甘肃省嘉峪关市地热资源勘查开发可行性研究

尹　政,赵艳娜,张　玲,宗建华

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 734000)



甘肃省嘉峪关市地热资源勘查开发可行性研究

尹政,赵艳娜,张玲,宗建华

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院，甘肃 张掖 734000)

[摘要]在对嘉峪关市区域地质构造、水文地质特征、地热异常分布及成因分析的基础上，重点研究了寻找地热资源的可行性，研究认为嘉峪关大断裂附近具有较完善的热源、热储和盖层条件，是地下热能的高温富集区，具有进一步深入勘查的价值和意义。依据现有成果，应设计下一步勘探孔深度2 500 m，预测井底温度大于60℃，井口出水温度大于40℃。

[关键词]地热资源；开发；可行性研究；嘉峪关市

地热资源作为一种自然补给可再生的绿色新能源，具有热、矿、水“三位一体”的特点。嘉峪关市是国家二类重点旅游城市，素有“天下第一雄关”、“边陲锁钥”之称，地热资源的开发对发展嘉峪关市旅游产业具有重要的现实意义。从嘉峪关市所处的大地构造位置、区内的地质构造、水文地质特征及地热异常分布分析，嘉峪关境内具有较丰富的地热资源，有希望找到水量丰富、温度适中的优质热矿水。

1嘉峪关市区域构造及地质条件

1.1区域地质构造

嘉峪关市在大地构造上位于走廊过渡带的西部，属于祁吕贺兰山字型构造体系的西翼反射弧的前缘地带。根据前人资料和玉门石油管理局的研究资料，可将酒泉盆地构造进一步划分为文殊山隆起、榆树沟山隆起、中央凹陷带、银达—三墩中生界隆起及鸳鸯池穹断束和南倾单斜带等次一级构造单元，嘉峪关市位于文殊山隆起、榆树沟山隆起、中央凹陷带及银达—三墩中生界隆起构造单元交汇部位。

文殊山隆起：位于嘉峪关西南文殊山区，文殊山在新近纪和第四纪初属于剧烈下沉范围，堆积了大厚度的新近系和厚度约600 m的玉门砾石层，嗣后，伴随着山前褶皱带和榆树沟山的剧烈上升，使基底断块复活而隆起成山。该隆起由N2及Q1组成一穹状背斜，轴向北西，轴线呈一弧形，向北突出，轴长约12 km，北翼缓，南翼陡，褶皱轴面向北东倾斜，南翼被断层破坏。

榆树沟山隆起：位于嘉峪关市西北部，主要有寒武系、奥陶系、侏罗系、白垩系地层组成，褶皱剧烈，背斜、向斜和次一级小褶曲随处可见，轴向北西西，两翼产状变化较大，且多被断层切割。该隆起总的变化趋势是奥陶系褶皱较侏罗系、白垩系为甚，多为近东西向的正断层和逆断层，均形成于加里东期，燕山期复又活动，大断层之间尚有一些小的断层，属于走廊北侧大断裂的派生产物。

中央拗陷带：系指酒泉东盆地南部广大地区。南部以祁连山前大断裂为界，北部至酒泉市—黄泥堡一线，西至文殊山前大断裂，形成南北不对称的大向斜，自中生代末期以来沉降深度达3 000～5 000 m，由南向北逐渐变浅，拗陷中央地带仅第四系厚度达1 000～1 200 m，亦由南向北逐渐变薄，至嘉峪关市一带第四系厚度700 m左右。

嘉峪关市境内主要的断层为嘉峪关大断层：位于文殊山东侧，断层北起黑山东侧，向东南延伸，经黄草营、嘉峪关、龙王庙、双泉、文殊车站直至文殊沟口，总长达30余千米，为酒泉东西盆地的分界线，地貌上处于戈壁平原与丘陵山地的分界处。其走向325°，倾角50°～87°，是上陡下缓的高角度逆冲断层，断层上盘上升形成文殊山和榆树沟山，下盘下降形成盆地平原，断距约1 200～1 600 m。根据电磁测量结果，断层两侧地层厚度相差较大，上盘(西盘)文殊山区以新近系为主，局部白垩系厚160 m，新近系缺失，第四系厚30～40 m；下盘(东盘)白垩系厚360 m，新近系厚530 m，第四系厚300～800 m左右。基底为古生界浅变质岩。

