泥岩，致密较坚硬，含水率小于1%，下部（下岩组K1x1）为棕红、灰、杂色粉砂质泥岩，泥钙质胶结，具层状水平层理，致密坚硬。基底南部为古元古界龙首群深变质碎屑岩夹多层中基性火山岩，厚度大于5 000 m;中北部为华力西期、加里东期侵入岩（图4）。

3  盆地地热资源赋存特征及地     热概念模型

3.1  瓜州-敦煌盆地地热资源赋存特征

据1996—2017年瓜州-敦煌盆地设计施工的4眼地热井勘探资料（地热井编号DDR1-DDR4，孔深1 600～2 000 m）及石油部门勘探资料，第四系下更新统粘土层及新近系白杨河组中上部泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩的岩层致密，孔隙率小于2%，含水率小于3%，厚330～900 m，地层温度38.5℃～48.2℃，增温率2.1～2.5 ℃/100 m，构成热储盖层;白杨河组下部为泥质砂岩、砂砾岩夹泥质砂岩，孔隙率5%～10%，含水率5%～15%，厚度600～1 100 m（其中含水层100～150 m，本文推测为间泉子段N1b1），地层温度51.5℃～59.6℃，增温率2.5～2.8 ℃/100 m，含水层单位涌水量0.05～0.12 L/s·m，构成第一热储层，属孔隙型热储;侏罗系温度虽然较高，但岩层致密完整，孔隙率极低，基本不含水;基底基岩风化壳与侏罗系接触地带推测为第二热储层（尚无勘探资料证实），属裂隙型热储。南侧三危山山前沿活动断裂产生的上地幔热量为热储层主要热源，次为地层随深度自然增温和盆地基底放射性地层衰变加热增温;热流体主要为地质历史形成的“古水”，少量为山地侧向补给[9]。已有地热井单井涌水量为1 200～2 000 m3/d，井口水温30℃～39℃，矿化度5.37～12.33 g/L，水化学类型基本以CL-Na型为主。

通过对比分析其他地带地热勘探资料发现，同属走廊北盆地的金塔盆地、民勤-潮水盆地与瓜州-敦煌盆地具有基本相同的地质结构及地热资源赋存特征。

3.2  张掖-民乐盆地地热资源赋存特征

据2015—2020年张掖-民乐盆地设计施工的7眼地热井（地热井编号ZDR1-ZDR7，孔深1 450～2 600 m）勘探资料和石油部门勘探资料1，新近系疏勒河组和白杨河组干油泉段、石油沟段泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩致密完整，孔隙率2%～5%，厚750～950 m，增温率1.5～2.0 ℃/100 m，隔热或保温性能好，构成热储层;白杨河组间泉子段含砾粗砂岩及杂色砂砾岩呈泥质半胶结，厚100～120 m（民参1孔揭露间泉子段厚111.0 m，其中砂层厚104 m），岩层孔隙率10%～40%，平均渗透率118.44×10-2 μm2，地层温度50℃～60℃，增温率2.5～3.1 ℃/100 m，含水层单位涌水量0.08～0.15 L/s·m，为盆地第一热储层，属孔隙型热储;白垩系新民堡群地层致密完整，孔隙率极低，基本不含水，属隔热或保温层。盆地基底龙首群变质岩及加里东期、华力西期侵入岩表层风化壳裂隙发育，揭露厚50～200 m，裂隙率30%以上，地层温度60℃～90℃，增温率约3.5 ℃/100 m，单位涌水量0.25～0.30 L/s·m，为盆地第二热储层，属裂隙型热储。热流体主要为地质历史时期形成的“古水”，次为源于南部祁连山区地下水沿断裂破碎带渗入侧向补给。祁连山北缘深大断裂和盆地内NNW向基底断裂及伴生断裂带是地下水深循环的导水、导热通道，主要靠吸纳大地热流上涌正常增温的传导加热或局部区域侵入岩的冷凝余热加热，地层温度随热储层埋藏深度的增加而升高[9-11]。已有地热井单井涌水量2 200～2 700 m3/d，井口水温45℃～77℃，矿化度4.16～5.81 g/L，水化学类型以Cl·SO4-Na型为主。

