敦煌位于河西走廊最西端,是世界歷史名城,亦是絲路重鎮(zhèn),戰(zhàn)略地位極其顯著。2000年以來,有關單位在敦煌盆地先后施工地熱勘探井4眼,獲得井口出水溫度28.7℃~ 3 8℃,單井涌水量1 000~2 000 m3/d的低溫地熱資源。

敦煌雖地熱資源豐富,但開發(fā)利用程度極低,且開發(fā)方式粗獷單一,僅敦煌太陽溫泉酒店地熱井在旅游旺季開采用于洗浴康養(yǎng)。摸清敦煌盆地地熱資源家底,有效利用、規(guī)范開發(fā)是亟須開展的工作。本文通過系統(tǒng)分析地熱地質(zhì)條件,探討地熱資源成因及開發(fā)利用方向,以期能為敦煌盆地地熱資源的勘查和開發(fā)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究位于敦煌盆地內(nèi),地層分區(qū)屬塔里木-南疆地層區(qū),地層主要有太古宇-古元古界敦煌巖群(ArPtD)、侏羅系(J)、新近系(N)、第四系(Q)。太古宇-古元古界敦煌巖群(ArPtD)由變質(zhì)深、變形強烈的巖石構筑了有層無序的巖群,厚度>2 882 m。侏羅系(J)為碎屑巖夾灰?guī)r和火山碎屑巖沉積,下伏于新近系之下,厚度>1 892 m。新近系疏勒河組(NS)為碎屑巖沉積,厚度287.5~664.7 6 m。第四系(Q) 為松散巖,無膠結,厚度1 50~3 1 5 m。研究區(qū)構造單元屬塔里木板塊-敦煌地塊-敦煌地體,主體構造均呈東西向及北東東向。敦煌盆地是中新生代坳陷盆地,基底隆起及沉降帶的邊界均受斷層所限,盆地軸向北東,具壓性邊緣。

2 地熱地質(zhì)條件

2.1 熱儲特征

根據(jù)已有勘探孔揭露,埋深590~98 1 m段的新近系疏勒河組下段熱儲是敦煌盆地最為理想的熱儲層,熱儲巖性為砂礫巖、礫巖等,熱儲厚度36.00~1 50.00 m。熱儲頂面溫度 34.5℃,底面溫度36.7℃,地溫梯度2.14℃/1 00m。單層滲透率0.1~1.25 mD,孔隙度5.2%~14.6%。井口出口水溫 28.7℃~3 8℃,單井涌水量1 000~2 000 m3/d。該熱儲層具有孔隙度大,水溫較低,水量大的特點。第四系松散巖和下伏新近系疏勒河組上段泥巖、含礫粉砂質(zhì)泥巖共同構成熱儲蓋層。

2.2 熱源

通過研究區(qū)域成熱條件和已有勘探井地溫測量數(shù)據(jù)分析,初步認為研究區(qū)熱源來自于地球深部熱傳導、三危山山前深大斷裂及盆地基底斷裂導熱和三危山山前深大斷裂及盆地基底斷裂經(jīng)摩擦、變質(zhì),釋放出巨大的能量所轉化的熱能。其中,地球深部熱傳導為主要熱源。

2.3 地溫場特征

依據(jù)敦煌盆地勘探孔不同孔段所測地溫繪制的地溫梯度圖(圖1)可以看出,0~30 m為上部變溫帶,溫度1 7℃~ 22℃,30~75 m段為恒溫帶,溫度1 7℃,75 m以下為增溫帶, 地熱井揭露段最大地溫57.6℃。據(jù)太陽溫泉酒店地熱井測溫數(shù)據(jù),75~400 m段地溫增幅較大,屬快速增溫段,地溫梯度達4.86℃/1 00m,400~800 m段地溫增幅變小,屬緩慢增溫帶,地溫梯度2.0℃/1 00m,800~1 200 m段地溫梯度 1.5℃/1 00m,1 200~1 600 m段地溫梯度1.25℃/1 00m, 1 600~1 900 m段地溫梯度1.08℃/1 00m,平均地溫梯度 2.14℃/1 00m。

2.4 地熱概念模型

敦煌盆地屬沉積盆地型傳導型低溫地熱田(圖2),熱儲為層狀孔隙型熱儲。地熱水接受南部山區(qū)大氣降水補給,流體沿盆地地層間孔隙自南向北運移,受南部山前隱伏壓扭性斷裂及盆地基底斷裂的導熱作用及以深循環(huán)熱水為載體的熱源加熱, 形成熱水儲存于熱儲層中。新近系疏勒河組上段碎屑巖及第四系巨厚的松散巖,特別是巨厚的泥質(zhì)沉積層是良好的熱儲蓋層,為敦煌盆地地熱田的形成提供了良好的條件。

