翟虎威

(山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西 長(zhǎng)治 046000)

當(dāng)前，中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代，社會(huì)各項(xiàng)建設(shè)取得重大成就，我國(guó)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)正迅猛飛速發(fā)展，地?zé)嶂苯永?非電)已連續(xù)多年居世界首位(李寧波等，2018)。近年來山西省對(duì)地?zé)峥辈殚_發(fā)利用的重視程度也越來越高，依據(jù)山西省自然資源廳文件(晉自然資發(fā)[2019]40號(hào))，提到了淺層低溫能、水熱型地?zé)岷透蔁釒r等清潔能源礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)工作作為重點(diǎn)推薦項(xiàng)目，并設(shè)置專項(xiàng)地?zé)峥辈榛?，?duì)地?zé)豳Y源的重視程度提高到了前所未有的高度。按照政策導(dǎo)向，以原平市東社鎮(zhèn)地表天然溫泉為切入點(diǎn)，開展搜集資料、實(shí)地調(diào)查和分析論證工作，從自然背景、地質(zhì)背景、初評(píng)論證和結(jié)論四個(gè)方面進(jìn)行闡述，揭示了研究區(qū)的地?zé)岙惓Ｌ卣骷霸?、地?zé)嵯到y(tǒng)形成原理、勘查開發(fā)的價(jià)值等內(nèi)容。

1 研究區(qū)自然背景

1.1 自然地理

東社鎮(zhèn)位于山西省原平市東南部，五臺(tái)山區(qū)西南角，屬五臺(tái)山脈與忻定盆地的過渡地帶，主要地貌為剝蝕基巖山區(qū)、黃土臺(tái)塬和沖積谷地，標(biāo)高約+800-+1 200 m。G338國(guó)道東西向通過。同河自北向南流經(jīng)此地，屬海河流域滹沱河水系。

1.2 地震情況

根據(jù)中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)地震參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)，研究區(qū)所屬地區(qū)的地震基本烈度值為Ⅷ度，地震動(dòng)峰加速度分區(qū)為0.20 g(中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，2015)。周邊有記錄的3.0級(jí)以上有感地震共16次，其中7級(jí)以上地震有三次(王躍杰等，2009)，主要集中在忻定原盆地(表1)。地震后在盆地邊緣地帶可見大量的新生界第四系斷裂，并形成大量天然溫泉。1991年5.1級(jí)地震震中即位于本區(qū)?？傊?，研究區(qū)及周邊屬地震頻發(fā)區(qū)。

表1 周邊地震統(tǒng)計(jì)表

1.3 區(qū)內(nèi)溫泉

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，東社鎮(zhèn)北600 m處有一座孤立的小山峰，形似大龜，名福壽山，山頂標(biāo)高+876.4 m，出露地層為下元古界滹沱超群豆村群大石嶺組谷泉山段(H1dg)變質(zhì)巖，周邊3～8 km均為第四系松散層覆蓋。山下有溫泉出露，并形成溫塘水庫(kù)，終年不結(jié)冰，水溫恒定，常年保持25 ℃左右，遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)睾銣貙訙囟龋c周邊對(duì)比顯示明顯地?zé)岙惓?。泉水涌出量?50 m3/h，礦化度0.146 g/L。當(dāng)?shù)匕傩斩煸诖藵a麻和洗衣，俗稱“漚麻灘”(圖1)。據(jù)此分析，地下應(yīng)該存在更高溫度的地?zé)豳Y源。

圖1 地表溫泉實(shí)景圖

1.4 周邊溫泉

本區(qū)西部20～40 km范圍內(nèi)分布有運(yùn)營(yíng)的五大溫泉，均位于忻定盆地平原地帶，主要用于溫泉度假、洗浴、理療和溫室(表2和圖2)。地?zé)嵯到y(tǒng)均屬新生代斷陷盆地對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)，開發(fā)原始水溫35.5℃～75.6℃，地溫梯度3.5～7.0 ℃/100m，單井涌水量20～60 m3/h(張海永，2016)，礦化度一般小于1 mg/L。周邊溫泉的分布特征對(duì)本區(qū)開展地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)分析具有重要指導(dǎo)意義。