据玉门石油管理局地震队资料，嘉峪关大断层是一条长期处于间歇性活动的老断层，产生于白垩系前，新近系末活动最为剧烈，一直延续到第四系，以不断扩大断距为活动特点，仅第四系期间复活断距即达450～500 m(图1)。在大断层附近发育有规模不等的次一级小断层，但未影响上更新统沉积物，因此，可以认为该断层自晚更新世以后处于相对稳定状态。

图1　嘉峪关断层槽探素描

1.2新构造运动

新构造运动非常强烈，受老构造的控制，它继承了老构造运动的特点，其发展趋势主要是继承了阿尔卑斯期的造山轮回，也是喜马拉雅运动的继续。区内新构造运动可能始于渐新世末，在中、下更新世表现得最为强烈，上更新世以后趋于稳定。第四纪以来祁连山的急剧上升，戈壁平原的强烈下降，嘉峪关大断裂的复活，文殊山的骤然隆起，北大河河谷的深切，山前断层的形成，这些都是新构造运动的佐证。新构造运动具有不均匀性，如第四系沉积厚度的差异，文殊山、榆树沟山隆起带的形成，隆起带和平原区的差异。新构造运动还具振荡性，如北大河及其它河谷阶地的形成，山前多级洪积扇等。

1.3地层

嘉峪关市横跨酒泉东西两个盆地，两盆地以嘉峪关大断裂为界，盆地内沉积了大厚度第四系地层，下其部为新近系和白垩系地层。

嘉峪关断裂带的上盘(西盘)第四系厚度30～300 m，新近系、白垩系厚度800 m左右，自断层带向西第四系、新近系和白垩系地层逐渐增厚，新近系、白垩系下伏地层为中—古生界变质岩类；

嘉峪关断裂下盘(东盘)，第四系厚度300～1 000 m，新近系、白垩系厚度1 500～1 800 m，自断层带向东、向北各地层厚度逐渐变薄，第四系至白垩系下伏地层为中—古生界变质岩类。

2嘉峪关市区域水文地质条件

2.1松散岩类孔隙水

嘉峪关市所处东西盆地内分布着大厚度的第四系松散层，其间赋存着丰富的孔隙水，含水层主要由第四系中、上更新统较单一的砾卵石层组成，南部山前厚度大于200 m，至北部厚度一般为40～80 m。自南向北富水性由强变弱，主要受含水层岩性、胶结程度以及含水层厚度的控制，随着岩相、厚度的变化渗透系数由300～400 m/d变为100～200 m/d，单井涌水量最大为5 000 m3/d，最小小于100 m3/d。水位埋深自盆地的南西向北东逐渐变浅，南部山前大于200 m，至312国道一带为40 m左右。地下水总的流向是由南西向北东流动。

2.2基岩裂隙孔隙水

前第四系地层在区内的分布形式有两种类型，即出露于地表和隐伏于地下，二者的水文地质条件差异性较大，其主要特征如下。

2.2.1出露于地表的前第四系裂隙孔隙水

地下水主要赋存于前震旦系、奥陶系、白垩系、新近系的风化裂隙和构造裂隙中，主要接受大气降水补给，由于处在干旱气候条件下，补给贫乏，径流迟缓，水量甚微，泉水少见。如大崖泉，泉水流量很小，无法测量，水质较差，矿化度1 296 mg/L，水化学类型为SO42-—Cl-—Na+型水。

2.2.2隐伏于第四系之下的前第四系裂隙孔隙水

(1)新近系裂隙孔隙水：岩性以细颗粒的泥岩、砂质泥岩等为主，孔隙度和裂隙均不发育，富水性极差，水质亦差，根据周边地区的钻探资料，最大单孔涌水量5.12L/s，矿化度1 300～13 200 mg/L，水化学类型多为SO42-—Cl-—Na+—Ca2+或Cl-—SO42-—Na+型水。

(2)白垩系裂隙孔隙水：岩性主要为一套下粗上细的河湖相韵律沉积，根据玉门石油管理局的研究成果，认为酒泉盆地白垩系的沉积主要有大型扇三角洲沉积、冲积扇—扇三角沉积和滨湖—深湖相沉积几个相带构成，岩性变化较大，厚度不等，在下白垩系下沟组杂色砾岩中测得孔隙度3.53%，平均渗透率 0.06×10-3m2，在扇三角洲前缘相带的含砾砂岩中测得孔隙度5.22%，平均渗透率 2.29×10-3m2。说明白垩系下部地层在不同的相带，其富水性不同。酒泉黄泥堡石油勘探孔资料显示，972～1 660 m主要岩性为砾岩、砂砾岩、砂岩、砂质泥岩等构成，视电阻率6Ω·m左右，基本为一直线，自然电位呈波浪状变化，砂砾岩层呈负异常，推断裂隙孔隙较发育，为含水部位，富水性尚佳；另外白垩系经历了燕山期和喜山期两期构造运动，断裂和构造裂隙比较发育。由上述可知白垩系具有良好的储水空间，推测研究区也存在类似的地质条件。

