新疆塔什库尔干谷地地热资源研究进展

史 杰, 陆成新, 李清海, 常志勇

(新疆地矿局第二水文工程地质大队，昌吉 831100)

0 引言

帕米尔高原位于青藏高原西北犄角地带，喜山期以来，随着印度板块持续向北推挤，帕米尔地区不断隆升，构造活动异常强烈，形成了奇特的高原地质地貌景观[1-4]。长期以来，各种地质成矿作用致使素有“世界屋脊”之称的帕米尔高原蕴藏了丰富的矿产资源，成为地质找矿和科学研究的前沿阵地和试验场[5-6]。塔什库尔干县城坐落于帕米尔高原中东部塔什库尔干谷地内，其地质地貌的发育演化受喀喇昆仑断裂向北延伸的分支断裂——塔什库尔干断裂带的控制，沿该断裂带出露若干地热异常点。近些年，我国对清洁能源开发利用的需求日益增长，在地热勘查和研究重要导向的指引下，2010—2016年以新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目为依托，在塔什库尔干县城—提孜那甫乡曲曼村一带开展了地热资源勘查和研究工作，首次在新疆圈定了高温地热资源1处，成功实现了利用地质调查分析、物探、地热钻探、化探及槽探等综合方法勘查和研究裂隙型高温地热资源的新突破。本文对勘查和研究成果进行了总结分析，对区域地热地质条件和形成机理进行了再认识，并对资源的开发利用保护提出了建议。

1 区域地热地质背景

塔什库尔干谷地位于青藏高原西北帕米尔构造区的中东部，处于喀喇昆仑构造带塔什库尔干和塔明铁盖(阿克赛钦)2个二级陆块边界部位[5,7]。新生代以来，强烈的造山运动使帕米尔地区快速隆升并长距离水平移动，构造活动以由南向北的推覆作用为主要特征，形成整体向北突出的弧形构造格局[1,3]； 帕米尔构造中东部发育多条大型走滑断裂，形成以喀喇昆仑断裂带、康西瓦断裂带和西昆仑断裂带为主的断裂构造体系。6～12 Ma BP以来，高原内部由挤压作用转换为伸展构造环境[3,8-10]，并伴随区域断裂的继承、发育和岩浆的侵入活动。塔什库尔干断裂是喀喇昆仑断裂的一条分支断裂(图1)，总体走向NNW向，全长约190 km，由多条次级断层右阶斜列组合而成，以右行走滑为主要运动特征，为一条全新世活动断裂[1-3]，控制着木吉—塔什库尔干5个断陷谷地的形成和演化。

构造区内地热显示主要表现为高的大地热流和温泉的普遍发育。据文献[11]，帕米尔构造区内大地热流值为70～150 mW/m2，塔里木盆地内部热流值为30～40 mW/m2，区域上总体呈从盆地向高原逐渐增高的南北向带状变化趋势，并在盆-山之间形成密集的热流梯度带。塔什库尔干断裂带附近热流值大于150 mW/m2，并在塔什库尔干断裂带及相邻构造带内发育多个温泉，泉水的出露受断裂构造控制。公格尔—达布达尔一带温泉出露温度为29.3～71.9 ℃，高于当地多年平均气温(18～67 ℃)； 水质类型以SO4·Cl-Na型为主； 溶解性总固体为337～2 566 mg/L； pH值为7.42～9.41，呈碱性。从物理化学性质上看，区域出露温泉具有深循环特征。

GGHS.公格尔—盖孜温泉群； YTHS.羊布拉克—唐哥塔温泉群； BKHS.拜什库尔干温泉；TMHS.塔合曼温泉； WQHS.瓦恰温泉； MYHS.马尔洋温泉； DDHS.达布达尔温泉

