新疆塔什库尔干谷地地热资源研究进展

引用本文

史杰, 陆成新, 李清海, 常志勇. 新疆塔什库尔干谷地地热资源研究进展[J].中国地质调查, 2018,5(2): 8-10.
SHI Jie, LU Chengxin, LI Qinghai, CHANG Zhiyong. Progress in research on the geothermal resources in Taxkorgan Valley, Xinjiang[J].Geological Survey of China, 2018,5(2): 8-10. 复制到剪切板

doi: 10.19388/j.zgdzdc.2018.02.02

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新疆塔什库尔干谷地地热资源研究进展

史杰, 陆成新, 李清海, 常志勇

新疆地矿局第二水文工程地质大队,昌吉 831100

第一作者简介: 史杰(1978—),男,高级工程师,主要从事构造地质、地热地质的勘查和研究工作。Email: shijie992@163.com。

收稿日期: 2017-12-20

基金资助: 新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目(编号: 2010006、N10-4-XJ01)和中央返还两权价款项目 (编号: N15-4-LQ1)联合资助

摘要

归纳了新疆塔什库尔干谷地地热地质条件,分析了区内地质构造、地温分布、地热流体化学及同位素特征,研究了地热形成机理,计算了曲曼地热田的地热资源量和可开采量。结果表明: 研究区地热资源受断裂构造控制; 地温变化与盖层、完整基岩、断裂带(热储)表现出明显的一致性,目前实测最高热储温度为161 ℃,深部热储计算温度可达222~268 ℃,地温梯度最高为149.20 ℃/100 m; 地热流体具有深循环特征,与浅表冷水的水化学和同位素特征具有明显的差异; 地热流体来源于大气降水,在断裂及裂隙内储存、运移、富集,在侵入岩体放射性生热和结晶余热的热量供应下,地下流体不断与围岩进行热量及物质交换,在热储围岩和盖层中,热量以传导方式为主,在热储内,热量以对流方式为主; 曲曼地热田储存的热量为55.919×10¹¹ MJ,地热流体可开采量约为12 593 m³/d,产能(热能)约为77.9 MW。因此认为,塔什库尔干谷地热储埋藏深度浅,易开采,具有可观的直接和间接经济价值。

关键词: 塔什库尔干谷地; 地热资源; 地热储量; 可开采量

中图分类号:P314 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2018)02-0008-10

Progress in research on the geothermal resources in Taxkorgan Valley, Xinjiang

SHI Jie, LU Chengxin, LI Qinghai, CHANG Zhiyong

No.2 Hydrogeological and Engineering Geological Team, Xinjiang Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development, Changji 831100, China

Abstract

Geothermal geological condition of Xinjiang Taxkorgan Valley was summarized in this paper. The geological structures, geothermal distribution, chemical and isotopic characteristics of geothermal fluid were analyzed. The author also investigated the geothermal formation mechanism, and calculated the geothermal resources and exploitable quantity. The results show that the geothermal resources in the study area are controlled by faults, and the ground temperature changes are obviously consistent with those of caprock, intact bedrock and fault zone (geothermal reservoir). The maximum temperature of measured thermal reservoir is 161 ℃ now, and the calculated temperature of deep geothermal reservoir can reach 222~268 ℃. Besides, the maximum geothermal gradient is 149.20 ℃/100 m. The geothermal fluid is characterized by deep circulation, which is obviously different from shallow water in hydrochemistry and isotopic characteristics. Geothermal fluid is derived from meteoric water and is stored, transported and enriched in fractures and fissures. With the heat supply of radioactive heat and crystallization heat of intrusive rock, the underground fluid continuously exchanges heat and substance with the wall rock. In the wall rock and cover layer of thermal reservoir, heat exchange is mainly in the mode of conduction, and in the heat storage reservoir,heat is mainly in the mode of convection. The stored heat in the geothermal field is 55.919×10¹¹ MJ, and the exploitable quantity of geothermal fluid is 12 593 m³/d, with the heat energy productivity of 77.9 MW. The thermal reservoir of Taxkorgan Valley has shallow buried depth and is easy to be exploited, which has considerable direct and indirect economic value.

Keyword: Taxkorgan Valley; geothermal resources; geothermal reserves; exploitable quantity

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0 引言

帕米尔高原位于青藏高原西北犄角地带, 喜山期以来, 随着印度板块持续向北推挤, 帕米尔地区不断隆升, 构造活动异常强烈, 形成了奇特的高原地质地貌景观^{[1, 2, 3, 4]}。长期以来, 各种地质成矿作用致使素有“ 世界屋脊” 之称的帕米尔高原蕴藏了丰富的矿产资源, 成为地质找矿和科学研究的前沿阵地和试验场^{[5, 6]}。塔什库尔干县城坐落于帕米尔高原中东部塔什库尔干谷地内, 其地质地貌的发育演化受喀喇昆仑断裂向北延伸的分支断裂— — 塔什库尔干断裂带的控制, 沿该断裂带出露若干地热异常点。近些年, 我国对清洁能源开发利用的需求日益增长, 在地热勘查和研究重要导向的指引下, 2010— 2016年以新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目为依托, 在塔什库尔干县城— 提孜那甫乡曲曼村一带开展了地热资源勘查和研究工作, 首次在新疆圈定了高温地热资源1处, 成功实现了利用地质调查分析、物探、地热钻探、化探及槽探等综合方法勘查和研究裂隙型高温地热资源的新突破。本文对勘查和研究成果进行了总结分析, 对区域地热地质条件和形成机理进行了再认识, 并对资源的开发利用保护提出了建议。

