內(nèi)蒙古棋盤井地區(qū)地?zé)崽锾卣餮芯?/h1>

2021-05-07 13:37:22王平偉王永懷鄧國(guó)成白曉飛劉世響

能源與環(huán)保訂閱 2021年4期 收藏

關(guān)鍵詞：熱田棋盤斷裂帶

王平偉，王永懷，鄧國(guó)成，白曉飛，吳 俠，劉世響

(1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009)

棋盤井鎮(zhèn)地?zé)崽镂挥谌A北地臺(tái)鄂爾多斯盆地西緣逆沖帶之桌子山斷褶帶，區(qū)域受東西向應(yīng)力擠壓，形成了以南北向?yàn)橹鞯臉?gòu)造格架，并控制著區(qū)域地層、構(gòu)造和地?zé)崴姆植家?guī)律。研究區(qū)地?zé)豳Y源豐富，多分布在南北向構(gòu)造的次級(jí)構(gòu)造破碎帶以及與北東向構(gòu)造的交匯部位，潛在資源儲(chǔ)量巨大，找礦意義巨大[1-2]。近些年來，開發(fā)綠色能源逐漸成為研究的熱點(diǎn)，是緩解能源危機(jī)的主要措施之一，尤其是地?zé)豳Y源具有儲(chǔ)量大、分布廣和清潔安全優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外地?zé)豳Y源的利用主要以供暖、發(fā)電、醫(yī)療等為主，對(duì)地?zé)豳Y源的利用程度較低，亟待后續(xù)研究提高地?zé)崮茉吹睦寐?。棋盤井鎮(zhèn)以豐富的地?zé)豳Y源為依托，結(jié)合國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略契機(jī)，為發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)，提出了開發(fā)棋盤井地區(qū)地?zé)豳Y源的戰(zhàn)略目標(biāo)。因此，為了推動(dòng)該戰(zhàn)略計(jì)劃的順利進(jìn)行以及擴(kuò)大該區(qū)域地?zé)崴Y源找礦遠(yuǎn)景區(qū)，以二維地震勘探和可控源音頻大地測(cè)量方法為主，對(duì)棋盤井鎮(zhèn)地區(qū)的地?zé)崽锾卣鬟M(jìn)行了研究，為進(jìn)一步勘查鉆孔布設(shè)位置的確定提供依據(jù)，同時(shí)為進(jìn)一步開發(fā)規(guī)劃提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 地?zé)崽飬^(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地層

地?zé)崽镂挥趨^(qū)桌子山背斜向南傾伏的東翼，區(qū)內(nèi)新生界覆蓋較厚，尤其是上更新統(tǒng)(Q3)黃土、粉砂巖以及全新統(tǒng)(Q4)沖積層砂礫巖(圖1)。區(qū)域地層由老到新依次為：①下奧陶統(tǒng)三山子組(O1s)，巖性為灰色灰?guī)r與石英砂巖組合；②下奧陶統(tǒng)馬家溝組(O1m)，為青灰色厚層狀生物碎屑灰?guī)r；③上石炭統(tǒng)本溪組(C2b)，由砂質(zhì)泥巖、黏土巖、鐵質(zhì)砂巖等組成，是山西式鐵礦的主要賦礦層位；④上石炭統(tǒng)太原組(C2t)，由灰白色石英質(zhì)細(xì)砂巖以及煤層組成，是重要的含煤層位之一；⑤下二疊統(tǒng)山西組(P1s)，由砂巖、黏土巖以及煤層組成，為重要的含煤層位之一；⑥下二疊統(tǒng)石盒子組(P1x)，為1套河床相的細(xì)碎屑巖組合；⑦上二疊—下三疊統(tǒng)石千峰群(P2T1)，巖性為雜色碎屑巖、泥巖、泥灰?guī)r；⑧下白堊統(tǒng)志丹群(K1zh)，由礫巖、砂巖、砂礫巖及泥巖等組成；⑨古近系(E)，巖性為深灰色泥巖、砂巖；⑩新近系(N)，由棕紅色泥巖、粉砂巖夾泥灰?guī)r、礫巖等組成[3]。

