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  中国地质 2019, Vol. 46 Issue (5): 1224-1235  
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洪增林, 张银龙, 周阳. 2019. 关中盆地南部山前中深层地热资源赋存特征及应用[J]. 中国地质, 46(5): 1224-1235.  
Hong Zenglin, Zhang Yinlong, Zhou Yang. 2019. Research on the modes of occurrence and application of geothermal resources in the middle and deep layers of the piedmont area in southern Guanzhong Basin[J]. Geology in China, 46(5): 1224-1235. (in Chinese with English abstract).  

关中盆地南部山前中深层地热资源赋存特征及应用
洪增林1, 张银龙1, 周阳1,2    
1. 陕西省地质调查院, 陕西 西安 710054;
2. 陕西省水工环地质调查中心, 陕西 西安 710068
摘要: 地热资源的广泛利用有助于减少化石燃料的使用、降低雾霾污染。关中盆地南部山前地区的地热资源丰富,开发潜力大,但研究程度较低。本文概述了关中盆地南部山前地区的自然地理概况,分析了该区域地热资源开发利用过程中存在的问题,总结了区域地热载体特征和构造单元特征,划分了区域内近地表处(20 m)、深层(1500 m)处、地温梯度以及大地热流值分布情况。按赋存条件的不同,将地热流体分为四个地段,并详细论述每段的地质特征和成因模式。认为研究区地热资源主要来源于地球的内部热能,其次为地壳中放射性元素衰变、矿物转化过程中产生的热能以及少量生物降解产生的能量,将地热资源的形成模式分为热传导型和热对流型两类,热传导型地热资源广泛分布,热对流型地热资源分布在导通深部高温部位的断裂带附近。采用体积法计算了关中盆地南部山前地区地热单元储存的总热量,4000 m以深暂难利用的地热资源量及4000 m以浅能利用的地热资源量。采用热流量法计算了宝鸡温水沟、眉县汤浴、蓝田汤浴、华清池和西安东大等高地温异常区的地热流体资源量。根据研究区地热资源赋存规律,划分了地热资源的鼓励开采区和保持开采区,指明了地热资源的利用方向。本文旨在适时推动陕西省关中盆地南部山前地区的清洁能源事业,为区域地热资源的科学、长期开发提供理论依据。
关键词: 关中盆地    地热资源    地温    地热流体    地热开发利用    
中图分类号:P314            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2019)05-1224-12
Research on the modes of occurrence and application of geothermal resources in the middle and deep layers of the piedmont area in southern Guanzhong Basin
HONG Zenglin1, ZHANG Yinlong1, ZHOU Yang1,2    
1. Shaanxi Institute of Geological Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. Shaanxi Geological Survey Center of Hydrogeology, Engineering Geology and Environmental Geology, Xi'an 710068, Shaanxi, China
Abstract: Widespread use of geothermal resources helps reduce the use of fossil fuels and the management of haze. There are rich geothermal resources on the northern foot of the Qinling Mountain, but the research work is slow and unevenly distributed. This paper outlines the natural geography of the northern foot of the Qinling Mountain, discusses the characteristics of regional geothermal carriers and structural units, describes the distribution at the depth of near-surface (20 m) and deep place (1500 m) as well as geothermal gradients and Geothermal flow value. According to the different characteristics, the geothermal fluid on the northern foot of the Qinling Mountain is divided into four sections, with a discussion given to the characteristics of each section. The authors analyzed geothermal resources on the northern foot of the Qinling Mountain:the main source of energy is the conduction of heat inside the earth, supplementary energy is thermal energy generated by the decay of radioactive elements in rocks in deep formations, and thermal energy is generated during the conversion of montmorillonite to illite and biodegradation of organic matter heat energy. The formation patterns of geothermal resources on the northern foot of the Qinling Mountain are divided into heat conduction type and thermal convection type:Heat conduction geothermal resources are widely distributed, and thermal convection geothermal resources are mainly distributed in areas where deep faults are directly connected with the surface and in the vicinity of the fault zone. The authors calculated the total heat stored in the geothermal unit using the volumetric method and the amount of geothermal resources that are difficult to be used at 4000 m as well as the amount of geothermal resources that can be utilized at 4000 m. The authors calculated the geothermal fluid resources of Wenshuigou in Baoji, Tangyu in Meixian, Tangyu in Lantian, Huaqing Pool and Dongda in Xi'an by using heat flow method. According to the law of geothermal resource occurrence in the study area, the authors divided the whole region into encouraged mining area of geothermal resources and maintained mining area, and pointed out the direction of geothermal resources utilization. The purpose of this paper is to promote the clean energy industry on the northern foot of Qinling Mountains in a timely manner and provide a theoretical basis for the scientific and long-term development of geothermal resources.
Key words: Guanzhong Basin    geothermal resources    ground temperature    geothermal fluid    geothermal development and utilization    