3  地熱水水化學特征

3.1 常量組分及特征組分特征

根據(jù)研究區(qū)地熱水常量組分、特征組分分析結果可知, 地熱水的溫度介于28.7℃~3 8℃間,pH平均值為8.05。地熱水中陽離子以Na+為主,平均濃度49 1.25 mg/L。陰離子以Cl-、SO4 2-為主,平均濃度分別為592.7 mg/L、549.63 mg/L。利用舒卡列夫分類方法進行分類,地熱水水化學類型為Cl·SO4-Na型。地熱水中含量較高的特征組分是F、Sr, F介于0.564~2.20 mg/L,平均含量1.1 7 mg/L,Sr介于1.09 1~1 3.50 mg/L,平均5.32 mg/L。

3.2 同位素特征

本次研究工作利用3H和 14C測年法來測定地下水的年齡,氚含量地下水年齡測量法判斷標準見表1

根據(jù)3H、14C樣品檢測結果可知(表2),地熱水 3H含量均<1.0TU,表明地熱水年齡基本在1 952年以前。1 4C檢測結果現(xiàn)代碳含量在百分數(shù)介于6.1 0±0.88~40.58±1.70%之間,1 4C表觀年齡介于7.46±0.35~23.24±1.20(ka)之間,表明研究區(qū)地熱水形成年齡超過7 000 a,證實敦煌盆地地熱水是形成時間較早,屬“古水”。

4 開發(fā)利用方向

水溫、水量是地熱供暖的重要參數(shù)。水溫越高,熱品位越高,經(jīng)濟性越好;水量越大,熱能越多,經(jīng)濟性越好。敦煌盆地地熱水具有溫度較低、水量大的特點。參照北京市延慶區(qū)、陜西眉縣等地的成功案例,可采用大溫差熱泵機組+燃氣鍋爐調(diào)峰補熱的多能互補形式進行供暖。地熱水中氯離子含量偏高,Larson指數(shù)1.1 8~8.37, 具輕-中腐蝕性,不能直接進入供熱系統(tǒng),需利用水源熱泵技術進行換熱。

依據(jù)規(guī)范[《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》:GB/T 1 1 6 1 5- 20 1 0],地熱水可命名為氟水、鍶水,地熱水經(jīng)除砂、脫鹽、曝氣等工序后輸送至保溫熱水箱,經(jīng)熱水循環(huán)泵送至用戶作為理療熱礦水直接使用和生活熱水使用。

地熱水中鍶含量(平均5.3 1 mg/L)達到規(guī)范《食品安全國家標準飲用天然礦泉水》:GB8537-20 中理化指標, 可命名為鍶型飲用天然礦泉水,但因水中鋇、砷及氟化物超出限值,故不能直接利用?？刹捎玫責崴姖B析技術、反滲透技術、地熱GQ-JS系列直飲水設備等深度凈化后直接供給用戶或灌裝水作為飲用天然礦泉水使用。

5 結語

(1)敦煌盆地地熱資源屬沉積盆地傳導型低溫地熱資源,新近系疏勒河組下段砂礫巖、礫巖為熱儲層,第四系松散巖和新近系疏勒河組上段泥巖、含礫粉砂質(zhì)泥巖為熱儲蓋層。地熱水主要受大氣降水補給,流體沿盆地地層間孔隙自南向北運移。熱源主要來自于地球深部熱傳導。

(2)地熱水水化學類型為Cl·SO4-Na型,水溫介于 28.7℃~3 8℃間,pH平均值為8.05,水中氟、鍶平均含量分別為1.1 7 mg/L、5.32 mg/L,可命名為氟水、鍶水。同位素3H含量均<1.0 TU,1 4C現(xiàn)代碳含量在百分數(shù)介于6.1 0±0.88 ~40.58±1.70%之間,1 4C表觀年齡介于7.46±0.35~ 23.24±1.20(ka)之間,證實敦煌盆地地熱水是形成時間較早的“古水”。

(3)敦煌盆地地熱水具有溫度較低、水量大的特點,可采用大溫差熱泵機組+燃氣鍋爐調(diào)峰補熱的多能互補形式進行供暖。地熱水屬氟水、鍶水、飲用天然礦泉水,經(jīng)處理后可作為理療熱礦水、生活熱水、飲用天然礦泉水。