1 区域地热地质背景

塔什库尔干谷地位于青藏高原西北帕米尔构造区的中东部, 处于喀喇昆仑构造带塔什库尔干和塔明铁盖(阿克赛钦)2个二级陆块边界部位^{[5, 7]}。新生代以来, 强烈的造山运动使帕米尔地区快速隆升并长距离水平移动, 构造活动以由南向北的推覆作用为主要特征, 形成整体向北突出的弧形构造格局^{[1, 3]}; 帕米尔构造中东部发育多条大型走滑断裂, 形成以喀喇昆仑断裂带、康西瓦断裂带和西昆仑断裂带为主的断裂构造体系。6~12 Ma BP以来, 高原内部由挤压作用转换为伸展构造环境^{[3, 8, 9, 10]}, 并伴随区域断裂的继承、发育和岩浆的侵入活动。塔什库尔干断裂是喀喇昆仑断裂的一条分支断裂(图1), 总体走向NNW向, 全长约190 km, 由多条次级断层右阶斜列组合而成, 以右行走滑为主要运动特征, 为一条全新世活动断裂^{[1, 2, 3]}, 控制着木吉— 塔什库尔干5个断陷谷地的形成和演化。

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	图1 帕米尔— 西昆仑地区断裂构造纲要及温泉分布 GGHS.公格尔— 盖孜温泉群; YTHS.羊布拉克— 唐哥塔温泉群; BKHS.拜什库尔干温泉; TMHS.塔合曼温泉; WQHS.瓦恰温泉; MYHS.马尔洋温泉; DDHS.达布达尔温泉Fig.1 Fault sketch and distribution of hot springs in Pamir-West Kunlun area

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	图2 研究区地质地貌Fig.2 Geology and geomorphology of the study area

构造区内地热显示主要表现为高的大地热流和温泉的普遍发育。据文献[11], 帕米尔构造区内大地热流值为70~150 mW/m², 塔里木盆地内部热流值为30~40 mW/m², 区域上总体呈从盆地向高原逐渐增高的南北向带状变化趋势, 并在盆-山之间形成密集的热流梯度带。塔什库尔干断裂带附近热流值大于150 mW/m², 并在塔什库尔干断裂带及相邻构造带内发育多个温泉, 泉水的出露受断裂构造控制。公格尔— 达布达尔一带温泉出露温度为29.3~71.9 ℃, 高于当地多年平均气温(18~67 ℃); 水质类型以SO₄· Cl-Na型为主; 溶解性总固体为337~2 566 mg/L; pH值为7.42~9.41, 呈碱性。从物理化学性质上看, 区域出露温泉具有深循环特征。

2 研究区地热地质特征

2.1 地热地质条件

2.1.1 地层岩性特征及其热物理性质

研究区及其外围地层发育有元古宇(Pt)、侏罗系(J_l)、新近系(N)、第四系(Q)以及喜山期侵入岩(γ ₆、ξ ₆)^{[12, 13, 14]}。

元古宇分布较广, 岩性主要有片麻岩、片岩、大理岩和石英岩等。岩体整体南西倾, 角度较缓, 片理化和压碎作用明显, 泥化、硅化蚀变物充填于裂隙和孔洞中, 地层热蚀变现象普遍。地层密度2.52~2.84 g/cm³, 导热系数1.283~1.580 W/(m· K), 比热容1.459~1.765 kJ/(kg· K), 是热储围岩的组成岩性。

侏罗系为灰色碳酸盐岩-碎屑岩沉积, 地层向东倾, 倾角约30° 。在研究区北部曲曼沟口一带出露, 并在个别钻孔中揭露, 厚度127.61~218.69 m不等, 岩性以泥岩和砂岩为主, 覆盖在元古宇之上。

新近系包括泥岩、砂岩和砾岩, 总体呈水平层状, 裂隙不发育, 风化强烈。分布在谷地内部, 小范围出露于研究区北一带, 可见厚度5~10 m, 覆盖在元古宇和侏罗系之上; 钻孔揭露其厚度15~300 m不等, 发育厚度受基底形态和断裂控制。

总体来看, 侏罗纪和新近纪泥质沉积物发育, 密度为2.17~2.53 g/cm³, 导热系数为1.160~1.239 W/(m· K), 比热容为1.310~1.783 kJ/(kg· K), 透水条件差, 覆盖在热储上部, 具备良好的盖层条件。

第四系可划分为上更新统(Q₃)和全新统(Q₄), 岩性为砂砾石, 透水性和富水条件较好, 分布在谷地内, 在研究区北曲曼一带有缺失, 厚度10~400 m不等, 沉积作用受构造、冰川活动及水系发育等因素影响。

喜山期侵入岩为花岗岩和正长岩, 二者在辛滚沟一带呈涌动接触关系。侵入岩体发育在谷地西侧的广大山区, 呈岩基、岩株状产出, 出露面积达1 566 km², 总体呈NW向带状发育。同位素年代学研究表明^{[12, 13, 14]}, 花岗岩和正长岩侵入就位年龄在11~13 Ma之间, 属后造山运动伸展环境下的产物。该套侵入岩体富含U、Th、K长寿命放射性同位素, 为高产热岩体, 是研究区主要的热量来源。

2.1.2 构造发育特征

如图2所示, 研究区位于塔合曼和塔什库尔干2个断陷谷地的接合部位。该处塔什库尔干主断裂由3段组成(图2: F_a、F_b、F_c), 其中F_a和F_c为主干断裂, 以右旋走滑为主要运动形式; F_b为二者之间的桥接断裂, 具张性活动特征。谷地内次级断裂发育, 受塔什库尔干主断裂控制作用明显。

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	图2 研究区地质地貌Fig.2 Geology and geomorphology of the study area

