西宁盆地北川河谷地带地热地质特征——以莫家庄—孙家寨地热田地为例

陈迎辉

（河北省地矿局第三地质大队，河北 张家口 075000）

青海西宁市北川河谷莫家庄—孙家寨地热田是西宁盆地地热系统的一部分，在北川河谷地热区具有典型性和代表性，地热系统具有中低温对流型、传导型及复合型地热系统的特点。莫家庄—孙家寨地热田成热条件受力学性质多变、具多期活动性的北北西和近南北向两组断裂构造控制，由此形成莫家庄—孙家寨一带相对独立的地下热水富水块段。通过物探、钻探和流体化学分析，总结了莫家庄—孙家寨地热田的热储特征、埋藏条件、地热流体场特征、地温场特征等。

1 地热田概况

青海省西宁市北川河谷莫家庄—孙家寨地热田位于西宁城北二十里铺河谷地带，是西宁盆地地热系统的一部分，根据主管部门勘查区块划分，莫家庄—孙家寨地热田呈近似方形，南起二十里铺乡，北至花园台附近，东西两侧均以河谷与丘陵区界线为界，面积13.76km2。热源以来源于地壳地热梯度的加热为主，其次来源于断裂摩擦热、放射性物质蜕变热和化学反应热。热储为中生界白垩—侏罗系裂隙孔隙热储，热储埋深约750m，温度48.1℃～61.9℃。盖层为新近系棕红色泥岩和白垩系河口群棕红、灰绿色泥岩夹薄层石膏。热储基底为长城系板岩、千枚岩以及加里东期花岗岩。地热流体矿化度高，具有腐蚀性、结垢性和起泡性。

2 地球物理特征

2.1 可控源音频大地电磁测深

根据北川河谷东、西两侧可控源音频大地电磁测深（CSAMT）剖面资料分析，总体形态和电性分层基本相似（图1、图2）。陶家寨—长宁堡CSAMTⅠ剖面115～461点与刘家沟—郭家塔CSAMTⅡ剖面81～181点，电性结构均表现为5层KHA型和6层HKHA型2种主要曲线类型。

陶家寨—长宁堡CSAMTⅠ剖面和刘家沟—郭家塔CSAMTⅡ剖面，表现为HKHA 6层电性结构，当第一电性层较薄或缺失时，相间出现HKHA 5层电性结构。

2.2 直流电测深

北川地区直流电测深曲线表现为KHA和HKH两大类型（图3）。上部K型部分电性高低变化较大，为粗细相间的第四系和古近—新近系。下部H型部分为低阻连续的白垩系或侏罗系。由物性资料可知，泥岩、砂质泥岩电阻率较低，为10～30Ω·m；而砂岩、砂砾岩较高，为40～80Ω·m。当含矿化度较高的地下水时，可使电阻率大为降低。根据地质条件，可将整个白垩系或侏罗系低阻、次低阻相间电性层作为热储，埋深500～2000m，与胜利公园8701地热井热储埋深相当或稍深。

2.3 热储推断

陶家寨—长宁堡CSAMTⅠ剖面反映出，北川地区元古宇变质基底波状起伏，由南向北逐渐抬升，由埋深大于2000m变为1500m。在338点对应的上孙家寨以南基底埋深大于2000m，为一凹陷（图4）。据地震勘探和直流电测深资料推断，小桥—莫家庄基底埋深3300～3400m。后子河—长宁堡一带，基底埋深1100m，与地震勘探和直流电测深推断的基底埋深基本一致，为长宁凸起。

图4 西宁市北川地区地质构造剖面图

2.4 断裂构造的推断

陶家寨—长宁堡CSAMTⅠ剖面和刘家沟—郭家塔CSAMTⅡ剖面中，不同区段曲线类型不同，电性层发生错位不连续，是推测断裂存在的依据。陶家寨—长宁堡CSAMTⅠ剖面255、257点和447、451点间及刘家沟—郭家塔CSAMTⅡ剖面93、95点间，171、175点间可认为是断裂在地表的断点，依次划分出东西向隐伏断裂1条，北东向隐伏断裂1条，近南北向隐伏断裂两条。

莫家庄—孙家寨地热田附近东西向断裂，在断裂南北两侧基底埋深和储盖层位均发生变化，推测断裂倾向向南，倾角60°～80°为高角度断裂。近南北向断裂位于北川河谷东、西两侧与丘陵区交接部位附近，推测断裂东倾，倾角近直立。

3 热储特征

开采热储层具有以下地质特征：

中生代白垩系砂岩、砂砾岩孔隙裂隙热储：热储层岩性为中砂岩、粉砂岩、砂砾岩，夹薄层泥岩，总厚度160m，该热储层顶、底层位变化不大，分别在770～930m，为大厚度含水层，热储温度42.3℃～47.2℃，平均热储温度为43.5℃。

