山西省王村地区隐伏侵入岩体隆起区地热地质特征

张玉良

摘  要：祁县王村地区位于晋中盆地中部东缘，晋中盆地四周为活动断裂所控制，盆地内受不同方向的次级断层切割，形成隆凹起伏的次级构造单元。祁县王村隆起中心部位是一个岩浆岩侵入体。井深350～400m时水温28℃，多年来水温稳定，该区域存在地热异常。为了查明该区域深部地热地质条件，省地勘基金项目立项进行勘查，采用地球化学调查、地球物理勘查、地热钻探、水文测井等工作方法，推测隐伏岩体分布面积57km2，地热勘探井深2905.65m时，井口水温仅39℃，含水层为岩体，上覆三叠、二叠系砂岩裂隙水，涌水量1064m3/d，水化学类型为HCO3·Cl-Na型水。同时测温曲线反映，随着井深增加，井深2045.92m以下侵入岩浆岩体地层地温梯度未见明显增高，说明在长期的地壳构造活动中侵入岩浆岩体的大部分热量已散失，因此本区地热资源勘探开发前景有限。侵入岩体上覆砂岩热储层所含低温温水，对养殖业有一定的开发利用价值。

关键词：侵入岩体;地热异常;热储层;井温梯度;水温;水化学特征;断裂带

中图分类号：P314         文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2019）02-0042-06

Abstract： The Wangcun area， Qixian County， Shanxi Province， is located in the eastern margin of the central Jinzhong basin， which is controlled by active faults. The basin is cut by secondary faults in different directions. Therefore， it forms a secondary tectonic unit with ups and downs. There is a magmatic intrusive body in the central uplift part of the Wangcun area. The water temperature is 28℃ at 350～400 m depth， being stable for many years. It is proved that there are geothermal anomalies in this area. The project of the Provincial Land Prospecting Fund was surveyed to identify the deep geothermal geological conditions in the area. This paper adopts research methods of geochemical investigation， geophysical exploration， geothermal drilling and hydrological logging. It is speculated that the distribution area of hidden intrusive body is 57km2. The wellhead water temperature is only 39 °C when geothermal exploration well is drilled to the depth of 2905.65 m. The aquifer is covered with sandstone fractured water of Triassic and Permian， which inflow rate is 1064m3/d and the type of hydrochemical is HCO3·Cl-Na. The temperature measurement curve reflects that with the increase of well depth， there is no significant increase in the geothermal gradient of the invading magma rock formation below the depth of 2045.92 m， which indicates that most of the heat of the intrusive body has been lost in the long-term crustal tectonic activity. Thus， the prospect of geothermal resources exploration and development is limited in this area.

Keywords： Intrusive body; Geothermal anomaly; Geothermal reservoir; Gradient of well temperature; Water temperature; Hydrochemical characteristic; Faulted zone

0 引言

祁縣王村地区位于山西省晋中盆地中部，在祁县王村至常家堡一带发现存在隐伏岩浆岩岩体隆起。在王村、常家堡村附近井深150～200m时水温一般为16℃～21℃，井深350～400m时水温28℃，多年来水温稳定，说明该区域存在地热异常。2008—2012年进行了地热资源勘查，先期采用浅层井测温、可控源音频大地电磁法、直流电测深法、活性炭测氡法进行勘探，在物探成果基础上，布置施工了2眼地热井（R-1、R-2），井深分别为1100.20m、2905.56m，井口水温分别为31℃、39℃，揭露地层增温梯度较低，水温与预测值相差较大。本文根据勘查资料，分析了王村地区隐伏岩浆岩体隆起区地热地质条件，研究了地层增温梯度较低的原因。

1 自然地理及地质概况

（1）自然地理

祁县地处晋中盆地中部东缘，由东南部山区向西北发育洪积倾斜平原、冲积平原和湖积冲积平原，属温带大陆性季风气候，年降水量488.2mm。区内地表水属黄河流域汾河水系，勘查区内河流主要为汾河支流昌源河，昌源河汇水面积为576km2。

