1.   引言

大同盆地位于汾渭裂谷系北缘，汾渭裂谷系是鄂尔多斯盆地东部，夹持于秦岭造山带与阴山造山带之间的北北东向新生代走滑拉分裂谷，发育一系列小型断陷盆地，从南向北依次分布有渭河盆地、运城盆地、临汾盆地、晋中盆地、忻定盆地、大同盆地，这些盆地经历了新生代的拉张断陷阶段，堆积了巨厚的河湖相碎屑岩并伴随有火山活动（邢作云等，2005；岑敏等，2015；王晨，2015；李述靖和吕古贤，2021）。汾渭裂谷系具有丰富的地热资源，地热资源分布面积24625 km²，划分为40处地热田，其中大同盆地划分为5处地热田（宋儒等，2004；蔺文静等，2013；周总瑛等，2015）。

大同盆地西与云冈煤盆区为邻，东南部为恒山隆起区，总体呈北东向延伸，南起朔州市朔县，往北经山阴、怀仁县延至大同市城区北侧的山地，南北长约150 km，东西宽为20~50 km，面积约4400 km²。前人对大同盆地地质结构、边界断裂、地层分布、火山活动和地震活动以及盆地形成、构造演化开展了系统研究（段瑞涛和方仲景，1995；谢新生等，2003；马金龙和徐义刚，2004；徐伟等，2011；翟姣，2011；齐浪等，2012；韩亚超，2013；岑敏等，2015；刘爱荣等，2021）。但由于大同盆地勘探程度低，盆内地球物理和钻探资料较少，对大同盆地沉积地层分布、控凹断裂展布、构造单元划分等有不同的认识（山西省地质矿产局，1989；许云龙，2015；岑敏等，2015；史启磊，2019；金文君，2020；陈夷等，2021）；大同市目前勘探、开发利用的地热能资源以热水型地热资源为主，有效利用的地热资源主要有浑源汤头地热田、天镇马圈庠地热田、天镇水桶寺高温地热井三处（靳贵禄，1996；贺秀全和陈键锋，1998；郑秀清等，2000；韩颖等，2018；张玉良，2019），均在本研究区外，研究区地热勘探、开发利用程度极低，只有3口地热井，均未开发利用，尚未发现可供开发利用的规模地热资源区。需深化大同盆地结构、地层分布、构造单元及边界等基础地质研究，系统开展区内地热地质特征研究，明确地热资源空间分布规律、成因机制及资源潜力。近十年来，大同盆地开展了油气和地热勘探工作，研究区实施二维地震测线9条，264 km，大同盆地完成石油钻井4口、地热钻井3口，这为本次研究工作奠定了基础。

本文在前人研究成果基础上，应用新的二维地震、钻测井等油气和地热勘探资料，重新厘定了大同盆地地层分布、控凹断裂、构造单元划分，较系统研究了大同盆地北部区热储特征、地温场特征、地热资源类型、成因等地热地质条件，评价了盆地北部（大同市境内）地热资源潜力，估算了地热资源量，指出了地热资源有利区，为大同市能源结构的战略性调整、地热资源勘探开发提供了地质依据（马冰等，2021）。

2.   大同盆地地质背景

2.1   盆地结构及构造单元

大同盆地新生代是汾渭裂谷系北缘的一个伸展断陷盆地，具有较典型的断陷盆地结构特征，自古近纪渐新世开始在拉张应力作用下，发育多条北东向张性正断层，形成了多个次级凹陷，次级凹陷之间以低凸起（凸起）相隔，盆地边界以控凹边界断裂与隆起为界，形成隆凹相间的盆地结构（图 1，图 2）。前人多将大同盆地北部划分为怀仁块凹、后所块凹和黄花梁块凸三个次级构造单元（山西省地质矿产局，1989），在此基础上，本文依据二维地震解释成果进一步将后所块凹划分为桑干河凹陷和应县凹陷，按黄花梁块凸的地层分布及厚度将黄花梁块凸划分为黄花梁低凸起、桑干河西凸起2个二级构造单元，研究区共划分为怀仁凹陷、桑干河凹陷、应县凹陷和黄花梁低凸起、桑干河西凸起5个二级构造单元（表 1）。