1 引言

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的清洁能源。“十三五”以来,国家和陕西省相继出台了一系列鼓励地热能开发利用的政策措施,关中地区作为全国大气污染防治重点区域,推进地热能开发利用,对调整能源结构、提高环境质量和治污减霾具有重要意义。

地热资源的开发利用首先要求对区域地热资源的赋存规律和形成模式有清晰的认识,许多专家和有识之士对中国的地热资源赋存规律有了宏观的认识(胡圣标等,2011蔺文静等,2013何治亮等,2017王贵玲等,2017杨立中等,2017),对关中盆地(李修成等,2016周阳等,2016周阳等,2018)和国内其他区域地热资源成因模式进行了探讨(刘文通等,1994赵继昌等,1994刘文通等,1995贾林柱等,2012李攻科等,2014李攻科等,2015赵振等,2015闫岩等,2017刘凯等,2017张森琦等,2018),对有关地热流体、地温场、岩土体热物性参数、开发利用规划等地热资源进行了专题研究(陈晓冬等,2006刘晓燕等,2007卫万顺等,2010徐明等,2010任建喜等,2012栾英波等,2013刘鹏等,2016周阳等,2018),取得了一定的成果。但关于关中盆地南部山前区域地热资源赋存规律、成因及应用研究程度相对较低。

本文总结了关中盆地区域地温场及地温梯度分布特征,探讨了关中盆地南部山前地热资源的来源。采用体积法计算了关中盆地南部山前地区地热单元储存的总热量,采用热流量法计算了高地温异常区的地热流体资源量。有针对性地提出了科学开发利用关中盆地山前地区地热资源的分区规划和建议。

2 研究区概述 2.1 范围

关中盆地南部山前地区指地热储层类型为构造断裂裂隙热储的区域,地理上位于盆地南部与秦岭山前的接壤地带,沿秦岭山前断裂呈条带状展布,范围涉及3市12县区,东西长约360 km,南北宽约5 km,面积约1812.46 km2图 1)。

图 1 研究区范围示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the study area
2.2 自然地理

研究区地势南高北低,西高东低。南侧是峰峦叠障的秦岭中高山,走向近东西,山势陡峻。北部为山前洪积扇、黄土台塬、河谷阶地。洪积扇分布在秦岭北侧山前一带,单个洪积扇或相互连接,形成带状分布的洪积扇裙或山前倾斜洪积平原。黄土台塬宽度较窄,分布不连续,在秦岭断块降升幅度较大的地段,黄土台塬消失,常被洪积扇取代。河谷阶地属于渭河及其南岸支流阶地,南岸的支流阶地多发育右岸。

研究区属温带半干旱半湿润气候,年均降水量522.4~719.5 mm,年均气温12.9~13.5℃,冬季寒冷干燥,初雪日为11月下旬,终雪日为3月中旬。

2.3 水系

区内水系均属秦岭的渭河支流,受降水影响,河水位和流量变化很大,河水在流经山前砂砾质河床时大量渗漏,甚至断流,成为地下水的丰富补给源,主要支流为清姜河、汤峪河、黑河、涝河、沣河、浐河、灞河、赤水河、零河等。

2.4 地层

研究区地处华北板块西部之鄂尔多斯地块与秦岭造山带之间,出露地层由老到新有:太古宇(Ar)、元古宇(Pt)、古生界(Pz)、中生界(Mz)、新生界(Kz)(图 2)。

图 2 第四纪地质图 Fig. 2 Quaternary geological map
2.5 政策支持

为推进陕西省供热领域的燃煤减量替代,提高区域供热能源利用效率和清洁化水平,改善空气质量,省委、省政府高度重视地热能开发利用工作。2018年1月,省住建厅等六部门联合印发了《关于发展地热能供热的实施意见》,要求健全完善陕西省地热能供热市场和工程技术体系,关中区域地热能成为重要供热方式,建设地热能供热规模化应用试点示范区3~5个,发展地热能供热800万m2以上。