区内SN向主干断裂由4、5列组成, 形成2 km宽的破碎带, 在西部山区及山前出露1列, 倾角55° ~85° 间。据物探资料, 谷地内部主干断裂隐伏于新生界之下, 东部断裂倾向西, 中西部断裂倾向东, 形成了一个较为完整的地堑构造单元。次级断裂主要呈NE向和近SN向展布, 与主干断裂平行或斜交, 部分地带有地表变形显示。目前查明, 研究区发育有7、8条次级断裂, 北部带出露较为密集, 倾向不同, 倾角普遍在70° ~85° 之间, 个别断裂缓倾。塔什库尔干主干断裂及其次级断裂自第四纪中— 晚期以来均有过明显活动, 在地表保留了明显的构造地貌形迹。从展布特征看, 主干断裂与次级断裂交错发育, 将研究区切割成若干地块, 使其形成复杂的断裂破碎系统, 为地热流体的运移和储集提供了空间条件。

2.2 地温场分布

据50个钻孔测温资料, 研究区北部热储埋深普遍较浅, 恒温带埋深2~70 m 不等, 不同地段差异明显; 南部恒温带埋深较深, 普遍在40 m以下。据钻孔测温曲线、揭露的盖层、完整基岩和断裂带地温梯度统计结果, 恒温带之下地热增温表现出明显的3个阶段(图3), 与钻孔揭露的盖层、较完整基岩段和断裂破碎带(热储段)相对应。

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	图3 地温垂向变化示意图Fig.3 Vertical variation of ground temperature

快速增温段和缓慢增温段受岩性条件、富水性及深部温度的影响和控制, 热能主要以传导方式向四周传递。盖层受上部浅表冷水和下部热储的共同作用, 表现出较高的地热增温率, 一般在9.58~149.20 ℃/100 m之间, 均值为50.20 ℃/100 m; 相对上部盖层来说, 缓慢增温段的增温率在0.51~75.30 ℃/100 m之间, 均值为28.50 ℃/100 m; 稳定段处于断裂裂隙发育部位及断裂下盘, 热能受垂向对流和传导方式的共同作用, 地热增温率相对最低, 在-16.77~14.20 ℃/100 m之间, 均值为4.3 ℃/100 m。

由于研究区北部曲曼一带钻孔分布较为集中, 利用孔内垂向地温测量资料绘制了不同等深面地温的平面分布(图4)。

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	图4 不同等深面上的地温等值线Fig.4 Ground temperature contour of different depth

从图4可以看出, 研究区地温最高为161℃, 该温度埋藏最浅处为350 m左右。等深地温总体呈中部高、四周低的分布规律, 与研究区断裂带展布方向和导热能力有一定的对应性, 表明SN向和NE向断裂破碎带具有良好的储热和导通能力, 反映了张性断裂对地热流体的控制作用。同时, 因不同地段盖层厚度、浅部孔隙水径流条件和地层富水性的差异, 地温在平面上的分布受其影响也较为明显。

2.3 地热流体化学及同位素特征

2.3.1 地热流体化学特征

一般情况下, 地热流体因其循环深度较大, 与围岩发生了水-岩反应, “ 携带” 了较多的深部高温、高压环境下的地球化学信息。通过分析发现, 研究区地热流体中K⁺、Na⁺、Cl^-、S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 等含量普遍较高, 而Ca²⁺、Mg²⁺、HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 、C $\begin{matrix} O_{3}^{2 -} \end{matrix}$ 含量相对偏低。比较而言, 浅表水体因循环深度不大, 水-岩反应不充分, 仅代表浅表条件下的地球化学环境, 其中K⁺、Na⁺、Cl^-、S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 等含量和总溶解固体量普遍较低, 而Ca²⁺、Mg²⁺、HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 、C $\begin{matrix} O_{3}^{2 -} \end{matrix}$ 含量相对较高。

兰格利尔-路德维奇图解^{[15, 16]}对区内地热流体和浅表冷水的区分较为直观(图5)。

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	图5 兰格利尔-路德维奇图解Fig.5 Langelier-Ludwig diagram of geothermal water

深部地热水水温大多在85 ℃以上, pH值在6.35~8.98之间, 呈中性偏碱性, 水味微咸— 咸, 具有较强硫化氢气味。Cl^-含量174.66~639.59 mg/L, S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 含量399.94~809.76 mg/L, HC $\begin{matrix} O_{3}^{2 -} \end{matrix}$ 含量为213.57~1 170.58 mg/L; Na⁺含量为567.94~1 021.02 mg/L, Ca²⁺含量4.01~165.91 mg/L; 总溶解固体量1 824.04~3 667.43 mg/L; 水化学类型以Cl· SO₄· (HCO₃)-Na、HCO₃· Cl· SO₄-Na(或HCO₃· SO₄· Cl-Na)型为主。流体中含有大量的H₂S和CO₂气体, 以及一定量的CO、O₂和NH₃等气体。

浅表冷水水温大多低于10 ℃, pH值为7.67~8.24, 无色无味。水体中HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 、S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 、Ca²⁺含量相对较高; 而Cl^-、Na⁺含量普遍偏低: HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 含量98.87~230.56 mg/L, S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 含量20.16~82.79 mg/L; Cl^-含量7.16~34.72 mg/L; Ca²⁺含量33.82~72.42mg/L, Na⁺和K⁺含量小于50.74 mg/L; 总溶解固体量137.96~378.70 mg/L。水化学类型为HCO₃· (SO₄)-Ca型。

