太原盆地地热构造研究

2011-02-18王聪明山西省太原市水源勘测队030002

中国科技信息 2011年6期

关键词：太原盆地基底

王聪明山西省太原市水源勘测队 030002

太原盆地地热构造研究

王聪明山西省太原市水源勘测队 030002

1、太原盆地地质构造概况

1．1 地形地貌

太原市位于太原盆地北端，其北、西、东三面为丘陵和山地环绕。东部罕山属太行山系，山势海拔1350～1600米，相对高差在500～800米。西部为吕梁山系，最高峰为石千峰，海拔1760米，山峦起伏，地势陡峻，森林以落叶松为主，植被覆盖率较高。北部地势较低，为阳曲构造盆地，其分水岭为棋子山，海拔高1400米。太原盆地总的地势是北高南低，东西高中间低，自两侧边山向盆地中心呈阶梯状下降。汾河流经市区中部，形成地势较平坦的汾河冲积平原，标高一般为771～810米。盆地东西宽10～15公里，向南扩展20～30公里。西侧丘陵山区与盆地边缘直接相连，山前洪积扇裙发育短小。东山与盆地边缘相接平缓，之间分布宽窄不等的黄土丘陵和黄土台地。山区河流进入盆地形成较明显的洪积扇和扇间洼地，构成宽阔平缓的洪积倾斜平原。

区内地貌形态自燕山运动中期形成雏形，自老第三纪末期喜山期新构造运动以来，在漫长的地质历史时期中，受内外应力的作用，继承和进一步发展太原断陷盆地的地貌形态。其特点是石灰岩山区地势陡峭，属侵蚀溶蚀构造中低山，而砂页岩地层组成剥蚀构造中低山区，盆地平原两侧为黄土丘陵和洪积扇裙；中间冲积平原呈带状分布。

综观本区地貌形态，两侧山区强烈隆起遭受剥蚀，中间盆地剧烈下沉接受堆积，喜山运动以来，边山区与盆地多接受新第三纪与第四纪红土、黄土堆积，反映新构造运动的控制作用。

1．2 地质构造

以褶皱为主的燕山期造山运动，奠定了整个山西地势的展布格局，东西两侧高、中间低，地形起伏不平，并造就了山西中部诸多盆地。老第三系末期以垂直运动为主的喜马拉雅运动使山西陆台进一步分化，由南向北形成一系列北东—南西向雁行式排列的五大断陷盆地，太原盆地就是其中之一。其余为运城、临汾、忻定、大同构造盆地。

太原盆地主要受西部晋祠—交城大断裂和东部太谷—祁县大断裂控制和演化。

盆地边缘轮廓清晰，北部有石岭关隆起与忻定盆地相隔，南部以灵石隆起与临汾盆地隔开，使盆地成为独立的沉积区。由于新构造运动的北东、南西向挤压应力作用，使盆地基底形成许多与盆地边缘相平行、垂直或斜交的隐伏断裂，将基底切割成许多断块，由于不均匀沉降，形成一系列凹陷和隆起。

太原盆地自北向南排列为城北凹陷、三给地垒、太原凹陷、亲贤地垒、晋源凹陷及西温庄隆起等。可见，太原盆地基底构造极为复杂。在地表最明显的构造为北部棋子山地垒，分成东侧阳曲盆地，西侧泥屯盆地。由于新构造运动仍在活动，致使山地不断上升，盆地相对下降，山区分布有各种方向的构造断裂和褶皱带。

1．2．1 地垒和凹陷

三给地垒：由两条走向北东东近似平行的正断层构成，长8公里，宽约1500～2000米，据钻孔资料，约130米见基岩，岩性为二迭系砂页岩，地垒顶面较平坦，但自西向东埋深逐渐加大。

三给地垒以南为城区凹陷（即太原凹陷），据物探资料，凹陷区迎泽大桥处基岩埋深达700米以上。

亲贤地垒、西温庄隆起：是太原盆地初步探明存在地热异常构造带，是地热构造研究重点。

晋源凹陷：平面呈西宽东窄的楔形，基底埋深700～800米，岩性为三迭系砂页岩。

西温庄隆起：总体呈北东向延伸，东北端与亲贤地垒相连，基底埋深300～500米，岩性为三迭系砂页岩。

1．2．2 断裂

1）晋祠大断裂：为太原西部边界，也称山前大断裂，由一系列北北东和北东东向的压性、压扭性断裂组成，构成该断裂带的断裂至少有三级，向盆地呈阶梯状分布，一般断距200～300米。断裂东侧与盆地第四系松散层接触，西侧与二迭系、石炭系、奥陶系地层相接。断裂带岩石破碎，为地下水汇集、运移创造了条件，成为西山岩溶水排泄边界。自喜山运动以来，晋祠断裂一直处在活动状态，还曾发生过岩浆岩侵入。交城奈林村一眼深井中揭露到燕山期的侵入岩。

