山西临汾-运城盆地中的热干岩型地热资源及开发前景展望

郭景林，白翠花

（山西省煤炭工业厅资源地质局，山西 太原 030045）

山西临汾-运城盆地中的热干岩型地热资源及开发前景展望

郭景林，白翠花

（山西省煤炭工业厅资源地质局，山西 太原 030045）

人类寻找环保型能源势在必行。热干岩型地热能已成为当今世界能源开发利用的热点，因它洁净、污染环境少，属于绿色能源，也称“新能源”和“可再生能源”。开发利用可再生资源是人类社会可持续发展的基础。山西临汾-运城盆地中存在着这种资源，合理开发利用好这一资源对当地经济的发展具有重要意义。

热干岩型地热；地质背景；地球物理特征；背景分析

1 热干岩的基本特征

热干岩是一种埋藏于地下深处，没有水或蒸气的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩体，温度范围很广，高者可达数百摄氏度。热干岩型地热资源是属于温度大于150℃的高温地热资源，其性质和赋存状态有别于蒸汽型、热水型、地压型、岩浆型的地热资源；其热能赋存于岩石中，较常见的岩石有：黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等。一般这些岩石上覆盖有沉积岩或松散层等隔热层。从现阶段来说，热干岩型地热资源是专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。判断某个地方是否有热干岩利用潜力，最明显的标志是看地热梯度是否有异常，或地下一定深处（2 000～5 000 m）温度是否达150℃以上。

2 区域地质构造背景

山西境内喜马拉雅运动总体是在强烈拉伸的构造环境下，以继承性断裂活动和地壳间歇性抬升为主导运动形式，显著的地质特征造就了山体整体抬升和汾渭裂谷带的形成。临汾-运城盆地是汾渭裂谷带的一部分，位于山西省南部，面积约10 000 km2。在这一区域内，受山前主控断裂的影响，形成了一系列NE向、近EW向、NEE向、NW向的次级断裂，这些次级断裂将临汾-运城盆地切割成一系列的断块，这些断块以配套的断裂为边界，又形成了一系列凹陷和隆起相间的次级单元。由北往南，大的凹陷依次有临汾凹陷、河津凹陷、运城凹陷；大的隆起有塔儿山块凸、稷王山块凸（图略）。

上述凹陷中，南部运城凹陷沉降幅度最大，北部临汾凹陷沉降幅度次之，中部河津凹陷沉降幅度最小。新近系、第四系松散岩类沉积厚度分别为4000m、1 600 m、800 m，其下都有石炭二叠系碎屑岩类和寒武奥系碳酸盐岩类。

各隆起（块凸）区普遍有燕山期岩浆岩侵入，规模较大，广泛分布于塔儿山、九原山、紫金山、稷王山、孤山等隆起区。这些岩体属幔源型偏碱性、碱性侵入岩系列，构成了杂岩体群。这些杂岩体一部分出露于地表，多数隐伏于地下。从侵入岩的分布规模，反映了盆地中，在燕山期岩浆岩活动频繁。进入喜马拉雅期，这一地区岩浆活动停止，其构造特征转变为以断裂活动和断块相对升降为主，并有强烈的地震发生，为强地震活动带。

资料表明，临汾-运城盆地中出现的这套燕山期幔源型偏碱性、碱性侵入杂岩体，岩石地球化学特征基本相似。K2O+Na2O在含量高的基础上，由早期到晚期进一步增高；Na2O、SiO2在偏碱性阶段逐渐增高，到碱性阶段二者骤然降低。揭示出岩体是在断裂构造的先导作用下，岩浆沿断裂所产生的空间中汇聚，呈岩墙扩张多次脉动侵位，其明显的主动-强力就位演化特征，形成了同源岩浆演化的基本定位方式。这套偏碱性、碱性杂岩，其岩性由石英正长闪长岩、闪长岩、含石英正长闪长岩、石英二长岩、斑岩组成。SiO2的平均含量约63.33%，主要造岩矿物的含量随岩性不同各有差异（见表1）。

表1 塔儿山—二峰山杂岩体矿物含量统计表 /%

3 盆地的地球物理特征

地热理论多是研究地壳结构。地壳可分为：上地壳、中地壳、下地壳，底界为莫霍面，其下为上地幔。与热干岩型地热资源有关的是中地壳，主要由花岗岩组成。该层在华北地区普遍为低速层，地震波速约6.3～6.4 km/s，反映平缓的构造特征，基本无反射层，它与上地壳、下地壳的地震波速有明显不同。根据山西境内大地电磁测深资料，中地壳电阻率为2～5欧姆的低速高导层，在临汾-运城盆地中埋深约14 km，厚度约4km，向东西两侧山区，低速高导层的厚度逐渐变薄以至消失，埋深增至20km以上。