2018年6月,省发改委、财政厅、自然资源厅、环保厅、住建厅等十个部门联合发了《陕西省冬季清洁取暖实施方案(2017—2021年)》指出,以关中地区为主,积极发展地热能供暖,提高地热能在建筑中的应用比例。

这一系列支持政策针对性强、支持力度大、规范和促进了区域地热能开发利用。

2.6 开发利用情况

研究区内蓝田汤峪疗养院的热水井是陕西省第一眼地热井,成井于1972年。经历了20世纪90年代和近10年的两个发展高峰期,截至2017年底,关中盆地有地热井487眼,多分布在渭河河谷阶地区,南部山前地区的地热资源开发利用工程集中在西安东大、蓝田汤峪、眉县汤峪等,开发深度为1500~4000 m,利用方式由早期单一温泉浴疗,发展为供暖、生活饮用、养殖等多种用途。

2.7 存在的主要问题

目前关中盆地南部山前地热资源开发利用主要存在以下5个问题:(1)地热资源研究程度低、缺少总体开发利用规划,存在碎片化、无序化的问题,导致地热资源梯级开发难以实施,尚未形成综合循环利用模式;(2)目前地热资源开发程度总体较低,工程分布不均,主要集中分布于西安市东大镇、蓝田汤峪和眉县汤峪等地,在地方政府的管理下,整体趋势正在向环保生态型开发利用方向发展;(3)研究区地热水经过20余年的持续开采,造成西安市东大等集中开采地段的储层压力下降严重,导致部分地热井抽水量减少甚至废弃;(4)开发利用过程中,存在地热尾水回灌困难问题,导致地热水水位下降,影响地热资源的可持续开采,造成这种现象的原因一是企业未按刚性参数需求,做到全部回灌,二是目前回灌技术研究不成熟;(5)企业追求利率最大化,非理性行为导致企业在地热资源开发利用过程中“只采不灌”,对地热资源产生“杀鸡取卵”式的破坏作用。

3 地热地质条件 3.1 构造特征

关中盆地是一个叠在燕山期隆起之上,喜山期陷落的断陷盆地。结合盆地内地球物理资料及莫霍面特征、断裂特征、沉积建造的厚度、基底岩相结构、地貌类型、沉降速率和构造特征等,可将关中盆地划分为6大构造单元19个小区。研究区涉及其中10个小区,分别为:宝鸡断凸、眉县浅凹;西安断凹、余下断阶;焦岱断阶、白鹿塬断阶、骊山凸起、渭南断阶、固市断凹、二华断阶(图 3)。

图 3 区域构造图 Fig. 3 Regional structure map
3.1.1 宝鸡断凸

位于渭河断裂和秦岭北麓断裂之间,基底为印支期黑云母二长岩类侵入体,埋深300~500 m,上覆新近系上新统和第四系沉积。

3.1.2 眉县浅凹

位于乾县—富平断裂(北山山前断裂)和秦岭北麓断裂之间,基底为中古元古界变质岩类,靠近南部基地为花岗岩侵入体,埋藏深度约400~700 m,上覆新生界上新统和第四系沉积。

3.1.3 余下断阶

位于余下—铁炉子断裂与秦岭北麓断裂以北、临长断裂以西之间,即楼观台—余下之间山前地段。基底为古元古界—中元古界变质岩,因断层挫动,基地埋藏深度变化较大,最深处约4000 m,地层和基底总体向西安断凹中心倾斜。上覆地层主要为新生界新近系,其不整合超覆于古元古界—中元古界变质岩之上。

3.1.4 西安断凹

位于渭河断裂以南,余下—铁炉子断裂以北。基底为元古界变质岩,仅周至处为印支期花岗岩,其上不整合覆盖有新生代地层,其中以新近系为主,占总厚的60%以上,其次为古近系和第四系(图 4)。古近系仅有始新统和渐新统沉积,缺失古新统,地层和基底总体向断凹中心倾斜。

图 4 西安凹陷地质构造综合剖面图 Fig. 4 Comprehensive section of geological structure in Xi'an Depression
3.1.5 焦岱断阶

位于余下—铁炉子断裂以南、秦岭北麓断裂以北、临长断裂以东的长条状区域。基底为太古界混合岩化的片麻岩类及燕山期侵入岩体,埋藏较浅,上覆地层为新生界,基底及上覆地层均向南缓倾。