图  1  大同盆地简略构造图及构造单元划分图

1—同沉积正断层；2—逆冲断层；3—一级构造单元边界；4—二级构造单元边界；5—基岩分布线；6—大同市界；7—钻井；8—城镇；9—大同市城区；10—剖面位置

Figure  1.  Sketch map of the structure and division of structural units in the Datong Basin

1-Synsedimentary normal fault; 2-Thrust fault; 3-Primary tectonic unit boundaries; 4-Secondary building unit boundaries; 5-Bedrock distribution line; 6-Datong City boundary; 7-Drilling; 8-Town; 9-Datong City; 10-Section location

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图  2  大同盆地北西-南东向地质结构剖面图（剖面位置、断层编号及名称见图 1）

1—太古界桑干群；2—寒武系；3—奥陶系；4—石炭系；5—二叠系；6—下侏罗统大同群；7—中侏罗统云冈群；8—新近系寇寨组下段；9—新近系寇寨组中段；10—新近系寇寨组上段；11—新近系南榆林组；12—第四系；13—整合地层界限；14—不整合地层界限；15—逆断层；16—正断层；17-断层编号

Figure  2.  NW-SE trending geological structural profile of the Datong Basin (the location of the profile, fault number and name same as Fig. 1)

1-Sanggan Group; 2-Cambrian; 3-Ordovician; 4-Carboniferous; 5-Permian; 6-Lower Jurassic Datong Group; 7-Middle Jurassic Yungang Group; 8-Lower section of Neogene Kouzhai Formation; 9-Middle section of Neogene Kouzhai Formation; 10-Upper section of Neogene Kouzhai Formation; 11-Neogene Nanyulin Formation; 12-Fourth series; 13-Conformability; 14-Unconformability; 15-Reverse fault; 16-Normal fault; 17-Fault number

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表  1  大同盆地构造单元划分表

Table  1.  Division of structural units in the Datong Basin

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怀仁凹陷位于大同盆地西北部，北面积约580 km²，为西断东超的箕状断陷，控凹边界断层为口泉断裂，新生界最大厚度位于断层上盘榆林—下窝寨一带，最大厚度达2800 m，往东南向黄花梁低凸起逐渐减薄，往东北在大同市城区北部山区消失（图 1，图 2）；桑干河凹陷位于大同盆地东北部，面积约420 km²，为双断的箕状凹陷，控凹边界断层为阁老庄断裂和六棱山断裂（图 1），断层上盘新生界厚度较大，沉积凹陷在桑干河一带，最厚达2500 m，向西部的桑干河西凸起减薄，控凹边界断层下盘出露太古界桑干群变质岩（图 2）；应县凹陷位于大同盆地东南部，面积约1800 km²（图 1），均位于大同市南的朔州市。应县凹陷为东断西超的箕状凹陷，东部控凹边界断层上盘最大厚度达3000 m，往西向黄花梁低凸起逐渐超覆或剥蚀减薄（图 3）。

图  3  大同盆地过应县凹陷北西-南东向地震地质解释剖面（剖面位置、断层编号及名称见图 1）

1—太古界桑干群；2—古近系繁峙-新近系中新统汉诺坝组；3—新近系寇寨组下段；4—新近系寇寨组中段；5—新近系寇寨组上段；6—新近系南榆林组；7—第四系；8—整合地层界限；9—不整合地层界限；10—正断层；11—断层编号

Figure  3.  NW-SE-trending seismic geological interpretation profile of the Kuyingxian Sag, Datong Basin (the location of the profile, fault number and name same as Fig. 1)

1-Sanggan Group; 2-Paleogene Fanzhi-Neogene Miocene Hannuoba Formation; 3-Lower section of Neogene Kouzhai Formation; 4-Middle section of Neogene Kouzhai Formation; 5-Upper section of Neogene Kouzhai Formation; 6-Neogene Nanyulin Formation; 7-Fourth series; 8-Conformability; 9-Unconformability; 10-Normal faul; 11-Fault number

