虎新軍，陳曉晶，仵陽，安百州，倪萍

(1.寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學勘查院，寧夏 銀川 750001； 2.中國地質(zhì)大學(武漢) 資源學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國地熱資源類型多樣，分布廣泛，不同的地質(zhì)條件造就了不同類型資源。根據(jù)賦存埋深和溫度將地熱資源劃分為淺層地熱資源、水熱型地熱資源和干熱巖3個大類，再以地熱資源富集賦存的關鍵地質(zhì)要素為依據(jù)，按照源(熱源和水源)—通(通道及傳輸)—儲(儲集體)—蓋(蓋層)等地質(zhì)要素和熱的傳輸、儲集、保存、散失等地質(zhì)作用的特征，將水熱型地熱資源進一步細分為巖漿型、隆起斷裂型和沉降盆地型3亞類[1-3]。

近年來，銀川盆地東緣地熱勘探取得了新突破，以天山海世界地熱井田最具代表性，地熱類型顯著區(qū)別于盆地內(nèi)部“沉降盆地型”地熱，具有“埋藏淺、溫度高、水量大、水質(zhì)好”等優(yōu)點，是典型的盆地邊緣“隆起斷裂型”[4]，成為了本地區(qū)地熱研究的熱點。地熱研究中的地球物理方法有多種，以地溫場調(diào)查、重力勘探、磁法勘探、電法勘探、大地面波測深和人工地震勘探[5]為主流手段。早期的研究側(cè)重于單一方法的應用分析，黃力軍及胡寧等[6-7]認為花崗片麻巖、火成巖一般都具有較強磁性，通過精度高的磁法測量可確定火山巖、侵入巖及蝕變帶的分布位置，間接劃定地熱分布范圍；Pamukcu O A等[8]將自由空氣重力異常與航磁異常的明顯負相關關系作為了指示區(qū)域地下地熱遠景區(qū)的一個重要指標，李學云等[9]根據(jù)重力異常分布，發(fā)現(xiàn)河北湯泉地區(qū)地熱熱源與深部構造的酸性熱液活動有關；劉長生等[10]將MT法運用到遼河凹陷西部，將埋深較大的低阻電性層確定為潛在熱儲層，并得到了實際鉆孔數(shù)據(jù)的驗證，汪琪[11]根據(jù)銀川平原地區(qū)主要的電性剖面，并結合地質(zhì)剖面分析研究了該地區(qū)的熱儲類型；付微等[12]認為微動勘探方法對深部低速層分辨率較高，對破碎帶低速異常體探測效果良好，能有效圈定含水破碎帶區(qū)域，有助于提高地熱勘查精度，劉遠[13]通過對地微動探測和大地電磁測深兩種方法的研究，探索性地提出利用地微動觀測結果對大地電磁數(shù)據(jù)進行約束反演的聯(lián)合使用方法。隨著技術的快速發(fā)展，利用多種物探方法相互結合來查明地熱地質(zhì)條件成為通用的做法，張宇等[14]在銀川平原地熱調(diào)查中利用淺層地溫、視電阻率、衛(wèi)星遙感圖像、土壤汞質(zhì)量分數(shù)、地熱鉆井等方法綜合圈定了地熱田范圍；高亮等[15]在銀川沙湖地區(qū)的地熱研究中利用可控源音頻大地電磁法結合巖性測深，確定了地熱井位置，曹學剛等[16]利用MT方法輔助以鉆孔資料，探討了銀川平原黃河東岸地熱資源的分布特征及賦存規(guī)律；左麗瓊等[17]針對地質(zhì)條件復雜區(qū)的深部地熱勘探，采用深孔測溫測量、高精度重力剖面、微動探測、CSAMT法組成的綜合物探方法，準確查明深部地熱的分布特征。可以看出，針對不同地區(qū)地質(zhì)條件與地熱成藏模式的差異化與復雜化，物探方法的選取也需要具有很強的針對性。所以，在地熱勘查與研究的實際工作中，以地質(zhì)—地球物理特征為基礎，合理選取一種地球物理方法的優(yōu)化組合，不僅是一個重要的技術課題，而且對實際的地熱勘查開發(fā)具有很強的指導意義。

本次在前期地質(zhì)條件分析的基礎上，利用1∶5萬重力測量、可控源大地電磁測深、微動測量，反演了基底構造、確定了儲蓋組合、細化了蓋層特征，綜合分析了銀川盆地東緣臨河地區(qū)“傳導—對流”混合型地熱的成藏條件，并以此為指導，進行了地熱資源遠景區(qū)預測，對陶樂—橫山堡沖斷帶的中北段地熱資源勘查開發(fā)提供了先導性研究。

