烏魯木齊市甘泉堡-古海溫泉區(qū)地熱地質特征分析

袁麗發(fā)，謝 寧，徐海龍

(新疆地礦局第一水文工程地質大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)中部天山北麓、準噶爾盆地東南緣，南部及西部為天山北麓山前平原，中部及北部大部分地段為古爾班通古特沙漠。區(qū)內南部有吐烏大高等級公路、國道216和省道111、303等多條公路，東部有大黃山至富蘊縣高等級公路，交通較便利；北部沙漠區(qū)只有石油公路可以通行，大部分地段通行困難。本文在野外實地調查的基礎上，并結合相關研究成果[1-5]，從研究區(qū)地質背景的角度出發(fā)，對研究區(qū)地溫場特征、熱儲特征、埋藏條件、地熱流體場特征進行全面分析，進而為研究區(qū)內開展地熱資源勘查及地熱資源勘查規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質背景分析

1.1 地層概況

研究區(qū)地層屬于天山—興安嶺地層區(qū)準噶爾地層分區(qū)、橫跨吉木薩爾縣地層小區(qū)和將軍廟地層小區(qū)。受區(qū)域構造控制，區(qū)內地層總體表現(xiàn)為南厚北薄，東薄西厚的特點。出露地層主要為新近系和第四系，其成分復雜，主要為風積、沖積、沖洪積層，沉積厚度變化較大從幾十米到上千米不等。

1.2 地質構造

研究區(qū)在大地構造上隸屬于準噶爾—北天山褶皺系一級構造單元內的二級構造單元北天山優(yōu)地槽褶皺帶(Ⅱ3)中的博格達復背斜(Ⅱ32)、烏魯木齊山前拗陷(Ⅱ36)和準噶爾坳陷(Ⅱ2)中的準噶爾中央坳陷(Ⅱ24)、準噶爾東部凸起(Ⅱ25)。

2 研究區(qū)地溫場特征

2.1 地溫場平面特征

本次通過熱紅外遙感解譯，獲得研究區(qū)冬季地表瞬時地溫數(shù)據(jù)，編制了區(qū)內冬季地表地熱分布影像圖，發(fā)現(xiàn)區(qū)內大部分地段為中低熱區(qū)，高熱區(qū)主要分布于東北部五彩灣及西南角102團一帶，溫度最低地段主要為西南部各個水庫區(qū)。

通過對地溫數(shù)據(jù)進行熱紅外遙感信息提取和解譯，初步劃分了三個分區(qū)：分別為中高溫區(qū)(30℃～41.5℃)、中溫區(qū)(28℃～30℃)和低溫區(qū)(10℃～28℃)。區(qū)內低溫區(qū)分布于中部阜康市北部、六運湖農場至222團一帶，面積最小，為445.15 km2；中高溫區(qū)分布于東北部沙漠區(qū)至五彩灣一帶，面積為575.73 km2；中低溫區(qū)分東西兩片，西片為102團至甘泉堡經濟開發(fā)區(qū)一帶，東片為土墩子農場、滋泥泉子至沙漠區(qū)南部一帶。面積最大，為1 532.12 km2。

2.2 地溫場垂向特征

根據(jù)據(jù)前人成果，盆地平均地溫梯度為22.6℃/km，其中2 000 m范圍內1.75～2.7℃/100m，通過本次收集的鉆孔孔底測溫數(shù)據(jù)，研究區(qū)東部2 000 m深度范圍內，平均地溫梯度為2.56～2.65℃/100m，在準噶爾盆地中屬于地溫梯度高值區(qū)。

根據(jù)準噶爾盆地區(qū)域地熱成果，1 000 m深處平均溫度為24.2℃～42℃；2 000 m深處平均溫度為40.2～71.1℃；3 000 m深處平均溫度為60.2℃～71.1℃。總體而言，盆地腹部地溫高，向南、北方向逐漸降低，在研究區(qū)周邊以彩南地區(qū)最高，東部凸起次之，南部天山山前坳陷最低。

2.3 異常區(qū)的圈定

通過本次遙感解譯和實地調查分析得出，研究區(qū)內熱異常主要受南北向斷裂F5、F10、東西向斷裂F3，F(xiàn)4和北西向斷裂F1、F2控制，其中F5，F(xiàn)10為導熱斷裂，為主要控熱構造，受區(qū)域斷裂F3、F2和F1控制；而北西-南東向F6，F(xiàn)7、F8、F9和F11斷裂為導水斷裂，主要為區(qū)內深部地熱流體的補給、排泄、徑流提供通道。

受研究區(qū)構造格局影響，東部五彩灣一帶構造屬于帳篷溝凸起，下部侏羅系以上地層大部分缺失，二疊系、石炭系地層埋藏深度遠小于其他地區(qū)，深部高溫地熱流體傳至淺部乃至地面的幾率增大同時，從遙感解譯結果也看出，該區(qū)域地熱異常顯示明顯。

