張掖盆地地熱資源賦存特征及成因分析

尹 政，柳永剛，張旭儒，李玉山，馮嘉興

（1.甘肅省地質礦產勘查開發局水文地質工程地質勘察院，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；3.甘肅省自然資源廳，甘肅 蘭州 730013）

作為一種可再生清潔能源，地熱資源具有分布廣泛、穩定可靠、易于利用及經濟等特點[1?3]，對綠色、可持續發展極具現實意義，受到世界各國和研究者普遍關注。我國是世界上地熱資源儲量較大的國家之一，尤其是中低溫水熱型地熱資源豐富，沉積盆地型地熱資源由于儲集空間廣、厚度大，其資源量約占水熱型地熱資源總量的89%[4]，開發潛力巨大。合理利用地熱資源對于優化能源結構，緩解能源危機[5?6]，助力中國實現2030年前“碳達峰”、2060年前“碳中和”戰略目標有望發揮重要作用。

我國已有地熱資源研究成果豐碩，近年來高溫地熱研究主要集中在包括青藏[7?8]、川滇[9?10]、青海西寧[11]及新疆西部[12?13]等地區，中低溫地熱研究也在全國多個地區展開[14?17]。位于甘肅河西走廊中段的張掖盆地，自2016年以來，相繼施工了8眼地熱勘探井，井口出水溫度達 45～78 °C，出水量 1 348～6 192 m3/d，勘探成果證實張掖盆地賦存豐富的水熱型地熱資源[18]。盡管地熱資源勘查成果取得了較大突破，但尚未針對張掖盆地地熱田的邊界條件、熱儲特征及地下熱水的形成、分布和運移規律等開展系統的研究。

河西走廊是中國西北地區重要的生態屏障，也是西北內陸的交通、能源、物流樞紐通道，以及絲綢之路經濟帶的重要路段，戰略地位顯著，在推動生態文明建設、推進西部大開發形成新格局中具有十分重要的作用。地熱資源的勘探、開發和利用，對優化當地能源結構，促進綠色發展具有重要意義。本文通過資料收集、地球物理勘查、地熱勘探、勘探井地溫測量以及水文地球化學分析等手段，系統分析張掖盆地地熱田地熱地質特征，探討其地熱成因機制，以期對該地熱田今后的地熱資源勘查和開發利用提供科學依據。

1 區域地質背景

河西走廊地區位于青藏高原東北緣，是以前震旦紀及古生代褶皺為基底的中新生代斷陷——坳陷盆地。從區域地質構造及演化過程看，河西走廊盆地發育在加里東褶皺基底之上，經晚侏羅世——早白堊世的拉張翹傾運動形成的箕狀斷陷，被新近紀擠壓坳陷所覆蓋，第四紀印度次大陸強烈推擠歐亞大陸，使祁連山強烈向河西走廊逆掩、逆沖，第四系疊加在坳陷構造層之上，最終形成了現今的盆地構造格局[19]。張掖盆地屬于河西走廊的次級沉積型盆地，受南北兩側祁連山北緣和龍首山南緣右行走滑逆沖斷裂控制，盆地幾何形態大致呈菱形，長軸呈NWW向展布[20]，屬張扭性盆地，有利于地熱流體的運移和賦存。

張掖盆地中生界下伏結晶基底褶皺形態變化較大，凹陷與隆起相間分布，次級構造較發育，嚴格控制著中生界地層的空間分布及形態特征，進而影響上覆新近系中新統主要熱儲的地熱增溫系統。根據盆地基底的起伏特征，可將盆地分為3個一級構造單元（圖1），即西部隆起帶、東部斜坡帶、中央凹陷帶[20?21]。西部隆起帶位于祁連山前覆蓋區，面積1 250 km2，結晶基底埋深2 500 m左右，中生代地層薄，推測基巖主要由奧陶系、志留系組成，局部為石炭系、二疊系；東部斜坡帶位于中央凹陷帶以東，由永固凸起和大黃山隆起組成，面積1 700 km2，結晶基底最大埋藏深度約2 500 m，由南東向北西抬升，構成單斜構造；中央凹陷帶位于西部隆起帶與東部斜坡帶之間，面積2 100 km2，結晶基底埋藏深度5 000～5 800 m，根據基底形態，又可分為4個二級構造單元：張掖凹陷、朝元寺凹陷、三工閘低凸起和李寨凸起。