2）东山山前弧形断裂：为走向北北东向压扭性断裂。该断裂带有两条断层，近山一条断距较小，长度短，西侧一条长约30公里，断距300米左右。断裂西侧为石炭二迭系砂页岩和第三系红粘土与东侧奥陶系灰岩相接。因此，东山岩溶水与盆地孔隙水联系微弱，但与深部岩溶水有一定联系。

3）汾河大断裂和南堰—展览馆断裂是研究区两条重要断裂。

1．3 新构造运动及地震

1．3．1 新构造运动

新构造运动即以垂直升降为特征的喜山运动，距今约6000万年，它直接影响地貌的发育过程和形态变化，影响现代地壳的稳定性和活动性。特别是垂直运动的差异活动，造成盆地强烈下陷，基底凹凸不平，形成较厚的湖相沉积，表现为盆地两侧山地不断上升，盆地相对下降，而西山上升比东山强烈，盆地基底的沉降幅度又西部强于东部，尤其在清徐西谷凹陷基底埋深达3800米，可见早更新世以来，新构造运动强烈，盆地下降速度快，据晋祠地震站监测资料，晋祠断裂两侧垂直位移速率约1.5mm/年。

1．3．2 地震

太原断陷盆地是山西地震带上的一个主要构造盆地，它的总体走向为北东，由周边山前断裂所控制。沿汾河南北向展布的汾河断裂是区内主要活动断裂。另外，东西向断裂在盆地内也非常发育，往往构成凹陷和地垒的南北边界。盆地的地震活动集中在两个地区，一个是盆地南端平遥、介休一带，另一个是盆地北端的太原地区，北格、晋源、徐沟一带尤为突出。太原盆地是有台网记录以来山西强震活动频繁度较高的一个地段，仅1957年就发生过两次5级地震。

研究地震活动是为从一个重要侧面认识基底构造的稳定性与地热能量的平衡关系，了解地震与活动断裂的关系，进而查明活动构造对热水赋存的意义，当地热能量积聚到一定程度，超过地质构造的相对稳定性，必然引发断裂的复活——地震，因而开发地热能源不失为减震的重要途径。

2、构成地热田基本条件

2.1 盆地区亲贤地垒的空间展布

亲贤地垒钻孔资料表明，其南北边界由两条东西向近于平行的正断层圈定，两断层内侧的地层均为上升盘。地垒北边界在南内环北双塔西街至大王村，南边界在大马村至吴家堡之间，地垒的西边界为晋祠断裂带，东部边界基本平行于南同蒲铁路，即荻村至许西村，该地垒东西长约12公里，南北宽约6公里，地垒的空间展布面积约72平方公里。

地垒区基岩埋深较浅，最深在300米左右，而沿南北向的地垒区外侧基岩埋深较大，基岩面南北向形成梯级断裂，东西向越近盆地中心基底面越深，构成东西两端高中间低的马鞍形，东西两端基岩埋深120～180米，中部基岩岩面在300～360米间，展示了太原盆地内地垒与凹陷相间的断陷构造特征。

2.2 亲贤地垒构成地热田的基本条件

亲贤地垒具有储热构造的观点形成于1998年，2003年实施了钻勘勘测，2004年7月成功地验证了该区地热资源的客观存在，对这样一个虽面积不大（约70平方公里），但地处太原城市中心区域的地热田进行总体勘查评价，决非几个分散的勘探开采井所能解决的。现只对亲贤地垒形成地热田的基本条件进行简要阐述。

2.2.1 地垒深部构造热源的存在

太原盆地地下莫霍面以上地壳可分为上、中、下三层。中地壳主要由花岗岩岩熔体组成，具低速高导层的特征，厚度4～5公里，埋深14公里左右。根据物理特征推断，该低速高导层具600℃以上的高温，在此深度形成熔融的相对软弱层构成深部热源。