资料证实，临汾-运城盆地之下的莫霍面为相对隆起区，隆起幅度约2～4 km，其形态正好与盆地的下凹形态相反，隆起为NE向的长条状，与盆地展布方向基本一致。山西的居里等温面也表现是一条NE向的隆起带特点，与盆地的轴线基本吻合，在临汾-运城盆地中埋深小于18 km，边山区居里等温面埋深显著增大，一般在24～28 km以上，这说明两侧山区与中部盆地的地热物理状态存在明显差异。山西省的大地热流值等值线图也表明临汾-运城盆地中大地热流值大于1.9HFU，为全省大地热流值最高的地区，高于全球平均大地热流值的1.3倍。区域热流值高一般表明地壳薄，居里等温面埋深浅，深部热状态高。

由上述知，临汾-运城盆地中部中的地壳为低速高导层（高温半熔融状态），具有高温度（600℃）的物理特征，使盆地形成热异常区。再者，居里等温面与莫霍面在盆地中部都有上拱现象，处于半熔融状态的岩浆热流会在地壳薄的盆地深部向地表进行热传导，推测盆地热流主要来自花岗岩壳。

4 热干岩型地热资源背景分析

临汾-运城盆地，按其地震勘探资料，地壳厚度相对较薄，居里等温面埋深约18 km。该盆地中，平均大地热流背景值81.64 mW/m2（1.95HFU），为一个面积近万平方公里的热异常大盆地。按盆地中已有地热井资料，凹陷区地温梯度低，隆起区地温梯度高。运城凹陷中盆地盐池热水井，井深2121m，取新近系松散层孔隙水，自流水温68℃，平均增温梯度每100米3℃。临汾凹陷中热水井井深2 650.96 m，取奥灰岩溶水，抽出水温75℃，平均增温梯度每100米2.85℃。井底灰岩温度113℃，平均增温梯度每100米4.3℃。

这个大热盆地的中部一带，是地表热流量最大的异常中心，大地热流值在110 mW/m2（2.60HFU）以上。这个最大的热流异常中心，处在塔儿山块凸西南段燕山期侵入杂岩的隐伏区。区内董村附近一钻孔（CK5）（见图 1）孔深 280 m，井底花岗岩类岩石的温度86.5℃，平均增温梯度达每100米33.27℃。

塔儿山块凸区西南段，水文地质条件也表现出特殊性。以CK5钻孔为例，孔深280 m，揭露地层和岩性分别为 0～129.75 m，为第四系松散层；129.75～188.05 m，为新近系半胶结砂岩和卵砾石；188.05m以下为花岗岩类岩石，松散层孔隙水水位埋深106.5m，水量较小，单井出水量62.2m3/d。花岗岩类岩石段钻孔岩芯完整，水含水，温度较高。

隐伏的燕山期侵入杂岩属花岗岩类岩石，石英含量较高。我们知道，石英的热导率最高，其值为7.1176W/（m·K）；其次为角闪石、辉石，热导率为4.1868W/（m·K）。长石、云母热导率为2.3027W/（m·K）。岩石的导热率随各造岩矿物含量不同而变化。岩石的导热率，除随岩石中不同造岩矿物含量变化之外；还与岩石的密度有关，密度越高，导热率越高。与侵入岩相接触的围岩，其岩性多为寒武奥陶系灰岩，石炭二叠系砂页岩，新近系、第四系松散岩。按西法O·卡普迈耶，R·海涅尔提供的世界上不同部位热导率测量结果，松散沉积物，倒如干砂、干粘土、耕地土壤，导热率最低，其值仅为0.2512W/（m·K）；砂岩、页岩的热导率为 1.2560W/m·K；石灰岩的热导率为1.8840W/m·K。

图1 CK5钻孔地温梯度变化曲线图

临汾-运城盆地中，塔儿山块凸西南段隐伏的燕山期侵入杂岩隐伏埋深多在200～300 m之间，埋藏深度较浅。杂岩侵入体为第四系、新近系松散层、石炭二叠系砂页岩、以及寒武奥陶系灰岩所包围，封闭条件好，岩石完整，不含水与水蒸气，处于干热状态。该隐伏区侵入岩体分布范围初步估计大于100km2，规模较大。岩体岩石热导率比围岩高，有利于深部热流沿岩体向地表传输。围岩热导率低，降低了岩体热量的散失，形成了有利的热积聚环境。可见该区地热资源属热干岩型。