通过对比分析其他区带地热勘探资料发现，同属走廊南盆地的武威盆地、酒泉盆地、玉门-踏实盆地与张掖-民乐盆地具有基本相同的地质结构及地热资源赋存特征。据以上分析，可将河西走廊南北沉降盆地水热型地热形成机理概化为统一的地热概念模型（图5）。所形成的地热田盖层、热储、热源及导热通道要素齐全，热储层一般分上下2层，第一热储层分布于新近系白杨河组间泉子段颗粒相对较粗的碎屑岩中，厚100 m左右，属孔隙型热储;第二热储层分布于基底变质岩或侵入岩表层风化壳处，揭露厚度50～200 m，屬裂隙型热储。第一热储层以上大厚度的新近系及第一、第二热储层之间巨厚的白垩系+侏罗系是热储盖层和隔热层，热流体主要为地质历史时期形成的“古水”，少量源于南部山区地下水沿断裂破碎带的侧向补给，靠吸纳大地热流上涌正常增温的传导加热或局部侵入岩的冷凝余热加热。

4  地热资源评价及开发利用

4.1  地热资源评价

据《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2018）及已有地热井勘探数据③④⑤，选取热储资源计算与评价所需的热储层岩石比热、密度、孔隙率、热储温度、水的比热、密度、恒温层温度、回收率、现状开采系数等参数[12]，计算瓜州-敦煌盆地和张掖-民乐盆地地热田水热型地热资源及热流体热量潜力模数。计算公式：

[M=Ey-Ek+RA]…（1）

式中：[M]——地热流体热量潜力模数（kJ/km2·a）;

[Ey]——地热流体可采热量（kJ/a）;

[Ek]——地热流体已采热量（kJ/a）;

[R]——地热流体热量补给量（kJ/a）;

[A]——评价区面积（km2）。

计算结果，上述2个盆地地热资源均属极具开采潜力区（表1）。

4.2  地热资源开发利用及存在问题

位于走廊北部的瓜州-敦煌盆地敦煌地热田目前仅探明第一热储层赋存特征，热流体温度介于30 ℃～39 ℃，温度较低。2018年实际开采量4.59×104 m3，主要用于洗浴疗养。今后可考虑勘探埋藏更深的第二热储层赋存特征，设计孔深3 000～4 000 m，预计井口水温75℃～80℃，单井涌水量2 000 m3/d左右。第一热储层地热资源可优先用于休闲洗浴疗养、温室种植、土壤加温花卉栽培和水生养殖产业，经适当加温及水质处理后可用于冬季大面积建筑供暖。

位于走廊南部的张掖-民乐盆地热田目前已基本探明第一、第二热储层赋存特征，混合热流体温度介于45 ℃～77 ℃，温度相对较高。2018年实际开采量1.20×104 m3，主要用于休闲娱乐和洗浴疗养。今后应据水温、水质特点梯级循环利用，打造多途径开发模式。经适当加热、配备防腐蚀开采设备和供水管线后，热流体优先直接用于冬季大面积建筑供暖和休闲洗浴疗养，尾水集中收纳经水质达标处理后分配给养殖业、花卉苗圃及周边农灌土壤加温保墒。

由于已有地热井热水水头普遍高于第一热储层顶板埋深1 200～1 800 m，部分呈自喷，井口水压高达0.52～1.58 MPa（高于地表52～158 m），由于热储层地层颗粒较细，孔隙率低，现有地热井均未形成有效回灌，不能满足国家有关产业政策规范和地热资源的可持续利用。因此，需深入调研国家河北雄安新区、天津、山东等东部沿海省市地热资源开发利用的先进成功经验和方法，选择地热勘探程度较高的地带开展热交换方式和地热尾水的回灌试验研究，获取可靠试验参数，率先实施地热水热分离工艺和尾水的同层（异层）回灌工程，实现地热资源的可持续利用。

5  结论与讨论

（1） 河西走廊大型沉降盆地独特的地质结构为传导水热型地热资源的赋存提供了良好的地质条件。地热形成机理具统一的地热概念模式，地热田盖层、热储、热源及导热通道要素齐全。一般分上下2层热储，第一热储层分布于新近系白杨河组间泉子段碎屑岩，厚100 m左右，属孔隙型热储;第二热储层分布于基底变质岩或侵入岩表层风化壳处，揭露厚度50～200 m，属裂隙型热储。热流体主要为深部存在的“古水”，靠吸纳大地热流上涌正常增温的传导加热或局部侵入岩冷凝余热加热，水温随热储层埋藏深度增加而升高。