圖1 張掖盆地地震推斷構造圖（改編自文獻[20]）Fig.1 Seismic inferred structure in the Zhangye Basin （modified from Ref.[20]）

已有勘探資料證實，張掖盆地地層自上而下為第四系、新近系、白堊系及古生界地層。其中，新近系屬內陸盆地紅色碎屑巖建造，巖性為泥巖、砂質泥巖、砂礫巖和礫巖等，分為上新統疏勒河組（N2s）和中新統白楊河組（N1b），地層沉積連續，由盆地中心至邊緣逐漸變薄，中心厚度達800～1 000 m，至盆地邊緣地帶厚度為500～600 m。盆地熱儲為中生界上覆的新近系白楊河組砂巖、砂礫巖（圖2）。

2 數據來源與研究方法

為分析和進一步查明張掖盆地地熱資源賦存條件及分布特征，本次主要采用資料收集、地球物理勘查、勘探井地溫測量、水文地球化學分析等方法。

本次研究充分收集了區域大量的相關資料（表1），主要有：（1）石油部門在張掖盆地完成的參數井（民參1、民參2）勘探資料和石油地球物理勘查資料（包括地震、重力、航磁物探等），主要來源于1989年出版的《中國石油地質志》[20]和成果總結；（2）甘肅省地礦局在地質勘查基金項目中形成的成果資料（包括地球物理勘查、5眼勘探井的深井地溫測量和水文地球化學分析等成果資料），均為主管部門驗收評審通過的生產項目成果資料。以上資料真實可靠，質量良好。

圖2 張掖盆地地熱地質剖面圖Fig.2 Geothermal geological profiles of the Zhangye Basin

表1 張掖盆地地熱勘探孔地層時代及厚度對比表Table 1 Geological age and thickness of strata tapped by geothermal exploration holes in the Zhangye Basin

地球物理勘查主要采用可控源音頻大地電磁測深、大地電磁測深及視電阻率垂向電測深3種方法?？煽卦匆纛l大地電磁測深采用GDP-32Ⅱ多功能電法工作站，發射電流8～15 A，發射偶極距AB=1 000～2 000 m，接收偶極距MN=100 m；視電阻率垂向電測深采用DZD-8多功能全波形直流電法儀，對稱四級裝置，最大供電極距AB = 10 000 m，最大測量極距MN=750 m；大地電磁測深采用Aether大地電磁測量系統，采樣率96 kHz，觀測時間不小于4 h。地球物理勘查解譯成果經鉆探驗證基本吻合。

勘探井地溫測量在鉆探結束24 h后進行，采用電阻法在孔內進行全孔段連續測溫，測溫結果屬穩定態測溫數據。

水文地球化學樣品是在地熱井產能測試結束后采集。地熱流體全分析樣品采集時采用4 000 mL本色聚乙烯塑料桶，將取樣桶置于水面以下灌滿后立即密封瓶蓋，并送甘肅地質工程實驗室、甘肅省地礦局中心實驗室進行檢測分析；D（氘）、18O、3H（氚）同位素樣品采用500 mL無色聚乙烯塑料瓶采集，取滿樣品，并在水面以下加蓋密封，不留空隙；14C同位素樣品在現場利用BaCO3沉淀法，采用750 mL聚乙烯塑料瓶采集。將所有同位素樣品送至國土資源部地下水礦泉水及環境檢測中心進行檢測分析。地熱流體全分析水樣采用等離子體發射光譜儀（i CAP6300）測試，18O、D同位素樣品采用同位素質譜儀（L2130i）進行測試，δ18O分析誤差為±0.1‰，δD分析誤差為±1.0‰，3H、14C同位素樣品采用超低本底液體閃爍譜儀（PE 1220 Quantulus）進行測試，3H 分析誤差為±0.1 TU，14C分析誤差為±0.3 pMC（現代碳百分比）。以上樣品的檢測機構均有計量認證及檢測資質，檢測結果真實可靠。