图1帕米尔—西昆仑地区断裂构造纲要及温泉分布

Fig.1FaultsketchanddistributionofhotspringsinPamir-WestKunlunarea

2 研究区地热地质特征

2.1 地热地质条件

2.1.1 地层岩性特征及其热物理性质

研究区及其外围地层发育有元古宇(Pt)、侏罗系(Jl)、新近系(N)、第四系(Q)以及喜山期侵入岩(γ6、ξ6)[12-14]。

元古宇分布较广，岩性主要有片麻岩、片岩、大理岩和石英岩等。岩体整体南西倾，角度较缓，片理化和压碎作用明显，泥化、硅化蚀变物充填于裂隙和孔洞中，地层热蚀变现象普遍。地层密度2.52～2.84 g/cm3，导热系数1.283～1.580 W/(m·K)，比热容1.459～1.765 kJ/(kg·K)，是热储围岩的组成岩性。

侏罗系为灰色碳酸盐岩-碎屑岩沉积，地层向东倾，倾角约30°。在研究区北部曲曼沟口一带出露，并在个别钻孔中揭露，厚度127.61～218.69 m不等，岩性以泥岩和砂岩为主，覆盖在元古宇之上。

新近系包括泥岩、砂岩和砾岩，总体呈水平层状，裂隙不发育，风化强烈。分布在谷地内部，小范围出露于研究区北一带，可见厚度5～10 m，覆盖在元古宇和侏罗系之上； 钻孔揭露其厚度15～300 m不等，发育厚度受基底形态和断裂控制。

总体来看，侏罗纪和新近纪泥质沉积物发育，密度为2.17～2.53 g/cm3，导热系数为1.160～1.239 W/(m·K)，比热容为1.310～1.783 kJ/(kg·K)，透水条件差，覆盖在热储上部，具备良好的盖层条件。

第四系可划分为上更新统(Q3)和全新统(Q4)，岩性为砂砾石，透水性和富水条件较好，分布在谷地内，在研究区北曲曼一带有缺失，厚度10～400 m不等，沉积作用受构造、冰川活动及水系发育等因素影响。

喜山期侵入岩为花岗岩和正长岩，二者在辛滚沟一带呈涌动接触关系。侵入岩体发育在谷地西侧的广大山区，呈岩基、岩株状产出，出露面积达1 566 km2，总体呈NW向带状发育。同位素年代学研究表明[12-14]，花岗岩和正长岩侵入就位年龄在11～13 Ma之间，属后造山运动伸展环境下的产物。该套侵入岩体富含U、Th、K长寿命放射性同位素，为高产热岩体，是研究区主要的热量来源。

2.1.2 构造发育特征

如图2所示，研究区位于塔合曼和塔什库尔干2个断陷谷地的接合部位。该处塔什库尔干主断裂由3段组成(图2： Fa、Fb、Fc)，其中Fa和Fc为主干断裂，以右旋走滑为主要运动形式； Fb为二者之间的桥接断裂，具张性活动特征。谷地内次级断裂发育，受塔什库尔干主断裂控制作用明显。

区内SN向主干断裂由4、5列组成，形成2 km宽的破碎带，在西部山区及山前出露1列，倾角55°～85°间。据物探资料，谷地内部主干断裂隐伏于新生界之下，东部断裂倾向西，中西部断裂倾向东，形成了一个较为完整的地堑构造单元。次级断裂主要呈NE向和近SN向展布，与主干断裂平行或斜交，部分地带有地表变形显示。目前查明，研究区发育有7、8条次级断裂，北部带出露较为密集，倾向不同，倾角普遍在70°～85°之间，个别断裂缓倾。塔什库尔干主干断裂及其次级断裂自第四纪中—晚期以来均有过明显活动，在地表保留了明显的构造地貌形迹。从展布特征看，主干断裂与次级断裂交错发育，将研究区切割成若干地块，使其形成复杂的断裂破碎系统，为地热流体的运移和储集提供了空间条件。

图2 研究区地质地貌

2.2 地温场分布

据50个钻孔测温资料，研究区北部热储埋深普遍较浅，恒温带埋深2～70 m 不等，不同地段差异明显； 南部恒温带埋深较深，普遍在40 m以下。据钻孔测温曲线、揭露的盖层、完整基岩和断裂带地温梯度统计结果，恒温带之下地热增温表现出明显的3个阶段(图3)，与钻孔揭露的盖层、较完整基岩段和断裂破碎带(热储段)相对应。

