太原市地熱資源概況及開發利用前景

地熱資源是一種清潔、廉價的新能源,同時又是一種具有醫療保健等多種用途的新資源。太原市位于汾渭地塹地熱帶,根據地熱地質條件推測,太原市三給地壘以南,太原東山大斷裂以西和太原西邊山大斷裂以東的親賢地壘區、邊山斷階帶和晉源凹陷區地熱資源豐富。尤其是位于市中心的親賢地壘區地熱資源更為豐富,而且熱儲層埋藏深度小(小于1500m),單井可開采量大(1000m3/d～2000m3/d),水溫高(可達50℃～70℃),是適宜開采和開采條件經濟的地區。

目前太原市的地熱資源尚未得到合理規劃,充分利用,一個重要原因是對太原市地熱地質條件、地熱資源狀況認識不清,文章是在以往工作基礎上,對太原市熱礦水分布狀況、地熱地質背景、熱儲模型、地熱資源狀況和勘探開發利用前景進行了初步研究,為今后太原市可持續發展和合理開發利用地熱資源,減少風險提供了水文地質科學依據。

1 太原市熱礦水分布狀況

地下熱水作為能源開發主要的物性指標是溫度,因為溫度的高低標志著它載運熱能的大小,從而決定了其開發利用的方式和經濟效益,根據已有規范,將地下熱水的下限溫度確定為25℃。太原市煤炭資源豐富,是以煤炭為主要能源的省會城市,幾十年來太原市很少進行過地下水熱水調查研究工作,這方面的成果也很少見。

太原市的地熱普查工作始于七十年代,1972年3月山西省地質局水文隊在太原及清徐一帶進行過地熱物探普查工作,并提交了普查報告。山西省地質工程勘察院1995年5月在太原近郊的神堂溝施工兩眼熱礦水井,S1號熱水井:井深603.71m,井口水溫43℃,出水量1728m3/d;S2號熱水井:井深801.08m,井口水溫42℃,出水量1440m3/d。打出了具有理療作用的熱礦水,揭開了太原盆地熱礦水的面紗,結束了太原盆地沒有熱礦水的歷史。

此后,太原東山統計學校、煤炭學校、傘兒樹村等地鉆鑿了井深1000m左右的巖溶水熱礦水井三眼。其中統計學校井深1166.76m,水溫39℃,出水量1328.16m3/d。2003年12月山西省地質工程勘察院在本院西院鉆鑿成功一眼深1339m的巖溶熱礦水井,井口水溫54℃,涌水量2000m3/d,是目前太原市井深深,水溫高,水量大的熱礦水井。太原市地下熱水點主要集中太原斷陷盆地東西山邊山斷裂帶,兩側隆起山區很少,而盆地中部至今還未打出熱礦水。

2 地熱田地質背景

太原斷陷盆地位于山西陸臺新生代汾渭地塹的中部,它呈北東向鑲嵌在沁水復式向斜的北隅,西部為南北向的呂梁復背斜,北部為北東向的五臺背斜,南部為南北向斜的太行復背斜。四周被斷裂圍限,定型于新生代第三紀。太原斷陷盆地大致依太原———榆次交界的田莊斷裂分為南北兩部分,太原斷陷盆地北部在新生代處于SSE—NNW向拉張作用為主階段,發育了SN向地塹系。太原斷陷盆地北段晚近時期控制性斷裂主要為東、西邊山斷裂帶,汾河斷裂帶及田莊斷

裂帶。這些斷裂均為晚近時期的活動斷裂。太原斷陷盆地北段可進一步劃分為次級地壘和凹陷。三給地壘以南發育有城區凹陷,親賢地壘和晉源凹陷。各凹陷的周邊是地壘和斷階。

斷階是指隆起山區和凹陷之間的過渡帶,呈階梯狀跌落。太原城區凹陷新生界厚400m～600m,西銘斷階新生界厚100m～200m,城東斷階新生界厚200m,三給地壘新生界厚50m～200m,親賢地壘新生界厚200m～400m,黃陵斷階新生界厚200m～500m,晉源凹陷新生界厚600m～1000m。太原盆地除三給地壘和部分斷階帶上基底為石炭二疊系外,親賢地壘及其他凹陷和斷階帶上基底均為三疊系。熱礦水主要分布于三給地壘以南太原盆地區。

