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共和盆地地热能分散特性与聚会机制判辨

  地热能是一种来自地球内部的可再生性热能,由浅层土壤、地下热水及干热岩所蕴含的热量组成。

  储存于地球内部的热量约为全球煤炭储量的1.7亿倍,仅地表以下10km以内的地壳储存的地热能量就是全球石油和天然气储量的5万倍。在新能源和可再生能源大家族中,地热是一种清洁、价廉、稳定、可靠、环境友好和最为现实,并具有竞争力的新能源,其在发电、供暖、制冷、生态农业、水产、养殖等行业具有广泛的利用前景。在低碳经济和绿色发展的大背景下,由于排放的CO2很少,利用地热能代替污染严重、储量有限的传统化石能源,不仅有利于人类能源保障,而且对全球CO2减排意义重大。目前,全球有78个国家在利用地热能,其中24个国家在利用地热能发电,世界地热能科技路线图显示出全世界地热能发展远景:到2050年地热发电量占全球发电总量的3.5%,地热能这种古老的新能源必将成为“改变世界的能源”。

  地热能的开发主要是利用由地壳内熔融体、新生代火山岩、大裂谷深部或高放射性等热源加热后的土体、地热流体及岩体中的热量,即利用浅层地温能、地下热水和干热岩。由于受壳、幔地热异常体分布、现代构造引力场、断裂构造规模及展布、岩浆岩特征等复杂条件的影响,加之研究程度不高,目前位于青藏高原东北部的青海省对地热能的开发利用水平相对很低。因此,研究分析地壳浅部地热聚集机制,探索地热能的分布特征,尤其是高温地热流体、干热岩的分布规律,是推动全省地热能利用的关键。

  共和盆地位处青海省东中部,隶属于青海省海南藏族自治州的共和县、贵南县、兴海县和海西藏族蒙古族哈萨克族自治州的都兰县,南北宽90km,东西长210km,总面积21186km2。东邻贵德盆地,北、西以一山之隔分别与青海湖盆地、柴达木盆地相接。盆地中心地形较为平坦,海拔约3000m,河谷切割较深,横贯盆地的黄河切深达600m以上。四周群山环抱,北侧青海南山,西侧茶卡西山,南侧为昆仑山脉,山体海拔3500~4900m。

  盆地位于青藏高原东北部,地处内陆,属大陆性气候,多年平均降水量299.1mm,多年平均蒸发量1739.39mm,多年平均气温3.71℃度,较为寒冷,每年供暖期达6个月以上。

  在大地构造部位上,盆地位于昆仑地块与祁连地块分界地带,区内出露的前第四纪地层主要分布在山区,从老至新有下元古界,石炭系、二叠系、三叠系和新近系。第四纪地层为更新统和全新统的冰碛、冰水沉积、洪积、冲洪积、冲积物(吴向农,1991)。

  共和盆地是一个自中生代以来形成的断陷盆地,北缘由宗务隆-青海南山断裂控制,该断裂是祁连地块与昆仑地块的分界断裂,走向北西,长大于650km,是一条断面近直立微向南倾的超岩石圈活动断裂(朱俊才,1963)。西、南由哇洪山-温泉断裂控制,走向北西,长大于200km,为一条走滑地壳断裂。据航磁、重力异常解译,一条规模较大,经花石峡温泉共和湟源的北东向隐伏断裂,从盆地中部通过。盆地内的小规模断裂以北西、东西向2组为主。

  区内火成岩较为发育,侵入岩有兴凯、加里东、华力西、印支等多期,以印支期为最新且规模较大。

  自20世纪50年代以来,经几代水文地质工作者的努力,目前已在盆地及周边发现地下热水露头点12处,60~86℃的水点有7处,26.5~42.5℃的水点有5处。其中,11处分布在盆地周边,多处在深大断裂带内,住往伴随有火山岩分布,水质较好,矿化度多小于1g/L。1处位于盆地中心,热水温度为38℃,矿化度相对较高达2.52g/L。

  据盆地中心恰卜恰河河谷南北长7km 范围内分布的6个深度900~1850m 钻孔资料揭露,盆地内第四系厚530~800m,花岗岩基底埋深900~1450m,基底由北向南倾,坡度可达10%左右。