3 結果

3.1 熱儲特征

張掖盆地熱儲為新近系中新統白楊河組碎屑巖類孔隙型熱儲。其中，白楊河組下部的間泉子段為含礫砂巖與砂礫巖，膠結程度低，分布較穩定，厚度達100～400 m，是盆地主要的熱儲層，其變化趨勢與新近系地層一致。根據勘探成果分析，白楊河組間泉子段在張掖凹陷厚100～150 m，朝元寺凹陷厚150～200 m，在盆地東南民樂六壩附近為300～500 m（圖3）。ZYDR1井白楊河組下部間泉子段埋深位置1 630.0～1 804.5 m，厚度達174.5 m，經測試分析，其飽和狀態孔隙率為22.2%，飽和含水率為 5.2%[7]（表2）。

圖3 白楊河組間泉子段厚度等值線圖（改編自文獻[20]）Fig.3 Thickness contour map of the Quanzi section of the Baiyanghe Formation (modified from Ref.[20])

表2 張掖盆地地熱勘探孔孔隙型熱儲統計表Table 2 Statistics of geothermal reservoirs of pore type tapped by geothermal exploration holes in the Zhangye Basin

3.2 地溫梯度

已有熱響應試驗顯示，張掖盆地恒溫帶深度約30 m，恒溫帶地溫7.6 °C。由于盆地結晶基底埋深較大，受上覆孔隙裂隙巖層徑流作用影響，導致恒溫帶以下地溫梯度偏低，一般為2.00～2.67 °C/100 m。熱儲層巖性相同，受熱儲層埋藏深度、蓋層厚度和基底形態、巖性及構造的影響，地熱井熱儲在垂向上的測溫數據相差也較大。根據張掖盆地現有深井地溫數據（表2），盆地西部隆起帶臨澤縣城南部LZDR1井平均地溫梯度2.58 °C/100 m，在鉆遇到花崗巖后地溫梯度未顯異常；盆地西南部隆起帶甘浚ZYDR2地熱井平均為2.04 °C/100 m；中央坳陷中部濱河新區民參1井、ZYDR1井一帶平均地溫梯度為2.32～2.56 °C/100 m；中央坳陷中部沙漠體育公園ZYDR3井地熱井至南東民樂新天鎮MLDR1井一帶平均地溫梯度為2.43～2.67 °C/100 m，MLDR1 井在鉆遇到花崗巖后地溫梯度略有增長。

構造形態、基底起伏、巖漿活動、巖性、蓋層厚度、褶皺、斷層、深層地下水的運動等都是影響地溫場的重要因素[22]。分析具有代表性的甘州區濱河新區ZYDR1孔地溫測量資料，地熱增溫率為2.32 °C/100 m（圖4），1 200～2 300 m井段地熱增溫率較其他井段要低，為 42.9～55.3 °C，平均地溫梯度為 1.35 °C/100 m，推測該層段在傳導熱流場中疊加了地下水的對流作用，這與測井解譯的主要熱儲段（1 225～2 290 m）埋深基本一致[23]。

圖4 濱河新區ZYDR1井測溫曲線Fig.4 Temperature measurements of ZYDR1 well in the Binhe new area