1 區(qū)域地質(zhì)地球物理概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于銀川盆地東部，大地構造位置屬柴達木—華北板塊Ⅰ級構造單元、華北陸塊Ⅱ級構造單元、鄂爾多斯地塊Ⅲ級構造單元、鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶Ⅳ級構造單元、陶樂—橫山堡陸緣褶斷帶Ⅴ級構造單元[18]。黃河斷裂是銀川斷陷盆地與陶樂—橫山堡陸緣褶斷帶的分界構造，為一條超殼斷層[19-23]。區(qū)域巨厚新生界覆蓋范圍廣，前新生代地層出露有限，僅在靈武東山見有白堊系地層出露(圖1)。

1—第四系；2—新近系；3—古近系；4—白堊系；5—侏羅系；6—三疊系；7—二疊系；8—石炭系；9—泥盆系；10—奧陶系；11—寒武系；12—元古宇；13—英云閃長巖；14—黑云母花崗巖；15—地質(zhì)界線；16—推測地質(zhì)界線；17—不整合界線；18—巖相界線；19—重要斷層；20—隱伏斷層；21—裸露斷層

1.2 研究區(qū)重磁場特征

受西側(cè)黃河斷裂的控制，重力場呈近SN向展布且具有一定寬度的帶狀高值異常區(qū)，反映了深部奧陶系基底隆升幅度較大，與西側(cè)的靈武凹陷低重力異常區(qū)形成了明顯的區(qū)別(圖2)。航磁場呈現(xiàn)出與重力場截然不同的特征，靈武以北區(qū)域為平緩展布的低磁異常區(qū)，靈武以南區(qū)域分布兩處形態(tài)不完整的高磁異常，幅值較低，推測其為銀川地塹南部受青藏高原東北緣NE向擠壓應力的作用為形成逆掩隆升條帶的反映，在深部的磁性地質(zhì)體整體抬升的背景下，局部隆起、聚集所引起的航磁異常(圖3)。

1—重力高異常；2—重力低異常；3—斷裂

1—航磁高異常；2—航磁低異常；3—斷裂

2 典型地熱田地熱異常

據(jù)研究區(qū)內(nèi)地熱鉆孔揭示，天山海世界地熱田為銀川盆地東緣典型的地熱異常區(qū)，其中DRT-03鉆孔井底(1 690 m)溫度為64.03 ℃，DRT-05鉆孔井底(1 690 m)溫度為62.87 ℃，地層溫度明顯高于銀川盆地內(nèi)部ZN鉆孔的地溫梯度(圖4)。鉆孔揭露的地層巖性資料顯示，縱向上，以DRT-03鉆孔為例，地溫梯度曲線明顯分為3段，代表了3種巖性不同的地層。淺部(200～600 m)新生界古近系—新近系(E-N)以砂泥巖互層為主的地層，地溫梯度由表層的1.6 ℃/100 m深逐漸增加至淺層的2.42 ℃/100 m；中部(600～1 000 m)晚古生界石炭系—二疊系(C-P)含煤的地層，地溫梯度隨著深度增加陡然升高至5.04 ℃/100 m，而后快速回落至3.53 ℃/100 m；深部(1 000～1 960 m)晚古生界奧陶系(O)灰?guī)r夾泥巖隔層的地層地溫梯度逐漸趨于平穩(wěn)，至(1.95～2.05) ℃/100 m區(qū)間(圖5)。

圖4 銀川盆地及東緣地區(qū)地溫對比

圖5 DRT-03鉆孔地溫梯度

由此驗證本區(qū)奧陶系(O)為深部熱儲層，石炭系—二疊系(C-P)為中部第一蓋層(隔熱層)，古近系—新近系(E-N)為淺部第二蓋層(保溫層)。

3 綜合地球物理方法的應用

3.1 重磁異常特征分析

由重磁對應分析的結果可知，天山海世界地熱井DRT-03很好地落在了重力異常小波二階細節(jié)的局部高重異常上，且位于黃河斷裂附近，反映出該區(qū)域為奧陶系(O)熱儲層的隆升區(qū)(圖6a)。對于磁異常，已見地熱井位于局部高磁異常附近，推測本區(qū)深部磁性基底埋深相對較淺，為區(qū)域性深部熱源的有利區(qū)(圖6b)。

