晋中盆地西南部地热地质条件及资源潜力分析

易 炜， 徐 强， 赵 岳

(1.中化地质矿山总局，北京 100013； 2.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

地热能是来自地球内部且能量巨大的可再生能源，在利用过程中连续稳定且基本不排放污染物，具有强大的社会经济与环保优势[1]。山西省地热资源相当丰富，分布非常广泛。目前已发现的地下热水点230余处，露头点约500个[2-4]。晋中盆地位于山西省中部，是一个典型的新生代山间断陷盆地，整体呈北东向延展，长度约120 km，宽度约45 km。其中位于太原地区向北延伸的部分为目前晋中盆地主要的地热田分布区(图1)，岩溶地热资源非常丰富，截至2018年底，已钻有地热井54眼，多数井口水温在61～74℃，存在巨大的地热资源开发潜力[5-8]。研究区域位于晋中盆地西南部，主体区域为介休市及其北部。目前该地区实施的钻井揭示热储特征及出水温度与太原地区有相似之处，且该地区亦处于构造活跃地区，具有一定的地热资源勘探与开发潜力。本文以研究区矿产资源勘探及实测数据为依据，结合前人对晋中盆地热储及地热资源研究成果，分析晋中盆地西南部热储特征、地温场及地热水化学特征，进而探讨该地区的地热资源潜力。这对形成该区域地热资源发育与分布规律的系统认识，以及指导下一步地热资源勘探和开发利用具有重要的理论与实际意义。

1-前寒武系；2-寒武系—奥陶系；3-石炭系—二叠系；4-三叠系—侏罗系；5-古近系—第四系；6-燕山期构造；7-喜马拉雅期构造；8-向斜/背斜轴迹；9-正/逆断层；10-热水点；11-城市图1 晋中盆地区域构造地质图(据参考文献[8])

1 区域地质背景

1.1 地层特征

晋中盆地地表由第四系覆盖，周缘隆起区由前寒武系至侏罗系均有出露，呈现由北西向南东方向逐渐变新趋势(图1)。区域构造-地层格架揭示，晋中盆地于加里东运动及印支-燕山运动期间出现过两次长时间的沉积间断，造成该区域的泥盆系—志留系的整体缺失及大面积的侏罗系—白垩系缺失(图2)，因此区域上由老至新共发育五套构造层。

1)前寒武系。形成于五台-吕梁构造期，为壳-幔分异、克拉通化作用下形成的一套变质岩结晶基底[9]，晋中盆地及周边区域基底普遍发育(图2、图3)。在晋中盆地西北部及北部隆起区大面积出露(图1)，在盆地内部，下古生界角度不整合于该套构造层之上(图3)。

2)寒武系—奥陶系。在区域上，下古生界以海相沉积为主，下部的寒武系在临汾至太原地区剥失厚度较大，上部奥陶系则在不同区域呈现不同时间段的沉积间断(图2)。该套构造层系在晋中盆地西北部周缘隆起区呈大面积出露，其中奥陶系主要由厚层状的石灰岩组成，表生岩溶作用显著，是盆地的主要热储层[9-13]。

3)石炭系—二叠系。上古生界以海陆交互相含煤地层为主，岩性主要是泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩和煤层(图2)。有前人研究成果揭示该套构造层系除了作为主要的含煤层系外，也是晋中地区热储的直接盖层[6, 9]，其发育情况对地热资源的保存起决定作用。

1-泥岩；2-砂岩；3-碎屑岩；4-铁铝质砂岩；5-灰岩；6-鲕粒灰岩；7-豹斑灰岩；8-白云岩；9-基底；10-相变线；11-热储；12-热盖层图2 晋中盆地及邻区构造-地层格架图(据参考文献[5])

4)三叠系—侏罗系。该套构造层系主要为陆相碎屑岩建造，岩性以细粒砂岩、粉砂岩夹薄层泥岩、砂质泥岩，其中细粒砂岩、粉砂岩具大型板状交错层理。三叠系主要在新安至太原地区发育，大同地区缺失，而侏罗系主要在大同地区发育，其他区域基本缺失(图2)。该套构造层系与下伏地层呈角度不整合接触，并于盆地东南部的隆起区大面积出露，以三叠系为主。