  除盆地周边山区,浅层地温能在全盆地内均有分布。盆地内200m 以内均为第四系。地层岩性以亚砂土、圆砾等为主。第四系含水层厚度大于30m,且200m内地下水水温相对较高,温度达30~34℃。区内虽还没有开展相关评价工作,但基础条件表明盆地内的地源热泵、水源热泵利用潜力很大。

  据以往调(勘)查资料分析,共和盆地周边沿深大断裂有温泉出露,其中,哇洪山-温泉断裂带,泉水水温为60~70℃,北侧宗务隆-青海南山断裂带,泉水水温约40℃,表明沿断裂带具有以对流传热为主的带状热储分布,热源来自活动性断裂的热对流,其内的地热流体主要接受大气降水及基岩裂隙水的侧向补给,有利地段地下水富水性较强,单井计算涌水量可达1000m3/d以上。

  盆地中心勘探资料表明,盆地中分布以传导热为主的层状热储(图2),且分布范围遍布全盆地,其热储可分为第四系下更新统热储层和新近系热储。

  地表与热储顶板间岩性为透水性差的第四纪亚黏土及亚砂土,分布稳定,可视为热储盖层。热储层顶板埋深100~200m,岩性为粉细砂、中粗砂及含砾中粗砂,为较好的热储层,厚度大于100m,单井计算涌水量800 m3/d ,矿化度小于1g/L,流体温度38~46℃,热储层地温增温率为1~4℃/100m。

  该热储层的盖层岩性为透水性差的下更新亚黏土、黏土及新近系泥岩、砂质泥岩等,厚度为80~200m。热储层顶板埋深669.0~718.3m,岩性为新近纪中粗砂岩、砂砾岩,热储厚度495.36~747.15m,流体温度82~84.2℃。据钻孔资料,其热储层地温增温率为4.6~5.3℃/100m,单井出水量871.26~1002.15m3/d。水质较好,矿化度为2.19~2.23g/L,为HCOCl-Na型。

  盆地周边的大气降水是地下水的主要补给来源,总体上地表水及地下水都从盆地边缘向中心径流,最终排向横穿盆地的黄河。盆地内层状热储中的地热流体也不例外,主要接受出山口后的河流入渗补给和周边山区基岩裂隙水的侧向补给,其次为大气降水的入渗补给。流体自盆地边缘向中心径流,部分以泉水形式排向深切达600余米的黄河,据调查排泄量不小于20万m3/d,部分以上升泉形式排出地表。

  据盆地地球物理勘探及部分钻探资料分析,盆地基底均由印支期花岗岩组成。黄河以北现有钻孔测温表明,花岗岩温度普遍较高,据DR2资料,当孔深达1850m时,岩石温度达112℃,DR3孔深1620m时,岩石温度达107℃。经计算花岗岩地温梯度为5.1~7.25℃/100 m,预计孔深达3000m时,岩体温度有望达180℃以上。盆地具有干热岩资源,且分布广泛,埋深相对浅。

  地热能热源主要来自壳内熔融体、新生代火山岩、大裂谷深部热、高放射性物质存在和构造碰撞挤压剪切热等类型,共和盆地不存在大陆裂谷。盆地基底为中生代印支期火山岩,地质普查也没发现其内有高放射性物质的存在,依据地球物理勘探资料,盆地地热能聚集可能与壳、幔热流异常关系密切。

  20世纪90年代以来,中国地质科学院与法国、美国等合作,运用宽频地震剖面等新的深部物理探测技术,横穿青藏高原完成了超过10000km的地震层析部面,了解了深达数百千米范围内的地壳和上地幔结构特征,建立了青藏高原腹地和重要构造位置的地震波速速度结构。主要成果为:70km以上,祁连、巴颜喀拉、羌塘南至崩措-嘉黎断裂间和雅砻江缝合线地块为主体高速地块,而相间的喜马拉雅、拉萨、羌塘和东昆仑地块为主体低速地块(姜枚等,2009),共和盆地位于主体低速的东昆仑地块。

  定日-格尔木地震层析剖面(许志琴等,1996,2004)反映,250km深度以下,在巴颜喀拉地块昆仑山口以南的地下存在长约200km,宽约100km的呈肺叶状分布的低速体。