（2）区域地层

晋中盆地是汾河断陷带内一系列新生代断陷盆地之一，北起太原、南至介休，面积约5600km2，走向NE，呈长斜方形，发育地层主要为新生界盆地河湖相堆积。前新生代地层推断与相邻吕梁山和太岳山地区基岩地层相同，基岩地层分布于王村勘查区东南部山区，地表出露以中生界三叠系为主。

（3）区域构造

晋中盆地四周为活动断裂所控制，盆地内发育3组活动断裂系统，分别为NE向、NEE向和NW向断裂，其中NE向断裂系统规模较大，延伸较长，断距较大，是控制断陷发生、发展的主干断裂（图1）。盆地内受不同方向的次级断层切割，形成隆凹起伏的次级构造单元，其侯成-平遥陷隆区内有一个明显的隆起，称之祁县隆起，据钻探和物探资料，该隆起中心部位是一个岩浆岩侵入体。

晋中盆地是经燕山运动形成雏形，新生代继承性发展为新的强烈断陷构造盆地，沿盆地周边断裂带有晚新生代玄武岩的多期活动并有一些低温泉出露，这些地质构造特点决定了它是一个较高地热背景的地热资源远景区。

2 地质及水文地质条件

根据勘探资料，祁县隆起走向北东，隆起中心由县城西的常家堡到城东的王村—东观一带，推测隐伏岩体分布面积57km2，新生界厚度最薄在140m左右，基底为古生代三叠系砂页岩（图2）。

2.1 地球物理勘探成果

王村勘查区应用可控源音频大地电磁法、直流电测深法、活性炭测氡法进行了地球物理勘探，初步查明了祁县隆起的构造形态，在基底隆起内大致推断解释侵入岩体两组，断层一条。由于没有应用磁法，对控制侵入岩体的范围及深度来说难度大，效果不太理想。综合分析地面物探成果，在靠近低阻断裂带和侵入岩体附近应是地热资源开发的有利部位。

2.2 地质及水文地质条件

（1）地质条件

根据R-2号井揭露地層情况，0～140m为第四系砂质粘土、粘土及粉细砂;140～2014.77m为三叠系、二叠系厚层状中细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩夹薄层泥岩互层;2014.77～2045.92m上部为破碎带，缺失二叠系山西组，岩性为石炭系太原组砂质泥岩、细砂岩及深灰色石灰岩，岩屑有烘烤现象;2045.92～2905.56m全部为侵入岩浆岩，矿物成分主要由斜长石、角闪石等组成，具破碎现象，分析应是燕山期侵入的石英二长岩岩体，岩体同位素分析形成于燕山中期。

据R-2号井钻探中遇有9层段地层破碎带，应是祁县隆起内的断裂构造所致，地层缺失下石盒子组下段、山西组、太原组（部分）、本溪组及以下地层，推测区域发育断层断距大于150m。地热地质剖面见图3，剖面线位置见图2。

（2）水文地质条件

松散层孔隙水：王村地区处于昌源河冲洪积倾斜平原及古河道上，含水层从第四系全新统至下更新统。据钻孔资料，王村一带在140～190m之下，可见三叠系延长组以下地层砂岩裂隙含水岩组。山区基岩裸露区裂隙发育，地表有一定的植被覆盖，给大气降水入渗补给提供了良好的条件，含水层单井出水量可达50～120m3/h。

覆盖型砂岩裂隙水：含水层主要为三叠系、二叠系层段厚层状中细粒砂岩。R-1号井取水层段（700.35～1100.20m）主要为三叠系中统二马营组，含水层水位标高725.10m，涌水量926m3/d，降深18.84m时钻孔单位涌水量2.05m3/h·m，井口水温30℃，含水层富水性中等。