3.3 地熱水地球化學特征

3.3.1 地下熱水常規組分

張掖盆地地下熱水pH值7.06～8.52，平均7.49。地下熱水含有普通地下水的各種成分，陽離子中Na+占優勢，陰離子中Cl?、占優勢。根據舒卡列夫分類方法，考慮毫克當量百分數大于25%的離子，張掖盆地地下熱水陰離子分別為Cl?、，陽離子僅為Na+，地熱流體水化學類型基本一致，為Cl·SO4——Na型。另外，根據Piper水化學類型三線圖（圖5）可知，張掖盆地地熱流體全部投點在較小區域內，說明各地熱井地熱水的熱儲位置、溶濾特征、補徑排條件具有一致性。

圖5 Piper地熱水水化學類型三線圖Fig.5 Piper trilinear diagram showing the hydrochemical types of geothermal waters

分析熱儲層中礦物成分鈉鹽可能較豐富，其溶解度隨溫度升高而增大；Cl?主要來源地下水流經含氯礦物巖層（NaCl、MgCl2、CaCl2等）而聚集的，Cl?不容易被吸附而大量賦存于地下水中，張掖盆地的地下熱水也顯示出了這一特征；是地下水流經含石膏礦物的巖石時溶濾硫酸鹽形成的[24]。在地下水中很多組分彼此存在著一定的共生關系，兩種組分在數量上的比例關系，稱為比例系數，利用比例系數可以判斷地下水的成因、進行水化學分類及水化學找礦等。通常，ρ(Cl)/ρ(Br)（ρ為質量濃度）大于 300 屬于溶濾巖鹽形成的溶濾水；小于300時說明水中Br富集，屬古埋藏型海水；等于300屬于大洋水[25]。標準海水的γNa/γCl（離子毫克當量濃度比）平均值為0.85，海相沉積水的γNa/γCl一般小于 0.85，含巖鹽地層溶濾水的γNa/γCl接近于1.0[26]。張掖盆地地熱流體的ρ(Cl)/ρ(Br)最小為 605，遠大于 300；γNa/γCl介于 0.79～1.09，平均為 0.92，可認為研究區地熱水主要為溶濾型陸相沉積水。

3.3.2 地下熱水特征組分

按照理療熱礦水水質標準進行評價，熱水的偏硅酸、偏硼酸、氟離子含量較高，為熱礦水的主要特征組分，可以達到理療熱礦水的礦水濃度或命名濃度。5眼勘探井地熱水中，偏硅酸質量濃度為28.36～59.80 mg/L，偏硼酸為3.15～24.10 mg/L，氟離子為1.43～3.60 mg/L。F?、SiO2質量濃度與水溫大致呈正相關關系（表3），這主要是由于溫度對溶濾作用的影響，即熱礦水中氟化物、硅酸鹽的溶解度隨溫度的升高而增大。地熱水水化學特征也反映出了其循環深度較深，圍巖體中硅酸鹽、硼酸鹽礦物較豐富，水文地球化學環境也有利于偏硅酸、偏硼酸、氟離子運移[27]。

表3 張掖盆地地下熱水水化學分析結果Table 3 Hydrochemical analyses of geothermal waters in the Zhangye Basin

3.3.3 地下熱水同位素特征

（1）氫氧同位素特征

張掖盆地地下熱水δD與δ18O值變化范圍不大（表4），δD 為?74‰～?77‰，δ18O 為?9.5‰～?10.5‰。黃錦忠等[28]在張掖盆地開展了較多的大氣降水的氫氧同位素研究，建立了張掖地區的大氣降水曲線，利用IAEA的穩定同位素數據線性回歸求得張掖地區的大氣降水線方程為：δD=6.76δ18O?4.50，該曲線R2=0.94，可信度高，可將地下熱水的δD、δ18O值繪制在該大氣降水線曲線圖上，從圖上可看出（圖6），地熱水樣點大多落在降水線附近，這表明本區地下熱水補給來源主要為大氣降水[29?30]。