表2 周邊溫泉分布一覽表

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 地層

區(qū)內(nèi)大部分被第四系覆蓋。根據(jù)周邊出露地層推測(cè)，下伏地層自下而上為上太古界五臺(tái)超群石咀群文溪組(W1w)、臺(tái)懷群柏枝巖組(W2b)、下元古界滹沱超群豆村群四集莊組(H1s)、南臺(tái)組(H1n)和大石嶺組(H1d)?？赡苡邢略沤鐓瘟浩谳x綠巖(Bμ)和花崗巖(γ)侵入體(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989)。五臺(tái)超群為一套火山巖類和砂泥巖類低-中級(jí)變質(zhì)巖系，滹沱超群為一套碎屑沉積巖為主的低級(jí)變質(zhì)巖系，兩套地層呈角度不整合接觸，厚度變化很大(表3)。

表3 地層一覽表

2.2 構(gòu)造

山西省自北向南分布有五大新生界斷陷盆地，分別為大同盆地、忻定盆地、太原晉中盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地，呈“S”型縱貫全省中部。忻定盆地處于山西斷陷帶北中部，總體呈“C”字型，依據(jù)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)差異和構(gòu)造地貌特征劃分為代縣、原平、齊村、定襄、宏道5個(gè)凹陷和金山、閻家莊2個(gè)盆地間凸起及若干盆地邊緣凸起(王躍杰等，2009)。研究區(qū)位于忻定盆地蔡家崗?fù)蛊疬吘墸?991年5.1級(jí)地震震中即位于此處。蔡家崗?fù)蛊鹗怯晌迮_(tái)山西麓斷裂南段、南郭下斷裂、湯頭-宏道斷裂和斷陷盆地自然邊界圈定(圖2)。

圖2 區(qū)域構(gòu)造簡(jiǎn)圖

區(qū)域構(gòu)造亦屬呂梁-太行斷塊五臺(tái)塊隆恒山-五臺(tái)山穹狀隆起西緣的區(qū)域韌性剪切帶，表現(xiàn)為呂梁期構(gòu)造行跡，總體為大型復(fù)向斜東冶-豆村坳褶帶的北翼，形成一系列緊閉褶曲次級(jí)構(gòu)造，構(gòu)造方向?yàn)楸睎|東向。后期與新生代蔡家崗?fù)蛊鸠B加，構(gòu)造形態(tài)及其復(fù)雜，產(chǎn)狀陡立和倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象普遍，并伴有與軸向平行的深大活動(dòng)逆斷裂，組成了忻定新裂陷北部邊界斷裂帶。根據(jù)區(qū)域資料，本區(qū)至少存在東社斷裂和東社北斷裂兩條深大活動(dòng)斷裂。兩條斷裂性質(zhì)相似，呈疊瓦狀平行展布，均為逆斷裂，落差約200～300 m，走向北東東，傾向北北西，傾角65 °，為主要控?zé)徇吔鐦?gòu)造。

2.3 地?zé)釛l件

根據(jù)研究區(qū)的地貌地質(zhì)特征，可初步確定水熱型熱儲(chǔ)層為松散層孔隙熱儲(chǔ)和變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ)兩類。隔熱隔水層為第四系粘土層和片巖、千枚巖及板巖類基巖，自然熱傳導(dǎo)和越流相對(duì)微弱。

由航磁勘探結(jié)果，580 ℃居里等溫面區(qū)域背景值為24～26 km，忻定盆地為22～24 km，五臺(tái)山區(qū)為16～18 km；根據(jù)實(shí)測(cè)大地?zé)崃髦祬^(qū)域背景值為1.4～1.45 HFu，忻定盆地為1.5 HFu，五臺(tái)山區(qū)為1.8 HFu；可以確定五臺(tái)山區(qū)是熔離巖漿隆起部位(馬俊紅等，2004)。本區(qū)位于五臺(tái)山區(qū)西南邊緣，居里等溫面區(qū)域背景值取值18 km，大地?zé)崃髦等≈?.7 HFu，熱源條件遠(yuǎn)好于區(qū)域背景值和忻定盆地中心地帶。

研究區(qū)周邊分布有大量巖漿侵入巖體，活動(dòng)斷裂又比較發(fā)育。熔離巖漿不僅相對(duì)隆起，而且存在灌入上覆巖體的良好自然通道，故干熱巖賦存條件比較優(yōu)越。

參考忻定盆地五大溫泉的實(shí)際資料，采用平均地溫梯度值5 ℃/100m，初步預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)500 m深度地溫為45 ℃，1 000 m深度地溫為70 ℃，1 500 m深度地溫為95 ℃，2 000 m深度地溫為120 ℃。

2.4 水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)