研究区个别井水表现为冷热混合水化学特征, 水温在27~54 ℃之间, pH值为7.72~8.59, 无色无味。各离子含量在地热水和浅表冷水之间, HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 含量199.40~528.43 mg/L, S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 含量69.58~284.03 mg/L, Cl^-含量8.79~93.07 mg/L; Ca²⁺含量20.11~50.14 mg/L, Na⁺和K⁺总量37.24~321.99 mg/L; 总溶解固体量277.27~1 016.46 mg/L。水化学类型为HCO₃· SO₄· (Cl)-Ca· (Na)型, 为冷热过渡的混合水类型。与浅表冷和地热水相比, 过渡水中加入了少量的S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 、Cl^-和Na⁺成分, 属于少量混合、冷-热过渡的水体类型。

2.3.2 地热流体标性组分

区内地热水中偏硅酸(H₂SiO₃)和氟(F^-)含量远远高于浅表冷水, 为本区地热水的标性组分。

地热水中的偏硅酸含量较高, 在83.53~354.67 mg/L之间, 平均183.19 mg/L; 冷-热混合水次之, 在20.59~64.86 mg/L之间, 均值48.53 mg/L; 浅表冷水中的偏硅酸含量最低, 在4.25~29.50 mg/L之间, 平均17.46 mg/L。地热水的偏硅酸含量均值是冷-热过渡水和浅表冷水的3.8~10.5倍, 差异明显(图6)。

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	图6 不同水体中H₂SiO₃(左)、F^-(右)含量Fig.6 H₂SiO₃ (left)and F^- (right)contents in different waters

地热水中的氟含量在4.57~11.41 mg/L之间, 平均为7.41 mg/L; 冷-热混合水次之, 含量在2.86~9.29 mg/L之间, 均值为5.23 mg/L; 浅表冷水中的氟含量最低, 在0.50~2.20 mg/L之间, 平均为1.36 mg/L。地热水的氟含量均值是冷-热过渡水和浅表冷水的1.4~5.4倍。

2.3.3 水岩平衡分析

采用Na-K-Mg三角图解^[17]对区内地热水进行了分析(图7), 可以看出个别采样点在“ 部分平衡” 区内, 而大部分采样点在“ 未平衡” 区内, 采集的地热流体样品均未达到“ 完全平衡” 状态。

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	图7 Na-K-Mg三角图解Fig.7 Na-K-Mg diagram

为了进一步了解研究区深部热储地热流体的平衡状态, 采用WATCH3程序对“ 部分平衡” 的地热水进行了水-岩平衡分析。分析结果表明, 深部热储温度曾达到140~300° C, 热储渗透性强, 属还原性环境, 地热活动总体强度为中强。

2.3.4 地球化学温标

根据研究区热储温度背景及水-岩平衡分析结果, 采用Na-K阳离子温标和SiO₂温标方法, 计算得出深部热储温度为222~268 ℃, 钻探可及温度为154~254 ℃。同时, 利用硅-焓模型(图8)计算出地热流体采样点中深部热流体含量的比例在8%~71%之间, 地热流体在上涌过程中混合了大量的浅层冷水。

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	图8 地热水的硅-焓模型Fig.8 Silicon enthalpy model of geothermal water

2.3.5 同位素化学特征

对研究区地表水、浅层冷水和地热水等进行了氢氧稳定同位素(¹⁸O、D)、硫同位素(³⁴S)以及氦同位素(³He/⁴He)的测定。结果表明: 地表水δ ¹⁸O值在-12.38‰ ~-10.51‰ 之间, 均值为-11.60‰ ; δ D值在-89.71‰ ~-81.24‰ 之间, 均值为-84.21‰ ; 浅层冷水δ ¹⁸O值在-12.03‰ ~-11.82‰ 之间, 均值为-11.93‰ ; δ D值在-86.24‰ ~-81.89‰ 之间, 均值为-84.07‰ ; 地热水δ ¹⁸O值在-13.03‰ ~-8.72‰ 之间, 均值为-10.51‰ ; δ D值在-93.87‰ ~-74.53‰ 之间, 均值为-80.86‰ 。地表水和浅层冷水较为接近, 地热水的δ ¹⁸O值和δ D值较浅表冷水明显增大, “ 氧漂移” 现象显著, 反映了地热水在循环过程中与围岩发生了明显的物质交换, 水-岩反应较强。利用稳定同位素的高程效应, 对地热水的补给高程进行了计算, 地热流体补给源与勘查区采样点高差达1 350 m左右, 补给的高程为4 450 m。利用地热水和浅表冷水中δ ³⁴S和Cl^-/S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 值的对比关系发现, 地热水中³⁴S和Cl^-/S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 值均较浅表水体高, 有深部硫酸盐岩溶解物的参与。热水中³He/⁴He的测定结果与大气值Ra进行了对比, 地热水中的He同位素主要来源于地壳, 没有幔源氦的参与。

3 地热形成机理

根据塔什库尔干县县城向北至提孜那甫乡曲曼村一带地层岩性条件、构造发育特征、地温场分布、地下流体化学及同位素组成, 结合区域地下流体基本运动特征分析, 研究区具有完整的“ 热、储、盖” 条件。

研究区西、南侧发育的喜山期侵入岩体为主要的热量来源, 该套岩体分布面积约1 566 km²。岩体侵入时代约11 Ma BP, 岩浆来自下地壳的底部, 是深部加厚过程和幔源岩浆活动的结果, 具有壳、幔混源特征。岩体中富含U、Th、K等放射性元素, 平均生热率为91.24~93.96 μ J/(g· a ), 按照该套侵入岩体出露面积1 566 km²、垂向深度10 km进行保守计算, 年生热量约为9.91× 10¹⁴ J/a, 是该区地热形成的主要热源之一。研究表明, 岩浆的侵位-结晶过程耗时长达几十个百万年之久。该套侵入岩体较为年轻, 仅为11 Ma, 且大面积发育, 估算放射性生热热场的建立需要几百万年的时间, 加上侵位-结晶耗时, 深部岩浆很可能还未完全降低至结晶温度, 还存在熔融的岩浆。因此, 研究区热源除了该套侵入岩体的放射性生热之外, 还包括岩体深部的余热和熔融体散热。