R-2号井抽水层段（1771～2095.65m）为二叠系上、下石盒子组，含水层水位标高726.01m，涌水量1064m3/d，降深129.41m时钻孔单位涌水量0.34m3/h·m，井口水温39℃，含水层富水性较差。

由于R-1与R-2孔相距约60m，不同含水层段抽水试验说明本区三叠系中统二马营组砂岩裂隙含水层富水性好于二叠系上、下石盒子组砂岩裂隙含水层。

裂隙承压水的补给来源是盆地东南部边山区基岩裸露降水入渗，通过盆地周边断裂导水深循环补给，地下水径流上部强于下部，水循环交替由强到弱。区内隐伏断裂是砂岩裂隙承压水的富集带和导水通道。根据钻探及水文测井资料，R-2号井2045.92m以下岩浆岩侵入岩体，岩性致密、坚硬，循环液消耗量没有变化，可说明此层段无有效含水层发育。

3 地热水化学特征

根据地热水化学组分，一方面了解地热（井）水水质及微量元素分布情况，另一方面可采用氘、氚、氧-18同位素来分析热储层中地热水运移特征。

3.1 浅层水井水化学特征

水文地质调查时在25个浅层水井（井深150～200m左右）中采取水样进行水质全分析，从测试结果看，水质矿化度从山前倾斜平原区到洪积、冲积平原区，由448mg/L逐渐增高到800mg/L以上，在冲积平原区的西白圭村矿化度达到1106mg/L，水化学类型也由HCO3→HCO3·SO4→Cl·SO4·HCO3型过渡。说明随着地下水径流路径的延长，水中溶蚀矿物成份增加，水质矿化度及硬度增高，反映了祁县平原区浅层含水层水化学特征。

3.2 深层水井水化学特征

（1）地热流体化学组分特征

勘查区内R-2、R-1、J-11号地热水井部分项目分析成果见表1。

普查区700～1100m和1771～2050m两个深度段砂岩热储层水化学类型基本相同，均为HCO3·Cl-Na型水，含氟量2.33～2.19mg/L，偏硅酸含量28.6～33.4mg/L，锶含量0.85～0.73mg/L，pH值8.34～8.30，属中性偏碱性水，水质可定名为重碳酸·氯-钠型含氟·锶·偏硅酸低温温水。

R-2号孔井口水温39℃，在出水口有硫化氢气味，说明含水层埋藏较深，处于还原环境。本區含水层中Na+和HCO3ˉ在元素中占绝对优势，是碎屑岩热矿水的典型特征。

（2）同位素化学与地热田成因分析

依据勘探井、供水井、雨水样同位素（氘、氚、氧-18）分析成果，经与山西省地下热水δD-δ18O关系图对比分析，4个孔水样δD和δ18O值均落在地区大气降水线附近，说明地下水起源于大气降水，且沿大气降水线展布，没有出现明显的18O漂移，表明地下水为低温热系统。

地热井水质化验中均含有一定量的氚，推测它们是“古水”与现代水的混合水。

综合分析，本区砂岩裂隙水系远源补给，水循环交替由强到弱。受区域构造的控制，地下水顺层和沿深大断裂运移，在特定的地球物理和地球化学环境中，水和介质长期作用并溶解，携带着微量元素组分，在王村地区一带富集。

4 地温场特征

4.1 地温场特征

据勘查区井温调查，浅层井地温异常主要分布在朴村—常家堡—王村—永兴庄—西六支村一带，温度在16℃以上（图2），最高处分布在王村南—永兴庄村西，如J-16号水井深150m，水温19.3℃;J-10号水井深280m，水温28.4℃;J-11号水井深399.99m，水温28℃;J-12号水井深150m，水温21℃。且多年来井温基本稳定，受季节变化影响很小。而揭露基岩地层的供水井，井深337.78～442.19m，出口水温27℃～28℃;R-1号井深1100.20m，井口水温30℃;R-2号井深2905.56m，井口水温39℃。R-2号井深增加1805m时，水温仅增加9℃。