忻定盆地內(nèi)的地?zé)崽锞鶎僦械蜏貙?duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)，其熱水溫度均低于150℃，熱水在偏高的區(qū)域熱背景條件下，進(jìn)行深部運(yùn)移，在向下滲透和水平運(yùn)移的過程中，不斷吸收周圍的熱量，在斷裂破碎帶或斷層交會(huì)處出現(xiàn)熱水排泄點(diǎn)(王俊鑫，2014)。研究區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)基本與其類似。

2.4.1 熱源

根據(jù)以往重力測(cè)量的成果，研究區(qū)莫霍面(地殼和地幔界面)深度約為41 km，康臘面(硅鋁層和硅鎂層界面)深度約為21.5 km(山西省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989)。根據(jù)區(qū)域大地構(gòu)造特征，區(qū)內(nèi)深大活動(dòng)斷裂切割深度應(yīng)未達(dá)莫霍面，但通過活動(dòng)斷裂進(jìn)行熱傳導(dǎo)，莫霍面之上地殼深部集聚的熱能足以成為熱儲(chǔ)層的熱源保障。

2.4.2 熱儲(chǔ)層

與忻定盆地相比，研究區(qū)第四系松散層較薄，熱儲(chǔ)層以變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ)為主。受新生代多次構(gòu)造作用的持續(xù)改造，斷裂帶及附近的變質(zhì)巖巖層裂隙異常發(fā)育，且未被充填固結(jié)，橫向上可形成帶狀或脈狀儲(chǔ)水空間；變質(zhì)巖層中的結(jié)晶白云巖和大理巖可作為相對(duì)良好的含水層，縱向上可形成多層儲(chǔ)水空間。于是可形成復(fù)雜的全方位多層帶狀和脈狀承壓儲(chǔ)水空間。

2.4.3 地?zé)崃黧w

忻定盆地內(nèi)五大溫泉現(xiàn)開采的地?zé)崃黧w全部為第四系松散層熱水，深部地?zé)崴蛏线\(yùn)移過程中與之進(jìn)行了混合，按深度水質(zhì)類型呈現(xiàn)明顯分帶，上部以Cl-·SO42--Na+和Cl--Na+為主，下部以HCO3--Ca2+·Na+為主，說明HCO3-和Ca2+來自深度變質(zhì)巖基巖熱水。由此可初步確定研究區(qū)主要地?zé)崃黧w為HCO3--Ca2+型變質(zhì)巖熱水，同時(shí)與周邊一致，富含F(xiàn)、Rn、Sr和H2S等，具有極強(qiáng)的理療作用。

2.4.4 蓋層

第四系粘土、片巖、千枚巖和板巖滲透系數(shù)和熱導(dǎo)率低，作為相對(duì)良好的隔水隔熱層，可以全面阻斷了地?zé)崴c地表的直接對(duì)流和自然熱傳導(dǎo)，形成多層隔水隔熱封蓋條件。

2.4.5 地?zé)崃黧w補(bǔ)徑排及熱傳導(dǎo)

通過基巖風(fēng)化裂隙和斷裂帶接受大氣降水、松散層類孔隙水和地表水的補(bǔ)給，在地下蓄水空間和徑流通道內(nèi)與熱巖發(fā)生熱交換，東社斷裂作為隔熱隔水邊界，使地下熱水受阻后向上運(yùn)移，或與第四系孔隙含水層混合后溢流于地表，或直接溢流于地表。由此還可初步圈定地?zé)崽锓秶?。預(yù)測(cè)的地?zé)嵯到y(tǒng)簡(jiǎn)化剖面模型見圖3。

圖3 地?zé)嵯到y(tǒng)示意圖

3 論證初評(píng)

(1)從周邊已開發(fā)的五大溫泉與本區(qū)溫塘水庫(kù)的展布形態(tài)和地震震中的分布形態(tài)來看，均呈北東和北北東向的“多”字型(圖2)，與新華夏系構(gòu)造體系中忻定盆地的地貌地質(zhì)特征極為吻合。溫泉分布的共同特點(diǎn)是位于古老變質(zhì)巖結(jié)晶基底凹中隆的斷裂深切部位，高溫中心在斷裂帶上，地?zé)崽镆?guī)模較小，大營(yíng)、奇村、頓村和湯頭地?zé)崽锩娣e分別為15.0、2.18、3.0和1.2 km2(賀秀全，2010)。1991年東社5.1級(jí)地震震中大致位于東社斷裂帶，東社斷裂的持續(xù)活動(dòng)是溫塘水庫(kù)形成的直接原因。研究區(qū)具有的溫泉和地震特征是區(qū)域優(yōu)良地?zé)岬刭|(zhì)條件的佐證。