图3 地温垂向变化示意图

快速增温段和缓慢增温段受岩性条件、富水性及深部温度的影响和控制，热能主要以传导方式向四周传递。盖层受上部浅表冷水和下部热储的共同作用，表现出较高的地热增温率，一般在9.58～149.20 ℃/100 m之间，均值为50.20 ℃/100 m； 相对上部盖层来说，缓慢增温段的增温率在0.51～75.30 ℃/100 m之间，均值为28.50 ℃/100 m； 稳定段处于断裂裂隙发育部位及断裂下盘，热能受垂向对流和传导方式的共同作用，地热增温率相对最低，在-16.77～14.20 ℃/100 m之间，均值为4.3 ℃/100 m。

由于研究区北部曲曼一带钻孔分布较为集中，利用孔内垂向地温测量资料绘制了不同等深面地温的平面分布(图4)。

图4不同等深面上的地温等值线

Fig.4Groundtemperaturecontourofdifferentdepth

从图4可以看出，研究区地温最高为161℃，该温度埋藏最浅处为350 m左右。等深地温总体呈中部高、四周低的分布规律，与研究区断裂带展布方向和导热能力有一定的对应性，表明SN向和NE向断裂破碎带具有良好的储热和导通能力，反映了张性断裂对地热流体的控制作用。同时，因不同地段盖层厚度、浅部孔隙水径流条件和地层富水性的差异，地温在平面上的分布受其影响也较为明显。

2.3 地热流体化学及同位素特征

2.3.1 地热流体化学特征

兰格利尔-路德维奇图解[15-16]对区内地热流体和浅表冷水的区分较为直观(图5)。

2.3.2 地热流体标性组分

区内地热水中偏硅酸(H2SiO3)和氟(F-)含量远远高于浅表冷水，为本区地热水的标性组分。

地热水中的偏硅酸含量较高，在83.53～354.67 mg/L之间，平均183.19 mg/L； 冷-热混合水次之，在20.59～64.86 mg/L之间，均值48.53 mg/L； 浅表冷水中的偏硅酸含量最低，在4.25～29.50 mg/L之间，平均17.46 mg/L。地热水的偏硅酸含量均值是冷-热过渡水和浅表冷水的3.8～10.5倍，差异明显(图6)。

地热水中的氟含量在4.57～11.41 mg/L之间，平均为7.41 mg/L； 冷-热混合水次之，含量在2.86～9.29 mg/L之间，均值为5.23 mg/L； 浅表冷水中的氟含量最低，在0.50～2.20 mg/L之间，平均为1.36 mg/L。地热水的氟含量均值是冷-热过渡水和浅表冷水的1.4～5.4倍。

图6不同水体中H2SiO3(左)、F-(右)含量

Fig.6H2SiO3(left)andF-(right)contentsindifferentwaters

2.3.3 水岩平衡分析

采用Na-K-Mg三角图解[17]对区内地热水进行了分析(图7)，可以看出个别采样点在“部分平衡”区内，而大部分采样点在“未平衡”区内，采集的地热流体样品均未达到“完全平衡”状态。

图7 Na-K-Mg三角图解

为了进一步了解研究区深部热储地热流体的平衡状态，采用WATCH3程序对“部分平衡”的地热水进行了水-岩平衡分析。分析结果表明，深部热储温度曾达到140～300C，热储渗透性强，属还原性环境，地热活动总体强度为中强。

2.3.4 地球化学温标

根据研究区热储温度背景及水-岩平衡分析结果，采用Na-K阳离子温标和SiO2温标方法，计算得出深部热储温度为222～268 ℃，钻探可及温度为154～254 ℃。同时，利用硅-焓模型(图8)计算出地热流体采样点中深部热流体含量的比例在8%～71%之间，地热流体在上涌过程中混合了大量的浅层冷水。