中生界侏罗系砂岩、砂砾岩孔隙裂隙热储：热储层岩性为泥质粉砂岩、粉砂岩、中砂岩、砂砾岩，由侏罗系中统的享堂组、窑街组构成。热储特点层位多、热储薄，含水层和非含水层互层，总厚度350m，顶底板的埋深在1030～1480m之间，热储温度57.8℃～61.9℃，平均热储温度为59.8℃。

4 热储埋藏条件

第四系：北川河谷地带大范围出露，冲洪积层以下至新近系泥岩顶部全部为黄土，形成时代为第四纪上更新世地层，多为不含水层，渗透系数极小，地层分布较连续，厚度34.2～60.0m不等。

新近系：属新近系西宁群，平均埋深60.8～240.0m，地层平均厚度为180.0m，下部岩性为红棕、黄棕色砂砾岩夹褐棕、棕色泥岩及石膏层，向上岩性变细，并由砂、泥岩互层过渡到浅红棕、褐棕色泥岩夹浅棕、浅黄灰色砂岩及石膏层。局部夹砂岩，含有薄层、低温热储，不具备开采利用价值。新近系地层分布连续，地热田范围内层位稳定，是主要盖层。

5 地热流体流场特征

莫家庄—孙家寨地热田位于西宁凸起的北部，按照西宁盆地“凹中凸”的理论原则，地热流体流向大体为:自西→北向东→南方向流动。前人建立的西宁盆地地热系统理论模型为中低温对流型地热系统。盆地边缘基岩出露区接受大气降水、地下渗流补给后，其中的一部分沿构造裂隙从深部向盆地中心径流，在盆地深部形成承压热储层，构成完整的补径排地下水径流系统。地下水在深部径流过程中逐渐被加热，形成中低温热水。西宁盆地内凸起的北面为双树凹陷，南侧为总寨凹陷，凹陷内部断裂不发育，形成较好的热流通道；而由于古近纪以来的基底隆起构造运动，使盆地内凸起两侧发育多组断裂，这些断裂是形成地热流体的良好通道。

6 地温场特征

6.1 北川地区地温场特征

北川地区地热异常的民井和泉点共有31处，主要分布在北川河西岸，水温10℃以上，尤以49号泉点温度最高，为12℃，18号民井温度最高，为11.5℃。常温水点24处，温度均小于10℃，一般9.0℃～9.9℃。从北至南随地势降低，水温略有升高的现象。受气温影响的水点共有18处，水温8.5℃～13.5℃。

在水平方向上，由北部的8206地热井、8309地热井的井口水温为23.5℃～34.0℃到西宁市区8601地热井的井口水温为42.2℃。垂向上，上部热储性能差，热流量小，水温偏低。中下部富水性强，流量大，水温亦较高，表现出水温随热储埋深增大而增高的规律。

6.2 北川地热异常区特征

（1）生物科技产业园区—廿里铺地热异常区：位于莫家泉断裂两侧，地处生物科技产业园区—莫家泉，面积约32.32km2。该区有11眼地热异常民井，水温10.0℃～11.5℃；7个地热异常泉点，水温10.3℃～12.0℃。分别与天峻桥—生物科技产业园区浅层地温异常区和二十里铺—花园台浅层地温异常区相吻合。其中，天峻桥—生物科技产业园区浅层地温异常区，有地温异常点19个，温度12.1℃～13.7℃，最高值分布于奶牛场西侧。廿里铺—花园台浅层地温异常区，有地温异常点10个，温度12.1℃～15.1℃，最高值分布于青海大学南侧。

（2）后子河—长宁地热异常区：位于长宁基底凸起区，地热异常与长宁断裂关系密切，面积约17.35km2。地表有两眼地热异常民井，水温10.1℃～10.4℃。两眼地热井井口水温分别为23.5℃和34.0℃。该区与后子河—长宁浅层地温异常区相吻合，共有浅层地温调查点14个，地温12.1℃～14.2℃，最高值位于长宁堡西侧。

6.3 地热田地温场特征

西宁盆地的热储构造模型为：大地热流为热源—低热导率岩层聚热—深循环逐步加热受迫对流为机制—构造控水控热。莫家庄地热田位于西宁盆地内大寨—后子河—泉湾凸起北部，相对面积小，地热类型属沉积盆地热传导型。地温在平面分布上基本一致，与北侧的双树凹陷相比较，基底隆起，地热增温率在深度方向上变化较均匀。根据地温在垂向上的分布和变化规律，可分为变温带、常温带及增温带。根据实测资料，莫家庄地热田的常温带深度为在20～40m，基准温度西宁盆地地下恒温层一般取8℃。