圖1 棋盤井鎮(zhèn)地?zé)崽飬^(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geothermal field regional geological diagram of Qipanjing Town

1.2 構(gòu)造

區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，受桌子山背斜影響，區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列的褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造(圖1)，其中褶皺軸向以近南北向?yàn)橹鳎缱雷由奖承?、崗德爾山?fù)背斜和卡布其復(fù)向斜等。其中研究區(qū)位于桌子山背斜向南傾伏的東翼，桌子山背斜北起千里山，南至棋盤井鎮(zhèn)，長(zhǎng)約55 km，東西寬約10 km，軸向近南北向。核部為中太古界烏拉山群變質(zhì)巖系，兩翼由震旦系—二疊系地層構(gòu)成，東翼另有三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)地層卷入褶皺變形。總體上核部老變質(zhì)巖和翼部青白口系及寒武系中部分層位是隔水、阻水的，系統(tǒng)內(nèi)地下水僅能通過斷裂導(dǎo)通側(cè)向補(bǔ)給巖溶水和其他地下水。

苛素烏逆斷層(F2)為一壓性逆斷層，走向呈近南北向，斷層傾角較大，一般為50°～76°，斷層錯(cuò)距0.1～1.0 km，下盤可見牽引褶皺，被新生界地層覆蓋，多為隱伏斷層；西來峰逆斷層(F4)走向340°，長(zhǎng)15 km，斷層面傾向西至南西，傾角45°～80°，斷距90～300 m，斷層破碎帶發(fā)育；棋盤井東F86張性斷裂位于棋盤井鎮(zhèn)東，走向近東西，傾向南，傾角70°～80°，落差50～100 m，上盤為中—上石炭統(tǒng)及下二疊統(tǒng)砂巖，下盤為中石炭統(tǒng)砂巖及下奧陶統(tǒng)灰?guī)r。

地?zé)崽锓秶鷥?nèi)未見巖漿巖出露。

2 地?zé)崽飬^(qū)域水文地質(zhì)特征

2.1 巖溶水含水巖組特征

(1)中—上寒武統(tǒng)弱含水巖組。中—上寒武統(tǒng)巖性為薄層灰?guī)r夾中厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、頁巖及生物碎屑灰?guī)r，該巖組由于層薄、質(zhì)不純、含泥質(zhì)及白云石，故溶蝕作用微弱，巖溶化程度很低，方解石含量高的層位，溶蝕作用稍強(qiáng)，為弱含水層，而泥質(zhì)條帶含量高的層位及頁巖段則為隔水層。該組只在裸露區(qū)接受降雨補(bǔ)給，徑流不暢，不能形成統(tǒng)一的區(qū)域性巖溶含水層，為弱含水巖組。

(2)下奧陶統(tǒng)三山子組弱含水巖組。該組巖性為石英砂巖、白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r互層，中下部夾生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，厚50～198 m。該組中的白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r有一定的巖溶溶蝕作用，為弱含水層，而石英砂巖則為隔水層，三山子組層薄，且含水層分布不穩(wěn)定，定為弱含水巖組[4]。

(3)下奧陶統(tǒng)馬家溝組含水巖組。馬家溝組廣泛出露于研究區(qū)北部，巖性以厚層、塊狀、質(zhì)純灰?guī)r為主，夾淺褐紅色斑塊狀灰?guī)r及燧石結(jié)核灰?guī)r、弱白云巖化鮞狀灰?guī)r及微晶灰?guī)r。該組與下伏三山子含水巖組的關(guān)系為：若馬家溝組與三山子組灰?guī)r段直接接觸，可視為統(tǒng)一含水層；若馬家溝組與三山子組石英砂巖段接觸，則石英砂巖段為馬家溝組隔水底板。此外，該層構(gòu)造裂隙及經(jīng)巖溶作用改造后的溶蝕裂隙較發(fā)育，富水性好，單井涌水量1 000～4 000 m3/d，為本區(qū)最主要的巖溶裂隙含水巖組。

