灵陕盆地地热水成因分析

姚 文 兵

(山西省第八地质工程勘察院，山西 运城 044000)

·岩土工程·地基基础·

灵陕盆地地热水成因分析

姚 文 兵

(山西省第八地质工程勘察院，山西 运城 044000)

结合地热水资源的地质勘查工作，查明了灵陕盆地的地热水的赋存特征，从地温场特征、地质构造的控制作用、同位素特征等方面对其成因进行了分析，为今后地热水资源的综合开发与合理规划提供了依据。

灵陕盆地，地热水，成因

随着社会经济的发展，地热水资源的开发利用，越来越多的被人们所重视，并取得很好的经济效益。位于黄河金三角地区，既晋陕豫交界处的灵陕盆地的地热水开发已经开始，但目前利用地热水井(泉)有限，结合近年地热水资源的地质勘查工作，本文着重阐述了灵陕盆地地热水资源的赋存特征，并对其成因进行分析判定，为今后该地区地热水的综合开发与合理规划提供依据。

1 地质特征

灵陕盆地位于晋陕豫三省交界处，地理坐标东经110°30′～111°30′，北纬34°29′～34°55′，北起中条山，南抵小秦岭，东临三门峡水库，西至豫陕交界函谷关，盆地东西90 km,南北约25 km,面积约2 000 km2，地势较平坦，属半湿润大陆性气候，年平均降雨量573 mm，年平均气温13.5 ℃。地下热水的补给来源主要由四周基岩山区的大气降水入渗和中部黄河断陷河谷区的侧向径流补给，由于其地下热水资源赋存埋藏较深，补给、径流速率缓慢。

1.1 地层

太古界：涑水杂岩。

下古生界：寒武系，由白云岩、白云质灰岩、页岩组成。奥陶系，主要为灰岩夹泥灰岩、泥岩组成。

中生界：白垩系，河湖相沉积的泥岩、砂质泥岩、砂岩、砾岩。

新生界：下第三系，湖河相堆积的半胶结状泥岩、砂质泥岩、砂岩、砂砾岩。上第三系，河湖相堆积的砂岩、泥岩。第四系，以河流相沉积为主的砂、粉土、粘土组成，夹黄土堆积。

1.2 构造

本区位于鄂尔多斯地块与豫皖断块交接处，主要构造格架为：北部中条山地垒。中部黄河河谷地堑。南部小秦岭隆起区。

构造运动是在地壳大型隆起的背景上，沿袭古老断裂不断沉积发展形成的，灵陕盆地在地形上为一狭长中央断陷的地堑式盆地，最大沉积厚度在2 300 m以上。主要构造特征如下：

1)盆地南北边缘山前发育纵深正断层，分别为中条山南麓山前大断裂和小秦岭(崤山)北麓山前大断裂；2)裂谷作用始于老第三纪古新世，至中新世达到高潮，形成半封闭的古三门湖盆地；3)上新世后，随着南北山区不断隆起遭受剥蚀，盆地中部地堑产生河、湖相堆积，形成现代地形地貌形态；4)盆地中部黄河地堑被新生代松散沉积物覆盖，发育有一系列阶梯状走向南北、东西的高角度平行隐伏正断层，南北向断层控制地层岩性，东西向断层控制地貌形态，中东部存在基岩隆起区。

2 赋存特征

2.1 地热含水层段

1)中新统热储层段。中新统(N1)下部承压孔隙含水层，底板埋深900 m，厚度325 m，为一层钙质半胶结的砾岩、砂砾岩及中粗砂岩等，出水温度小于30 ℃，为低温热水，一般不予开采。

2)渐新统热储层段。盆地内均有分布，渐新统(E3)承压孔隙含水层，底板埋深1 480 m，厚度115 m，为一套胶结较好的河湖相地层，岩性为粉细砂岩、中～粗砂岩、砂砾岩与泥岩互层，砂厚比为34.5%，孔隙度8.9%～28%。该热储层段开采区间为930 m～1 480 m，出水温度±48 ℃，为中低温热水。孔隙裂隙透水性好，渗透系数0.05 m/d，是盆地主要地热水开采层段。

3)始新统热储层段。盆地中东部钻孔缺失，始新统(E2)承压孔隙含水层，底板埋深1 900 m，平均厚度94 m，为一套固结较好的河湖相地层，岩性为砂砾岩、砂岩、砂质泥岩、泥岩、含石膏泥岩、泥灰岩互层，砂厚比为22.4%，孔隙度13.4%～43.6%。该热储层段开采区间为1 481 m～1 900 m，出水温度大于50 ℃，为中低温热水。