研究區(qū)中部存在三處水溫異常，根據(jù)該區(qū)域與上述斷裂位置對應關系，初步判段水溫異常主要受F3和F2斷裂總體控制，地下深部的高溫地熱流體，通過橫穿上述兩斷層的F6斷裂，將深部地熱運移到淺部地段，再通過機井開采地下水將地熱異常通過水溫異常顯露，在水溫這一高比熱流體的稀釋作用下，明顯的熱異常被消弱，上述過程需要后期進一步工作加以驗證。

綜上所述，初步判斷區(qū)內東北部、西南部兩片區(qū)域均存在地熱異常，據(jù)此劃分兩個地熱異常區(qū)，現(xiàn)分述如下。

2.3.1 古海溫泉地熱異常區(qū)

位于研究區(qū)東北部，西以南北向斷裂F10為界，北、東至研究區(qū)邊界，南以北西向斷裂F1、F11為界，呈四邊形分布，面積約391.6 km2。熱異常主要受南北向斷裂F10控制，北西-南東向F9、F11斷裂為深部地熱流體的通道。

2.3.2 甘泉堡地熱異常區(qū)

位于研究區(qū)西南部，西以南北向斷裂F5為界，東至北西向斷裂F7與東西向斷裂F3交接地段，北部、南部均至研究區(qū)邊界，呈不規(guī)則六邊形區(qū)域分布，面積599.78 km2。熱異常主要受南北向斷裂F5控制，北西-南東向斷裂F6、F7為深部地熱流體的通道。

3 研究區(qū)熱儲特征及其埋藏條件

3.1 熱儲層及蓋層的確定

本次圈定的兩處地熱異常區(qū)均位于準噶爾盆地東南，地表出露地層為第四系風積物和沖洪積物，地層中含有大量的粉土、粘土；其下伏地層依次為古近系-新近系、白堊系、侏羅系和三疊系，這些地層中含有砂巖-泥巖互層、泥質砂巖或多層泥巖，構成不透水或弱透水巖層，成為了區(qū)內深部地熱的良好蓋層。

在兩處地熱異常區(qū)中，甘泉堡異常區(qū)內現(xiàn)有勘探鉆孔大多未揭穿第四系，因而本次重點分析古海溫泉地熱異常區(qū)的熱儲層特征。綜合分析沙南一井、沙南油田SQ3111、SQ3231鉆孔資料和前人區(qū)域地熱成果，初步判斷古海溫泉異常區(qū)地下深部存在熱儲層，而上部第四系至三疊系地層為該區(qū)熱儲層的蓋層，在現(xiàn)有鉆孔勘探深度內，蓋層厚度約為1 591～2 047 m。二疊系至石炭系為熱儲層，其類型為層狀熱儲。

3.2 熱儲特征及其埋藏條件

3.2.1 二疊系熱儲層

該熱儲層主要分布于二疊系中統(tǒng)上芨芨槽群、上統(tǒng)下倉房溝群，巖性主要為陸緣近海湖相砂泥巖、海陸交互相灰黃-灰綠色砂泥巖、濱海淺海相砂泥巖夾泥灰?guī)r及火山巖夾碎屑巖等。據(jù)沙南一井、彩參2井和沙南油田SQ3111、SQ3231鉆孔資料，厚度在657～835 m，埋藏深度在1 866～3 247 m。

由于該層段不是石油鉆孔的目的層，該層段的其他特征需進一步工作查明。

3.2.2 石炭系熱儲層

該地層在整個研究區(qū)均有分布，巖性以海陸交替相砂泥質凝灰?guī)r夾石灰?guī)r為主，該時期由于巖漿活動較強烈，玄武巖、安山巖和火山碎屑巖也較為發(fā)育。通過沙南1井(古海溫泉)資料和實地調查，該熱儲層主要分布于下石炭統(tǒng)八塔瑪依內山組，巖性以深灰色、墨綠色玄武巖為主，埋藏深度為1 866～3 762 m。

1)熱源條件

綜合前面的區(qū)域地質背景和前人對準噶爾盆地地熱研究成果可知：區(qū)內石炭系地層埋藏深度遠小于其他地段，同時該地層中的玄武巖、安山巖和火山碎屑巖等為高熱導率巖石，由此推斷高熱導率石炭系巖石埋藏淺是導致古海溫泉異常區(qū)地溫較高的原因之一，進而推斷區(qū)內熱源來自深部地幔熱和構造形變轉化熱。

2)水源條件

據(jù)沙南1井勘探資料，石炭系八塔瑪依內山組中賦存基巖裂隙水，含水層深度為1 858.85～2 038.92 m，總厚度約為55.3 m，從深到淺大體分為三層自流水層。由于遠離補給區(qū)，裂隙水徑流滯緩，流量1.1～43.2 m3/d，礦化度高達17.39～18.67 g/L，具有深循環(huán)徑流特征。其中氯離子含量高達10.37～10.94 g/L，水化學類型為Cl-Ca·Na型，導熱性和導水性相對較差，水溫22℃～70℃。

