银川盆地东缘地热成藏模式探讨

陈晓晶，虎新军，李宁生，仵阳，程国强，倪萍，曹园园，卜进兵

(1.宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院， 宁夏 银川 750001； 2.宁夏回族自治区地质工程院， 宁夏 银川 750001)

0 引言

地热作为一种清洁能源，具有储量丰富、分布广阔、用途广泛等特点，近年来受到多位学者的广泛关注[1]。汪集旸等根据地热成因分析，将地热系统分为：中低温传导型地热系统、中低温对流型地热系统、高温传导型地热系统、高温对流型地热系统四种类型，并认为我国大型沉积盆地中蕴含丰富的中低温地热资源，它们以传导型地热系统为主，在局部地带，由于受到断裂活动的影响形成传导—对流的亚类[2-5]。以往众多学者研究表明，河北雄县地热田属于地类地热系统，其热源为地壳放射性元素产生的热量和来自上地幔的热，热储层为浅层的新近系砂岩及深层的蓟县系雾迷山组白云岩，导水通道为基岩中的断裂和次生裂隙，盖层为第四系、新近系下部和古近系致密泥岩[6-11]。相比较，银川断陷盆地内部为以古近系、新近系砂岩为储层，第四系泥岩、黏土为盖层的“传导型”地热[12-15]，其埋藏深、热水矿化度高。但近年来以天山海世界井田为典型的钻探实践揭示：银川盆地东缘赋存有显著区别于盆地内部“传导型”的地热资源，其成藏特征与河北雄县地热田类似，具有埋深浅、热水矿化度低、易开发利用等优点，因此，比勘查利用传统的断陷盆地深部的地热资源(如Y1井)更具开采意义[16]。笔者以地球物理及钻孔资料为基础，对银川盆地东缘地热资源的成藏模式进行了分析探讨，为该区后期地热勘探开发与研究提供依据。

1 区域地质与地球物理概况

1.1 地质构造概况

如图1所示，研究区位于银川断陷盆地东缘，北界为正义关断裂东延，南界为灵武南—磁窑堡一带，西侧以黄河断裂为界，大地构造位置属柴达木—华北板块Ⅰ级构造单元、华北陆块Ⅱ级构造单元、鄂尔多斯地块Ⅲ级构造单元、鄂尔多斯西缘中元古代—早古生代裂陷带Ⅳ级构造单元、陶乐—彭阳冲断带内北段陶乐—横山堡陆缘褶断带Ⅴ级构造单元[17]，NNE向断裂构造发育，黄河断裂为最主要的控边断裂[18-24]。钻孔资料表明，新生界下伏多套中、古生界地层，由老到新依次为：寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系及白垩系。由于周缘巨厚的新生代沉积覆盖，前新生代地层出露非常有限，仅在横山堡、灵武之间有较大面积的白垩系地层出露，这些地层作为隆起区地热资源的储层、隔热层及沉积盖层，共同构成了本区地热资源的赋存环境。

1—上部风积层；2—湖沼积层；3—下部风积层；4—灵武组；5—马兰组；6—水洞沟组；7—洪积层；8—干河沟组；9—彰恩堡组；10—清水营组；11—宜君组；12—庙山湖组；13—直罗组；14—延安组；15—上田组；16—大风沟组；17—二马营组；18—和尚沟组；19—刘家沟组；20—孙家沟组；21—上石盒子组；22—下石盒子组；23—山西组；24—羊虎沟组；25—靖远组；26—中宁组；27—米钵山组；28—天景山组；29—胡鲁斯台组；30—陶思沟组；31—王全口组；32—黄旗口组；33—赵池沟岩群；34—宗别立岩组；35—宾布勒岩组；36—英云闪长岩；37—黑云母花岗岩；38—隐伏断层；39—裸露断层1—upper aeolian deposits；2—lacustrine deposits；3—lower aeolian deposits；4—Lingwu formation；5—Malan formation；6—the tunnel ditch formation；7—diluvium layer；8—Ganhegou formation；9—Zhangenbao formation；10—Qingshuiying formation；11—Yijun formation；12—Miaoshanhu formation；13—Zhiluo formation；14—Yan′an formation；15—Shangtian formation；16—Dafengou formation；17—Er′maying formation；18—Heshanggou formation；19—Liujiagou formation；20—Liujiagou formation；21—upper Shihezi formation；22—lower Shihezi formation；23—Shanxi formation；24—Yanghugou formation；25—Jingyuan formation；26—Zhongning formation；27—Miboshan formation；28—Tianjingshan formation；29—Hulustai formation；30—Taosigou formation；31—Wangquankou formation；32—Huangqikou formation；33—Zhaochigou group；34—Zongbieli rock group；35—Binbulite formation；36—tonalite；37—biotite granite；38—concealed fault；39—exposed fault图1 银川盆地地质构造Fig.1 Geological structure map of Yinchuan basin