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黄花梁低凸起位于大同盆地中部和西南部，东北部介于怀仁凹陷和桑干河凹陷之间，西南部以斜坡与东南部的应县凹陷为邻，面积约1300 km²（图 1，图 2），为大同盆地中部的相对隆起区，北东部新生界最大厚度1200 m左右，南西部新生界厚度小于500 m；桑干河西凸起位于桑干河凹陷西部与黄花梁低凸起之间，面积130 km²（图 1），是大同盆地新生界厚度最小的区域，最大厚度不足500 m，区内缺失上新统寇寨组，南榆林组直接覆盖于太古界变质岩之上（图 2）。

2.2   地层发育特征

依据区域地质调查和二维地震解释成果，结合钻井资料，大同盆地自上而下发育地层有第四系(Q)、新近系上新统南榆林组(N₂n)、冠寨组(N₂k)和中新统（N₁h）汉诺坝以及古近系渐新统繁峙玄武岩(E₃f)，缺失中生界—元古界，下伏为太古界桑干群变质基底。大同盆地北部怀仁凹陷和桑干河凹陷及黄花梁低凸起北部缺失中新世（N₁h）汉诺坝、古近系繁峙组(E₃f)。

第四系为断陷沉积，沉积中心位于怀仁凹陷—桑干河凹陷一带，凹陷中心厚度达400 m，向凹陷四周减薄尖灭，岩性为砂、砾岩与泥岩互层，顶部为黄色土层、砂和砾石层，是大同盆地地热区域盖层。

新近系上新统南榆林组和寇寨组均为断陷沉积，岩性为砂砾岩、砂岩、泥岩互层。存在怀仁凹陷和桑干河凹陷两个沉积中心，南榆林组在怀仁凹陷最大厚度达650 m。寇寨组可划分为上、中、下三段，上段受剥蚀仅残存于凹陷沉积中心，黄花梁低凸起剥蚀殆尽，怀仁凹陷最大厚度达900 m；中段在怀仁凹陷最大厚度达550 m，桑干河凹陷最大厚度近800 m；下段在怀仁凹陷最大厚度达650 m，桑干河凹陷最大厚度达900 m，在桑干河西凸起区缺失。南榆林组和寇寨组是区内最主要的热储层。

新近系中新统汉诺坝组和古近系繁峙玄武岩为火山岩和火山碎屑岩。

太古界为大同盆地基底岩层，广泛出露于大同盆地周缘山区，为一套深变质岩系。其混合花岗岩风化壳具有较好的储集物性，是区内另一套区域热储层。

2.3   断裂特征

大同盆地断裂均为隐伏断裂，本次研究应用地震资料梳理了区内断裂系统，大同盆地北部主要发育北东向正断层，均为新生代断陷盆地同沉积断层。较大的控凹边界断层有口泉断裂（怀仁凹陷西缘断裂）、阁老山断裂、六棱山断裂、党留庄断裂、恒山山前断裂（应县凹陷东侧控凹边界断裂）5条（图 1）。

口泉断裂是大同盆地怀仁凹陷西缘控凹边界断层，走向北北东，倾向南东东，北起大同市城区西北，往南延伸至怀仁县城区西石井村附近，延伸近40 km；阁老山断裂是桑干河凹陷北缘控凹边界断层，走向近东西，倾向南，西起云州区城区西南李旺涧村，经许堡乡继续向东延伸出大同市，大同市境内延伸近20 km左右；六棱山前断裂是桑干河凹陷东南缘控凹边界断层，位于六棱山西北部山前，南部走向北东，往北转为北东东、近东西向，继续向东延伸出大同市，倾向北西—北北西，大同市境内延伸近25 km左右；党留庄断裂为黄花梁低凸起与桑干河西凸起的边界断层，走向北东，倾向北西，延伸40 km左右；恒山山前断裂是大同盆地应县凹陷东缘控凹边界断裂，位于恒山西北缘，呈北东东-北东向延伸，全长超过100 km，倾向北北西—西北—北西西（图 1，图 2）。

