宁夏黄河东岸天山海世界对流型地热资源赋存地质条件及补给特征研究
程国强
（宁夏回族自治区水文环境地质调查院，银川 750021）
地热资源属于可再生清洁资源，开发利用过程具有低成本、可持续利用以及环保等优点，对发展低碳经济具有极其重要的作用[1]。宁夏地热资源丰富，它属于中低温地热资源。汪集旸等[2]根据地热成因分析，将中低温地热系统分为中低温传导型地热系统和中低温对流型地热系统。2017 年，调查人员在宁夏黄河东岸天山海世界园区内开展地热勘查工作。在实施KT2 井的过程中，钻进至617 m 时，预测出水量为1 万m3/d。经专家现场论证，该地热系统是受构造控制的对流型地热系统。这一发现填补了宁夏对流型地热系统的空白，是宁夏地热资源勘探方面取得的重大突破。本文对研究区地热资源赋存地质条件及补给特征进行研究，为该区域地热资源的合理开发利用、保护、规划及进一步勘查提供依据。
研究区位于鄂尔多斯盆地西缘冲断带西部边缘部位，地质构造复杂，三级构造单元为鄂尔多斯盆地西缘中元古代-早古生代裂陷带，构造上主要受黄河断裂及其次生断裂控制。黄河断裂主要在燕山期晚期活动，是银川盆地东部边界断裂，总体呈北北东向延伸，断面西倾，浅部南段呈裸露状，中北段表现为隐伏状[3]。在黄河主断裂东侧，推断存在系列次级雁型断裂组，可能控制地热资源的分布赋存规律[4]。
自2017 年10 月至2018 年8 月，项目共实施4 眼地热勘探井，井孔编号分别为KT2、DRT-03、DRT-04、DRT-05。钻孔揭露地层特征如表1 所示。KT2 井井深为617 m，因自流量过大，使用高压分隔器进行封井完钻，井口温度为42 ℃，井口压力为0.52 MPa。DRT-03 井井深为1 710 m，自流量为1 200 m3/d，井口温度为60.5 ℃，井口压力为0.46 MPa。DRT-04 井井深为995 m，自流量为4 800 m3/d，井口温度为40 ℃，井口压力为0.45 MPa。DRT-05 井井深为1 708 m，自流量为3 780 m3/d，井口温度为52 ℃，井口压力为0.45 MPa。下面分析地热资源赋存地质条件。
表1 不同地热勘探井的钻孔揭露地层特征
1.1 盖层
研究区地热盖层由古近系和石炭-二叠系地层组合而成，其中，古近系地层岩性主要为半胶结红土层，石炭-二叠系地层岩性主要为泥岩，岩石热导率较低，使得地下热量不易散失，能够形成良好的保温层。
1.2 热储层
热储层主要为巨厚的奥陶系地层。经钻孔揭露，奥陶系碳酸盐岩热储层主要为厚层、脉状的岩溶裂隙结构，含水层结构单一，厚度大，它是研究区主要的热储层。
1.3 热源
研究区处于鄂尔多斯盆地西缘冲断带，莫霍界面和软流层均呈明显上隆形态，其上隆导致深部热流体上涌，形成局部熔融，相应部位升温形成较高的温度。因此，大地热流为主要地热热源。
1.4 热流通道
研究区发育的黄河断裂向下切割了壳幔边界，切割深度超过40 km[5]，错断基底岩系和古生界地层，是深部地热向上传导的有利通道（所有钻孔均在钻进至石炭-二叠系地层时遇到破碎带，破碎带延伸至奥陶系顶部），可以很好地将深部地热流体带到浅层地壳。
1.5 研究区地温场特征
DRT-03与DRT-05两井开展了井温测试，如图1。
图1 DRT-03 与DRT-05 井温变化曲线
DRT-03 井平均地温梯度为2.86 ℃/百米，DRT-05 井平均地温梯度为2.78 ℃/百米。测温曲线分别在550 m 和400 m 出现温度急剧升高的情况，这与钻探遭遇构造破碎带的位置高度重合，证明温度突变是构造活动沟通深部热源所致。与研究区内地热勘探井相比，银川盆地内地热井地温梯度值明显偏低，其中地温梯度最高的NSR-1 井地温梯度仅为2.25 ℃/百米，在相同的1 700 m 深度，其温度仅为50.3 ℃。对比发现，在相同深度，研究区地热井的温度及地温梯度值较盆地内地热井明显更高。断裂对地热的地温场有明显的控制作用。
本次调查采集研究区3 眼地热井的地热水水样，开展14C 年龄、氢氧稳定同位素分析，结果如图2 所示。与马洪云等对银川盆地湖水、排水沟水、潜水、承压水等构成的水体同位素分布体系研究成果相比，研究区地热水不遵循盆地各水体同位素分布特征规律。研究区地热水与银川盆地深层地下水同位素特征存在较明显的差异，该地热水不是来源于银川盆地，这也证明黄河断裂作为一条阻水断裂，阻止了盆地内地下水向东部边缘运移。
图2 地热水同位素分析结果
结合研究区内东高西低的地形特征及其地温梯度与鄂尔多斯盆地地下水地温梯度（约2.8 ℃/100 m）更为接近的特点，推断地下水可能来源于东部的鄂尔多斯盆地。地热水14C 年龄测定值均大于3 万年（见表2），已超出14C 年龄测试范围。因此，地热水的年龄可能会更大，说明地热水循环更新速率较慢，属于深层循环水。
表2 地下水年龄分析
从东西方向剖面来看，东部鄂尔多斯高原大气降水沿基岩裂隙等下渗，在下部地层中深循环加热，并沿着东西向导水断裂向西流动，在区域水头压力作用下上升，通过岩溶裂隙向西汇聚。黄河断裂阻断了东部岩溶水向银川盆地流动，地热水最终在黄河断裂东侧聚集，构成强富水、高水温的热储层。热储层上部第三系地层以砂泥岩为主，导水性能较差，为地热资源提供良好的覆盖层。
研究区地层自上而下为新生界第四系、古近系，古生界石炭-二叠系和奥陶系。地热资源主要受黄河断裂及其次生断裂控制，在深部形成地热流体向上传导的有利通道。上覆的古近系地层形成了很好的盖层。地热水主要赋存在二叠-石炭系地层下部及奥陶系地层上部破碎带中，为研究区主要的热储层。研究区地热水不遵循银川盆地中部各水体同位素分布特征规律，证明了黄河断裂作为一条阻水断裂，阻止了盆地深部地下水向东部流动。研究区地热水循环更新速率较慢，属于深层循环水，而鄂尔多斯高原大气降水沿基岩裂隙下渗，为其补给来源。
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