根据构造和地层结构发育特征, 塔什库尔干断裂及其次级断裂裂隙系统是地下水的运移和储存的空间。塔什库尔干断裂为区域深大断裂, 对热储的形成和发育具有控制作用, 属控热断裂; 与其斜交的次级断裂发育规模较小, 对深部地热流体起到连通、运移和储存作用, 属导热断裂。

热储盖层由第四系含泥砂砾石层、黏土层, 新近系泥岩、泥质砂砾岩, 以及侏罗系泥岩、砂岩组成。其中黏土层、泥岩、泥质岩隔水性好, 热导率低, 具很好的保温效果, 是理想的盖层。

大气降水在外围山区向区内入渗补给, 地下水沿断裂及裂隙向下运移, 在侵入岩体稳定的热量供应背景下, 地下水不断与围岩进行热量及物质交换, 运移至一定深度, 由于温度升高导致水密度减小及深部压力增大等综合作用, 热水沿断裂或断裂交汇部位向上运移, 在上覆弱盖层的阻隔作用下储存并富集。在热储上部热量向上传导, 地热流体温度逐渐降低, 并向下对流加热后再向上运移, 不断垂向循环, 在盖层缺失或断裂切割部位地热流体以垂向或水平方向排泄, 形成地热流体的排泄区, 并不断补给浅层地下水, 形成地热异常区(图9)。

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	图9 地热地质概念模型Fig.9 Conceptual model of geothermal geology

4 地热资源量

根据谷地内地热地质条件和形成机理研究等成果, 圈定了一处高温地热田— — 曲曼高温地热田, 面积为8.0 km²。采用热储法^[18]对曲曼地热田进行了资源量的计算。计算方法为

$\begin{matrix} Q = Q_{r} + Q_{w} \end{matrix}$ , (1)

$\begin{matrix} Q_{r} = A \cdot d \cdot ρ_{r} \cdot c_{r} (1 - φ) \cdot (t_{r} - t_{0}) \end{matrix}$ , (2)

$\begin{matrix} Q_{w} = Q_{L} \cdot c_{w} \cdot ρ_{w} (t_{r} - t_{0}) \end{matrix}$ , (3)

$\begin{matrix} Q_{L} = Q_{1} + Q_{2} \end{matrix}$ , (4)

$\begin{matrix} Q_{1} = A \cdot φ \cdot d \end{matrix}$ , (5)

$\begin{matrix} Q_{2} = A \cdot S \cdot H \end{matrix}$ 。 (6)

式中: Q为热储中总热量, J; $\begin{matrix} Q_{r} \end{matrix}$ 为岩石中储存的热量, J; Q_w为水中储存的热量, J; $\begin{matrix} Q_{L} \end{matrix}$ 为热储中储存的水量, m³; $\begin{matrix} Q_{1} \end{matrix}$ 为截止到计算时, 热储孔隙中热水的静储量, m³; $\begin{matrix} Q_{2} \end{matrix}$ 为水位降低到目前取水能力极限深度时, 热储释放的水量, m³; A为计算区面积, m²; d为热储厚度, m; $\begin{matrix} t_{r} \end{matrix}$ 为热储温度, ℃; $\begin{matrix} t_{0} \end{matrix}$ 为当地年平均气温, ℃; $\begin{matrix} ρ_{w} 和 ρ_{r} \end{matrix}$ 分别为地热水和热储岩石的密度, kg/m³; $\begin{matrix} c_{w} 和 c_{r} \end{matrix}$ 分别为水和热储岩石的比热, J/(kg· ℃); $\begin{matrix} φ \end{matrix}$ 为热储岩石的空隙度(无量纲); H为计算起始点以上高度, m; S为贮水系数。

需要说明式(3)适用于热储温度< 100 ℃的地热流体; 对于热储温度≥ 100 ℃的地热流体(水和汽两相流)应采用两相热流体热焓公式计算。其计算公式为

$\begin{matrix} h = h_{g} \cdot X_{g} + h_{l} \cdot X_{l} \end{matrix}$ 。 (7)

式中: h为水汽混合物的热焓, kJ/kg; h_g为汽的热焓, kJ/kg; h_l为水的热焓, kJ/kg; X_g为汽的质量分数(无量纲); X_l为水的质量分数(无量纲)。

上述计算参数, 例如热储温度、热储围岩密度、比热和导热率等均为本次实际获得; 热储厚度是根据二氧化硅混合模型计算出的热储温度反算得出。

经计算, 曲曼地热田热储中储存的热量为55.919× 10¹¹ MJ, 储存的水量为43.524× 10⁷ m³。其中, 岩石中储存的热量为54.073× 10¹¹ MJ, 水中储存的热量为1.847× 10¹¹ MJ, 静水储量为43.460× 10⁷ m³, 弹性释水量为0.064× 10⁷ m³。地热流体可开采量为12 952.8 m³/d, 产能(热能)约77.9 MW。

5 地热流体质量

据地热流体基本化学组分和微量元素测试分析结果, 研究区地下热水达到偏硅酸和氟指标命名矿水标准, 属硅、氟理疗热矿水; 热水中锂、锶、总溶解固体量等含量虽达到天然矿泉水要求, 但色、嗅、味、酸碱度、铁、锰、砷、钡、汞、镍、硼酸盐、氯化物、氟化物、硫酸盐、总溶解固体量、耗氧量、挥发酚、阴离子合成洗涤剂以及总β 放射性等多项指标, 不符合生活饮用、天然矿泉水、农业灌溉及渔业用水等要求。研究区各采样点热水的腐蚀系数K_K均小于0, 锅垢总量在91~537 mg/L之间, 为锅垢量较小的非腐蚀性水。