图8 地热水的硅-焓模型

2.3.5 同位素化学特征

3 地热形成机理

根据塔什库尔干县县城向北至提孜那甫乡曲曼村一带地层岩性条件、构造发育特征、地温场分布、地下流体化学及同位素组成，结合区域地下流体基本运动特征分析，研究区具有完整的“热、储、盖”条件。

研究区西、南侧发育的喜山期侵入岩体为主要的热量来源，该套岩体分布面积约1 566 km2。岩体侵入时代约11 Ma BP，岩浆来自下地壳的底部，是深部加厚过程和幔源岩浆活动的结果，具有壳、幔混源特征。岩体中富含U、Th、K等放射性元素，平均生热率为91.24～93.96 μJ/(g·a )，按照该套侵入岩体出露面积1 566 km2、垂向深度10 km进行保守计算，年生热量约为9.91×1014J/a，是该区地热形成的主要热源之一。研究表明，岩浆的侵位-结晶过程耗时长达几十个百万年之久。该套侵入岩体较为年轻，仅为11 Ma，且大面积发育,估算放射性生热热场的建立需要几百万年的时间，加上侵位-结晶耗时，深部岩浆很可能还未完全降低至结晶温度，还存在熔融的岩浆。因此，研究区热源除了该套侵入岩体的放射性生热之外，还包括岩体深部的余热和熔融体散热。

根据构造和地层结构发育特征，塔什库尔干断裂及其次级断裂裂隙系统是地下水的运移和储存的空间。塔什库尔干断裂为区域深大断裂，对热储的形成和发育具有控制作用，属控热断裂； 与其斜交的次级断裂发育规模较小，对深部地热流体起到连通、运移和储存作用，属导热断裂。

热储盖层由第四系含泥砂砾石层、黏土层，新近系泥岩、泥质砂砾岩，以及侏罗系泥岩、砂岩组成。其中黏土层、泥岩、泥质岩隔水性好，热导率低，具很好的保温效果，是理想的盖层。

大气降水在外围山区向区内入渗补给，地下水沿断裂及裂隙向下运移，在侵入岩体稳定的热量供应背景下，地下水不断与围岩进行热量及物质交换，运移至一定深度，由于温度升高导致水密度减小及深部压力增大等综合作用，热水沿断裂或断裂交汇部位向上运移，在上覆弱盖层的阻隔作用下储存并富集。在热储上部热量向上传导，地热流体温度逐渐降低，并向下对流加热后再向上运移，不断垂向循环，在盖层缺失或断裂切割部位地热流体以垂向或水平方向排泄，形成地热流体的排泄区，并不断补给浅层地下水，形成地热异常区(图9)。

图9 地热地质概念模型

4 地热资源量

根据谷地内地热地质条件和形成机理研究等成果，圈定了一处高温地热田——曲曼高温地热田，面积为8.0 km2。采用热储法[18]对曲曼地热田进行了资源量的计算。计算方法为

Q=Qr+Qw，

(1)

Qr=A·d·ρr·cr(1-φ)·(tr-t0) ，

(2)

Qw=QL·cw·ρw(tr-t0) ，

(3)

QL=Q1+Q2，

(4)

Q1=A·φ·d，

(5)

Q2=A·S·H。

(6)

式中：Q为热储中总热量，J；Qr为岩石中储存的热量，J；Qw为水中储存的热量，J；QL为热储中储存的水量，m3；Q1为截止到计算时，热储孔隙中热水的静储量，m3；Q2为水位降低到目前取水能力极限深度时，热储释放的水量，m3；A为计算区面积，m2；d为热储厚度，m；tr为热储温度，℃；t0为当地年平均气温，℃；ρw和ρr分别为地热水和热储岩石的密度，kg/m3；cw和cr分别为水和热储岩石的比热，J/(kg·℃)；φ为热储岩石的空隙度(无量纲)；H为计算起始点以上高度，m；S为贮水系数。