2.2 巖溶水賦存條件及特征

棋盤井鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)榈湫偷谋狈桨敫珊祬^(qū)巖溶特征，巖溶化程度低，巖體內(nèi)溶隙、溶孔及溶洞均不發(fā)育，故此層狀巖溶水不甚豐富，而斷裂帶及影響帶的巖溶水則大大增加。斷裂帶切割巖體形成破碎帶，而斷裂帶附近也由于推擠、拉張及扭動(dòng)應(yīng)力的作用，形成了大量的構(gòu)造裂隙，裂隙相互交切，使得巖體破碎程度加大，從而也形成了地下水貯存、運(yùn)移的空間。另外由于斷裂帶及影響帶地下水交替強(qiáng)烈，巖體溶蝕作用也加強(qiáng)，溶隙、溶孔大為發(fā)育，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了巖溶水賦存空間[5]。區(qū)內(nèi)較大的斷裂都控制一定的巖溶區(qū)域，使斷裂帶成為其控制范圍內(nèi)總的集水廊道及運(yùn)移通道，在水壓作用下向排泄區(qū)徑流。因此，區(qū)內(nèi)斷裂帶為強(qiáng)巖溶帶、強(qiáng)徑流帶及富水地段。

2.3 巖溶水補(bǔ)徑排條件

研究區(qū)巖溶地下水的主要補(bǔ)給來源為灰?guī)r裸露區(qū)大氣降水入滲和白堊系盆地東部邊緣地下水的側(cè)向補(bǔ)給。

3 地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)特征

研究區(qū)影響巖溶發(fā)育的諸多因素中，構(gòu)造為主導(dǎo)因素。由于斷裂構(gòu)造的作用，使巖層強(qiáng)烈破碎，裂隙和節(jié)理密集，加速了地下水運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了溶蝕作用。區(qū)內(nèi)的主干斷裂，主要為北北西向壓性斷裂，在這些壓性斷裂帶阻水一側(cè)，巖溶最為發(fā)育，為本區(qū)巖溶水的強(qiáng)徑流帶和富水地段[6]。本區(qū)的巖溶水井多集中在上述位置，如老石旦東山斷裂、黑龍貴斷裂等。區(qū)內(nèi)東西向或北東東向的次一級(jí)斷裂多為張性斷裂，其破碎帶也為巖溶水富集帶，如桌子山東南部棋盤井的F86、F27、F28斷層。綜上所述，斷裂帶為研究區(qū)碳酸鹽巖的強(qiáng)巖溶帶，區(qū)內(nèi)巖溶水井的主要含水層為斷層破碎帶及影響帶。因?yàn)樵谄扑閹Щ蛴绊憥希叵滤惶鎻?qiáng)烈，溶蝕作用大大加強(qiáng)，形成了大的溶隙、溶孔及溶洞，故揭露破碎帶的巖溶水井涌水量大為增加(盡管有的孔破碎帶寬度并不大)[7]。而非破碎帶巖體完整性好，巖溶不發(fā)育，含水甚微。據(jù)YR2孔資料，該孔揭露均為完整灰?guī)r，巖溶裂隙不發(fā)育，降深為47.98 m時(shí)，涌水量為169.44 m3/d，可見斷裂構(gòu)造對(duì)該區(qū)巖溶發(fā)育起主控作用。

3.1 地溫場(chǎng)特征

地溫場(chǎng)的分布特征主要受斷層、基底構(gòu)造和地層巖性的控制。棋盤井地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西緣的逆掩斷裂帶，斷裂發(fā)育，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，具有較高的地溫特征。根據(jù)近年施工的鉆孔測(cè)溫，棋盤井地區(qū)地溫梯度一般為3.2 ℃/hm；20世紀(jì)90年代中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所陳墨香等對(duì)鄂爾多斯盆地地?zé)嵫芯?，大地?zé)崃髦递^高為65～70 mW/m2；1 000 m深度地溫一般為35～40 ℃，2 000 m深度地溫一般為60～70 ℃，3 000 m深度地溫一般為90～100 ℃[8-11]，認(rèn)為棋盤井地區(qū)是低溫地?zé)豳Y源形成的有利地段。