上述推测可能存在的热源，从山西居里等温面埋深等值线及山西大地热流值说明。太原盆地居里等温面埋深20公里，仅次于临汾、忻定盆地，其两侧山区均大于30公里。太原盆地内大地热流值普遍高于1.7HFU（71mW/m2），也仅次于临汾。而山区大地热流值一般均小于1.3HFU（54mW/m2）。这些数据说明地处太原盆地的亲贤地垒地壳薄、高温高导层埋藏较浅。

2.2.2 地垒周边及地垒区内断裂发育，构成深部热水的上循环的通道

太原盆地的形成和演化，受盆地西部边缘的晋祠—交城大断裂及东部的太谷—祁县大断裂控制。由于北东、南西向挤压应力作用，盆地基底形成许多与盆地边缘断裂相平行、垂直以及斜交的隐伏断裂。亲贤地垒的周边，几乎完全由断裂所控制，地垒区内已得到证实的断裂就有展览馆—南堰断裂和汾河断裂。这些断裂形成的破碎带，均具有导水作用，它们纵横交错，彼此连通，将地下热水经深循环对流作用，沿构造通道将深部热能携带到表层。

2.2.3 地垒之下深埋奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶热储层

本区实探资料记录，孔深1232米揭露奥灰峰峰组顶板，孔深1380揭露上马家沟组顶板，孔深1650米揭穿上马家沟组见下马家沟组顶板，终孔深度1690米尚未穿透下马家沟组（仅40米）。揭穿的峰峰组、上马家沟组地层厚度分别为148米和270米，下马家沟组为热储层下部，地温更高，全组厚180米，全部揭穿至1800米是理想的孔深。据简易水文地质观测资料，钻进奥灰地层采用中等粘稠度泥浆，从揭露峰峰组地层至下马家沟组地层，均有循环液轻度渗失，其中在孔深1360米至1380米、1470米孔段，循环液渗失明显，孔壁掉块坍塌十分严重。经多次贯入水泥才护住孔壁止住渗漏。孔深达到1480米，进尺8米之余泥浆漏失超过20m3；孔深1670米，进尺10余米泥浆漏失近30m3。可见奥灰岩地层不但厚度可观，裂隙岩溶也很发育。

在区域水位以下的岩层，只要有裂隙和孔隙，即会被水充填。上述可观厚度的奥灰层同时裂隙岩溶发育，必然是蕴藏丰富地下水的储水层，这一点可由省展览馆地热井抽水试验资料中得到证实；此井成井深度1690米，孔深1360米以上全部下实管和固井，日出水量达到3000m3，虽有承压因素也足以证明含水层的水量相当丰富。

地垒之下的奥灰岩地下水，深埋于千米之下，导热率达1.7～3.3w/（mk），吸收和汇集的热能难以散失，而且既有深部中地壳热源条件，又有热水对流循环的通道密布，是十分理想的热储层。

2.2.4 热储层之上是千余米厚的盖层

构成地热田的盖层厚度及隔热功能是至关重要的。如果盖层薄或者透水性强、导热功能好就会使热储层储存的热能散失。据省展览馆井资料，热储层（奥灰岩）顶板之上的盖层厚度达1240米。本盖层上部是300米厚的第四系、第三系砂质粘土及粘质土层，导热率仅为0.8w/（mk），基岩主要为三迭系、二迭系、石炭系泥质砂岩、页岩组成，导热率0.8～2.1w/（mk），巨厚盖层构成隔热层，基本阻止了深部热量向地表层的散失，而且还对下部热储形成高压。

2.2.5 东西山前深大断裂带地下水构成深循环热储层的补给水源

太原盆地的地下水都来自于盆地本身及山区的大气降水。补给盆地深层的（包括亲贤地垒）地下水来自于东山、西山岩溶区，因盆地松散层地下水自北向南迳流，亲贤地垒东西两端及地垒内发育的断裂破碎带既是地下热水循环通道，也是地垒接受东西侧向补给的通道，从而使亲贤地垒成为具有补给通道和深循环增温的地热田。

地下热水属于矿产资源，但又与其它矿产资源有区别，其它矿产资源是不能再生的，有固定的评价量和可供开采量，地下热水是以合理开发利用的服务年限确定其社会效益和经济效益的。至于如何评价亲贤地垒可供利用的资源量和服务年限，需要进一步勘查、试验与动态观测。必须指明，目前“亲贤地垒地热田”仅仅是发现证实阶段。亲贤地垒地下热水的勘查与开发也仅仅是刚刚开始，对于开发利用价值的过高估计和刚刚起步就忧虑重重，都是没有科学依据的，需要长期投入实物工作量，才能做出科学评价。