需要说明式(3)适用于热储温度<100 ℃的地热流体； 对于热储温度≥100 ℃的地热流体(水和汽两相流)应采用两相热流体热焓公式计算。其计算公式为

h=hg·Xg+hl·Xl。

(7)

式中：h为水汽混合物的热焓，kJ/kg；hg为汽的热焓，kJ/kg；hl为水的热焓，kJ/kg；Xg为汽的质量分数(无量纲)；Xl为水的质量分数(无量纲)。

上述计算参数，例如热储温度、热储围岩密度、比热和导热率等均为本次实际获得； 热储厚度是根据二氧化硅混合模型计算出的热储温度反算得出。

经计算，曲曼地热田热储中储存的热量为55.919×1011MJ，储存的水量为43.524×107m3。其中，岩石中储存的热量为54.073×1011MJ，水中储存的热量为1.847×1011MJ，静水储量为43.460×107m3，弹性释水量为0.064×107m3。地热流体可开采量为12 952.8 m3/d，产能(热能)约77.9 MW。

5 地热流体质量

据地热流体基本化学组分和微量元素测试分析结果，研究区地下热水达到偏硅酸和氟指标命名矿水标准，属硅、氟理疗热矿水； 热水中锂、锶、总溶解固体量等含量虽达到天然矿泉水要求，但色、嗅、味、酸碱度、铁、锰、砷、钡、汞、镍、硼酸盐、氯化物、氟化物、硫酸盐、总溶解固体量、耗氧量、挥发酚、阴离子合成洗涤剂以及总β放射性等多项指标，不符合生活饮用、天然矿泉水、农业灌溉及渔业用水等要求。研究区各采样点热水的腐蚀系数KK均小于0，锅垢总量在91～537 mg/L之间，为锅垢量较小的非腐蚀性水。

6 开发利用保护建议

研究区热储埋藏浅，成井深度<1 000 m，为最经济的地热井，易于开采。热储温度较高，产能高，适用于烘干、发电、采暖、医疗、洗浴和温室等，开采的经济价值较高。地热水开采一年相当于二氧化碳减排量169 068 t，二氧化硫减排量1 205 t，氮氧化物减排量425 t，悬浮粉尘减排量567 t，煤灰渣减排量7 086 t。研究区地热流体排放指标超标，不能直接排放，应做好非凝气体的收集和处理。如果地热尾水直接排放会造成热污染，其中有害组分也会对地表水和地下水水质造成污染，因此应采用回灌方式循环利用。区内热储因部分地段盖层缺失，与浅层地下水具有一定的联系，开采过程中可能污染浅表水体，因此做好对浅层地下水水源保护工作具有现实意义。

7 结论

(1)研究区及其外围一带发育以塔什库尔干断裂为主导的断裂构造体系。塔什库尔干断裂为区域控热断裂，其NE向、NNE向次级断裂为导热断裂，主次断裂在勘查区内形成了近“网”状或“羽”状断裂裂隙系统，并为地热资源的形成、储存和运移等提供了空间条件。

(2)恒温层之下，地热地温变化与盖层、完整基岩和断裂带(热储)表现出明显的一致性，目前实测最高温度为161 ℃，埋藏深度在350 m以下，深部热储计算温度为222～268 ℃，地温梯度最高可达149.20 ℃/100 m。

(4)研究区的地热流体来源于大气降水，在断裂及裂隙内储存、运移、富集，在侵入岩体的放射性生热和结晶余热的热量供应下，地下流体不断与围岩进行热量及物质交换，形成热流体储存并富集。在热储围岩和盖层中，热量以传导方式为主，在热储内，热量以对流方式为主。

(5)曲曼地热田储热量为55.919×1011MJ，地热资源可开采量约为12 593 m3/d，产能(热能)约为77.9 MW。热储埋藏深度浅，易开采，可用于烘干、发电、采暖、医疗、洗浴和温室等，具有可观的直接和间接经济价值。地热流体应采用回灌方式加以循环利用和保护，否则会对周围生态和地质环境造成污染。

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