6 开发利用保护建议

研究区热储埋藏浅, 成井深度< 1 000 m, 为最经济的地热井, 易于开采。热储温度较高, 产能高, 适用于烘干、发电、采暖、医疗、洗浴和温室等, 开采的经济价值较高。地热水开采一年相当于二氧化碳减排量169 068 t, 二氧化硫减排量1 205 t, 氮氧化物减排量425 t, 悬浮粉尘减排量567 t, 煤灰渣减排量7 086 t。研究区地热流体排放指标超标, 不能直接排放, 应做好非凝气体的收集和处理。如果地热尾水直接排放会造成热污染, 其中有害组分也会对地表水和地下水水质造成污染, 因此应采用回灌方式循环利用。区内热储因部分地段盖层缺失, 与浅层地下水具有一定的联系, 开采过程中可能污染浅表水体, 因此做好对浅层地下水水源保护工作具有现实意义。

7 结论

(1)研究区及其外围一带发育以塔什库尔干断裂为主导的断裂构造体系。塔什库尔干断裂为区域控热断裂, 其NE向、NNE向次级断裂为导热断裂, 主次断裂在勘查区内形成了近“ 网” 状或“ 羽” 状断裂裂隙系统, 并为地热资源的形成、储存和运移等提供了空间条件。

(2)恒温层之下, 地热地温变化与盖层、完整基岩和断裂带(热储)表现出明显的一致性, 目前实测最高温度为161 ℃, 埋藏深度在350 m以下, 深部热储计算温度为222~268 ℃, 地温梯度最高可达149.20 ℃/100 m。

(3)地热流体中K⁺、Na⁺、Cl^-、S $\begin{matrix} O_{4}^{2 -} \end{matrix}$ 等含量普遍偏高, 而Ca²⁺、Mg²⁺、HC $\begin{matrix} O_{3}^{-} \end{matrix}$ 、C $\begin{matrix} O_{3}^{2 -} \end{matrix}$ 含量相对较低, 标性组分为偏硅酸(H₂SiO₃)和氟(F^-), “ 氧漂移” 现象明显, 与浅表冷水形成明显的差异, 这种差异主要取决于不同的循环深度和水-岩反应的程度。

(4)研究区的地热流体来源于大气降水, 在断裂及裂隙内储存、运移、富集, 在侵入岩体的放射性生热和结晶余热的热量供应下, 地下流体不断与围岩进行热量及物质交换, 形成热流体储存并富集。在热储围岩和盖层中, 热量以传导方式为主, 在热储内, 热量以对流方式为主。

(5)曲曼地热田储热量为55.919× 10¹¹ MJ, 地热资源可开采量约为12 593 m³/d, 产能(热能)约为77.9 MW。热储埋藏深度浅, 易开采, 可用于烘干、发电、采暖、医疗、洗浴和温室等, 具有可观的直接和间接经济价值。地热流体应采用回灌方式加以循环利用和保护, 否则会对周围生态和地质环境造成污染。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

文献选项

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[3]	陈杰, 李涛, 李文巧, 等. 帕米尔构造结及邻区的晚新生代构造与现今变形[J]. 地震地质, 2011, 33(2): 241-259. [本文引用:4]
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2001

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沈军, 汪一鹏, 赵瑞斌, 等. 帕米尔东北缘及塔里木盆地西北部弧形构造的扩展特征[J]. 地震地质, 2001, 23(3): 381-389.

This paper summarizes the basic characteristics of the arcuate structures in northeast Pamir, and analyzes the relationship between the E-W-trending thrust-anticline belts and the NNW-trending buried strike slip faults in northwest Tarim basin. In the northwest of Tarim Basin lie two thrust fault-anticline belts, which are called the Artush-Talanghe and the Kashi-Mingyaole anticline belts, respectively. Even though these two anticline belts are located far away from Pamir but closer to southwest Tianshan, their geometries and histories are similar to those of the external Pamir arcuate structures. By comparing the structures of the anticlines in Tarim basin with those of the southwest Tianshan and northeast Pamir, we find that these arcuate structures are propagating northeastward from Pamir toward the Tarim basin. The deformation in the area between the Pamir and southwest Tianshan is the result of the India-Eurasia collision. The northward indentation of the west Himalayan syntaxis has induced the development of the arcuate structures in Pamir and its fore deep depression basin. The stiff basement of the Tarim basin has also controlled the propagation of deformation. It transferred the tectonic force from Pamir to the area between its north margin and Tian Shan, resulting in intensive deformation of the area. The arcuate structures of the cover layers are thin-skinned structures resulted from crustal shortening of the Tarim basin. The focal depth and geophysical sounding data indicate that the basement of Tarim basin is under-thrusting beneath the south Pamir and south Tianshan. This movement has given rise to the propagation of deformation from the margin toward the inland of the basin. As the deformation is constrained by the orientation of tectonic force, the style of deformation in northwest Tarim basin is therefore similar to that in northeast Pamir. The NNW-trending strike slip faults in the northeast Pamir have also propagated eastward toward the Tarim basin. Most of the faults are buried, along which some strong earthquakes had occurred. It is more likely that these faults were developed in the basement of the Tarim basin. Along with the E-W-trending thrust faults, these strike slip faults have dissected the Tarim basin into several rhombic blocks, the north margins of which is dominated by compressive deformations while the east margin by dextral shearing deformations. Both the north and east margins of the block are seismogenic tectonics. The Jiashi strong earthquake swarms of 1997 and 1998 would be the result of the present-day movement of the arcuate structures in northwest Tarim basin.