3.   大同盆地北部地热地质特征

大同盆地地热勘探、开发利用程度极低，由于缺乏地球物理和钻井资料，前人未开展系统的地热地质特征研究工作，本次研究应用二维地震地质解释成果及石油钻井资料结合地热钻井资料，对大同盆地北部热储层、地温场、地热水温、水量等地热地质条件作初步分析，并探讨该区可能地热成因模式。

3.1   热储层特征

按大同盆地北部地层分布、埋深及储集物性，大同盆地北部主要发育新近系砂岩和太古界混合花岗岩基岩两大类层状热储。

3.1.1   新近系砂岩热储层

按大同盆地新近系埋深、岩性和岩相及物性特征，大同盆地新近系主要发育南榆林组、寇寨组上段、中段、下段四套砂岩热储层。

（1）南榆林组砂岩热储层

大同盆地区均有分布，大同市境内面积约1400 km²，在怀仁凹陷和桑干河凹陷厚度及埋深较大，厚度和埋深最大位于怀仁凹陷靠近口泉断裂上盘，最大厚度达650 m，底界最大埋深1050 m左右。

南榆林组为一套河流-湖湘碎屑岩沉积，岩性为棕红色含砾砂岩，棕红色、灰黄色、灰色泥质砂岩与棕红色、灰色砂质泥岩，呈不等厚—略等厚互层。据怀仁凹陷怀地1井测录井资料，钻遇地层厚376 m，热储岩性主要为含砾砂岩，细砂岩、砂岩热储厚120 m，占地层厚度31.9 %（表 2），孔隙度28.7%~33.4%，平均孔隙度31.3 %，渗透率11.25~30.3 mD，平均渗透率17.5 mD，评价为高孔中渗储层（表 3）。

表  2  大同盆地怀仁凹陷怀地1井砂岩热储厚度统计

Table  2.  Statistics of sandstone thermal storage thickness in Well Huaidi 1, Huairen Sag, Datong Basin

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表  3  大同盆地怀仁凹陷怀地1井砂岩热储物性统计

Table  3.  Statistics of thermal storage properties of sandstone in Well Huaidi 1, Huairen Sag, Datong Basin

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（2）寇寨组上段砂岩热储层

分布于怀仁凹陷和桑干河凹陷，黄花梁低凸起及区剥蚀缺失，大同市境内面积约460 km²。厚度和埋深最大位于怀仁凹陷靠近口泉断裂上盘，最大厚度达900 m，底界最大埋深达1800 m左右。

怀地1井钻遇寇寨组上段地层厚212 m，岩性为河湖相灰色泥质砂岩、含砾砂岩与棕红色、灰色砂质泥岩呈不等厚互层。热储岩性为含砾砂岩和砂岩，砂岩热储厚61 m，占地层厚28.9%（表 2），孔隙度23.8%~35.5%，平均孔隙度30.4%，渗透率5.81~93.44 mD，平均渗透率40.54 mD，评价为高孔中渗储层（表 3）。

（3）寇寨组中段砂岩热储层

除桑干河西凸起缺失外均有分布，大同市境内面积约950 km²。在怀仁凹陷和桑干河凹陷厚度埋深较大，往黄花梁低凸起区减薄，厚度最大位于桑干河凹陷，最大厚度达800 m，埋深最大位于怀仁凹陷靠近口泉断裂上盘，底界最大埋深达2250 m左右。

怀地1井钻遇寇寨组中段地层厚244 m，岩性为杂色砂砾岩与棕红色砂质泥岩呈略等厚—不等厚互层，局部见灰白色砂砾岩。热储岩性主要为含砾砂岩和砂岩和泥质砂岩，砂岩热储厚67 m，占地层厚27.4 %（表 2），孔隙度3.6%~24.2%，平均孔隙度18 %，渗透率0.01~7.12 mD，平均渗透率1.54 mD，评价为中孔低渗储层（表 3）。