4)古新统热储层段。盆地中东部钻孔缺失，古新统(E1)承压孔隙含水层，底板埋深2 016 m，为一套胶结较好的河湖积相地层，砂质泥岩、泥岩的互层，其下部夹有8.7 m粉细砂岩，富水性差。孔隙度28.3%。该热储层段开采区间为1 900 m～2 016 m，出水温度大于55 ℃，为中低温热水。

5)奥陶～寒武系热储层段。分布在盆地北部中条山南麓和南部陕县段，开采段含水层顶板埋深0 m～300 m，厚度350 m，在盆地中东部钻孔1 380 m见该热储层段，钻孔揭露1 600 m～1 690 m段灰岩裂隙宽1 mm～5 mm，裂隙率10%左右。岩性为鲕状灰岩、白云质灰岩夹薄层泥质条带灰岩及泥页岩，平均孔隙度20%，单井出水量大于1 000 m3/d,出水温度大于55 ℃。

2.2 地热水化学特征

受含水层段和补给条件影响，灵陕盆地地热水水化学特征存在差异。东部区地热水水化学类型为Cl·SO4～Na型，矿化度11.5 g/L～20.5 g/L，pH值6.8～7.3，呈弱酸～碱性咸水；中东部基岩隆起区地热水水化学类型为SO4·Cl～Ca·Na,HCO3·SO4·Cl～Na·Ca型，矿化度0.6 g/L～1.3 g/L，pH值7.2～7.4，呈弱碱性淡水；西部区地热水水化学类型为Cl·SO4～Na·Ca型，矿化度16.2 g/L，pH值7.1，呈弱碱性咸水。

3 成因分析

3.1 地温场特征

灵陕盆地地热系统属于传导热水类型，根据勘探资料，盆地中部沉积厚度在2 300 m以上，有着优越的地热储温条件。

1)地温梯度异常的隆起区。地温梯度大于2.97 ℃/100 m～12.85 ℃/100 m。盆地中东部地段和东南崤山山前陕县温塘～会兴镇断裂温泉出露处，水温高达65°～68°。由水温和出露位置分析，温泉的形成非地温梯度加热地下水，而是与山前深层大断裂的地热传导有关。

2)盆地中部断陷地堑区。根据地层资料和物探测井，确定其存在多个热储层段，其主要开采热水含水层为900 m以下的3个热储层的地下热水，数据分别如下：

a.储层含水层段厚度一般2 m～10 m，最大厚度可达21 m；b.保温盖层相对较厚，一般厚度大于900 m；c.含水层岩性一般为粉细砂岩、粗砂岩、砂砾岩，砾度中等；d.热储层较为集中，单位涌水量较高，属中等渗透型热储层；e.底部具有良好的地热异常。

井温、地温梯度推算：

a.井温梯度。

测井深度30 m～530 m，30 m～930 m，30 m～1 330 m，30 m～1 730 m，30 m～2 080 m，平均井温梯度分别为8.38 ℃/100 m，5.04 ℃/100 m，3.78 ℃/100 m，3.03 ℃/100 m，2.73 ℃/100 m。

b.地温梯度。

测井井底温度66.87 ℃(T)，井深2 080 m(H)，盆地常温带深度30 m(h)，常温带温度13.5 ℃(t)。

根椐公式G=(T-t)/(H-h)×100 计算，平均地温梯度(G)约为2.73 ℃/100 m。

3.2 地质构造的控制作用

1)地壳结构。

根据山西大地电磁测深资料，中地壳电阻率为2 Ω·m～5 Ω·m的低速高导层，在盆地中埋深14 km左右，而向两侧山区逐渐变薄以至消失，埋深增至20 km以上，低速高导层是因物质高温熔融，热源主要来自花岗岩壳中的热核反应，对地下热水的形成具有重要意义。新生代断陷盆地之下的莫霍面为相对隆起状，隆起幅度约2 km～4 km，其形态正好与断陷盆地的下凹形态相反(据王西文)。

2)居里等温面。

该等温面的高低可反映地热源的热流值大小，灵陕盆地内居里等温面位于中地壳的上部，深度30 km～35 km,其位置和上述低速高导层相对应，且具有温度高(达到600 ℃)等物理特性，在盆地中形成地热异常区(据王贵玲)。