(3)中、古生界碎屑岩及变质岩裂隙孔隙水：中、古生界变质岩伏于白垩系之下，与白垩系呈不整合接触，从榆树沟山出露和黄泥堡石油钻孔揭露的地层推测，主要地层有志留系、奥陶系、石炭系、侏罗系等，它们经历了多期构造运动，断裂及构造裂隙比较发育，使基底形成了比较复杂的构造系统，具有良好的导水系统和储水空间(图2)。

图2　中生界含水岩系地下水运移示意图

3嘉峪关市地温场特征

中科院地质所利用油田和水文钻孔测温数据，系统进行整理、分析编制了酒泉盆地以及周边1 000 m、2 000 m、3 000 m等不同深度温度分布图(图3)，该图清楚的反映了酒泉盆地区域地热场空间分布规律。在1 000米深度温度可达40℃～50℃，2 000 m深度温度可达60℃～70℃；3 000 m深度温度可达70℃～80℃。嘉峪关市区内虽无专门地热钻孔勘探资料，却夹持在酒西、酒东盆地大量石油钻井测温孔之间，酒西、酒东盆具有相似的盆地结构和热储层，因此，周边地区地热测温资料，足以表示出嘉峪关区内相同深度的地温场分布特征。

酒泉东、西盆地石油钻孔地热资料显示，地热在空间的分布具有一定的规律性，处于不同的位置、不同深度的地温梯度不同，这充分说明盆地内的地温主要受构造和深度的控制，同时，盆地有厚度稳定连续的盖层和传导性良好的热储，具备形成地热资源的基本条件。

图3　酒泉盆地不同深度地温分布图

4嘉峪关市地下热水勘查开发的可行性分析

4.1地热异常的分布

嘉峪关市区及外围在地表未见地热显示和露头，但区域上多处发现异常：

1)酒泉西盆地的青西、白杨河等油田钻孔中均有热水，温度多在七八十度和一百多度，这就充分说明酒泉盆地的深部是一个大的地热库，蕴藏着丰富的地热资源。

2)位于酒泉西盆地柳沟庄一带的石油勘探孔柳8井，孔深5 700 m，温度测点：孔底为152℃，4 403 m处为130℃，水量118 m3/d。

3)嘉峪关九眼泉泉水冬季不结冰，并且在水渠中水面以下有水草生长，说明泉水水温呈偏高状态，经对泉水进行了水温测量，水温达14℃，处于偏高状态。

4)嘉峪关地震台对嘉峪关断裂带氡的监测值多年平均为68.7 Bq/L，肃州区地震台对附近机井氡的监测平均值为18.1 Bq/L，嘉峪关断裂带氡的溢出量呈异常状态，其溢出量是肃州区机井溢出量的3倍多，说明在嘉峪关断裂带的深部有酸性花岗岩侵入，分布有花岗岩体，花岗岩体是产生地下热能的热源体，由此而判断，嘉峪关断裂带是地下热能的高温富集区。

4.2地热田概念模型

地热田的形成必须具备盖层、热储、热流体通道和产生热源的地质体(图4)：

1)盖层：盖层的主要作用是保温作用，使地下深部的热流向上运移后储集于热储层中，不能因地层和地下水的传导对流而散失。所以盖层对于一个地热田来说至关重要。区内由于构造运动的差异，其盖层的发育和分布不同。

(1)文殊山隆起带：上部地层主要为新近系、白垩系的泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩等构成良好的隔水层，其导热率较小，具有良好的保温作用，根据石油勘探资料，其厚度大约是300～800 m，是十分理想的盖层。

(2)酒泉东西盆地凹陷带：第四系、新近系均十分发育。根据钻探和物探查明，第四系厚度一般600～1 000 m，文殊山前北大河两岸第四系厚度推测小于400 m，凹陷带中心部位大于1 000 m；新近系厚度800～1 800 m。热储层上覆地层总厚度1 400～2 800 m，大厚度的新近系为细颗粒地层是理想的盖层，另外，白垩系上部地层也属于细颗粒岩层，具有良好的保温作用，也是理想的盖层。