本次實測水溫約為72℃，水樣測試溶解性總固體數(shù)值為18.02 g/L，其中氯離子含量高達11.43 g/L，水化學類型仍為Cl-Ca·Na型。

3)構造條件

據(jù)沙南1井(古海溫泉)勘探資料，該井地處準噶爾盆地東部凸起內的帳篷溝凸起，燕山期強烈抬升導致基底隆起、地層剝蝕嚴重，侏羅系以上地層缺失。石炭系地層埋藏較淺(1 866 m，遠小于盆地其他地段)，巖性為玄武巖、安山巖和火山碎屑巖，該類巖石熱導率較高，地溫較高。位于地下1 984～2 002 m的地熱流體(熱水)，通過該井將深部熱能傳至地表自流，井口出水溫度高達70℃(1983年)，以本次實際調查地下水平均水溫12℃計算，該井的地溫梯度為2.9℃/100m，遠高于準噶爾盆地2 000 m范圍內1.75～2.7℃/100m的地溫梯度。

從區(qū)域大地熱流分布情況可看出，古海溫泉地熱異常區(qū)的大地熱流值明顯高于周邊，而且區(qū)內發(fā)育有4條斷裂，通過遙感解譯及現(xiàn)場驗證：北西向斷裂F9、F11為導水導熱，成為深部地熱流體傳輸?shù)闹饕ǖ?，在南北向斷裂F10和導熱斷裂(F11)綜合作用下，地下深部的高溫地熱流體沿著F11斷層方向(北西-南東向)運移，沙南1號油井(五彩灣古海溫泉)本次實測井口水溫高達72℃。

4 研究區(qū)地熱流體特征

4.1 化學特征

甘泉堡地熱異常區(qū)南部地下水深埋區(qū)，第四系松散巖類孔隙水含水層顆粒粗大，徑流條件好，水交替強烈，地下水的礦化度均小于0.5 g/L，水化學類型為HCO3-Ca·Na型水；北部含水層顆粒逐漸變細，出現(xiàn)細顆粒夾層和粘土，徑流條件變差，水交替作用逐漸滯緩，潛水溶解性總固體為一般1.0～3.0 g/L。水化學類型由南向北依次變?yōu)镠CO3·SO4-Ca·Na型水、SO4·HCO3-Na型水、SO4·Cl-Na型水，承壓水水質較好，溶解性總固體為0.67～0.77 g/L。

根據(jù)本次采集的古海溫泉地熱流體水樣測試結果可知：該熱水溶解性總固體為18.02 g/L(其中氯離子含量高達11.43 g/L)，水化學類型為Cl-Ca·Na型。水中氟、鍶、鋇、硼、硅的含量達到理療礦水命名濃度，鍶、鋇、硼達到礦水濃度命名。

4.2 動態(tài)特征

研究區(qū)內地下水水位年內動態(tài)類型分為：徑流-開采型和徑流-蒸發(fā)型。

4.2.1 徑流-開采型

主要分布在南部山前礫質平原、細土平原和北部沙漠區(qū)的大部分區(qū)域。每年4-8月為河流豐水期，但受農灌開采的影響，地下水位呈現(xiàn)為低水位期；每年11月至翌年2月為河流枯水期，但農灌區(qū)基本無開采，因此地下水位呈現(xiàn)為高水位期。其動態(tài)曲線一般為“單谷”型，年內水位變幅通常大于1 m。

4.2.2 徑流-蒸發(fā)型

小片分布于沖洪積平原北部、風積沙漠南緣一帶，即阜康市北部222團、土墩子農場和五彩灣一帶，可見埋深小于5 m的區(qū)域，局部地勢低洼處埋深為1～3 m，該區(qū)域為地下水排泄區(qū)，降水量較少，蒸發(fā)極為強烈，氣候干旱，主要接受上游地下水側向徑流補給，以向下游側向徑流和蒸發(fā)為主要排泄方式，周圍常見有大面積的鹽漬化土壤分布。區(qū)內地下水埋深年內動態(tài)曲線波動不大，年內變幅小于1米。每年5-8月蒸發(fā)量較大，出現(xiàn)低水位期。

5 結語

(1)研究區(qū)從北向南區(qū)域性斷裂主要有4條，其中北西-南東向壓性逆斷層2條(分別為F1、F2)，近東西向的壓性及壓扭性斷裂2條(分別為F3、F4)，均為區(qū)域主要控熱構造；區(qū)內還發(fā)育7條隱伏斷裂，其中北西-南東向5條，其中F6，F(xiàn)7和F8為張扭性斷裂，為區(qū)內主要控水(導水)構造；F11斷裂周邊熱異常明顯，為區(qū)內主要的導熱構造。南北向2條(F5、F10)為壓性構造，為控熱構造(導熱斷裂)。

(2)研究區(qū)內地溫分為三級，東北部為中高溫區(qū)，面積為575.73 km2；中部為低溫區(qū)，面積為445.15 km2，其他地段為中低溫區(qū)，面積為1 532.12 km2。

(3)研究區(qū)內第四系至三疊系地層為地熱異常區(qū)的蓋層，厚度為1 591～2 047 m；二疊系至石炭系為熱儲層，埋藏深度為1 866～3 762 m，其類型為層狀熱儲；將區(qū)內地下水水位年內動態(tài)類型分為徑流-開采型和徑流-蒸發(fā)型。