  玉树-共和地震层析剖面(图6)表明(许志琴等,2004),在巴颜喀拉地块清水河一带的300km深度以下同样存在大型低速体,可能为昆仑山口低速体向东延伸的结果。在玛多共和一线km深度内,东昆仑断裂带以北有一条宽约150km的低速带,并向北东向延伸至共和盆地底部地表以下约200km处,该低速带与清水河下方的深部低速带关系密切。据接收函数处理结果,共和盆地南部温泉一带地下15~40km处有一低速体,其与盆地南缘地下10km内的低速体相连,并延伸到盆地中心地下(姜枚等,2009)。

  据此推断共和盆地地下10km内存在的低速带与东昆仑下方低速带以及巴颜喀拉地块深地幔中大型低速异常体相关联。

  低速结构形成的原因除受构造叠置、地体松散程度等影响外,与地体高热流值具有很大关系。例如,拉萨低速地块正好对应当雄-羊八井裂谷,低速特征与该区高热流值相吻合。

  昆仑山口-清水河300km深度以下存在的大型低速体,部分地段S波缺失,表明上地幔盖层缺失,为一地幔亚热柱(许志琴等,2004)。10Ma年前,可可西里地区形成的幔源型火山岩,表明该地幔亚热柱是巴颜喀拉地块新生代火山岩喷发的深部渊源(张雪亭等,2007)。

  与深部大型低速体相关的东昆仑下部低速带可能是地幔热柱的延伸,这从昆仑山区居里等温面相对柴达木盆地上隆10km (张雪亭等,2007),共和盆地重力异常达-30,地壳厚度仅55km,小于东昆仑以南15km等得到证明,说明低速带具有高温特征。

  从盆地中已施工的DR1、DR2、DR3钻孔证实,地下1000m 以下为完整花岗岩(正常为高速地层),测温曲线)表明,盆地热流异常明显,且温度与深度具有线性关系,说明盆地热能为传导性地热。证实与东昆仑下部低速带关联的盆地及南部地下1~40km的低速带也是因地块高温引起。

  据以上分析,共和盆地地下10km内、东昆仑下方以及昆仑山口南清水河下部深地幔中存在的低速异常体,均因地体高温引起。表明盆地地热热源与低速体关系密切。盆地地热能是深部热能传导的结果(牛树英,2007)。

  共和盆地地下1000~1400m以上,分布丰富的地下热水资源,水质较好,矿化度小于3g/L,水温最高达85℃,推测盆地南部或断裂内水温会更高。充分利用盆地浅层地温能、深部热水资源对解决高寒、化石能源缺乏的盆地内城镇、厂矿企业、居民点供暖具有现实意义。共和县城恰卜恰镇已将地热供暖列入议事日程,规划到2015年,解决50万m2 以上的供暖问题。同时,还对地热养殖、种植,生态建设、旅游发展意义重大。

  盆地内花岗岩与深部地幔热柱联系密切,地温梯度高达5.1~7.25℃/100m,在3000m深度内存在180℃以上热岩体的可能性极大,通过勘探在断裂构造等水热结合的有利地段有找出高温热水的潜力,是建设末来地热发电基地的理想场所。

  盆地地表热流值高,地下干热岩体赋存深度浅,盆地处于构造活动带上,具有与澳大利亚库伯盆地、美国的沙漠峰等相近的条件,可做为我国增强性地热系统(EGS)研究开发的理想的场址,对国家能源保障也具有深远意义。

  (1)共和盆地地下埋藏丰富的浅层地温能、深部地下热水及干热岩资源,平均地温梯度达5.61℃/100m,是热流值高的地热异常区。

  (2)有证据证明高原腹地延伸到盆地的低速体具有高温特征,巴颜喀拉地块深部的大型低速体可能为一地幔亚热柱,盆地热能来源于地幔深处的源补给,为传导性地热。

  (3)丰富且埋藏浅的共和盆地地下热水及干热岩资源不仅是盆地供暖等利用的新能源,而且,由于其具有相对良好的气候条件、高的地热流值、地温梯度大、适宜的构造活动和地应力场等特征,也是国家地热发电和增强性地热系统(EGS)研究的理想场所。

  经济发展带给人们的是收入增加,生活水平升高,这原本是增加幸福感的渠道,...