乌鲁木齐市甘泉堡-古海温泉区地热地质特征分析

袁丽发，谢 宁，徐海龙

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

研究区位于新疆维吾尔自治区中部天山北麓、准噶尔盆地东南缘，南部及西部为天山北麓山前平原，中部及北部大部分地段为古尔班通古特沙漠。区内南部有吐乌大高等级公路、国道216和省道111、303等多条公路，东部有大黄山至富蕴县高等级公路，交通较便利；北部沙漠区只有石油公路可以通行，大部分地段通行困难。本文在野外实地调查的基础上，并结合相关研究成果[1-5]，从研究区地质背景的角度出发，对研究区地温场特征、热储特征、埋藏条件、地热流体场特征进行全面分析，进而为研究区内开展地热资源勘查及地热资源勘查规划提供依据。

1 研究区地质背景分析

1.1 地层概况

研究区地层属于天山—兴安岭地层区准噶尔地层分区、横跨吉木萨尔县地层小区和将军庙地层小区。受区域构造控制，区内地层总体表现为南厚北薄，东薄西厚的特点。出露地层主要为新近系和第四系，其成分复杂，主要为风积、冲积、冲洪积层，沉积厚度变化较大从几十米到上千米不等。

1.2 地质构造

研究区在大地构造上隶属于准噶尔—北天山褶皱系一级构造单元内的二级构造单元北天山优地槽褶皱带(Ⅱ3)中的博格达复背斜(Ⅱ32)、乌鲁木齐山前拗陷(Ⅱ36)和准噶尔坳陷(Ⅱ2)中的准噶尔中央坳陷(Ⅱ24)、准噶尔东部凸起(Ⅱ25)。

2 研究区地温场特征

2.1 地温场平面特征

本次通过热红外遥感解译，获得研究区冬季地表瞬时地温数据，编制了区内冬季地表地热分布影像图，发现区内大部分地段为中低热区，高热区主要分布于东北部五彩湾及西南角102团一带，温度最低地段主要为西南部各个水库区。

通过对地温数据进行热红外遥感信息提取和解译，初步划分了三个分区：分别为中高温区(30℃～41.5℃)、中温区(28℃～30℃)和低温区(10℃～28℃)。区内低温区分布于中部阜康市北部、六运湖农场至222团一带，面积最小，为445.15 km2；中高温区分布于东北部沙漠区至五彩湾一带，面积为575.73 km2；中低温区分东西两片，西片为102团至甘泉堡经济开发区一带，东片为土墩子农场、滋泥泉子至沙漠区南部一带。面积最大，为1 532.12 km2。

2.2 地温场垂向特征

根据据前人成果，盆地平均地温梯度为22.6℃/km，其中2 000 m范围内1.75～2.7℃/100m，通过本次收集的钻孔孔底测温数据，研究区东部2 000 m深度范围内，平均地温梯度为2.56～2.65℃/100m，在准噶尔盆地中属于地温梯度高值区。

根据准噶尔盆地区域地热成果，1 000 m深处平均温度为24.2℃～42℃；2 000 m深处平均温度为40.2～71.1℃；3 000 m深处平均温度为60.2℃～71.1℃。总体而言，盆地腹部地温高，向南、北方向逐渐降低，在研究区周边以彩南地区最高，东部凸起次之，南部天山山前坳陷最低。

2.3 异常区的圈定

通过本次遥感解译和实地调查分析得出，研究区内热异常主要受南北向断裂F5、F10、东西向断裂F3，F4和北西向断裂F1、F2控制，其中F5，F10为导热断裂，为主要控热构造，受区域断裂F3、F2和F1控制；而北西-南东向F6，F7、F8、F9和F11断裂为导水断裂，主要为区内深部地热流体的补给、排泄、径流提供通道。

受研究区构造格局影响，东部五彩湾一带构造属于帐篷沟凸起，下部侏罗系以上地层大部分缺失，二叠系、石炭系地层埋藏深度远小于其他地区，深部高温地热流体传至浅部乃至地面的几率增大同时，从遥感解译结果也看出，该区域地热异常显示明显。

研究区中部存在三处水温异常，根据该区域与上述断裂位置对应关系，初步判段水温异常主要受F3和F2断裂总体控制，地下深部的高温地热流体，通过横穿上述两断层的F6断裂，将深部地热运移到浅部地段，再通过机井开采地下水将地热异常通过水温异常显露，在水温这一高比热流体的稀释作用下，明显的热异常被消弱，上述过程需要后期进一步工作加以验证。