3.2 地?zé)崽镱愋?/h3>

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件分析，研究區(qū)巖溶水受主要斷裂控制，斷裂破碎帶既是導(dǎo)水通道也是控?zé)針?gòu)造。因此，棋盤井鎮(zhèn)地區(qū)地?zé)崽镱愋蛯儆跀嗔褬?gòu)造型。

3.3 地?zé)嵝纬蓷l件

研究區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造破碎帶巖溶發(fā)育，斷裂破碎帶也是巖溶水富水地段。據(jù)以往勘探孔資料，在一定深度內(nèi)，巖溶地下水顯示地溫異常的特征，而且具備地下熱水形成的基本條件，即熱儲(chǔ)層、蓋層、通道和熱源。

(1)熱儲(chǔ)層。寒武系和奧陶系為廣淺海相碳酸鹽巖建造，富含豐富的巖溶地下水，巖溶地下水在循環(huán)過程中，通過斷裂構(gòu)造吸收深部巖體中的熱量，使巖溶水不斷增溫，碳酸鹽巖在熱水及混合溶蝕作用下，巖溶發(fā)育深度大，具有含水層厚度大、水量大、水質(zhì)好、溫度高的特征，是理想的熱儲(chǔ)層。通過前期施工的YR3水文地質(zhì)孔(深度430 m)資料顯示，該孔位于F28斷裂的上盤，揭露灰?guī)r斷裂破碎帶56 m(361～417 m)，在鉆探過程中漏水嚴(yán)重。經(jīng)正式抽水試驗(yàn)，降深11.1 m，單井涌水量3 408 m3/d，出水口溫度18 ℃，根據(jù)測(cè)溫資料，孔底泥漿溫度25 ℃，平均地溫梯度4.2 ℃/hm，說明在奧陶系灰?guī)r中存在水量豐富、水質(zhì)良好、溫度較高的巖溶地下水。應(yīng)該指出的是，研究區(qū)巖溶熱田熱儲(chǔ)層為典型的非均質(zhì)巖溶裂隙介質(zhì)，地下熱水分布不均勻，具有勘探和開發(fā)前景的富水靶區(qū)主要集中在一些斷裂帶附近，這些斷裂帶往往形成良好的富水帶，特別是在斷層交叉部位，更是熱水富集地段[12]。這些斷層多是張扭性斷層，多是活動(dòng)斷裂，盡管有的斷層斷距較小，但其水文地質(zhì)意義重大。

(2)蓋層。在寒武系和奧陶系灰?guī)r上覆有石炭、二疊、三疊、侏羅和白堊系地層，有巨厚的泥巖存在，且分布連續(xù)、厚度穩(wěn)定，由于泥巖類巖層熱導(dǎo)率較低(平均1.35 W/(m·K))，其導(dǎo)熱性明顯低于飽水巖溶化石灰?guī)r。泥巖層對(duì)熱流的傳導(dǎo)及熱量的散失具有阻滯作用，構(gòu)成本熱田的良好蓋層。對(duì)于斷裂帶熱儲(chǔ)而言，因本區(qū)斷裂均為前白堊系斷裂，白堊系厚層泥巖形成良好蓋層。

(3)導(dǎo)熱、導(dǎo)水通道和熱源。研究區(qū)內(nèi)無年輕的酸性巖漿巖，其熱源主要來自地球內(nèi)部，通過斷裂帶水熱對(duì)流進(jìn)行熱傳導(dǎo)。同時(shí)，研究區(qū)經(jīng)歷多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造斷裂相當(dāng)發(fā)育，部分?jǐn)嗔寻l(fā)育深度大，活動(dòng)性強(qiáng)，直接延伸到地下10 km的低速高導(dǎo)層，通向深部熱源。因此，斷裂構(gòu)造是導(dǎo)熱的良好通道。此外，淺部的常溫巖溶地下水受斷裂導(dǎo)熱的影響，在水動(dòng)力條件作用下，深部地下熱水向上運(yùn)移形成熱水循環(huán)系統(tǒng)[13]。除主伸展斷裂外，次級(jí)斷裂或斷裂交叉帶也可起到導(dǎo)熱構(gòu)造的作用。