将本区与法国莱茵地堑苏尔兹热干岩型地热资源勘探开发区比较，条件极为相似。在构造类型上，同属地堑。在大地热流值上，莱茵地堑的背景值为80 mW/m2，本区为 81.6426 mW/m2；莱茵地堑有热异常中心，热流值140mW/m2以上，本区也有热异常中心，热流值110mW/m2以上。莱茵地堑地壳厚度较薄，本区也具备同样条件。热储岩性同属花岗岩类；热干岩埋藏条件相似，上覆岩层均为新生界沉积物。

按地温梯度值，热干岩型地热资源分为三级，地温梯度达到80℃/km为高级，50℃/km为中级，30℃/km为低级。盆地中热异常中心地温梯度达到每100米33.27℃，有望成为高级干热岩地热资源分布区。

5 勘查开发前景展望

一般来说，地热能的开发利用包括：发电和非发电利用。世界各国利用地热能的经验表明：高温地热资源（150℃以上）主要用于发电，发电后排出的热水可进行逐组多用途利用；中温（150℃以下，90℃以上）和低温（90℃以下）的地热资源，则以直接利用为主，多用于采暖、干燥、工业、农林牧副渔业、医疗、旅游、人们的日常生活等方面。目前，山西开发利用的地热属于低温地热资源。

地热发电是把地下热能转变为机械能，然后再把机械能转变为电能的生产过程。有数据表明，利用热干岩产生的热能发电的成本与以煤炭和天然气为燃料的火力发电站的成本大体相当，是风力发电的一半，只有太阳能发电的八分之一到十分之一。为满足国家调整能源结构的需要，发展无污染的新能源，实现减少排放保护环境，实行地方经济转型发展的目的，勘查开发临汾-运城盆地热干岩型地热资源，获取高热能资源用于发电是很好的发展方向。热干岩具有高热能、低渗透率、不含热水和蒸气的特点。通过热干岩体激发，亦即人为地使热干岩体产生透水裂隙，然后通过钻孔将地表水送入其中汽化，再通过另一钻孔引出蒸气而后用于发电，国内尚无先例，国际上已有成功的试例。

美国芬顿山热干岩试验证明，经过30d的抽水，供水量50 m3/h，水温200℃，热功率达10MW，循环水水质良好，水量损耗随时间的推移而逐渐减少，未检测到对周围环境的不良影响。比天然地热水更具环保性。法国苏尔兹热干岩试验证实，隐伏热干岩（花岗岩）埋深1400 m，为中新生代沉积物覆盖，在相距500 m的两眼井中，对3000～3500 m深处通过压裂技术，使花岗岩形成人造地下热交换器。在4个月的循环试验中，灌入了24万m3水，产水流量20～25L/s，水温140℃以上，热能净出力10 MW；这些实例证明，热干岩既经济又环保。总之，开发利用热干岩型地热资源其社会效益、经济效益、环境效益、学术价值等方面均有广阔的前景。

[1]山西省地质矿产局.山西省区域地质志［M］.北京：地质出版社，1989.

[2] 邢集善.试从地球物理资料论山西地堑系的构造特征［J］.山西地质，1989，4（2）.

[3] 武铁山.试论山西燕山期花岗岩类的成因类型［J］.山西地质，1987，2（1）.

[4]张孟昂.热干岩地热开发-一项新能源前景的展望［J］.科技信息（吉林）1990，2.15-17

[5]黄宗理，等.地球科学大辞典［M］.北京：地质出版社，2006.

Abstract:Finding environment-friendly energy is imperative.Hot-dry-rock geothermal energy has become the hotspot in the world energy development and application due to its cleanness and less damage to the environment.It belongs to green energies,called new energy or renewable energy.Since development and application of renewable energy is the basis of human sustainable development,rational development of this geothermal energy in Linfen-Jincheng Basin is beneficial to the local economy.

Keywords:hot-dry rock;geological background;geophysical features;background analysis

编辑：刘新光

Outlook of Hot-dry-rock Geothermal Energy in Linfen-jincheng Basin

GUO Jing-lin,BAI Cui-hua

（Bureau of Resource and Geology,Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 030045,China）

TE09；P641.6

A

1672-5050（2010）08-0079-04

2010-03-25

郭景林（1987—），男，山西平遥人，本科，高级工程师，从事地质勘探工作。