5)古近系—第四系。新生界主要为陆相沉积，呈松散或半成岩覆盖于整个盆地的地表，与下伏各时代地层呈角度不整合接触，是晋中盆地的沉积主体，亦是热储的区域盖层[6, 9]。

1.2 构造特征

晋中盆地是一个新生代断陷盆地，叠加在中生代挤压作用形成的北东向展布的五台山背斜南翼斜坡带上，它是古近纪长期下沉及反复活动形成的[6](图3)。盆地周边发育众多的隆起和断裂等构造，在各个时期不同程度的活动影响下，控制着盆地的边界及盆地发育过程。这些构造活动，使盆地的基底差异性升降运动，并伴生断裂构造，形成一系列隆起和凹陷。

图3 晋中盆地构造地层剖面示意图

晋中盆地周边断裂均呈继承性发育，盆地东南侧的洪山-范村断裂带整体呈折线状，具有三段式发育特征。南段为洪山-军寨断裂带，继承中生代北北东向的逆冲断裂(北西盘向东南盘逆冲)而呈反向发展；中断和北段则分别继承北东东向和北东向的正断裂而呈同向发展(图3)。控制盆地西北部边界发育的清徐杏花断裂(前人亦有称之为交城断裂)主要形成于燕山期，中生代呈北东向逆冲断裂，具有枢纽断层性质，新生代以来至今，受区域构造应力场变化影响，断层性质由早期的逆冲断层转变为张性正断层，兼具右旋走滑分量[14]。该断层在平面分布上亦呈折线状，南段过文水、交城和清徐，呈北东向延伸，在清徐北部分为两支，一支呈北北东向近南北向延伸，逐渐转变为北北西向延伸(即现今的大留断裂)再转为北东向延伸(即现今的关口断裂)，另一支呈北东东向延伸(即现今的田庄断裂)，为该区域较大的隐伏断裂，已得到地球物理探测的证实[15]。在剖面上，清徐杏花断裂总体倾向南东向，控制盆地西北边界，对盆地整体的延伸和盆地沉降及内部地层沉积起到明显控制作用。

综合区域构造地质及盆地构造地层剖面可以看出晋中盆地沉积主体为新生界，断陷深洼主要位于东阳-祁县断裂西北部，西南部总体呈凸起带，逐渐向周缘隆起过渡。断陷在祁县一带发育次凸起，在次凸起上钻井揭示存在燕山期的火山岩侵入体。

研究区位于晋中盆地西南部，地理范围上包括介休市及其北部区域。该区域主要发育两组不同方向的断裂，一组为北北东至北东东走向的洪山-军寨断裂及与其同走向的三给北贾断裂、平遥断裂及净化断裂等，一组为北西走向的东许断裂和宏寺大堡断裂及其附属断裂(图1)。两组不同方向断裂相互作用形成研究区复杂构造变形，为地热资源提供有利构造条件。

1.3 区域水文地质

晋中盆地在构造、风化及地下水等因素综合作用下，岩石产生裂隙和岩溶，为区域地下水储存创造良好条件。水系类型主要分为三类：一为松散岩类孔隙水，赋存于盆地中松散堆积物中，多为冲(洪)积扇中的砂砾石层，孔隙发育，相互连通，补给条件好；二为碎屑岩类裂隙水，主要赋存于基底石炭系、二叠系、三叠系砂岩和灰岩裂隙中，以大气降水入渗侧向补给为主；三类为碳酸盐类岩溶裂隙水，主要赋存于奥陶系灰岩中，以大气降水补给为主，以地下径流方式补给为辅[9]。

2 地热地质条件

研究区位于晋中盆地西南部，以往地热勘查井揭露地层至寒武系，煤成气勘查井揭露地层为奥陶系顶部。本次研究以钻探揭露的地层岩性及钻测井数据为主，综合分析研究区地热资源潜力。