3 熱儲模型太原盆地地熱田熱儲模型由蓋層、熱儲層、熱源及地下熱水源組成。

3.1 蓋層熱

儲蓋層主要由新生界第三系及第四系松散層和二疊、三疊系碎屑巖及石炭系煤系地層所構成。一般地區厚500m～1500m,晉源凹陷2000m～2500m。第四系松散層多為粘土,只含少量砂層及砂礫石層,厚100m～300m,第三系主要由紅色粘土所組成(底部夾少量砂礫石),厚100m～700m不等。新生界第三系及第四系地層總厚100m～1000m,不成巖。結構疏松、孔隙度大,密度小,導熱性能差,熱阻大,是盆地奧陶系灰巖上部的熱儲保溫層。二疊、三疊系及石炭系地層以泥巖類地層為主,導熱率小于下部奧陶系灰巖層,是奧陶系灰巖熱儲層的*熱儲保護層。

3.2 熱儲層

太原盆地熱儲層主要由中奧陶系碳酸鹽巖所組成,其中峰峰組上段及上、下馬家溝組上段以灰巖及白云質灰巖為主,裂隙、巖溶普遍發育,是太原盆地深部主要巖溶類型熱儲層,厚350m左右,巖石密度2700kg/m3,孔隙度20%,水溫40℃～60℃,日產熱水量1000m3/d～3000m3/d。寒武系白云巖及鮞狀灰巖熱儲層厚300m～400m左右,當埋深在1000m以下時,巖溶裂隙不發育,水溫可達40℃,但產水量小(小于300m3/d～400m3/d),開采不經濟,成本高,利用價值不大。

3.3 熱源

居里等溫面是判斷地下熱狀態的物理面,山西居里等溫面總體上是一條北東向的隆起帶,其軸線與山西汾河斷陷盆地的軸線基本重合,太原盆地居里等溫面小于20km,盆地東西山區埋深顯著增大,一般在28km以上,說明兩側山區與太原盆地中部熱物理狀態存在明顯差異,據山西大地電磁測深資料,盆地中部中地殼為低速高導層(為高溫半熔融狀態)也具有溫度高

(600℃)等物理特性,使盆地區形成熱異常區。另據山西大地熱流值等值線圖可知,太原盆地大地熱流值普遍大于17HFU(71MW/m2),而盆地東、西山區大地熱流值小于1.3HFU(545MW/m2)。居里等溫面與莫霍面在盆地中部都有上拱現象,處于半熔融狀態的巖漿熱會在地殼薄的盆地深部向地表進行熱傳導。熱流值會在上拱的地殼部位集中形成高熱流值。從以上幾方面均說明盆地深部熱物理狀態高,因此深部熱傳導是太原盆地區地熱田的恒定供熱源。太原盆地東、西山邊山斷裂帶及盆地中部的汾河大斷裂、三給地壘、田莊斷裂等斷裂是新生代活動斷裂,有些深斷裂可勾通盆地深部熱源,有利于地下水下滲深循環加熱上升形成巖溶熱礦水。

3.4 地下熱水源

從同位素資料及水文地球化學資料證實,本區地下熱水是來自古代大氣降水。大氣降水及汾河水,從東、西山裸露灰巖區、斷裂破碎帶或巖層孔隙裂隙向地下滲入,在漫長的地質年代和水頭差位能作用下,*地向深處運移,水向深處運移過程中被圍巖加熱后產生密度差(有些水可直接沿深斷裂滲透至半熔融高溫層),造成自然的水熱對流,受熱流體循環上升,送至地殼淺部的奧陶系巖層,并在巖溶裂隙孔隙中儲存下來,成為當今的地下熱礦水。據14C測年結果為8000年～10000年,說明為老水。熱水中SiO2和氟離子含量高說明經深循環與圍巖充分溶濾有關。說明太原盆地深部熱礦水與東西山區巖溶水水利不密切。