在地热田钻探过程中，对钻孔进行了系统测温，总体趋势一直处于逐渐递增趋势。

7 地热增温率的变化规律

综合西宁盆地北川河谷各地热田增温率的变化特征，可总结以下规律：

（1）地热增温率在深度上的变化规律：西宁盆地地热井不同深度实际测温数据表明，随孔深的增加，水温不断增高，显示出水温与孔深呈正相关关系。且井深愈浅，增温趋势愈大，曲线变化亦大，反映出浅部井温场变化的复杂性；井深愈深，增温趋势明显减弱，呈直线的趋势愈明显，同时也说明了深部热源由下而上的热传导作用。

地热增温率的高低受地层热导率显著影响。热导率除与岩性有关外，还与地层压实程度有关。通常，地表浅部沉积层压实程度低，热导率低，地热增温率高；沉积盆地深部地层压实程度高，热导率高，地热增温率低。

（2）地热增温率在平面上的变化规律：通过井深1000～2000m的4眼地热井增温率比较可以看出，近总寨坳陷中心部位1600m深的杜家庄DR2005地热井地热增温率为3.16℃/100m，系全盆地最高；大堡子—西宁隆起1030.32m深的新宁花园DR2007地热井地热增温率为3.56℃/100m，井深1203.10m的海湖新区R2地热井地热增温率为2.09℃/100m，平均2.825℃/100m为全盆地最低；地处双树坳陷北缘井深1935.65m的威远镇DR2010地热井地热增温率为2.85℃/100m，居两者之间。

上述现象说明，尽管西宁中央凸起具区域构造上的“凹中凸”构造特征，但因上部的西宁背斜纵张节理及断裂发育，导致了地热的向上释放，使热储盖层的保温性能大大降低，故而西宁中央凸起带的聚热条件较差。

（3）地热增温率区域对比分析：西宁盆地北川河谷地带数眼地热井平均地热增温率与世界若干盆地和中国主要盆地对比，其值与国外、国内主要沉积盆地和甘宁青地区地热增温率分布相当，高于巴西亚马逊盆地、新西兰塔拉纳吉盆地和中国准噶尔盆地、塔里木盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地、渭河盆地、山西盆地和银川盆地。

8 地球化学温标计算

对地热井利用地球化学温标来估算热储温度，预测地热田潜力，主要方法是采用二氧化硅、钾镁和钾钠三种地球化学温标法进行计算。

莫家庄—孙家寨地热田计算的热储温度与热储测温温度一致或相近，比热储层底部温度低8℃～10℃。通过与西宁盆地其它地热田利用地球化学温标估算热储地温场比较。SiO2地球化学温标估算的温度最高是海湖新区R2地热井，为69.26℃，最低为原地研所8309井，为52.40℃；钾镁地球化学温标估算温度最高是城南新区杜家庄DR2005井，为105.17℃，最低为本次施工的地热井，为57.73℃；钾钠地球化学温标估算温度最高是威远镇DR2010井，为144.27℃，最低为海湖新区R2地热井，为38.09℃。

从平面上分析，西宁盆地中钾镁地球化学温标总体上是南部高，向北逐渐降低，到北川则最低，温度低于70℃，而向西海湖新区高于北川地区；钾钠地球化学温标是互助威远镇DR2010地热井最高，次为城南新区的杜家庄DR2005井，盆地中部地区则较低，最低为新宁花园到海湖新区一线，呈近东西向分布。

本区地热田SiO2地球化学温标与全盆地相比较属中等地区，钾镁和钾钠地球化学温标与其它地热田相比较属偏低，但与盆地增温型地热生热理论一致。

9 结论

（1）西宁北川河谷莫家庄—孙家寨地热田是西宁盆地地热系统的一部分，其地热地质特征遵从西宁盆地总体规律，而北川河谷具有独特的地质条件，困此地热田与西宁盆地其它地热田相比，有其独特的地热地质特特征。

（2）地热田可开采热储层基本局限在埋深750～1650m之间，共划分33个含水层或含水组，平均累计厚度304.00m，主要集中在白垩系河口群（K1H）和侏罗系享堂组（J2x）两个热储层内，热储上部的泥岩以及第四系不透水层均可视为热储的盖层。

（3）西宁盆地的地热增温率经对比分析取值2.915℃/100m，地热增温率的高低受地层热导率显著影响，热导率除与岩性有关外，还与地层压实程度有关。

（4）莫家庄—孙家寨地热田一带的西宁盆地北川河谷区深部地层相对平缓，压实程度高，储热层埋藏较深，盖层封盖性好，处于封闭—半封闭状态，地热资源潜力较大。

（5）地热田SiO2地球化学温标与全盆地相比较属中等地区，钾镁和钾钠地球化学温标与其它地热田相比较属偏低，但与盆地增温型地热生热理论一致。