表4 張掖盆地水樣氫、氧同位素分析結果Table 4 Results of hydrogen and oxygen isotope analyses of geothermal water in the Zhangye Basin

圖6 張掖城區及外圍部分水樣δD、δ18O與H·Craigh降水直線關系圖Fig.6 Plot of δD and δ18O in water samples in the city of Zhangye and nearby area

（2）放射性同位素（3H、14C）特征

放射性同位素3H，半衰期為12.43 a，在過去的50 a里被廣泛應用于解決地下水年齡等相關問題，由于其半衰期短，一般適用于確定數年至50 a的地下水年齡。14C 半衰期為（5 730±40）a，常被用來測定介于 2×103～6×104a的古地下水年齡。自1953年核爆試驗后，大量3H進入大氣層，并隨降水進入到地下系統中，可以根據3H含量的大小判斷水的新老。3H含量很低的水（如<2 TU），可以肯定是1953年以前形成的地下水“老水”，3H含量高的地下水，則必定包含有1953年后入滲補給的“新水”[31]。研究區水樣的3H值見表4，可以看出地下熱水的3H值普遍小于2 TU，說明地熱水為1953年以前形成的地下水。另外，據MLDR1井、MLDR3井、ZYDR3井地下熱水14C分析結果，現代碳百分數分別為（6.06±0.67）%、（0.78±0.45）%、（2.89±0.95）%，分析其表觀年齡分別為（23.17±0.92）ka、（40.08±4.67）ka、（29.31±2.72）ka，這進一步證實了研究區地熱水屬于古地下水，形成年齡超過20 ka。

4 討論與分析

4.1 熱儲構造及熱源分析

已有資料表明，張掖盆地地熱田屬呈層狀分布的盆地型中低溫地熱田，熱儲以新近系中新統白楊河組間泉子段的砂巖、砂礫巖為主，屬碎屑巖類孔隙型熱儲，其底界面埋深一般為1 004.40～2 188.00 m。熱儲層上部為大厚度的泥巖構成蓋層，起到了非常好的保溫作用，熱源來自深部地殼或上地幔的熱傳導，地下熱水溫度隨熱儲埋藏深度而升高，即地下深部的熱能通過上覆巖層向上傳導，對圍巖地層進行加熱。LZDR1井、ZYDR2井、MLDR1井雖鉆遇了加里東期花崗巖，但其時代較早，巖漿余熱已消失殆盡，測溫曲線也顯示花崗巖對現今地溫場基本無影響，不構成附加熱源。故地下熱水的形成是在正常的大地熱流背景下，地下水在深循環過程中吸取圍巖熱量并與圍巖發生水-巖相互作用，同位素組成、水化學成分發生改變，形成較高溫度的熱水。

綜合分析認為，張掖盆地總體上是在以熱傳導為主的大地熱流作用機制下形成的中低溫地熱資源，但在主要熱儲層中疊加了地下水的對流作用。

4.2 熱儲溫度及循環深度分析

根據張掖盆地地熱形成的地質條件和地熱水化學特征，結合熱溫標適用條件[32]，選擇鉀鎂地球化學溫標對地熱異常區熱儲溫度進行估算。計算公式如下：

式中：T——熱儲溫度/°C；

C1——熱水中 K+的質量濃度/（mg·L?1）；

C2——熱水中 Mg2+的質量濃度/（mg·L?1）。

K+、Mg2+的質量濃度見表5。經計算，張掖盆地已有地熱井熱儲溫度為47.82～81.49 °C，結合井口實際出水溫度，可以判斷張掖盆地地熱田地下熱水的深部熱儲為中低溫熱儲，推測深部熱儲溫度在47～82 °C之間（表5）。

表5 張掖盆地地下熱水熱儲溫度估算Table 5 Estimated temperature of geothermal reservoirs in the Zhangye Basin

根據區內地熱井測溫資料，張掖盆地地熱異常區地熱增溫梯度為2.04～2.67 °C/100 m，恒溫帶深度約30 m，恒溫帶地溫7.6 °C。通過式（2）可確定地下熱水的循環深度[33]：

