天水市是一座歷史悠久的文化古城,位于甘肅省東南部,東接關中,西通蘭州,南控巴蜀,北倚隴東,為甘、陜、川交通要道。近年來,隨著西部大開發戰略的實施和西隴海經濟發展戰略的確立,天水市將工業作為興市產業的同時,依托豐厚的歷史文化底蘊,又將旅游業作為主導產業而優先發展。天水市是地熱資源相對豐富的地區,地熱露頭點多而廣,因此大力勘查開發市域內的地熱資源對推對旅游業的發展有十分重要的意義。

距離天水市西北18km的北道區中灘鄉張家溝—汪李坪地熱異常區面積0.7km2,其間310國道縱貫南北,毗鄰隴海鐵路。異常區依山傍水,氣候宜人,交通便利,極具開發潛力。盡早完成中灘地熱資源的勘探開發不僅可彌補天水市旅游區內地熱開發點偏避、社會經濟效益不明顯的缺陷,而且對加快秦安—天水市黃金旅游線路的開辟有積極促進作用。

1 地熱資源形成的地質背景

中灘地熱異常區處在中緯度北溫帶半濕潤區,氣候濕潤溫和,冬無嚴寒,夏無酷暑,年均氣溫10.7℃,相對濕度68%,年降水量550mm。地熱異常區處于渭河三陽川盆地平原西北緣的渭河與其支流葫蘆河的交匯部位,主要地貌類型為河谷階地和丘陵。渭河在此地段發育在Ⅰ—Ⅸ階地,呈階梯狀排列于谷坡,除Ⅱ級及其以下階地有明顯的階面外,其它經水流侵蝕切割,形態不清,實際已屬黃土丘陵的一部分。地熱異常區表部為黃土所覆蓋,僅在河谷坡兩側和沖溝見有零星的第三系和老基巖出露。另外在其外圍西部見有華力西期花崗巖體出露。地質構造上處于祁連—北秦嶺造山帶的復合部位。對地熱形成且具有重要控制意義的斷裂構造有(圖1)F1斷裂,出露于渭河北岸谷坡的張家溝村以西,為一壓扭性控熱斷裂,發育在下元古界牛頭河群硅化大理巖中,擠壓帶寬度4～6m,影響帶寬度近百米,產狀315°～325°∠60°～65°。在其周邊發育有多條次級斷裂,產狀與主斷裂相同。F1斷裂切穿第三系泥巖,在阻擋深部地下熱水向東運移的同時,也形成深部熱水的上升通道。由于它的存在和作用,沿斷裂帶走向有多處溫泉出露。F2斷裂為區域主干斷裂的次級構造,是一多期活動的復合斷裂帶;主斷裂走向近EW,傾向南西,經過3次改造,斷裂帶內巖石系脆性變形,所產生影響帶寬度大于200m。該斷裂切割深度直達下部超基性侵入體,形成了既為上游熱水的地下運移通道,又是南部隔水邊界,是一主要的導水、導熱斷裂。F3斷裂系為南部下元古界牛頭河群與北側葫蘆河群之間的分界斷裂帶,走向NW,傾向S。該斷裂展布于汪李村西北,是脆性剪切變形中表現出的高角度斷裂。

綜上所述,地熱異常區內控熱、導熱的基本構造為F2、F3,位于鴛鴦—牛頭河—花廟河—太白大斷裂的主應力帶上。受其影響兩斷裂所夾牛頭河群大理巖在此形成了1～2km寬的碎裂巖帶,巖體構造裂隙非常發育,為深部地下熱水的貯存、運移提供了通道與空間,兩斷裂切割深度已達深部超基性侵入體。F1斷裂為一阻水斷裂,是近期活動的斷層,它的存在阻礙了F2、F3斷裂之間的地下熱水向東運移的同時,形成了熱水向地表涌出的通道。

2 地熱田地質條件

中灘地熱田是受斷裂控制的裂隙性II-3型地熱田,兼有層狀熱儲和帶狀熱儲特征,由于所處地貌單元地形起伏大且覆蓋嚴重,物化探方法因地形條件影響難以發揮作用,故本地熱田位置及范圍的確定采用地溫場地溫測量的方法做出初步判斷。從地溫場測量結果顯示,中灘地熱田南北以F2、F3斷裂為界,西至霍家坪,東到F1斷裂,長1 300m,平均寬1 200～1 250m,面積約1.6km2。

