青海東中部地?zé)崮艿姆植继卣骷伴_(kāi)發(fā)利用

青海東中部地?zé)崮艿姆植继卣骷伴_(kāi)發(fā)利用

地球熱能量是指地球上的可再生性熱能，包括由平坦土壤、地下熱和干熱巖產(chǎn)生的熱量。儲(chǔ)存于地球內(nèi)部的熱量約為全球煤炭?jī)?chǔ)量的1.7億倍,僅地表以下10km以?xún)?nèi)的地殼儲(chǔ)存的地?zé)崮芰烤褪侨蚴秃吞烊粴鈨?chǔ)量的5萬(wàn)倍。在新能源和可再生能源大家族中,地?zé)崾且环N清潔、價(jià)廉、穩(wěn)定、可靠、環(huán)境友好和最為現(xiàn)實(shí),并具有競(jìng)爭(zhēng)力的新能源,其在發(fā)電、供暖、制冷、生態(tài)農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、養(yǎng)殖等行業(yè)具有廣泛的利用前景。在低碳經(jīng)濟(jì)和綠色發(fā)展的大背景下,由于排放的CO2很少,利用地?zé)崮艽嫖廴緡?yán)重、儲(chǔ)量有限的傳統(tǒng)化石能源,不僅有利于人類(lèi)能源保障,而且對(duì)全球CO2減排意義重大。目前,全球有78個(gè)國(guó)家在利用地?zé)崮?其中24個(gè)國(guó)家在利用地?zé)崮馨l(fā)電,世界地?zé)崮芸萍悸肪€(xiàn)圖顯示出全世界地?zé)崮馨l(fā)展遠(yuǎn)景:到2050年地?zé)岚l(fā)電量占全球發(fā)電總量的3.5%,地?zé)崮苓@種古老的新能源必將成為“改變世界的能源”。地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)主要是利用由地殼內(nèi)熔融體、新生代火山巖、大裂谷深部或高放射性等熱源加熱后的土體、地?zé)崃黧w及巖體中的熱量,即利用淺層地溫能、地下熱水和干熱巖。由于受殼、幔地?zé)岙惓ｓw分布、現(xiàn)代構(gòu)造引力場(chǎng)、斷裂構(gòu)造規(guī)模及展布、巖漿巖特征等復(fù)雜條件的影響,加之研究程度不高,目前位于青藏高原東北部的青海省對(duì)地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用水平相對(duì)很低。因此,研究分析地殼淺部地?zé)峋奂瘷C(jī)制,探索地?zé)崮艿姆植继卣?尤其是高溫地?zé)崃黧w、干熱巖的分布規(guī)律,是推動(dòng)全省地?zé)崮芾玫年P(guān)鍵。1抱—共和盆地地?zé)岬刭|(zhì)背景條件共和盆地位處青海省東中部,隸屬于青海省海南藏族自治州的共和縣、貴南縣、興?？h和海西藏族蒙古族哈薩克族自治州的都蘭縣,南北寬90km,東西長(zhǎng)210km,總面積21186km2。東鄰貴德盆地,北、西以一山之隔分別與青海湖盆地、柴達(dá)木盆地相接。盆地中心地形較為平坦,海拔約3000m,河谷切割較深,橫貫盆地的黃河切深達(dá)600m以上。四周群山環(huán)抱,北側(cè)青海南山,西側(cè)茶卡西山,南側(cè)為昆侖山脈,山體海拔3500~4900m。盆地位于青藏高原東北部,地處內(nèi)陸,屬大陸性氣候,多年平均降水量299.1mm,多年平均蒸發(fā)量1739.39mm,多年平均氣溫3.71℃度,較為寒冷,每年供暖期達(dá)6個(gè)月以上。在大地構(gòu)造部位上,盆地位于昆侖地塊與祁連地塊分界地帶,區(qū)內(nèi)出露的前第四紀(jì)地層主要分布在山區(qū),從老至新有下元古界,石炭系、二疊系、三疊系和新近系。第四紀(jì)地層為更新統(tǒng)和全新統(tǒng)的冰磧、冰水沉積、洪積、沖洪積、沖積物(吳向農(nóng),1991)。