综上所述，初步判断区内东北部、西南部两片区域均存在地热异常，据此划分两个地热异常区，现分述如下。

2.3.1 古海温泉地热异常区

位于研究区东北部，西以南北向断裂F10为界，北、东至研究区边界，南以北西向断裂F1、F11为界，呈四边形分布，面积约391.6 km2。热异常主要受南北向断裂F10控制，北西-南东向F9、F11断裂为深部地热流体的通道。

2.3.2 甘泉堡地热异常区

位于研究区西南部，西以南北向断裂F5为界，东至北西向断裂F7与东西向断裂F3交接地段，北部、南部均至研究区边界，呈不规则六边形区域分布，面积599.78 km2。热异常主要受南北向断裂F5控制，北西-南东向断裂F6、F7为深部地热流体的通道。

3 研究区热储特征及其埋藏条件

3.1 热储层及盖层的确定

本次圈定的两处地热异常区均位于准噶尔盆地东南，地表出露地层为第四系风积物和冲洪积物，地层中含有大量的粉土、粘土；其下伏地层依次为古近系-新近系、白垩系、侏罗系和三叠系，这些地层中含有砂岩-泥岩互层、泥质砂岩或多层泥岩，构成不透水或弱透水岩层，成为了区内深部地热的良好盖层。

在两处地热异常区中，甘泉堡异常区内现有勘探钻孔大多未揭穿第四系，因而本次重点分析古海温泉地热异常区的热储层特征。综合分析沙南一井、沙南油田SQ3111、SQ3231钻孔资料和前人区域地热成果，初步判断古海温泉异常区地下深部存在热储层，而上部第四系至三叠系地层为该区热储层的盖层，在现有钻孔勘探深度内，盖层厚度约为1 591～2 047 m。二叠系至石炭系为热储层，其类型为层状热储。

3.2 热储特征及其埋藏条件

3.2.1 二叠系热储层

该热储层主要分布于二叠系中统上芨芨槽群、上统下仓房沟群，岩性主要为陆缘近海湖相砂泥岩、海陆交互相灰黄-灰绿色砂泥岩、滨海浅海相砂泥岩夹泥灰岩及火山岩夹碎屑岩等。据沙南一井、彩参2井和沙南油田SQ3111、SQ3231钻孔资料，厚度在657～835 m，埋藏深度在1 866～3 247 m。

由于该层段不是石油钻孔的目的层，该层段的其他特征需进一步工作查明。

3.2.2 石炭系热储层

该地层在整个研究区均有分布，岩性以海陆交替相砂泥质凝灰岩夹石灰岩为主，该时期由于岩浆活动较强烈，玄武岩、安山岩和火山碎屑岩也较为发育。通过沙南1井(古海温泉)资料和实地调查，该热储层主要分布于下石炭统八塔玛依内山组，岩性以深灰色、墨绿色玄武岩为主，埋藏深度为1 866～3 762 m。

1)热源条件

综合前面的区域地质背景和前人对准噶尔盆地地热研究成果可知：区内石炭系地层埋藏深度远小于其他地段，同时该地层中的玄武岩、安山岩和火山碎屑岩等为高热导率岩石，由此推断高热导率石炭系岩石埋藏浅是导致古海温泉异常区地温较高的原因之一，进而推断区内热源来自深部地幔热和构造形变转化热。

2)水源条件

据沙南1井勘探资料，石炭系八塔玛依内山组中赋存基岩裂隙水，含水层深度为1 858.85～2 038.92 m，总厚度约为55.3 m，从深到浅大体分为三层自流水层。由于远离补给区，裂隙水径流滞缓，流量1.1～43.2 m3/d，矿化度高达17.39～18.67 g/L，具有深循环径流特征。其中氯离子含量高达10.37～10.94 g/L，水化学类型为Cl-Ca·Na型，导热性和导水性相对较差，水温22℃～70℃。