（2） 北部瓜州-敦煌盆地第一热储层埋藏相对较浅，井口水温相对较低，为30℃～39℃，单井涌水量相对较小，为1 200～2 000 m3/d，矿化度相对较高为5.37～12.33 g/L，水化学类型以CL-Na型为主。今后可考虑勘探埋藏更深的第二热储层地热赋存特征。南部张掖-民乐盆地热储层埋藏相对较深，井口水温相对较高，为45℃～77℃，单井涌水量较大，为2 200～2 700 m3/d，矿化度相对较低，为4.16～5.81 g/L，水化学类型以Cl·SO4-Na型为主。南北盆地属大型地热田，现状热水主要用于低层次理疗洗浴，开采规模很低，尚具有较大开发利用潜力。

（3） 河西走廊地热勘查及开发利用方兴未艾，随着国家生态文明建设和绿色高质量发展战略的推进实施，按梯级开发、综合循环应用的开发利用原则，需改变地热资源应用领域单一低端、资源浪费严重、产业链延伸有限、经济效益低下的现状。构建优质可持续的地热资源开发利用模式和平台，逐步实现地热尾水的完全回灌或取热不取水工艺，不断提高地热资源规模化、集约化的开发利用水平。

参考文献

[1]    中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 11615-2018《地热资源地质勘查规范》[S]，2018.

[2]    张新虎.甘、青、蒙祁连山、北山造山带构造地层演化史[J].甘肃地质学报，1993，2（1）：80-86.

[3]    赵生贵.祁连造山带特征及其构造演化[J].甘肃地质学报，1996，5（1）：16-29.

[4]    丁宏偉，张举.河西走廊深层地下水的赋存与开发[J].西北地质，2009，42（3）：109-119.

[5]    丁宏伟，姚吉禄，何江海.张掖市地下水位上升区环境同位素特征及补给来源分析[J].干旱区地理， 2009， 23（1）： 1-8.

[6]    高振荣，李红英，曹淑超，等.近31a河西走廊地区深层地温变化及突变分析[J].干旱区地理，2013，36（6）： 1006-1012.

[7]    安永康，孙知新，李百祥.甘肃省地热资源分布特征、开发现状与前景[J].甘肃地质学报，2005（2）：70-75.

[8]    谢娜，喻生波，丁宏伟，等.甘肃省地热资源赋存特征及潜力评价[J].中国地质，2020，47（6）： 1084-1811.

[9]    张凌鹏，丁宏伟，张家峰，等.甘肃省地热流体化学及环境同位素特征及形成年龄分析[J].干旱区地理，2020，43（6）： 1496-1504.

[10]  张薇，王贵玲，刘峰，等.中国沉积盆地型地热资源特征[J].中国地质，2019，46（2）：255-268.

[11]  周总瑛，刘世良，刘金侠. 中国地热资源特点与发展对策[J].自然资源学报， 2015，30（7）： 1210-1221.

[12]  王贵玲，张薇，梁继运，等.中国地热资源潜力评价[J].地球学报，2017，38（4）：449-459.

Occurrence Characteristics of Hydrothermal Geothermal Water in Large Subsiding Basin in Hexi Corridor and

Their Exploitation and Utilization

Zhang Jiafeng1，2，Xie Na3，Ding Hongwei2，Ying Yinzhe1，Kang Liang2，4

（1.The first geological Mineral Exploration Institute of Gansu Provincial Geology and mineral Bureau， Tianshui，Gansu，741020， China; 2. Gansu Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Lanzhou，Gansu，730000，China; 3. Gansu Geologic Survey Institute， Lanzhou 730000，China;4. Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Gansu Provincial Bureau of Geology and Minerals Exploration and Development， Zhangye，Gansu，734000，China）

Abstract： Based on the existing exploration results and geothermal exploration data， and on the basis of summarizing the regional geological structure of large basins in Hexi Corridor， this paper comprehensively summarized the geological structure， formation lithology， thickness， contact relationship and porosity of Guazhou-Dunhuang basin and Zhangye-Minle Mesozoic Cenozoic subsidence basin. The spatial distribution of cover rocks， thermal reservoirs， heat sources， groundwater occurrence characteristics and recharge sources of different basins were expounded， and that the unified conceptual model of geothermal system was proposed.The geothermal resources and geothermal energy of two large basins were evaluated， and the priority development and utilization mode and direction of geothermal resources were discussed in the paper， and the problems that the geothermal tail water has not been reinjected and is not conducive to the sustainable utilization of geothermal resources are put forward.

Key word： hydrothermal geothermal;geological structure;geothermal conceptual model;geothermal energy;exploitation and utilization;large basins