共和盆地是一個(gè)自中生代以來(lái)形成的斷陷盆地,北緣由宗務(wù)隆-青海南山斷裂控制,該斷裂是祁連地塊與昆侖地塊的分界斷裂,走向北西,長(zhǎng)大于650km,是一條斷面近直立微向南傾的超巖石圈活動(dòng)斷裂(朱俊才,1963)。西、南由哇洪山-溫泉斷裂控制,走向北西,長(zhǎng)大于200km,為一條走滑地殼斷裂。據(jù)航磁、重力異常解譯,一條規(guī)模較大,經(jīng)花石峽—溫泉—共和—湟源的北東向隱伏斷裂,從盆地中部通過(guò)。盆地內(nèi)的小規(guī)模斷裂以北西、東西向2組為主(圖1)。區(qū)內(nèi)火成巖較為發(fā)育,侵入巖有興凱、加里東、華力西、印支等多期,以印支期為最新且規(guī)模較大。2盆地周邊地質(zhì)環(huán)境自20世紀(jì)50年代以來(lái),經(jīng)幾代水文地質(zhì)工作者的努力,目前已在盆地及周邊發(fā)現(xiàn)地下熱水露頭點(diǎn)12處,60~86℃的水點(diǎn)有7處,26.5~42.5℃的水點(diǎn)有5處。其中,11處分布在盆地周邊,多處在深大斷裂帶內(nèi),住往伴隨有火山巖分布,水質(zhì)較好,礦化度多小于1g/L。1處位于盆地中心,熱水溫度為38℃,礦化度相對(duì)較高達(dá)2.52g/L。據(jù)盆地中心恰卜恰河河谷南北長(zhǎng)7km范圍內(nèi)分布的6個(gè)深度900~1850m鉆孔資料揭露,盆地內(nèi)第四系厚530~800m,花崗巖基底埋深900~1450m,基底由北向南傾,坡度可達(dá)10%左右?；着c第四系之間為新近紀(jì)細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等?？碧奖砻髋璧貎?nèi)埋藏有豐富的淺層地溫能、地下熱水及干熱巖資源。2.1第四系土壤條件地層除盆地周邊山區(qū),淺層地溫能在全盆地內(nèi)均有分布。盆地內(nèi)200m以?xún)?nèi)均為第四系。地層巖性以亞砂土、圓礫等為主。第四系含水層厚度大于30m,且200m內(nèi)地下水水溫相對(duì)較高,溫度達(dá)30~34℃。區(qū)內(nèi)雖還沒(méi)有開(kāi)展相關(guān)評(píng)價(jià)工作,但基礎(chǔ)條件表明盆地內(nèi)的地源熱泵、水源熱泵利用潛力很大。2.2務(wù)隆-青海湖南斷裂帶據(jù)以往調(diào)(勘)查資料分析,共和盆地周邊沿深大斷裂有溫泉出露,其中,哇洪山-溫泉斷裂帶,泉水水溫為60~70℃,北側(cè)宗務(wù)隆-青海南山斷裂帶,泉水水溫約40℃,表明沿?cái)嗔褞Ь哂幸詫?duì)流傳熱為主的帶狀熱儲(chǔ)分布,熱源來(lái)自活動(dòng)性斷裂的熱對(duì)流,其內(nèi)的地?zé)崃黧w主要接受大氣降水及基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給,有利地段地下水富水性較強(qiáng),單井計(jì)算涌水量可達(dá)1000m3/d以上。盆地中心勘探資料表明,盆地中分布以傳導(dǎo)熱為主的層狀熱儲(chǔ)(圖2),且分布范圍遍布全盆地,其熱儲(chǔ)可分為第四系下更新統(tǒng)熱儲(chǔ)層和新近系熱儲(chǔ)。2.2.1熱儲(chǔ)層涌水量及地溫增溫率地表與熱儲(chǔ)頂板間巖性為透水性差的第四紀(jì)亞黏土及亞砂土,分布穩(wěn)定,可視為熱儲(chǔ)蓋層。熱儲(chǔ)層頂板埋深100~200m,巖性為粉細(xì)砂、中粗砂及含礫中粗砂,為較好的熱儲(chǔ)層,厚度大于100m,單井計(jì)算涌水量800m3/d,礦化度小于1g/L,流體溫度38~46℃,熱儲(chǔ)層地溫增溫率為1~4℃/100m。2.2.2板錨板礦板內(nèi)溫該熱儲(chǔ)層的蓋層巖性為透水性差的下更新亞黏土、黏土及新近系泥巖、砂質(zhì)泥巖等,厚度為80~200m。