2.1 地熱田水文地質條件

中灘地熱田熱流體主要賦存于下元古界牛頭河群碎裂狀硅化大理巖中,熱儲呈單斜狀發育,為低溫地熱資源。根據鉆探試驗表明,該地熱田有上、下兩層熱儲組成(圖2),第一層熱儲埋深在張家溝沿F1斷裂附近35～150m,其它地段隨地形增高埋深相應增加;熱儲溫度28℃～35℃,厚度200～400m,蓋層為上第三系和第四系。第二層熱儲以所夾200～250m巨厚絹云母片巖和斷層糜棱巖為分隔層,張溝F1斷裂一帶埋深600～620m,汪李坪附近的埋深大于150m,亦隨地形起伏而變化,熱儲體厚度450～600m。利用K—Mg、SiO2、K—Na水化學溫標和地熱增溫梯度推算第二層熱儲體溫度73.65℃、94.16℃、202.81℃和65.8℃(表1)。其中K—Na溫標算得200℃左右,這代表地下熱水在深循環過程中曾經達到過的溫度。據此,確定地熱田第二層熱儲可靠溫度應介于65℃～70℃之間。

由碎裂狀硅化大理巖形成的熱儲富水性良好,且具微承壓性。通過對第一層熱儲體抽水試驗證明,當水位降低8m、20m和50m時,相應單井涌水量分別是450m3/d、1 400m3/d和2 600m3/d。計算滲透系數7.71m/d,給水度0.12。經對第二熱儲使用井中流速儀測量表明,單井涌水量2 000～3 000m3/d。分析3年來各熱露頭點的流量、溫度及水化學組成資料,各溫泉點和水井流量隨季節變化不明顯,水化學組成穩定。水溫隨季節略有變動。氫氧同位素測試結果顯示,中灘地熱田熱流體來源于大氣降水和地表水體入滲的轉化。入滲后的地表水由西、西北沿斷裂帶深部運移加熱過程中至F1斷裂受阻后溢出地表,循環年齡大于40a。從現掌握的資料認為,中灘一帶應為該地熱系統的排泄區域,除少部分自然流出外,推測大部可能沿F1斷裂向東北、西南方向徑流排泄。從溫泉和鉆孔所采水樣SiO2含量高說明地熱田處于二氧化硅沉積帶上,而水中SiO2含量偏高也是熱儲屬酸性火成巖熱流體排泄帶主要標志之一。

 圖2 中灘地熱田熱儲埋藏條件剖面圖

2.2 地熱田地球化學特征

地熱田地下熱水自然出露和人工揭露點集中分布在沿F1斷裂一線。水化學類型單一,為SO42-—HCO3-—Cl-—Na+—Ca2+—Mg2+或SO42-—Cl-—HCO3-—Ca2+—Na+—Mg2+型,pH值7.5～7.93,溶解性總固體1 200～1 500mg/L。水中除常規化學組分外,還含有偏硅酸、鍶、鋅、溴、碘、硒、鋰、氡等十幾種與人體健康有益的微量元素。

3 地下熱水資源評價

根據控制地熱流體的地質構造條件,將中灘地熱田熱儲邊界概括如下:南北分別以F2斷裂和F3斷裂構成隔水邊界,西部為補給邊界,東部屬排泄邊界,頂部無入滲補給。地熱田內以巨厚狀片巖將熱儲體一分為二,之間無熱流補給或補給微弱的熱水系統。熱源主要來自于火成巖或放射性元素的蛻變。大氣降水和地表水在上游入滲后沿斷裂帶經長距離、長時間深循環加熱后在中灘附近形成地熱田熱流體溢出帶。

3.1 熱儲資源的計算

計算與評價利用《地熱資源評價方法》(DZ40—85)中的熱儲法和水文地質學計算法。以熱儲法為主,輔以水文地質學計算法。

熱儲法:第一層為溫水熱儲,第二層為溫熱水熱儲,兩者熱能之和即為本地熱田總的熱資源量。

3.2 熱儲資源量評價

用熱儲法計算出來的資源量不可能全部被開采出來,只能開采出一部分。用RE=Qwh/QR求得回收率。

公式中:

RE—回收率

Qwh—開采出的熱量

QR—埋藏在地下熱儲中的地熱資源量

由于中灘地熱尚處在普查階段,無試驗性熱水開采量資料,而且回收率與開發設施、開發項目管理水平等密切相關。因此參照一些地區的經驗值來推定,第一層熱儲回收率為12%、第二層熱儲回收率為10%。

據此,熱儲法計算取得的熱資源量為:8.88×12%+269.70×10%=28.035 6MW。按照《地熱資源地質勘查規范》(GB11615—89)的規定,屬中、低溫中型地熱田,能利用儲量的年限為100a。

水文地質學計算法只能從熱載體—水量方面做了驗證計算,由于沒有考慮熱儲巖石的熱量,計算結果存在偏小和與實際有一定差距的問題。但從兩種方法計算結果對比,用計算的斷面徑流量來提供熱水比較符合實際。

3.3 地熱流體質量評價

本次對地熱流體質量評價根據掌握的水質資料和預期的利用,主要包括地熱流體質量評價,地熱流體開發利用溫度評價和地熱流體腐蝕性、結垢及侵蝕性評價等三方面的內容。由于熱水中所含碘、溴、銫等6項指標均很小,未能達到國標(GB11615—89)附錄D有關熱礦水礦物原料提取工業指標,故對地熱流體不做有用礦物組分的評價。

初步評價結果表明,中灘地下熱水達到了現行國標規定的醫療礦泉水和天然飲用礦泉水界限指標,并且有關指標均在限量范圍內。微量組分中尤以偏硅酸、鍶、硒含量顯著,相反,氟含量適中,氡含量較低,不含其它有害成分。這在我省已評價的醫療、飲用礦泉水中少見。除溶解性總固體、硫酸鹽等含量略高外,能夠滿足一般生活飲用水質量要求。熱儲所提供的溫水和溫熱水,既符合農業灌溉、土壤增溫、漁類養殖等,又可用于洗浴、取暖以及工業流程。熱水對管道的結垢和腐蝕程度低,對普通混凝土侵蝕性較弱。

4地熱田開發前景分析

(1) 中灘地熱田發育于渭河深大斷裂內,成熱條件受兩條東西走向和一條北東走向高角度斷裂控制。地熱田面積1.6km2,熱儲分為上下兩層,第一層埋藏深度為35～150m,厚度200～400m,平均熱儲溫度30.65℃,溫水資源量為4 800m3/d;第二層埋藏深度大于150m,厚度大于500m,熱儲溫度65℃～70℃,溫熱水資源量12 100m3/d。地熱田可供熱能為28.03MW(第一層1.06MW,第二層26.97MW),屬中型低溫地熱田,利用年限100a。熱水中富含多種微量元素,其中鍶、硒、偏硅酸、溶解性總固體達到天然飲用礦泉水標準,并且具有醫療價值。水溫能滿足多用途、多功能開發需要。

(2)地熱田所在地天水市是甘肅省第二大城市,地理環境優美,歷史悠久,有豐富的自然景觀和歷史文化遺產,是國家歷史文化名城之一。近年來,在地熱田附近建成有大規模的高新農業科技示范區和太空育種基地。由于周邊有聞名遐爾的麥積山石窟風景區、人文始祖伏羲文化古跡—卦臺山和大地灣古人類遺址的映襯,目前旅游業呈現出快速發展的勢頭。市區內電子、機械等工業基礎雄厚,在全國都占有一定的比重。因此,地熱資源的開發將對旅游業及相關產業的發展形成促進力。另外,地熱田北靠隴海鐵路,310國道從中穿過,多條地方公路南北輻射,與周邊省市相連。有國家電網330KV輸電線路通過,新建120KW火力發電廠正在興建中,可充分保證電力供應。

(3)地熱田處于渭河北岸河谷階地,依山傍水,地形錯落有致,環境優美,平均海拔1 100～1 400m,平均氣溫10℃～11℃,相對溫度68%,氣候溫和宜人,降水適中,適宜于休閑度假。

(4)經初步地熱田開發技術經濟評價認為,天水市開發地熱具有得天獨厚的條件,相關設施建成后將給投資者帶來顯著的利益回報,同時對增加地方財政收入,拉動相關產業發展有重要的貢獻,必然得到地方政府和社會各界的大力支持。