本次实测水温约为72℃，水样测试溶解性总固体数值为18.02 g/L，其中氯离子含量高达11.43 g/L，水化学类型仍为Cl-Ca·Na型。

3)构造条件

据沙南1井(古海温泉)勘探资料，该井地处准噶尔盆地东部凸起内的帐篷沟凸起，燕山期强烈抬升导致基底隆起、地层剥蚀严重，侏罗系以上地层缺失。石炭系地层埋藏较浅(1 866 m，远小于盆地其他地段)，岩性为玄武岩、安山岩和火山碎屑岩，该类岩石热导率较高，地温较高。位于地下1 984～2 002 m的地热流体(热水)，通过该井将深部热能传至地表自流，井口出水温度高达70℃(1983年)，以本次实际调查地下水平均水温12℃计算，该井的地温梯度为2.9℃/100m，远高于准噶尔盆地2 000 m范围内1.75～2.7℃/100m的地温梯度。

从区域大地热流分布情况可看出，古海温泉地热异常区的大地热流值明显高于周边，而且区内发育有4条断裂，通过遥感解译及现场验证：北西向断裂F9、F11为导水导热，成为深部地热流体传输的主要通道，在南北向断裂F10和导热断裂(F11)综合作用下，地下深部的高温地热流体沿着F11断层方向(北西-南东向)运移，沙南1号油井(五彩湾古海温泉)本次实测井口水温高达72℃。

4 研究区地热流体特征

4.1 化学特征

甘泉堡地热异常区南部地下水深埋区，第四系松散岩类孔隙水含水层颗粒粗大，径流条件好，水交替强烈，地下水的矿化度均小于0.5 g/L，水化学类型为HCO3-Ca·Na型水；北部含水层颗粒逐渐变细，出现细颗粒夹层和粘土，径流条件变差，水交替作用逐渐滞缓，潜水溶解性总固体为一般1.0～3.0 g/L。水化学类型由南向北依次变为HCO3·SO4-Ca·Na型水、SO4·HCO3-Na型水、SO4·Cl-Na型水，承压水水质较好，溶解性总固体为0.67～0.77 g/L。

根据本次采集的古海温泉地热流体水样测试结果可知：该热水溶解性总固体为18.02 g/L(其中氯离子含量高达11.43 g/L)，水化学类型为Cl-Ca·Na型。水中氟、锶、钡、硼、硅的含量达到理疗矿水命名浓度，锶、钡、硼达到矿水浓度命名。

4.2 动态特征

研究区内地下水水位年内动态类型分为：径流-开采型和径流-蒸发型。

4.2.1 径流-开采型

主要分布在南部山前砾质平原、细土平原和北部沙漠区的大部分区域。每年4-8月为河流丰水期，但受农灌开采的影响，地下水位呈现为低水位期；每年11月至翌年2月为河流枯水期，但农灌区基本无开采，因此地下水位呈现为高水位期。其动态曲线一般为“单谷”型，年内水位变幅通常大于1 m。

4.2.2 径流-蒸发型

小片分布于冲洪积平原北部、风积沙漠南缘一带，即阜康市北部222团、土墩子农场和五彩湾一带，可见埋深小于5 m的区域，局部地势低洼处埋深为1～3 m，该区域为地下水排泄区，降水量较少，蒸发极为强烈，气候干旱，主要接受上游地下水侧向径流补给，以向下游侧向径流和蒸发为主要排泄方式，周围常见有大面积的盐渍化土壤分布。区内地下水埋深年内动态曲线波动不大，年内变幅小于1米。每年5-8月蒸发量较大，出现低水位期。

5 结语

(1)研究区从北向南区域性断裂主要有4条，其中北西-南东向压性逆断层2条(分别为F1、F2)，近东西向的压性及压扭性断裂2条(分别为F3、F4)，均为区域主要控热构造；区内还发育7条隐伏断裂，其中北西-南东向5条，其中F6，F7和F8为张扭性断裂，为区内主要控水(导水)构造；F11断裂周边热异常明显，为区内主要的导热构造。南北向2条(F5、F10)为压性构造，为控热构造(导热断裂)。

(2)研究区内地温分为三级，东北部为中高温区，面积为575.73 km2；中部为低温区，面积为445.15 km2，其他地段为中低温区，面积为1 532.12 km2。

(3)研究区内第四系至三叠系地层为地热异常区的盖层，厚度为1 591～2 047 m；二叠系至石炭系为热储层，埋藏深度为1 866～3 762 m，其类型为层状热储；将区内地下水水位年内动态类型分为径流-开采型和径流-蒸发型。