熱儲(chǔ)層頂板埋深669.0~718.3m,巖性為新近紀(jì)中粗砂巖、砂礫巖,熱儲(chǔ)厚度495.36~747.15m,流體溫度82~84.2℃。據(jù)鉆孔資料,其熱儲(chǔ)層地溫增溫率為4.6~5.3℃/100m,單井出水量871.26~1002.15m3/d。水質(zhì)較好,礦化度為2.19~2.23g/L,為HCO·Cl-Na型。2.2.3盆地內(nèi)表層熱儲(chǔ)的構(gòu)成盆地周邊的大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,總體上地表水及地下水都從盆地邊緣向中心徑流,最終排向橫穿盆地的黃河。盆地內(nèi)層狀熱儲(chǔ)中的地?zé)崃黧w也不例外,主要接受出山口后的河流入滲補(bǔ)給和周邊山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給,其次為大氣降水的入滲補(bǔ)給。流體自盆地邊緣向中心徑流,部分以泉水形式排向深切達(dá)600余米的黃河,據(jù)調(diào)查排泄量不小于20萬(wàn)m3/d,部分以上升泉形式排出地表。2.3巖石溫度分布據(jù)盆地地球物理勘探及部分鉆探資料分析,盆地基底均由印支期花崗巖組成。黃河以北現(xiàn)有鉆孔測(cè)溫表明,花崗巖溫度普遍較高,據(jù)DR2資料,當(dāng)孔深達(dá)1850m時(shí),巖石溫度達(dá)112℃,DR3孔深1620m時(shí),巖石溫度達(dá)107℃。經(jīng)計(jì)算花崗巖地溫梯度為5.1~7.25℃/100m,預(yù)計(jì)孔深達(dá)3000m時(shí),巖體溫度有望達(dá)180℃以上。盆地具有干熱巖資源,且分布廣泛,埋深相對(duì)淺。3盆地不含裂谷盆地地?zé)崮軣嵩粗饕獊?lái)自殼內(nèi)熔融體、新生代火山巖、大裂谷深部熱、高放射性物質(zhì)存在和構(gòu)造碰撞擠壓剪切熱等類(lèi)型,共和盆地不存在大陸裂谷。盆地基底為中生代印支期火山巖,地質(zhì)普查也沒(méi)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)有高放射性物質(zhì)的存在,依據(jù)地球物理勘探資料,盆地地?zé)崮芫奂赡芘c殼、幔熱流異常關(guān)系密切。3.1區(qū)域地質(zhì)背景20世紀(jì)90年代以來(lái),中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院與法國(guó)、美國(guó)等合作,運(yùn)用寬頻地震剖面等新的深部物理探測(cè)技術(shù),橫穿青藏高原完成了超過(guò)10000km的地震層析部面,了解了深達(dá)數(shù)百千米范圍內(nèi)的地殼和上地幔結(jié)構(gòu)特征,建立了青藏高原腹地和重要構(gòu)造位置的地震波速速度結(jié)構(gòu)。主要成果為:70km以上,祁連、巴顏喀拉、羌塘南至崩措-嘉黎斷裂間和雅礱江縫合線(xiàn)附近地帶等5地塊為主體高速地塊,而相間的喜馬拉雅、拉薩、羌塘和東昆侖地塊為主體低速地塊(圖3)(姜枚等,2009),共和盆地位于主體低速的東昆侖地塊。定日-格爾木地震層析剖面(圖4、圖5)(許志琴等,1996,2004)反映,250km深度以下,在巴顏喀拉地塊昆侖山口以南的地下存在長(zhǎng)約200km,寬約100km的呈肺葉狀分布的低速體。玉樹(shù)-共和地震層析剖面(圖6)表明(許志琴等,2004),在巴顏喀拉地塊清水河一帶的300km深度以下同樣存在大型低速體,可能為昆侖山口低速體向東延伸的結(jié)果。在瑪多—共和一線(xiàn)100~400km深度內(nèi),東昆侖斷裂帶以北有一條寬約150km的低速帶,并向北東向延伸至共和盆地底部地表以下約200km處,該低速帶與清水河下方的深部低速帶關(guān)系密切。