2.1 热储特征及埋藏条件

根据区域热储分布特征，结合研究区钻探揭露的地层组合岩性、钻井时的简易水文观测及钻孔测井解释，研究区内热储层总体可以分为三个不同深度的热储层。

第一热储为奥陶系至寒武系碳酸盐岩溶裂隙型热储：主要为海相石灰岩，研究区普遍发育，具有埋藏深、水温高、出水量较大的特点。奥陶系主要为表生岩溶裂隙型含水岩组热储，以厚层灰岩为主，夹白云岩、白云质灰岩、竹叶状灰岩和鲕粒灰岩(图4)。由于该区域经历了复杂的地质构造运动，相对脆性的灰岩及白云岩形成大量裂隙，后经地下水运移、溶蚀作用形成了溶洞、溶孔及溶蚀裂隙等，其中溶蚀裂隙和溶洞是地下热水良好的储藏空间和运移通道。热储总厚度500～700 m，有效厚度100～200 m。介探6地热井揭露的奥陶系顶部平均地温约53℃(图5)，属于低温地热资源之温热水。X地热井单井出水量约400m3/d，出口水温50℃左右，是该区开发利用的主要热储层[16]。该套热储整体富水，水位线明显高于其上部地层(图4)，且两口井揭露的奥陶系灰岩的视电阻率与密度曲线同步明显低值也反映了地层裂隙相对发育，富水性好。但富水性强弱往往因裂隙发育程度及埋藏深度变化而存在明显差异性，一般在埋藏较浅、构造裂隙相对发育地段，热储富水性较强，埋藏深、构造裂隙不发育地段，富水性弱。

第二热储为二叠系—三叠系砂岩裂隙型热储：主要是河流相砂岩，在研究区普遍发育，岩性稳定，与第三系(古近系、新近系)热储相似，亦具有埋藏浅、水温低、出水量小的特点。X地热井测井显示该段中细粒砂岩层为储水层段，平均地温约40℃(介探6地热井平均地温约44℃)(图5)，属低温地热资源之温热水。但因该层具有出水量弱、地温低的特点，因此总体利用价值不高，可做为下部碳酸盐岩热储的直接盖层。

第三热储为新生界第三系砂岩及砂砾岩孔隙型热储：主要为河湖相半胶结的砂层及砂砾层，在研究区普遍发育，岩性稳定，具有埋藏浅、水温低、出水量较弱的特点。但因该层出水量弱、地温低，利用价值不高，可视为下部地热储层的间接盖层。

图4 研究区地层岩性及水文地质综合柱状图

2.2 地温场特征

晋中盆地是一个新生代断陷盆地，新生代强烈构造活动为盆地带来了充足的热量。盆地西南部清徐地区热流值高达79.12 mW/m2，明显高于中国大陆平均热流值60.4 mW/m2[3, 5]。前人研究认为该盆地的高热流异常是因为新生代时期地壳与南部临汾盆地具有相似的热结构特征，即具有低速、高导、高温特性的高导层存在，且地壳呈简单剪切的大地构造活动，因此盆地热异常带并非处于盆地中心部位，而是位于盆地西南部清徐地区[2, 6]。

受深部热异常影响，晋中盆地浅层地温场分布特征及其所反映出的地温类型、盖层保/聚热效果也明显不同，主要反应在一些典型地热钻井的地层温度-深度关系上。SL-1井与SS-1井位于晋中盆地太原南部，地层温度随深度增加基本(略高)呈线性增加，显示盖层至热储层的地温梯度基本不变(变化较小)，为2.0～3.0 ℃/100m，属于传导型地温类型(图5a，图5b)。该地温类型是我国主要地热资源类型，通常埋藏深度相对大。S2井位于太原市西南部，奥陶系—寒武系热储上部盖层仅500m，但该井位于西部晋中断裂附近，该断沟通了深部热源，形成强烈热对流作用，对热储产生强烈加温作用，使得该区域在300 m左右地层温度呈迅速增温趋势，石炭系盖层地温梯高达5℃/100 m，属于深部热对流型地温类型(图5c)。该地温类型揭示即使热储盖层较薄，但受深部强烈热对流作用影响，盖层仍具有良好的保热、聚热效果。TD-1井位于田庄断裂中北部，与S2井存在相似的地温变化特征，500 m以浅的盖层最高温度约50℃，地温梯度一度高达7.2℃/100 m，向深层石炭系—二叠系直接盖层至寒武系—奥陶系热储层的地温又呈线性增加趋势(图5d)。研究区介休市北部实施的地热井，两侧发育有北北西走向的大断裂，两条断裂的强烈构造活动为该地区带来充足热量，深部存在强烈热对流作用对浅层盖层起到增温效果，因此500 m以上的盖层地温梯度约4.5℃/100 m， 石炭系—二叠系直接盖层的地温梯度也高于下部寒武系—奥陶系热储地温梯度(图5e)。介探6井位于介休市与平遥县之间，揭露奥陶系热储顶部。该井受到净化断裂、平遥断裂及北贾断裂的共同影响，因此地温-深度曲线也揭示出深部热对流型的地温类型。