3.2 奧陶系構造反演

奧陶系是本區(qū)地熱賦存的重要地層，反演其構造形態(tài)，是研究地熱賦存的基礎。

研究區(qū)各地層間由淺至深存在2個密度界面，分別為新近系—古近系與石炭系—二疊系之間密度界面及石炭系—二疊系與奧陶系之間密度界面(第2密度界面(Δσ2,3))。具體地，新生界地層密度整體偏低，均值為1.91 g/cm3，與下伏的石炭—二疊系地層形成了密度差為0.68 g/cm3的第1密度界面(Δσ1,2)，深部奧陶系密度明顯增大，均值為2.71 g/cm3，與上覆的石炭系—二疊系地層形成了密度差為0.12 g/cm3的第2密度界面(Δσ2,3)，上述兩個密度界面直接影響了本區(qū)重力異常分布，其中第2密度界面對奧陶系基底頂面起伏形態(tài)起著決定性作用，為奧陶系基底頂面構造反演提供了密度物性前提。

基于1∶5萬重力資料，利用平面帕克法密度界面反演銀川斷陷盆地南部奧陶系頂面構造。已知DRT-03、LS01與Ren1這3口鉆孔鉆遇的奧陶系頂面深度分別為791、800、788 m，與實鉆深度相對比，反演深度偏差小于50 m，二者吻合，側(cè)面印證了奧陶系儲熱層頂面反演結果的可靠性(表1)。

由圖7可知，研究區(qū)內(nèi)奧陶系隆升區(qū)域呈明顯的長條狀分布，南部靈武東部基本呈單一條帶SN向展布，鉆孔LS01位于該條帶中部西側(cè)斜坡部位，隆升幅度比較高，最高區(qū)域埋深為247 m；延伸至臨河鎮(zhèn)西南處分為兩個NNE向隆升帶，相較于南部隆起條帶，幅度有所下降；到鉆孔DRT-03西北處，兩條隆起條帶合二為一，并再次隆升明顯，通貴鄉(xiāng)東側(cè)達到最高區(qū)域，埋深為485 m。上述奧陶系的隆升條帶平面展布嚴格受黃河主斷裂及其次級附屬斷裂的控制，是尋找天山海世界“傳導—對流”混合型地熱的潛力區(qū)(圖7)。

圖7 帕克法密度界面反演古生界基底深度

3.3 儲蓋層組合劃分

儲層為地熱賦存提供了優(yōu)良的空間，蓋層阻斷了儲層中地熱的逸散。

基于可控源大地電磁測量剖面WL-01剖面(CSAMT)對儲、蓋層疊置關系與特征進行了分析。縱向上分為4個明顯的電阻率層，依次為高阻層(大于100 Ω·m)、中高阻層(25～100 Ω·m)、中低阻層(10～25 Ω·m)與低阻層(1～10 Ω·m)。高阻層無鉆孔鉆遇，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)特征推測為賀蘭山巖群的變質(zhì)巖系。經(jīng)與鉆孔DRT-03對比：中高阻層與儲熱層奧陶系相對應，為一套陸表海相沉積的含泥質(zhì)灰?guī)r，巖層裂隙發(fā)育，裂隙率為2.70%～20%，滲透率為0.01～115.4 μm2，測井溫度數(shù)據(jù)顯示，該段井溫為38～64 ℃；中低阻層與隔熱蓋層石炭—二疊系對應，是泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖互層夾煤層沉積；低阻層對應保溫蓋層古近系—新近系的紅色亞砂土、亞粘土沉積層，泥質(zhì)成分含量高，此類巖石熱導率較低，均小于2.3 W/(m·℃)，煤系地層熱導率最低為0.61 W/(m·℃)[23](圖8)。

3.4 蓋層特征細化

蓋層的分布特征決定了其保溫效率的高低，是地熱成藏的關鍵因素之一。

分析過DRT-03井區(qū)微動測量剖面，與鉆孔分層數(shù)據(jù)對比，存在3個明顯的S波速度層，深部(450～800 m)的弱低速層(1 600～2 400 m/s)為第一蓋層石炭—二疊系，P波速度相對較高，層內(nèi)橫向波速稍有變化，推測是同層系巖性差異所致；淺部(180～450 m)的低速層(1 000～1 600 m/s)為第二蓋層下段的古近系，層內(nèi)速度變化不大，存在明顯的局部低速異常區(qū)帶，推測是砂巖與泥巖互層的表征；表層(180 m以淺)為極低速區(qū)(<1 000 m/s)，地層平坦，表明在古近系上段為膠結程度比較低的松軟沉積層。綜上，DRT-03井區(qū)第一、第二蓋層發(fā)育完整，厚度穩(wěn)定，橫向變化較小，是良好的地熱蓋層(圖9)。