2)热储:根据物探和玉门石油管理局的勘探资料，嘉峪关市境内的热储层主要有以下地层构成。

1—断层；2—冷水运动方向；3—热水运动方向；4—地层时代；5—花岗岩

图4 地热田概念模型示意图

(1)白垩系下部地层：白垩系非单一成因类型，岩相变化较大，厚度不等，依据玉门石油管理局在下白垩系下沟组杂色砾岩和扇三角洲前缘相带的含砾砂岩中测得的孔隙度、渗透率以及黄泥堡石油勘探孔测井资料显示，白垩系下部地层具有一定的富水性，另外白垩系断裂和构造裂隙比较发育，所以白垩系下部地层具有良好的储水空间，是较为理想的的热储层。

(2)中古生界变质岩：在盆地内白垩系之下，广泛分布有中古生界变质岩，埋藏深度各异，已有勘探资料显示，中古生界变质岩受构造控制性较强，多沿构造带或断裂带形成破碎带或裂隙发育带，多形成一些带状热储系统，具有一定的富水性，是较好的热储层。

3)热源：地热田的热能来源是多方面的，但主要来源于深部热源体。依据地热理论，经对区内的地质结构和构造条件进行分析，认为地热田的热源有以下几个方面：

(1)根据酒泉盆地周围山地分布的不同时期的酸性花岗岩，推断在地壳深部或在地幔内存在有巨大酸性岩浆侵入体，由此构成了深部的热源体。热源体释放的大量热能在地层的自然传导作用下，不断向地壳浅部运移，运移过程中在地下水的对流作用下，使地下热能载于地下水，形成地下热水，地下热水通过断裂构造带或地层裂隙进行深循环的过程中进入热储层。这种热流现象就是自然增温系统。根据石油勘探孔的地温资料，这种自然地热增温系统反映较明显。由此可见深部热源或自然增温系统为热源的主要组成部分。

(2)酒泉盆地经历了地质历史过程中的各个构造运动，特别是中新生代以来，区内构造运动极为强烈，产生了一系列的断裂和隆起，地层在挤压和压扭构造运动的作用下，将产生巨大的能量，这些能量转变为热能。构造运动产生的大量热能储存于地下深处，通过热传导方式，加热上部岩石，再由这些热岩石使深循环水变热而形成地下热水，即为构造热能。

(3)依据盆地周边花岗岩的分布，推测在盆地深部有一个大的花岗岩体，即花岗岩热源体。花岗岩类放射性元素蜕变能产生一定的放射性热能，经科学研究测定，每一立方米花岗岩石平均每年发出13.7卡的热量(据专门水文地质学)，所以，花岗岩体放射性元素蜕变产生放射热是热源的重要组成部分。

上述不同形式的热源，皆存在于地下深处，以地下水为载体，以断裂带为主要通道不断向上运移，进入热储层，形成地热田。

5结语

嘉峪关市境内具有较完善的热源、热储及盖层条件，具有进一步深入勘查的价值和意义。在嘉峪关大断裂附近寻找地热资源是有利的，依据已有成果分析，设计勘探孔深度2 500 m，预测井底温度大于60℃，井口出水温度大于40℃。

参考文献

[1] 甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院.甘肃省酒泉、嘉峪关市地下热水勘查报告[R].2009.

[2]甘肃地质工程勘察院.嘉峪关市长城边关第一镇地热资源地质调查报告[R].2014.

Feasibility Research On the Development of Geothemal Resources In Jiayuguan City, Gansu Province

YINZheng，ZHAO Yan-na，ZHANGLing，ZONG Jian-hua

(Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Zhangye 734000, Gansu)

Abstract:Based on the analysis of the regional geological structure, hydrogeological characteristics, distribution and causes of geothermal anomaly in Jiayuguan City, this research is mainly focused on the feasibility of the search for the geothermal resources. The preliminary conclusion is that it has the quite perfect heat source, reservoir and cap rock condition near the Jiayuguan Fault, with the value and signification of further exploration. The design depth of next exploration borehole is 2 500 m, and the predicted water temperature of the hole bottom is greater than 60℃,while the well head is greater than 40℃.

Key words:Geothermal resources；development；feasibility research

[收稿日期]2015-08-07

[作者简介]尹政(1969-)，男，甘肃山丹人，高级工程师，主要从事地下水、地热资源勘察及环境地质评价与研究工作。

[中图分类号]P314.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0059-04