4 地球物理解譯成果及建議鉆孔位置

4.1 控水構(gòu)造解譯

為了評(píng)價(jià)棋盤井鎮(zhèn)地?zé)崽锏馁Y源潛力以及確定找礦方向，此次開展了二維地震勘探。根據(jù)地震信息，采用水平疊加剖面進(jìn)行交點(diǎn)閉合的方式對(duì)控水構(gòu)造進(jìn)行了解譯，同時(shí)與可控源音頻大地電磁法進(jìn)行了對(duì)比分析，為勘探鉆孔的布設(shè)提供依據(jù)。此次主要解譯出控水構(gòu)造F27和F28斷層。

(1)F27斷層。位于研究區(qū)北部，走向NEE，傾向SSE，傾角70°，落差30～48 m，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度為8 km，在二維地震時(shí)間剖面和可控源音頻大地電磁測(cè)深剖面(圖2)上具有良好的反映，故斷層評(píng)價(jià)為可靠斷層。

(2)F28斷層。位于研究區(qū)北部，走向NEE，傾向NNW，傾角70°，落差35～49 m，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度為8 km，在二維地震時(shí)間剖面和可控源音頻大地電磁測(cè)深剖面(圖2)上具有良好的反映，故斷層評(píng)價(jià)為可靠斷層。

4.2 地?zé)峋欣恢?/h3>

研究區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造破碎帶巖溶發(fā)育，斷裂破碎帶也是巖溶水富水地段。據(jù)以往勘探孔資料，在一定深度內(nèi)，巖溶地下水顯示地溫異常的特征，而且具備地下熱水形成的基本條件，即熱儲(chǔ)層、蓋層、通道和熱源。根據(jù)物探解譯成果，在斷層F27與斷層F28附近，地下水溫度明顯出現(xiàn)異常，結(jié)合可控源音頻大地電磁測(cè)深成果以及研究區(qū)二維地震勘查成果，進(jìn)而圈定地?zé)峋欣恢?圖2)。

圖2 建議鉆孔ZK1在二維地震時(shí)間剖面及可控源D1線上的位置Fig.2 The position of proposed borehole ZK1 on the 2D seismic time profile and the controlled source D1 line

4.3 地?zé)徙@孔位置

根據(jù)研究區(qū)二維地震勘查成果和可控源音頻大地電磁測(cè)深成果，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件及地?zé)岬刭|(zhì)條件，提出了下一步勘查的地?zé)峋恢?，建議鉆孔ZK1位于二維地震測(cè)線DZ6線6280樁(圖2)，鉆孔ZK2位于二維地震測(cè)線DL2線4400樁。在選取熱水孔鉆孔位置時(shí)，主要考慮了以下因素：①所選取的地?zé)峥譠K1、ZK2均有二維地震測(cè)線控制，且均位于三維地震勘探區(qū)內(nèi)，反映的F28斷層的可信度高，把孔位布置在地震剖面上，有助于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆遇地層和斷裂構(gòu)造。②建議孔位的深部地層推斷為奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)層，巖石低阻(富含水)，但不破碎(利于鉆孔實(shí)施)；此外，奧陶系灰?guī)r頂界面埋藏相對(duì)較淺，有助于鉆孔實(shí)施。③建議鉆孔要位于地?zé)岙惓^(qū)及可控源音頻大地電磁測(cè)深解釋的破碎帶內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)棋盤井鎮(zhèn)地?zé)崽锏責(zé)豳Y源豐富，明顯受控于斷裂構(gòu)造破碎帶，其地溫場(chǎng)分布特征受斷層、基底構(gòu)造和地層巖性的多重控制。

(2)地?zé)崽锏臒嵩粗饕獊碜杂诘厍騼?nèi)部，通過斷裂帶水熱對(duì)流進(jìn)行熱傳導(dǎo)，除主伸展斷裂外，次級(jí)斷裂或斷裂交叉帶也可起到導(dǎo)熱構(gòu)造的作用。

(3)二維地震勘探和可控源音頻大地測(cè)量在控水構(gòu)造識(shí)別上具有良好的應(yīng)用效果，并根據(jù)物探測(cè)量成果提出了建議勘查鉆孔位置。研究成果為下一步找礦勘查工作提供了參考依據(jù)。

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