式中：Z——地熱水循環深度/m；

T——熱儲溫度/°C；

T0——恒溫帶溫度/°C；

G——地熱增溫梯度/（°C·100?1·m?1）；

Z0——恒溫帶平均深度/m。

經計算張掖盆地地熱田地熱水的循環深度為1 588.91～2 813.27 m，與已有勘探孔熱儲底界面比較深500～800 m（表6），說明熱儲層下部一定深度裂隙帶內尚有地熱水的循環。

表6 張掖盆地地熱勘探孔推測熱水循環深度Table 6 Estimated circulation depth of geothermal water in geothermal exploration holes in the Zhangye Basin

4.3 地熱流體補給來源及通道

根據對地熱井地熱流體氫、氧穩定同位素分析結果，張掖盆地地下熱水補給來源主要為大氣降水。張掖盆地南部祁連山區降水量充沛，高海拔地帶年降水量可達800 mm左右，區域構造運動強烈，深大斷裂及次級斷裂數量較多，加上山區水文網發育，河流切割作用強烈，對地下水的形成、分布、賦存和運移產生著深刻的影響。張掖盆地屬于祁連地槽褶皺系北緣的中新生代凹陷盆地，祁連山區較盆地熱儲層位置高3 000～4 000 m，具有較好的補給高程優勢，而北山區高程低，與盆地熱儲層高差小，且降水量僅幾十毫米，推測地下熱水補給來源主要為南部祁連山區降水。

祁連山北緣深大斷裂和盆地內NNW向基底斷裂是地熱流體深循環的良好導水通道。祁連山區大氣降水和冰雪融水沿破碎巖體、水文網的入滲后形成基巖裂隙水，通過北緣深大斷裂破碎帶補給到盆地深部，在深部熱傳導的作用下地下水逐漸增溫，并儲存在孔隙發育、滲透性較好的熱儲層中，在水頭壓力差的作用下由SE向NW徑流，水力坡度為2.20‰左右（圖7）。研究區地熱水屬于萬年尺度的古地下水，反映出地熱流體補給來源遠，徑流速度緩慢這一特點。

圖7 張掖盆地地熱田概念模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of conceptual model of the geothermal field in the Zhangye Basin

5 結論

（1）張掖盆地地熱田屬呈層狀分布的沉積盆地型中低溫地熱田，熱儲為新近系中新統白楊河組碎屑巖類孔隙型熱儲，熱源來自深部地殼或上地幔的熱傳導；地熱系統中地熱水系在地下水深循環過程中，在正常的大地熱流值背景下被圍巖逐漸加熱所致；初步分析，地下熱水溫度大致隨熱儲埋藏深度的加深而升高。

（2）張掖盆地地熱流體水化學類型為Cl·SO4——Na型，F?、SiO2質量濃度與水溫大致呈正相關關系，反映出富含F?、SiO2的地下熱水由地殼深部沿斷裂構造向上運移到淺部，并向外橫向擴散、滲透的過程；根據地熱流體的ρ(Cl)/ρ(Br)、γNa/γCl（離子毫克當量濃度比）判斷，該地熱水主要為溶濾型的陸相沉積水。

（3）同位素研究表明，張掖盆地地下熱水為大氣降水補給，屬大氣成因，區內地下熱水3H值較低，均小于2 TU，說明形成時間較早；14C分析結果證實地熱水形成年齡超過20 ka，其補給高程和準確的補給年齡尚需開展進一步的研究。

（4）根據張掖盆地地熱形成的地質條件和地熱水水化學特征，選擇鉀鎂地球化學溫標對熱異常區熱儲溫度進行估算,推測深部熱儲溫度大致在47～82 °C，為中低溫熱儲，同時熱儲層下部一定深度裂隙帶內存在地熱水的循環。