图5 晋中盆地典型地热井温度-深度关系(据参考文献[5])

综上所述，晋中盆地主要发育两类地温类型，一是传导型地温类型，地温随着深度增加基本呈线性增加趋势；二是对流型地温类型，以深部热流对流型为主，全盆普遍发育，这与深部地壳热结构异常及沟通热源的深大断裂活动密切相关。该类地温类型中地温曲线存在一个共同点，即在浅部高热流值背景下，地温梯度在一定深度上往往会出现一个变化的拐点，由此向深部通常对应着低的地温梯度段。这与雄安新区地热井及法的苏尔茨地区地热井具有高度相似性[17]。

2.3 地热水化学特征

研究区西南地区热储主要为奥陶系—寒武系岩溶热储，以灰岩、白云质灰岩为主。研究区地下热水的相对年龄约一万多年，揭示该区域地热流体在地下交替相对缓慢，主要为岩溶古水。该水主要来自大气降水及汾河水。该水氟离子含量相对较高，可能是地下流体经深循环与围岩充分溶滤有关。研究揭示研究区的深部地热水处于相对半封闭状态，属于深埋滞留型岩溶古水。

3 地热资源潜力分析

研究区热储模型由盖层、热储层、热源通道及热源4个要素组成。直接盖层为石炭系煤系地层及二叠系碎屑岩，间接盖层为新生界的古近系—第四系，盖层厚度1 200～1 600 m。热储为奥陶系—寒武系碳酸盐岩，岩溶普遍发育，部分层段裂隙、岩溶不发育。热源主要来自于岩浆岩壳，与简单剪切作用下形成的非对称热异常结构有关[6]。地下热水主要来自古代大气降水及汾河水从西、南裸露灰岩区、断层破碎带或孔隙裂隙向地下渗入，在漫长的地质年代及水头差位置能作用下，源源不断向深处运移，水向深处运移过程中被围岩加热后产生密度差，造成自然的水热对流，受热流体循环上升，送至地壳浅部奥陶系—寒武系岩层，并在岩溶裂隙溶隙中储存下来，成为当今的热水。

研究区所在区域地热区边界条件主要受到西部东许断裂及南部北贾断裂控制，北部受宏寺大堡断裂限制，面积约20 km2，奥陶系有效热储厚度约90m，平均温度50℃。综上，晋中盆地西南部总体的地热资源开发潜力可观。

4 结论

1)研究区主力热储为奥陶系碳酸盐岩溶裂隙型热储，主要为海相石灰岩，夹白云岩、白云质灰岩、竹叶状灰岩和鲕粒灰岩。复杂构造地质运动及地下水运移、溶蚀共同作用下形成的溶蚀裂隙和溶洞是地下热水良好的储藏空间和运移通道。岩溶热储总厚度500～700 m，有效厚度100～200 m，热储地温高达55℃左右，水温约50℃，具有埋藏深、水温高、出水量较大的特点。

2)研究区主发育深部热流对流地温类型，与深部地壳热结构异常及沟通热源的北北西向宏寺-大堡断裂、东许断裂及北北东向的平遥断裂、净化断裂及北贾断裂等深大断裂活动密切相关。在浅部高热流值背景下，浅部盖层受深部热对流增温作用，保热、聚热效果较好，地温梯度在一定深度上往往会出现一个变化拐点，由此向深部通常对应着低的地温梯度段。

3)奥陶系岩溶热储为研究区最有利勘探开发层位，热储地热资源量较大，在医疗价值及采暖等方面表现出一定开发潜力。