归纳了帕米尔东北缘弧形构造的基本特征,分析了塔里木盆地西北部EW向逆断裂背斜带与NNW向隐伏走滑断裂之间的关系。通过塔里木盆地与西南天山和帕米尔东北缘变形特征的对比,认为塔里木盆地西北部的变形样式与帕米尔东北缘的弧形构造类似,弧形构造具有由帕米尔东北缘向塔里木盆地扩展的特征,这种构造是帕米尔向北挤入运动所特有的变形样式

... 0 引言帕米尔高原位于青藏高原西北犄角地带,喜山期以来,随着印度板块持续向北推挤,帕米尔地区不断隆升,构造活动异常强烈,形成了奇特的高原地质地貌景观^[1,2,3,4] ...

... 新生代以来,强烈的造山运动使帕米尔地区快速隆升并长距离水平移动,构造活动以由南向北的推覆作用为主要特征,形成整体向北突出的弧形构造格局^[1,3] ...

... 塔什库尔干断裂是喀喇昆仑断裂的一条分支断裂(图1),总体走向NNW向,全长约190 km,由多条次级断层右阶斜列组合而成,以右行走滑为主要运动特征,为一条全新世活动断裂^[1,2,3],控制着木吉#cod#x02014 ...

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陈杰, 李涛, 李文巧, 等. 帕米尔构造结及邻区的晚新生代构造与现今变形[J]. 地震地质, 2011, 33(2): 241-259.

The northern margin of the Pamir salient indented northward by ～300km during the late Cenozoic,however,the spatiotemporal evolution of this process is still poorly constrained.Regional deformation within the Pamir salient is asymmetric.Previous work has shown that deformation along the western flank of the Pamir was accommodated by northwest-directed radial thrusting and associated anticlockwise vertical axis rotation of the Pamir over the eastern margin of the Tajik Basin,along with a component of left-slip faulting along the Darvaz Fault.In contrast,subduction of the Tajik-Tarim Basin beneath the Pamir along the MPT was absorbed along the eastern margin of the salient by dextral-slip along the Kashgar-Yecheng transfer system,accompanied with Oligocene-Miocene northward underthrusting, thickening and widespread melting of the middle and lower crust beneath the Pamir,eventually led to east-west extension along the Kongur Shan extensional system at ～7～8Ma.The slip rate of the KYTS decreased substantially from 11～15mm/a to 1.7～5.3mm/a since at least 3～5Ma,termination of slip along the northern segment of the Karakorum Fault occurred almost at the same time.Late Quaternary and present active deformation in the Pamir is dominated by east-west extension along the Kongur Shan extensional system and north-south contraction along the PFT and the Atux-Kashi fold belts in the southern margin of Tianshan.

帕米尔构造结是中国大陆受板块动力作用和地震活动最强烈的地区之一。晚新生代帕米尔构造结北部向北楔入推移了约300km,但对这一变形过程至今未能很好的限定。帕米尔构造结的晚新生代构造变形在空间上是不对称的。帕米尔西缘表现为NW向的径向逆冲,伴随着塔吉克盆地东部块体绕垂直轴的逆时针旋转。在帕米尔东部,构造变形的方式、空间分布和机制是随时间变化的。在渐新世末至约11Ma,帕米尔东部以喀什-叶城转换带(KYTS)的右旋走滑作用为主,同时帕米尔前缘沿主帕米尔逆断层(MPT)发生强烈缩短作用,塔里木向南俯冲,帕米尔中、下地壳相对于上地壳向北俯冲并加厚、熔融。弧形弯曲或径向逆冲作用以及中、下地壳的加厚、弱化致使公格尔山拉张系北部于7～8Ma开始EW向拉张作用,并向南扩展。至3～5Ma,构造格局发生了巨变,喀喇昆仑右旋走滑断裂北段停止活动; KYTS右旋走滑由早期的11～15mm/a明显减小至1.7～5.3mm/a; 帕米尔构造结与塔里木块体间的相对运动明显减弱,两者可能已拼接在一起作为一个整体以(21±1)mm/a的速率向北推挤,变形前锋向北迁移至克孜勒苏河一线。帕米尔构造结及邻区晚第四纪及现今的活动变形主要集中在公格尔拉张系、帕米尔前缘褶皱-逆断层带(PFT)与南天山南缘的阿图什-喀什褶皱带上。

... 6~12 Ma BP以来,高原内部由挤压作用转换为伸展构造环境^[3,8,9,10],并伴随区域断裂的继承、发育和岩浆的侵入活动 ...

1996

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郑剑东. 青藏高原西北缘地球动力学初探[J]. 地震地质, 1996, 18(2): 119-127.

2010

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胡建卫, 庄道泽, 杨万志. 新疆西南部塔什库尔干地区赞坎铁矿综合信息预测模型及其在区域预测中的应用[J]. 地质通报, 2010, 29(10): 1495-1503.

赞坎铁矿位于塔什库尔干古元古界陆块中,受古元古界布伦阔勒群中深变质岩系的控制,属沉积变质型铁矿,具有明显的区域高磁和化探异常.在总结赞坎铁矿综合信息预测模型的基础上,利用区域地质、航磁、化探资料,提出了赞坎、苏巴什、提孜那甫找矿靶区,进而圈出了赞坎-苏巴什铁矿成矿带.

... 之称的帕米尔高原蕴藏了丰富的矿产资源,成为地质找矿和科学研究的前沿阵地和试验场^[5,6] ...