1.2 地球物理概况

1.2.1 重力场特征

研究区布格重力异常整体上表现为NNE向展布的高值区特征，反映出深部地层整体隆升；局部上，高值区带内部重力场特征差异明显，南部横山堡、临河镇附近的布格重力高异常呈椭圆状展布，形态较规则，反映了冲断带南部基底局部隆升幅度较大；中部布格异常值逐渐降低，至月牙湖镇附近，为重力异常低值区；北部礼和乡以东区域，存在布格重力高值区。综上所述，该区布格重力异常反映了陶乐—横山堡冲断带内部南北高、中部低的基底隆升特征[25-26]。

1.2.2 航磁场特征

研究区以平稳而略有起伏的负磁场为主要展布特征，仅在内蒙古自治区鄂托克前旗境内的巴音陶亥南部分布一处面积较大、形态规则的局部高磁异常，其西侧梯度陡、东侧梯度缓，对应着西缘褶断带的地质和构造特征。

2 地热地质特征

2.1 地热异常显示

图2热异常矿区位置及钻孔测温曲线揭示，该区内地热异常明显，且南北部均有分布。其中：北部三眼井勘探区最高井底温度值52.4℃，深度1 360 m，最低温度值31.4 ℃，深度673 m；中部红墩子矿区井底温度值最高为30 ℃，深度640 m，最低地温值23 ℃，深度636 m；天山海世界井田DRT-03钻孔深度1 690 m处，井底温度可达64.03 ℃。

2.2 地温梯度分布

如图3所示，平面上，银川平原地温梯度异常以平罗南为中心呈NW向展布，东部隆起区地温梯度约在(2～4.4)℃/100 m之间，最高值位于盆地东缘隆起区的平罗南(4.4 ℃/100 m)，地温梯度明显高于盆地内。

如图4所示，纵向上，隆起区地温梯度变化直接受地层岩性控制。上部新生代中粗砂岩及泥岩地层中，地温梯度由浅部向深部呈线性逐渐增大，中部古生代石炭—二叠系含煤地层中地温梯度随着深度明显陡增，最高可达5.04 ℃/100 m，深部穿过煤系地层进入奥陶系灰岩地层后地温梯度则又逐渐变小。

图2 热异常矿区位置Fig.2 Location map of thermal anomaly mining area

图3 银川平原地温梯度分布Fig.3 Geothermal gradient distribution map of Yinchuan plain

图4 天山海世界地热井地温梯度变化Fig.4 Geothermal gradient change map of Tianshan sea world geothermal well

3 地热成藏模式探讨

以河北雄县地热类型及特征为参考，按照热源、导热通道及储盖组合等特征，将银川盆地东缘隆起区地热类型归纳为盆地边缘中低温“传导—对流混合型”。

3.1 热源分析

处于南北构造带北段鄂尔多斯盆地西缘冲断带内，这一特定的大地构造环境造就了本区具有良好的深部热源条件。以银川平原航磁资料为基础估算的银川平原居里等温面[27]如图5所示，等温面隆起区以平罗为中心呈NW向展布，SE向居里面深度较浅，等深线逐渐圈闭。由此认为，银川盆地东缘居里等温面相对较浅，致使地壳深处的热流在传递过程中聚集于浅部，形成局部热流高值异常区。

图5 银川平原居里等温面深度Fig.5 Depth map of Curie isothermal surface in Yinchuan plain

3.2 导热导水研究

黄河断裂作为银川盆地规模最大的边界断裂，浅部南段为裸露状，中北段表现为隐伏状[28]，图6～图7为研究区大地电磁测深剖面及银川盆地深地震叠加剖面解释成果[29]，研究表明黄河断裂作为盆地边缘一张性断裂，具有规模大、切割深、延伸远等特征，同浅部发育的多条小规模次级断裂组成的“黄河断裂系”，构成了地热流体良好的导热导水通道。