(2)區(qū)內(nèi)無工礦企業(yè)，地面地下開發(fā)程度低，未進(jìn)行過深層探礦和采礦活動(dòng)，尤其是變質(zhì)巖裂隙含水層地下流場(chǎng)未被擾動(dòng)和破壞，地?zé)豳Y源原生狀態(tài)保持良好。奇村地?zé)崽镉捎诓缓侠淼拇址砰_采，導(dǎo)致水位年平均下降0.14～0.18 m，水溫年平均降低1.6～1.8℃，水中Cl-、Na+和SO42-逐年增加，地?zé)崽锩娣e年平均減少4%～8%(黃衛(wèi)星等，2003)。故應(yīng)盡早做好地?zé)豳Y源科學(xué)集約的勘查開發(fā)利用規(guī)劃。

(3)目前，開發(fā)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)成熟的地?zé)豳Y源為水熱型地?zé)?。水熱型地?zé)峁┡崃糠€(wěn)定，供熱面積大，單井供暖面積在20萬 m2左右。初始投資100元/m2左右，運(yùn)營(yíng)成本12元/m2左右，遠(yuǎn)低于集中供暖和燃?xì)忮仩t供暖(郭森等，2015)。利用地?zé)崮芄┡卜蠂?guó)家和地方政策，原平市正在實(shí)施大營(yíng)水熱型地?zé)徇h(yuǎn)程輸送供暖工程，將解決全市25%的清潔供暖替換問題，對(duì)于尋找新的地?zé)崮茉?，有很大的需求空間。

(4)忻定盆地五大溫泉開發(fā)前均未做勘查評(píng)價(jià)，近3～5 a跟隨國(guó)家和地方政策導(dǎo)向，才陸續(xù)開始全面勘查工作。本區(qū)作為勘查開發(fā)空白區(qū)，應(yīng)先進(jìn)行深入系統(tǒng)的地?zé)峥辈楣ぷ鳎敿?xì)查明地層、構(gòu)造、熱儲(chǔ)層、地下水流場(chǎng)及地溫場(chǎng)等特征。依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)，本區(qū)主要熱儲(chǔ)受斷裂構(gòu)造控制呈帶狀分布，主要為中低溫地?zé)?，勘查類型為?2型，對(duì)比確定達(dá)到了地?zé)豳Y源調(diào)查階段，具有進(jìn)一步進(jìn)行預(yù)可行性勘查開發(fā)的價(jià)值和前景。

(5)五臺(tái)山區(qū)居里等溫面區(qū)域背景值偏低，是熔離巖漿隆起部位，活動(dòng)斷裂形成巖漿灌入上覆巖體的良好自然通道，故也是干熱巖勘查開發(fā)的優(yōu)選地段。2019年11月，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局U型井中深層地?zé)釗Q熱試驗(yàn)技術(shù)成果發(fā)布，填補(bǔ)了我國(guó)在中深層“取熱不取水”技術(shù)研究領(lǐng)域的空白，將水熱型和干熱巖型地?zé)衢_采技術(shù)融合，極大的推動(dòng)了兩類地?zé)豳Y源的協(xié)同快速發(fā)展。干熱巖是潛力巨大的本土化資源，理論上只要達(dá)到足夠深度處處都有干熱巖，與水熱型地?zé)嵯啾炔皇艿赜蛳拗?汪集旸等，2013)。

(6)本區(qū)處于G338國(guó)道連接的滹沱水利-天涯山和五臺(tái)山兩個(gè)風(fēng)景名勝區(qū)間的重要節(jié)點(diǎn)，可與當(dāng)?shù)刂放啤巴ㄋ掷妗闭祥_發(fā)，打造綜合性的溫泉度假旅游目的地。

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)原平市東社鎮(zhèn)一帶的地?zé)豳Y源進(jìn)行調(diào)查分析，初步判斷該區(qū)為受斷裂構(gòu)造控制呈帶狀分布的地?zé)崽铮責(zé)嵯到y(tǒng)為對(duì)流型，隨深度變化具有優(yōu)質(zhì)的中低溫水熱型和高溫干熱巖型地?zé)豳Y源。圍繞地?zé)岙惓５臏靥了畮?kù)進(jìn)行勘查開發(fā)前景廣闊。