... 1 区域地热地质背景塔什库尔干谷地位于青藏高原西北帕米尔构造区的中东部,处于喀喇昆仑构造带塔什库尔干和塔明铁盖(阿克赛钦)2个二级陆块边界部位^[5,7] ...

2012

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乔春贵, 周坚鑫, 刘伟, 等. 新疆塔什库尔干地区铁矿航磁异常特征及找矿潜力[J]. 物探与化探, 2012, 36(3): 350-355.

Western Kunlun Mountains of Xinjiang has rich mineral resources. According to the result of high-precision large-scale aeromagnetic survey, the characteristics of known iron deposits are obvious, and a number of large and medium-sized iron deposits have been found in Taxkorgen area of Xinjiang. This paper deals with the magnetic characteristics of known and newly discovered iron deposits, and analyzes ore-prospecting potential in that area.

新疆西昆仑地区蕴藏着丰富的矿产资源,通过高精度大比例尺航磁勘查,赞坎、老并等已知铁矿在磁场上特征明显,同时,发现了一批新的大、中型铁矿。重点介绍了新疆塔什库尔干地区已知和新发现铁矿的航磁异常特征,根据高精度大比例尺航空磁测结果的分析,认为新疆塔什库尔干地区蕴含着找铁矿的巨大潜力。

... 之称的帕米尔高原蕴藏了丰富的矿产资源,成为地质找矿和科学研究的前沿阵地和试验场^[5,6] ...

2008

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董连慧, 李卫东, 张良臣. 新疆大地构造单元划分及其特征[C]//第六届天山地质矿产资源学术讨论会论文集. 乌鲁木齐: 新疆青少年出版社, 2008: 27-32.

本文以板块构造理论为指导,结合新疆已有的地质资料,将新疆大地构造单元以三条缝合带为界划分为西伯利亚板块、哈萨克斯坦—准噶尔板块、塔里木—华北板决、华南板块四个一级大地构造单元,进一步又划分为8个二级构造单元和45个三级构造单元.较为合理的解释新疆地质构造的演化,将复杂的造山活动遗迹进行了有序的时空配置,能够为新疆的地层区划及成矿区带的划分提供借鉴.

1994

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... 6~12 Ma BP以来,高原内部由挤压作用转换为伸展构造环境^[3,8,9,10],并伴随区域断裂的继承、发育和岩浆的侵入活动 ...

2004

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... 6~12 Ma BP以来,高原内部由挤压作用转换为伸展构造环境^[3,8,9,10],并伴随区域断裂的继承、发育和岩浆的侵入活动 ...

2007

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... 6~12 Ma BP以来,高原内部由挤压作用转换为伸展构造环境^[3,8,9,10],并伴随区域断裂的继承、发育和岩浆的侵入活动 ...

2004

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... 据文献[11],帕米尔构造区内大地热流值为70~150 mW/m²,塔里木盆地内部热流值为30~40 mW/m²,区域上总体呈从盆地向高原逐渐增高的南北向带状变化趋势,并在盆-山之间形成密集的热流梯度带 ...

2003

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罗照华, 莫宣学, 柯珊. 塔什库尔干碱性杂岩体形成时代及其地质意义[J]. 新疆地质, 2003, 21(1): 46-50.

帕米尔构造结是青藏高原变形最强烈的地区之一,区内新生代岩浆侵入活动发育,既有壳源岩浆侵位,也有幔源岩浆广泛分布.根据岩石学和地球化学研究,侵入岩可分为幔源碱性正长岩和壳源花岗岩2个系列.幔源碱性正长岩总体上由暗色正长岩、浅色正长岩和碱性花岗岩组成,其成因为岩浆不混溶作用.壳源花岗岩类成分单一,具有低共熔岩浆属性,其成因可能与幔源岩浆对地壳加热有关.利用碱性正长岩的钾长石进行40Ar-39Ar法获得3个分别为大约23Ma、13 Ma和8 Ma坪年龄数据,结合岩体地质特征,认为它们分别代表了碱性正长岩和花岗岩的侵位时间以及后期构造热事件.研究结果表明,岩浆活动是帕米尔构造结形成和帕米尔强烈变形的主要因素之一.

... ₆)^[12,13,14] ...

... 同位素年代学研究表明^[12,13,14],花岗岩和正长岩侵入就位年龄在11~13 Ma之间,属后造山运动伸展环境下的产物 ...

2008

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柯珊, 罗照华, 莫宣学, 等. 帕米尔构造结塔什库尔干碱性杂岩同位素年代学研究[J]. 岩石学报, 2008, 24(2): 315-324.

... ₆)^[12,13,14] ...

... 同位素年代学研究表明^[12,13,14],花岗岩和正长岩侵入就位年龄在11~13 Ma之间,属后造山运动伸展环境下的产物 ...

2012

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于晓飞, 孙丰月, 侯增谦, 等. 新疆塔什库尔干斯如依迭尔铅锌矿区花岗闪长岩锆石U-Pb定年及其意义[J]. 岩石学报, 2012, 28(12): 4151-4160.

... ₆)^[12,13,14] ...

... 同位素年代学研究表明^[12,13,14],花岗岩和正长岩侵入就位年龄在11~13 Ma之间,属后造山运动伸展环境下的产物 ...

1942

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... 兰格利尔-路德维奇图解^[15,16]对区内地热流体和浅表冷水的区分较为直观(图5) ...

2015

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... 兰格利尔-路德维奇图解^[15,16]对区内地热流体和浅表冷水的区分较为直观(图5) ...

1988

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... 采用Na-K-Mg三角图解^[17]对区内地热水进行了分析(图7),可以看出个别采样点在#cod#x0201c ...

2011

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... 采用热储法^[18]对曲曼地热田进行了资源量的计算 ...