（4）寇寨组下段砂岩热储层

除桑干河西凸起缺失外均有分布，大同市境内面积约850 km²。在怀仁凹陷和桑干河凹陷厚度埋深较大，往黄花梁低凸起区减薄，厚度最大位于桑干河凹陷，最大厚度达900 m，埋深最大位于怀仁凹陷靠近口泉断裂上盘，底界最大埋深达2800 m左右。

怀地1井钻遇寇寨组下段地层厚434 m，岩性为棕红色泥岩与灰色、杂色砂砾岩呈不等厚互层。热储岩性主要为含砾砂岩和砂岩和泥质砂岩，砂岩热储厚119 m，占地层厚27.4%（表 2），孔隙度3.6%~24.2%，平均孔隙度18%，渗透率0.01~7.12 mD，平均渗透率1.54 mD，评价为中孔低渗储层（表 3）。

3.1.2   太古界混合花岗岩基岩热储层

在大同盆地全区分布，周边山区大面积出露，大同市境内面积约2000 km²。顶面埋深在怀仁凹陷和桑干河凹陷较大，往黄花梁凸起区变浅。大同盆地北部埋深最大位于怀仁凹陷，顶界最大埋深2800 m左右。

怀地1井钻遇太古界混合花岗岩208 m，岩性为棕红色、灰色、绿色混合花岗岩，测井解释有效孔隙度6.2%~22.2%，平均12.0 %，一类储层1层4.0 m，二类储层3层16.6 m，三类储层3层53.4 m，储地比为36 %，综合评价为二类、三类基岩裂缝储层（表 2，表 3），是较好的基岩热储。

应县凹陷应参1井钻遇太古界厚度为106.25 m，岩性全部为灰白色、杂色混合花岗岩。测井解释：井段2756.4~2859.1 m，解释二级裂缝段93.8 m/4层，在井段2817.5~2862.4 m进行钻杆测试，折算日产液（混浆水）61.57 m³/d，具有较好的储集能力。

3.2   地温场特征

大同断陷盆地新生代拉张作用（宋美琴等，2008；瞿伟等，2013）和火山活动强烈（翟姣等，2011），大同盆地大地热流值普遍高于1.7 HFU(71 mW/m²)，说明总体处于热流高值区（杨修信等，1992；张玉良，2019），地温梯度在3.0~5.0 ℃/100 m，地温场总体呈北东向，沿4条盆地控凹边界断裂附近地温梯度大于5 ℃/100m，往西至云冈煤盆区降低（图 4）。

图  4  大同盆地北部地温等值线图

1—地温梯度等值线；2—同沉积正断层；3—逆冲断层；4—一级构造单元边界；5—二级构造单元边界；6—基岩分布线；7—大同市界；8—钻井；9—城镇；10—大同市城区

Figure  4.  Geothermal contour map of northern Datong Basin

1-Geothermal gradient contour; 2-Synsedimentary normal fault; 3-Thrust fault; 4-Primary Tectonic Unit Boundaries; 5-Secondary Building Unit Boundaries; 6-Bedrock distribution line; 7-Datong city boundary; 8-Drilling; 9-Town; 10-Datong City

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据DR1井测温资料（张玉良，2019），按恒温层20 m，温度13.4 ℃（郑秀清等，2000），DR1全井段实测地温梯度在3.46 ℃/100 m，但第四系盖层和太古界花岗片麻岩中地温梯度较新近系热储层高，在第四系盖层中（100~342 m井段），实测水温从29.5 ℃上升到37.7 ℃，地温梯度为3.4 ℃/100m；在新近系热储层中（342~1326 m井段），实测水温从37.7 ℃上升到57.5 ℃，地温梯度为2.33 ℃/100 m；进入太古界变质岩后（1326~1610 m井段），实测水温从57.5 ℃上升到68.2 ℃，地温梯度为3.53 ℃/100m（图 5）。DR1井处于研究区中部，距离盆地控凹边界断裂较远，基本能代表该区正常地温梯度。

图  5  DR1井水温、地热梯度随深度变化曲线

Figure  5.  Variation curves of water temperature and geothermal gradient with depth in Well DR1