4 熱儲層溫度推算

本次采用化學溫標法和地溫梯度法,對太原盆地地熱田的熱儲層溫度進行了推算。用SiO2溫標和Na—Li溫標推算神堂溝S1孔熱水井熱儲溫度為49℃～72℃(S1孔井口溫度43℃),與實際基本相符。用地溫梯度法,對DKY—1孔(山西地質工程勘察院西院)推測熱儲量溫度為63℃,與實際基本相符。實測井口溫度54℃,孔深970m,揭露奧陶系峰峰組后實測井底溫度為47℃。用SiO2溫標及鉀鎂溫標推測熱儲層溫度為94.5℃～110.3℃(與實際出入較大僅供參考)。

5 熱礦水化學特征及醫療價值

太原盆地熱礦水經檢測和分析為SO4—Ca·Mg型,礦化度2g/l～2.1g/l,Na:23mg/l～26.2mg/l,Ca:434mg/l～536mg/l,Mg:97mg/l～114mg/l,HCO3:184mg/l～

201mg/l,SO4:1290mg/l～1337mg/l,HSiO3:23mg/l～44mg/l,Srll:1mg/l～

11.9mg/l,H2S:097mg/l～2.7mg/l,F-:2.8mg/l～5.8mg/l(補給區黃坡溝X1孔水質為SO4·HCO3—Ca·Mg型,礦化度0.5g/l～0.9g/l,HSiO3:10mg/l～13mg/l,F:0.9mg/l～

1.2mg/l,水溫25℃),其中鍶、溴、鉬、鋅、錳、鈷、硼等達醫療濃度,鍶、氟、偏硅酸達到定名標準。鍶含量高與二、三疊系地層中Sr含量較高有關,SiO2及F含量較高與深循環充分溶濾有關。根據中華醫協會和日本中央溫泉研究所分析認為,該地區熱礦水可治療消化系統慢性病、神經痛、關節痛、皮膚病、動脈硬化、慢性濃皰、蕁麻珍、慢性肝、膽道疾病、便秘及腳氣等多種疾病。此外還有鎮靜作用,有利傷口愈合和病后恢復。

6 地熱資源計算

6.1 地熱資源總量Qr=C·A.d·(tr-t0)C=ρr·Cr·(1-)+ρw·Cw·式中:Qr—熱儲中儲存的熱量(J);A—計算區面積(390km×106m2);d—熱儲層厚度(取350m);tr—熱水平均溫度(取平均值50℃);t0—當地年平均氣溫(按10℃取);C—熱儲巖石和水的平均比熱容(取

2811496J/m3·℃);C=2700×920×(1-0.2)+986×4180×0.2=2811496J/m3·℃;ρr—熱儲巖石密度(取2700kg/m3);Cr—熱儲巖石比熱(取920J/kg·℃);pw—熱水的密度(取

986kg/m3);Cw—水的比熱(取4180J/kg·℃);—熱儲巖石的空隙度取20%。地熱資源總量Qr=1.54×1019J折合成標準煤1.54×1019J/2.85×1010J=5.4×108噸標準煤(一噸標準煤=7×106千卡×4.1868J=2.93×1010J)。注:1cal=4.1868J

6.2 地熱可采資源計算

Qw=Qr×K=1.526×1019J×0.15=0.23×1019J折合成標準煤

=2.3×1018J/2.93×1010J=0.78×108噸標準煤。式中:Qw—可采地熱資源量(J);Qr—地熱資源總量(J);K—回采系數(取15%)。

6.3 熱水儲存量計算W=F·S·h式中:W—承壓熱儲層彈性儲存量(m3);F—地熱田分布面積390km2×106(m2);h—承壓熱儲含水層自頂板算起的壓力水頭高(取1000m);S—彈性釋水系數(取5.76×10-4)。則W=390×106×5.76×10-4×1000=2.25×108(m3)

7 勘探開發利用前景

根據太原盆地構造條件,熱儲模型和已有熱礦水開發利用情況,對今后太原盆地地熱田的開發目的層、分區開采條件、開發利用方式及建議分述如下:

a)勘探開發目的層。奧陶系上、下馬家溝組熱儲層,水溫高、水量大、水質也較好,具有勘探開發利用前景,應作為太原市今后勘探開發利用的主要目的層。峰峰熱儲層水質較差,寒武系風山組、張夏組白云巖及鮞狀灰巖,巖溶不發育(特別是在深埋條件下),水溫高,但產水量小,不是今后開發利用的目的層。

b)太原盆地地熱田為中低溫地熱田,以層狀熱儲為主,兼有裂隙帶狀分布特點。

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