3.3 热储盖层探讨

依据研究区地热钻孔揭露的地层岩性特征与综合测井资料分析，研究区热储层为奥陶系，盖层为石炭—二叠系与新生界地层。

3.3.1 热储层

如图8所示，受基底构造控制，本区奥陶系热储层顶板埋深700～1 050 m，厚度近千米。岩性主要为泥质灰岩、泥灰岩、白云岩、页岩互层，岩层裂隙发育，裂隙率为2.70%～20%，渗透率为0.01～115.4 μm2。测井温度、地温梯度数据显示，该段井温较高，为38℃～64℃，地温梯度变化缓慢且随深度增加逐渐减小。即：该层段富水性好、裂隙发育、地层厚度大，可作为有利的热储层。

3.3.2 盖层

盖层是地热赋存的重要地质条件之一。本区盖层主要为第四系、新近系、古近系、二叠系、石炭系地层，其中石炭—二叠系组成第一盖层，古近系、新近系与第四系构成第二盖层，地层总厚度约500～1 000 m。岩性主要以砂岩、粉砂岩、泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩、炭质泥岩细砂、砂黏土为主，此类岩石热导率较低，均小于2.3 W/(m·℃)，石炭—二叠系所含煤系地层热导率最低为0.61 W/(m·℃)[30]。如图8所示，此岩段地温梯度变化较快，最大值与最小值相差4.03 ℃/100 m。综上，此组地层隔热保温作用好，厚度大，发育范围广，构成了本区良好的地热盖层条件。

3.4 地热成藏模式总结

银川盆地东缘地热资源成藏模式如图9所示，具体可归纳为：由正常地温梯度增加所积累的热量聚集于银川断陷盆地东缘隆起区，黄河断裂系将高孔高渗的奥陶系热储层中富含的基岩孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、碎屑岩裂隙孔隙水向上运移，在局部凸起部位富集，上覆大面积的低热导率的石炭—二叠系，对地热能的逸散进行首次阻隔，其上厚度较大的新生界地层对深部热能进行二次保护。

图6 贺兰山—陶乐北大地电磁测深(MT)剖面Fig.6 Helanshan-Taolebei magnetotelluric sounding (MT) profile

图7 银川盆地深地震叠加剖面解释结果[29]Fig.7 Interpretation results of deep seismic superimposed sections in Yinchuan Basin[29]

图8 地热井地层温度变化Fig.8 Formation temperature change diagram of geothermal well

综上所述，银川盆地东缘隆起区地热成藏必要条件有3个：① 要有断裂体系作为导热导水通道，在银川盆地东缘即黄河断裂系；② 高孔高渗、裂隙发育的奥陶系灰岩为热储层；③ 大厚度、大面积、低热导率的石炭—二叠系与新生界砂岩、泥岩、页岩为盖层。

图9 地热资源成藏模式Fig.9 Geothermal resource accumulation model map

4 结论

1) 钻孔测温数据显示，银川盆地东缘隆起区内地热异常明显，且南、北段均有分布。平面上，地温梯度异常最高值位于盆地东缘隆起区的平罗南，为4.4 ℃/100 m，明显高于盆地内部。纵向上，隆起区地温梯度变化直接受地层岩性控制。浅部地温梯度呈线性逐渐增大，中部地温梯度随着深度明显陡增，深部地温梯度又逐渐变小。

2) 以构造成因与热传递方式为依据，将银川盆地东缘隆起区地热类型归为“传导—对流混合型”。

3) 银川盆地东缘地热成藏模式为：由正常地温梯度增加所积累的热量聚集于断陷盆地边缘凸起区并形成高地温异常区，黄河断裂作为导热导水通道将奥陶系中的孔隙、裂隙水向浅部运移，石炭—二叠系与新生界地层覆于奥陶系之上，防止热能散失。

4) 银川盆地东缘地热成藏三个必要条件：一是要有断裂体系作为导热导水通道；二是高孔高渗、裂隙发育的灰岩为储层；三是大厚度、大面积、低热导率的泥岩、页岩为盖层。

黄河断裂作为控制银川盆地的东部边界断裂，垂直断距较大，银川盆地东缘地热来源是否为深切至地幔的张性断裂(黄河断裂)作为导热通道，将来源于深部地幔的热能向上导入，并将奥陶系中富含的基岩孔隙水、碳酸岩盐裂隙岩溶水、碎屑岩孔隙水加热，将是下步研究的重点。