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沿控凹边界断裂带为地温梯度高值区，大同盆地内李旺涧村DT46井位于桑干河凹陷北缘控凹边界断裂（阁老山断裂）南侧，地温梯度达6.2 ℃/100m（韩颖等，2018）；南部邻区应地1井位于应县凹陷东缘控凹边界断裂附近，1601.5 m，温度88 ℃，地温梯度达5 ℃/100 m。

据云冈煤盆区煤田钻孔测温资料统计，东周窑、马脊梁、潘家窑、王村平均地温梯度为2.70 ℃/100m，其中东周窑附近地温梯度相对较低，仅为2.26 ℃/100m，王村附近地温梯度相对较高，可以达到3.46 ℃/100m（刘东娜，2015；史启磊，2019）。

3.3   地热水温预测

按大同盆地北部热储埋深、厚度及地温场，按大同市城区年平均气温6.5 ℃，对新近系砂岩和太古界基岩热储水温进行预测。

大同盆地北部新近系南榆林组砂岩热储平均埋深500 m左右，平均热储厚度120 m左右，推测平均地热水温23 ℃左右；寇寨组上段砂岩热储平均埋深1000 m左右，平均热储厚度120 m左右，推测平均地热水温40 ℃左右；寇寨组中段砂岩热储平均埋深1200 m左右，平均热储厚度100 m左右，推测平均地热水温43 ℃左右；寇寨组下段砂岩热储平均埋深1500 m左右，平均热储厚度120 m左右，推测平均地热水温48 ℃左右。

大同盆地北部太古界混合花岗岩基岩热储平均埋深1700 m左右，平均热储厚度500 m左右，推测平均地热水温55 ℃左右。

3.4   单井涌水量预测

大同盆地北部新近系地热钻井极少，研究区和邻区阳高、天镇县新近系取水层（有的可能为第四系）的地热井均较浅，单井涌水量在20~50 m³/h，推测研究区新近系砂岩热储单井涌水量可能在50 m³/h左右。但怀仁凹陷和桑干河凹陷物源区河流相可能有物性好的热储，单井涌水量会大些。南部邻区应县凹陷应地1井，新近系砂岩热储出水量65 m³/h。

区内云州区李汪涧村北400 m地热井深152 m，层位为第四系，单井涌水量为50 m³/h；DR1井钻穿了新近系，但未取新近系砂岩热储的水，可能出水量较少，该井位于怀仁凹陷沉积中心东部，可能岩相偏湖相，物性较差。

据区内怀仁县柳东营村地热井DR1井取水层段1422.2~1517.75 m（95.55 m），为太古界桑干群混合花岗岩热储，单井出水量28 m³/h，推测大同盆地北部太古界基岩热储单井出水量预测在30 m³/h左右。

3.5   地热成因模式

DR1井水化学分析和同位素研究（张玉良，2019）认为：地热水中Na⁺和Cl^-、SO₄^2-在元素中占绝对优势，是深层变质岩热矿水的典型特征；钠氯比值为1.15，大于海水平均值0.85，说明该区地热水为大气成因的渗透水；通过同位素¹³C、¹⁴C测试值分析，DR1井太古界变质岩热储层段地热水的年龄为6035 a，说明该区地下热水受西部山区大气降水补给，推测它们是“古水”与现代水的混合水。

依据上述DR1井水化学分析和同位素研究结果，结合本次大同盆地地质构造、地热地质特征研究成果，提出了大同盆地北部地热成因模式，即来自西部吕梁山和东部的恒山山区大气降水为地热地表水补给，地表水沿山前大断裂和新近系砂岩及西部寒武-奥陶系碳酸盐岩热储运移，区内处于大地热流高值区，地下水与深部热流传导、对流形成地热水，在热储构造高部位或沿断裂汇聚，形成有利地热水排泄区，为深循环地热水（图 6）。

图  6  大同市北部地热系统成因模式图（剖面位置见图 1）

1—第四系；2—白垩系；3—侏罗系；4—石炭—二叠系；5—太古界桑干群；6—不整合地层界限；7—新近系砂岩层状热储；8—寒武系—奥陶系碳酸盐岩层状热储；9—太古界混合花岗岩层状热储；10—基岩裂隙型带状热储；11—地下水补给；12—大地热对流；13—地下水流向；14—逆断层；15—正断层