R-1号井深1100.20m，井底温度31.12℃，井深200～1087.60m段井温值为26.47℃～31.62℃，井温梯度为0.52℃/100m;井深700～1064m（钻孔700m以上下入套管）井温值29.66℃～31.12℃，井温梯度为0.42℃/100m。

R-2号井深2905.56m，井底温度53.39℃，该井深与井温变化曲线见图4，井内不同深度段井温梯度变化情况见表2。井温资料显示，勘查区在砂页岩、岩浆岩地层中，垂向地热增温梯度很低，孔内井温梯度没有随着井深的增加发生明显变化，岩浆岩侵入岩体层段井温梯度仅1.45℃/100m，垂向地热增温梯度反而小于上部砂页岩地层。

4.2 地温梯度异常的分析

祁县王村地区隐伏岩浆岩隆起区随着钻井深度的增加，井温增温梯度较小，当井深增加1805m时，井口水温仅增加9℃，其原因分析如下：

目前地壳浅部的热量主要来自燕山期以来的岩浆及火山活动（毛小平等，2018），在盆地深大断裂带的通导条件下，岩浆或其产生的水热气物质沿断裂裂隙向上运移。当大气降水或地下径流的冷水沿断裂上部向下渗入，便与下部向上涌动的热水混合形成地下热水。

祁县王村地区隆起的周边几乎完全由断裂所控制，这些断裂形成的破碎带，均具有导水作用，它们纵横交错，彼此连通，在特定的地球物理和地球化学环境中，水和介质长期作用并溶解，携带着微量元素组分在王村地区富集汇入浅部含水层，从而导致地温异常和地下热矿泉水的出现。而勘探R-2号地热井处于祁县隆起区断裂带附近，受断裂带沟通，承压含水层水在压力差作用下发生流动，使地温梯度小于正常地层的地温梯度值;而岩浆岩侵入岩体地温梯度未见明显增高，说明侵入岩体导热性较差，在长期的地壳构造活动中大部分热量已散失。

5 结论

本文从不同角度对祁县王村地区这一典型地热地质特征单元区进行了详细的分析，主要结论如下：

（1）祁县王村至常家堡一带存在隆起隐伏侵入岩浆岩体，地球物理勘探推测隐伏岩体分布面积57km2。施工两眼地热勘探井，其中R-1号井深1100.20m，井底温度31.62℃，井口水温30℃;R-2号井深2905.65m，井口水温39℃，井深1500m以上层段井温梯度小于1℃/100m;取水层段1771～2050m井温梯度1.73℃/100m;侵入岩体层段井温梯度1.45℃/100m。说明随着井深增加，井温梯度反而减小，反映了王村地区隐伏侵入岩体隆起区的地热地质特征。

（2）祁县王村地区地热异常的原因是祁县隆起的周边几乎完全由断裂所控制，这些断裂形成的破碎带，均具有导水作用，它们纵横交错，彼此连通，在特定的地球物理和地球化学环境中，水和介质长期作用并溶解，携带着微量元素组分，在王村一带富集汇入浅部含水层，从而导致地温异常和地下热矿泉水的出现，而不是隆起侵入岩浆岩体的热源所致。

（3）由于勘探井处于断裂带附近，受断裂带沟通，承压含水层水在压力差作用下发生流动，地温梯度小于正常地层的地温梯度值;而岩浆岩侵入岩体地温梯度未见明显增高，说明在长期的地壳构造活动中侵入岩浆岩体的大部分热量已散失。

（4）通过勘查证实，祁县王村隐伏侵入岩体隆起区，在2900m深度以内，岩浆岩富水性弱，地热增温梯度低，地热水勘探开发前景有限。侵入岩体上覆二叠、三叠系砂岩热储层所含低温温水，对养殖业有一定的开发利用价值。

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