圖9 DRT-03井區(qū)微動反演S波速度剖面地質(zhì)解釋

綜上所述，綜合運用1∶5萬重力、可控源大地電磁測深、微動測量資料，分析銀川盆地東緣天山海地熱田“傳導—對流”混合型地熱的成藏地質(zhì)條件，效果良好。

4 地熱資源遠景區(qū)預測

以綜合分析的地熱成藏地質(zhì)條件為指導，在1∶5萬重力數(shù)據(jù)處理分析的基礎上，圈定本區(qū)地熱資源遠景區(qū)(圖10)。圈定原則有3條:一是為奧陶系頂面隆升區(qū)帶，二是上覆一定厚度的石炭—二疊系與新近—古近系地層，三是處于自然保護區(qū)紅線范圍之外。

(a)重力小波2階逼近場 (b)前第四系地層分布 (c)地熱資源遠景預測區(qū)

整體上，由重力小波2階逼近場可知(圖10a)，奧陶系儲層的分布嚴格受黃河斷裂及其次級附屬斷裂控制，分為靈武市—黃草坡一線的南部及橫山堡—通貴鄉(xiāng)一線的北部。南部地區(qū)基本全部位于白芨灘自然保護區(qū)，并且大面積出露白堊系宜君組與古近系清水營組，缺少優(yōu)質(zhì)的保溫蓋層(圖10b)，因此不具備良好的儲蓋組合；北部地區(qū)覆蓋有第四系全新統(tǒng)地層，其下伏的保溫蓋層(新近系—古近系)、隔熱蓋層(二疊系—石炭系)與儲熱層(奧陶系)地層完整，鄰近黃河斷裂，具備導熱、導水通道，是尋找天山海世界“傳導—對流”復合型地熱的遠景區(qū)。

以重力異常反演的奧陶系基底隆起區(qū)為底圖，疊合白芨灘自然保護區(qū)與前第四系地層出露區(qū)，劃定了本區(qū)地熱遠景的預測(圖10c)，具體分為3個遠景區(qū)(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū))。Ⅰ區(qū)呈NNE向展布的不規(guī)則片狀，面積為68.51 km2，地表被第四系完全覆蓋，奧陶系儲熱層頂界面埋深最淺處位于鉆孔DRT-03西北處4.6 km附近，埋深約430 m；Ⅱ區(qū)呈NNE展布的條帶狀分布于臨河鎮(zhèn)南北，面積為34.6 km2，地表覆蓋第四系，奧陶系儲熱層埋深最淺處位于臨河鎮(zhèn)正N向2.9 km附近，埋深為1 120 m；Ⅲ區(qū)呈SN向展布的片狀分布于橫山堡北部，面積為44.23 km2，地表覆蓋第四系，奧陶系儲熱層埋深最淺約為860 m，與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)相比較，Ⅲ區(qū)遠離黃河斷裂，是否有良好的導熱通道為該遠景區(qū)提供深部熱源需要進一步研究，建議布設MT電法剖面，分析低阻帶、低速帶，分析該區(qū)導熱導水通道，明確熱儲模式，并布設地熱鉆孔驗證物探方法的有效性。

5 結論

1)針對銀川盆地東緣天山海世界“傳導—對流”混合型地熱資源的研究，1∶5萬重力、可控源大地電磁測深及微動測量剖面資料是有效的資料基礎，DRT-03井的成功鉆遇驗證了物探資料應用效果。

2)研究區(qū)地層縱向存在2個差異明顯的密度界面，深部奧陶系與中深部的石炭—二疊系形成了密度差為0.12 g/cm3的第2密度界面(Δσ2,3)，為奧陶系基底頂面構造反演提供了密度物性前提。利用平面帕克法反演的奧陶系儲熱層頂面深度與DRT-03、LS01與Ren1這3口鉆孔鉆遇深度相吻合。反演結果顯示出奧陶系隆升區(qū)域呈明顯的長條狀分布，平面展布嚴格受黃河主斷裂及其次級附屬斷裂的控制。

3)本區(qū)域電性與波速的差異性為儲蓋組合劃分提供了依據(jù)。結合WL-01剖面可控源大地電磁測深和微動測量的結果與地熱鉆孔DRT-03相對比，可知深部奧陶系儲熱層呈現(xiàn)中高阻層(25～100 Ω·m)的特征，中部石炭—二疊系作為隔熱蓋層表現(xiàn)出中低阻層(10～25 Ω·m)、弱低速層(1 600～2 400 m/s)的響應，淺部的低阻層(1～10 Ω·m)、低速層(1 000～1 600 m/s)則是保溫蓋層古近系—新近系的反映。

4)在銀川盆地東緣地熱儲蓋層組合的地球物理模型總結的基礎上，預測了3處“傳導—對流”混合型地熱資源的遠景區(qū)，為該區(qū)地熱資源規(guī)模性開發(fā)利用提供了科學依據(jù)。