Figure  6.  Genetic model of geothermal system in northern Datong City (the cross-section position see Fig. 1)

1-Quaternary; 2-Cretaceous; 3-Jurassic; 4-Carboniferous-Permian; 5-Archaean Sanggan Group; 6- Unconformability; 7-Neogene sandstone layered thermal reservoir; 8- Cambrian-Ordovician carbonate layered thermal storage; 9-Archaean mixed granite layered thermal storage; 10-Bedrock fractured belt heat storage; 11-Groundwater recharge; 12-Geothermal convection; 13-Groundwater flow; 14- Reverse fault; 15-Normal fault

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4.   地热资源潜力及评价

4.1   地热资源类型及资源潜力

按大同市热储分布和岩性、物性，大同盆地北部发育新近系砂岩和太古界基岩两类层状地热资源，大同市内均有分布，分布面积分别为1400 km²、2000 km²。

在对大同市区域地质背景和地热地质特征研究的基础上，按照中国国家标准化管理委员会2010年发布的《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010）规范中地热能储量计算方法和参数，采用热储法估算了大同盆地北部（大同市内）地热静态资源量，分两类地热资源五套热储分别估算（表 4）。

表  4  大同盆地北部（大同市内）地热资源量估算参数

Table  4.  Estimated parameters of geothermal resources in the northern part of Datong Basin, Datong City

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地热静态资源量包括地热水和热储岩石的两部分的热量，计算公式：

式中A-热储面积，m²；d-热储厚度，m；T_r-热储平均温度，℃；T_o-基准温度，℃，一般可取恒温层温度；φ-热储岩石孔隙度，无量纲；ρ_r为热储岩石密度，g/cm³；C_r为热储岩石比热，kJ/(kg·℃)；ρ_w为热储水密度，g/cm³；C_w为热储水比热，kJ/(kg·℃)。

计算时，大同市恒温层温度T_o取11.3 ℃；ρ_w为1.0 g/cm³；C_w为4.19 kJ/(kg·℃)；砂岩ρ_r为2.44 g/cm³，C_r为0.84 kJ/(kg·℃)；混合花岗岩ρ_r为2.7 g/cm³，C_r为0.97 kJ/(kg·℃)。

4.1.1   新近系砂岩热储静态资源量

大同市北部新近系南榆林组砂岩热储平均厚120 m，分布面积1400 km²，平均热水温度23 ℃，静态资源量为5.1×10¹⁵ kJ；寇寨组上段砂岩热储平均厚120 m，分布面积460 km²，平均热水温度40 ℃，静态资源量为4.0×10¹⁵ kJ；寇寨组中段砂岩热储平均厚100 m，分布面积950 km²，平均热水温度43 ℃，静态资源量为7.5×10¹⁵ kJ；寇寨组下段砂岩热储平均厚120 m，分布面积850 km²，平均热水温度48 ℃，静态资源量为9.1×10¹⁵ kJ。

大同市大同盆地新近系砂岩静态资源量为25.6×10¹⁵ kJ，折合标准煤87351万t，水量：915×10⁸ m³（表 4）。若按砂岩热储可采20%计算，可采资源量：5.12×10¹⁵ kJ；折合标煤17470万t。

4.1.2   太古界基岩热储静态资源量

大同市北部太古界基岩热储按平均厚180 m，分布面积2000 km²，平均热水温度55 ℃，静态资源量为43.2×10¹⁵ kJ，折合标准煤147405万t，水量：288×10⁸ m³（表 4）。若按砂岩热储可采20 %计算，可采资源量：8.64×10¹⁵ kJ；折合标煤29481万t。

大同盆地北部（大同市境内）地热资源量较大，总静态资源量约68.8×10¹⁵ kJ，折合标煤约23.47亿t。可采约13.76×10¹⁵ kJ，折合标煤约4.69亿t。