3)地热形成模式。

由于深部地壳热能向上传导与浅部流体对热，才使地球内部的热能转化为地表附近的热水，形成地热田。基岩的热传导率明显大于松散层，可使来自壳内的热流在传导时，局部向基岩集中。对于新生界断陷盆地，在有一定厚度的松散盖层存在的前提下，其基岩隆起部位的地温值又相对邻区要高。断陷盆地中的断裂破碎带，其热传导率也较大，更加表现为相对高的地温值。对流传热是基岩内部及其顶部与运动流体(地下水)之间的换热，而松散盖层和地下水的换热作用则属于次要地位，此种对流可以由两种原因引起，一是由于地下水的静水压力而形成的深循环，使冷水加热，称之为“受迫对流”，是主要因素；二是基岩或松散层中已有的层间水受热后，由于本身温度场引起密度变化而向上运移，称之为“自然对流”，属次要因素，两种因素是互相配合的，从而加速了热水的向上对流。

本区为大陆裂谷带，属于地温场之热异常区，固态岩层的传导传热，使基岩上部的地温值达到100 ℃～200 ℃左右，特别是新生代松散物覆盖下的基岩隆起和断裂破碎带相对更高，可形成高地温场(热异常)，这就是地热田形成的深部条件。同时，本区具有:a.有边缘铲式活动断裂带，其断裂深、破碎带宽，可成为冷水下传至基岩加热的主要通道；b.有盆地内活动断裂作为加热后的热水向地表运移的通道；c.有基岩隆起带热储构造，碳酸盐岩岩溶裂隙。这就是地热田形成的浅部条件。

3.3 同位素特征

根据采集的水样，进行C-14，δD，δO-18同位素测定，其测试结果：C-14(%)=2.86±1.02；δD(‰)=-78；δO-18(‰)=-8.2。

由此建立δD=7.4(δO-18)+ 9.52的函数关系式，与相邻地区西安市的大气降水直线方程公式δD=8(δO-18)+10相比，查明本区地下热水主要来源于大气降水，属于降水成因。

C-14测定结果可以得出，灵陕断陷盆地第三系地热水储层埋藏深，热水年龄在29 400年左右。本区地下热水补给距离长、运移速度缓慢、径流时间长。

4 结论与建议

1)灵陕盆地位于鄂尔多斯地块与豫皖断块交接处，地热系统属于传导热水类型，新生代松散物沉积厚度大于2 300 m。地热水主要赋存于900 m～1 480 m渐新统热储层段、1 480 m～1 900 m始新统热储层段、奥陶～寒武系热储层段中，含水岩性主要为砂岩、碳酸盐岩，富水性中等～强。受含水层段和补给条件影响，水化学特征存在差异。

2)灵陕盆地东南崤山山前与中东部存在基岩地温梯度异常区，地温梯度2.97 ℃/100 m～12.85 ℃/100 m；中部盆地断陷地堑区平均地温梯度2.73 ℃/100 m。

3)灵陕盆地为大陆裂谷带，属于地温场之热异常区，特别是新生代松散物覆盖下的基岩隆起和断裂破碎带相对更高，可形成高地温场(热异常)，同时，a.有边缘铲式活动断裂带可成为冷水下传至基岩加热的主要通道；b.有盆地内活动断裂作为加热后的热水向地表运移的通道；c.有基岩隆起带热储构造，碳酸盐岩岩溶裂隙就是地热田形成的两个条件。

4)该盆地目前开采的地热水井(泉)很少，仅仅开采使用陕县崤山山前奥陶～寒武系热储层段地热(泉)井四处；盆地中部已有探采井五眼，但没有开采使用。通过C-14测定结果，热水年龄在29 400年左右，说明灵陕盆地地热水资源补给径流途径长，可开采量是有限的，必须合理规划开采井。

The formation analysis of geothermal water in Ling Shaanxi basin

Yao Wenbing

(The8thGeologicalEngineeringInvestigationInstituteofShanxi,Yuncheng044000,China)

Combining with geological prospecting work of geothermal water resources, this paper identified the geothermal water characteristics of Ling Shaanxi basin, from the geothermal field characteristics, tectonic control effect, isotope features and other aspects analyzed its causes, provided basis for future comprehensive development and rational planning of geothermal water resources.

Ling Shaanxi basin, geothermal water, cause

2015-04-06

姚文兵(1966- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)17-0030-02

TU461

A