據(jù)接收函數(shù)處理結(jié)果,共和盆地南部溫泉一帶地下15~40km處有一低速體,其與盆地南緣地下10km內(nèi)的低速體相連,并延伸到盆地中心地下(圖7)(姜枚等,2009)。據(jù)此推斷共和盆地地下10km內(nèi)存在的低速帶與東昆侖下方低速帶以及巴顏喀拉地塊深地幔中大型低速異常體相關(guān)聯(lián)。3.2下地殼結(jié)構(gòu)及熱性能低速結(jié)構(gòu)形成的原因除受構(gòu)造疊置、地體松散程度等影響外,與地體高熱流值具有很大關(guān)系。例如,拉薩低速地塊正好對(duì)應(yīng)當(dāng)雄-羊八井裂谷,低速特征與該區(qū)高熱流值相吻合。昆侖山口-清水河300km深度以下存在的大型低速體,部分地段S波缺失,表明上地幔蓋層缺失,為一地幔亞熱柱(許志琴等,2004)。10Ma年前,可可西里地區(qū)形成的幔源型火山巖,表明該地幔亞熱柱是巴顏喀拉地塊新生代火山巖噴發(fā)的深部淵源(張雪亭等,2007)。與深部大型低速體相關(guān)的東昆侖下部低速帶可能是地幔熱柱的延伸,這從昆侖山區(qū)居里等溫面相對(duì)柴達(dá)木盆地上隆10km(張雪亭等,2007),共和盆地重力異常達(dá)-30,地殼厚度僅55km,小于東昆侖以南15km等得到證明,說(shuō)明低速帶具有高溫特征。從盆地中已施工的DR1、DR2、DR3鉆孔證實(shí),地下1000m以下為完整花崗巖(正常為高速地層),測(cè)溫曲線(xiàn)(圖8)表明,盆地?zé)崃鳟惓Ｃ黠@,且溫度與深度具有線(xiàn)性關(guān)系,說(shuō)明盆地?zé)崮転閭鲗?dǎo)性地?zé)?。證實(shí)與東昆侖下部低速帶關(guān)聯(lián)的盆地及南部地下1~40km的低速帶也是因地塊高溫引起。3.3盆地?zé)崃εc低頻異常體據(jù)以上分析,共和盆地地下10km內(nèi)、東昆侖下方以及昆侖山口南—清水河下部深地幔中存在的低速異常體,均因地體高溫引起。表明盆地地?zé)釤嵩磁c低速體關(guān)系密切(圖9)。盆地地?zé)崮苁巧畈繜崮軅鲗?dǎo)的結(jié)果(牛樹(shù)英,2007)。4盆地內(nèi)城鎮(zhèn)、廠(chǎng)礦企業(yè)、居民點(diǎn)供熱共和盆地地下1000~1400m以上,分布豐富的地下熱水資源,水質(zhì)較好,礦化度小于3g/L,水溫最高達(dá)85℃,推測(cè)盆地南部或斷裂內(nèi)水溫會(huì)更高。充分利用盆地淺層地溫能、深部熱水資源對(duì)解決高寒、化石能源缺乏的盆地內(nèi)城鎮(zhèn)、廠(chǎng)礦企業(yè)、居民點(diǎn)供暖具有現(xiàn)實(shí)意義。共和縣城恰卜恰鎮(zhèn)已將地?zé)峁┡腥胱h事日程,規(guī)劃到2015年,解決50萬(wàn)m2以上的供暖問(wèn)題。同時(shí),還對(duì)地?zé)狃B(yǎng)殖、種植,生態(tài)建設(shè)、旅游發(fā)展意義重大。盆地內(nèi)花崗巖與深部地幔熱柱聯(lián)系密切,地溫梯度高達(dá)5.1~7.25℃/100m,在3000m深度內(nèi)存在180℃以上熱巖體的可能性極大,通過(guò)勘探在斷裂構(gòu)造等水熱結(jié)合的有利地段有找出高溫?zé)崴臐摿?是建設(shè)末來(lái)地?zé)岚l(fā)電基地的理想場(chǎng)所。盆地地表熱流值高,地下干熱巖體賦存深度淺,盆地處于構(gòu)造活動(dòng)帶上,具有與澳大利亞庫(kù)伯盆地、美國(guó)的沙漠峰等相近的條件,可做為我國(guó)增強(qiáng)性地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)研究開(kāi)發(fā)的理想的場(chǎng)址,對(duì)國(guó)家能源保障也具有深遠(yuǎn)意義。5巴顏喀拉盆地的大力證據(jù)(1)共和盆地地下