4.2   地热资源有利区评价

大同盆地北部发育新近系砂岩和太古界基岩两套层状地热，以热储埋深、平均出水温度为主要技术指标，兼顾断裂展布、热储厚度、物性、单井涌水量、补给条件、热传递方式等因素评价，将大同盆地区划分为地热资源一类区、二类区和三类区（表 5，图 7）。

表  5  大同市大同盆地区地热资源有利区评价标准

Table  5.  Evaluation criteria of favorable geothermal resources in Datong Basin, Datong City

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图  7  大同市大同盆地区地热资源有综合评价图

1—埋深等值线；2—推测埋深等值线；3—正断层；4—推测正断层；5—新近系剥蚀尖灭线；6—新近系超覆尖灭线；7—基岩出露线；8—二维地震测线及编号；9—二维地震区边界；10—地热有利区边界；11—一类区；12—二类区；13—三类区；14—钻井；15—大同市边界

Figure  7.  Comprehensive evaluation map of geothermal resources in Datong Basin, Datong City

1-Buried depth contour; 2-Inferred burial depth contour; 3-Normal fault; 4-Inferred normal fault; 5-Neogene denudation pinch-out line; 6-Neogene overlying pinch-out line; 7-Bedrock outcrop; 8-2D seismic lines and number; 9-2D seismic region boundaries; 10-Geothermal favorable zone boundary; 11-Class Ⅰ area; 12-Class Ⅱ area; 13-Class Ⅲ area; 14-Drilling; 15-Datong City boundary

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4.2.1   地热资源一类区

新近系砂岩热储底界（太古界基岩热储顶界）埋深大于2000 m，预测平均水温大于60 ℃，发育控凹边界断层，热储平均厚度大于800 m，热储物性较好，单井涌水量大于60 m³/h。分布于怀仁凹陷西部和桑干河凹陷北部，是地热勘探开发有利目标区，总面积约170 km²（图 7）。

怀仁凹陷西部：面积约120 km²，发育怀仁凹陷西缘控凹边界断裂（口泉断裂），导热条件好，地温梯度高，新近系可能发育盆缘扇体沉积，推测岩相和热储物性较好。

桑干河凹陷北部：面积约50 km²，发育桑干河凹陷北缘控凹边界断裂（阁老山断裂），导热条件好，地温梯度高，新近系可能发育盆缘扇体沉积，推测岩相和热储物性较好，北部和东南部六棱山为地下水补给区。

4.2.2   地热资源二类区

新近系砂岩热储底界（太古界基岩热储顶界）埋深1200~2000 m，平均水温大于30~60℃，局部发育控凹边界断层，热储平均厚度600~800 m，热储物性一般，单井涌水量40~60 m³/h。分布于怀仁凹陷东北部，面积约140 km²；桑干河凹陷西南部，面积约120 km²，总面积约260 km²（图 6）。

4.2.3   地热资源三类区

新近系砂岩热储底界（太古界基岩热储顶界）埋深小于1200 m，平均水温小于30 ℃，不发育控凹边界断层，热储平均厚度小于600 m，热储物性一般，单井涌水量小于40 m³/h。主要分布于大同盆地黄花梁低凸起和桑干河西凸起区，大同市面积约1000 km²。

5.   结论

（1）大同盆地为新生代断陷盆地，按盆地结构、新生代地层厚度将大同盆地北部划分为怀仁凹陷、桑干河凹陷、应县凹陷和黄花梁低凸起、桑干河西凸起5个二级构造单元。

（2）大同盆地北部具有较好的地热地质条件及资源潜力，大同盆地新生代火山活动和拉张作用强烈，总体处于热流高值区，发育新近系砂岩和太古界混合花岗岩两套热储，形成新近系砂岩+太古界基岩层状地热资源。

（3）以热储埋深、平均出水温度为主要技术指标，兼顾断裂展布、热储厚度、物性、单井涌水量、补给条件、热传递方式等因素综合评价认为大同盆地北部怀仁凹陷西部和桑干河凹陷北部为地热资源一类区，是地热勘探开发有利目标区，大同市内总面积约170 km²。