3.1.6 白鹿塬断块

位于灞河断裂、长安—临潼断裂、余下—铁炉子断裂相交部位,基底为太古界混合岩化的片麻岩及燕山期侵入岩体,埋藏较浅,上覆地层为新生界,基底及上覆地层均向南缓倾。

3.1.7 骊山凸起

骊山凸起岩性主要为太古界混合岩化的片麻岩及燕山期侵入岩,基底及地层向南缓倾。

3.1.8 渭南断阶

位于渭河断裂以南、骊山北山断裂以北,基底为太古界变质岩,埋深2500~3500 m不等,近山前者浅,远山者深,其上覆新生界地层,新生界以新近系为主,其次为第四系和古近系,古近系缺失古新统,新近系超覆于太古宇之上。基底和地层总体向北微倾。

3.1.9 固市断凹

固市断凹基底主要为太古界变质岩,上覆地层以新近系为主,古近系和第四系次之,古近系缺失古新统,始新统超覆于太古界变质岩之上,基底和地层均向北缓倾。

3.1.10 二华断阶

位于渭河断裂和秦岭北麓断裂相夹的狭长地带,即华州区—潼关及其周边的区域。敷水—华阴断裂以南基底为太古界太华群及燕山期花岗岩,其上覆第四系秦川群,厚度400~500 m;敷水—华阴断裂以北基底为太古界变质岩,其上覆新生界古近系—第四系,埋深2000 m左右,古近系缺失古新统,基底和地层总体向北倾斜。

3.2 地热储层特征

关中盆地南部山前基底埋藏较浅,基底构造断裂地热储层沿秦岭北麓山前大断裂带分布。考虑地热资源储存条件,将研究区内的地热储层分成四个地段:第一段由宝鸡南侧的石坝河至周至的马召,第二段由周至马召至长安东大街办,第三段由长安东大至华州区瓜坡镇,第四段由华州区瓜坡镇至潼关太要(表 1)。

表 1 构造断裂热储特征分段 Table 1 The features of structural fracture heat storage
3.3 地温场及大地热流值 3.3.1 地温场特征

研究区内近地表(20 m)地温场大致相同,地温值为15℃左右,西安东大、宝鸡温水沟地区由于断裂直接导通地表,地温值大于17℃。

研究区深度1500 m处地温场呈中部高,东西低的规律。西安凹陷和临蓝凸起的华州区处1500 m地温均大于60℃,其中西安凹陷的西安断凹、焦岱断阶、余下断阶部分区域1500 m处地温大于70℃,而宝鸡凸起、临蓝凸起的潼关县1500 m处地温小于60℃。

3.3.2 地温梯度分布特征

研究区的地热梯度值为3℃/100 m左右,西安凹陷的余下断阶、固市凹陷的二华断阶、临蓝凸起的渭南断阶的地温梯度值相对较大,大于3℃/100 m;固市凹陷的潼关县及宝鸡凸起的地温梯度值相对较小,小于3℃/100m。

3.3.3 大地热流值特征

关中盆地南部山前地区的大地热流值差异较大(表 2)。华阴市(80.15 mW/m2、79.82 mW/m2)、华州区(55.52 mW/m2)、临潼区(55.56 mW/m2)、鄠邑区(67.03 mW/m2、77.5mW/m2)、周至县(61 mW/ m2)、长安区(68 mW/m2)(周阳等,2017)与《中国大陆地区大地热流数据汇编》(胡圣标等,2011)中全国平均值((61±15.5)mW/m2)及西北地区大地热流平均值((60.9±15.5)mW/m2)进行对比后,认为研究区整体属于中低温地热田,局部地区地热资源丰富,具备优良的开发前景。

表 2 大地热流值计算成果 Table 2 The calculation table of the earth heat flow values
3.4 地热流体 3.4.1 地热流体分布及赋存

按地热储层特征,将关中盆地南部山前地区的地热流体分为四个地段。

第一段,由宝鸡南侧的石坝河至周至县的马召镇。这一段地热流体储存空间有限,在秦岭北麓断裂与北西向断裂构造复合部位,多有温泉出露,如宝鸡温水沟,水温32℃,流量18 m3/h,为HCO3-Na· Ca型水,矿化度328.8 mg/ L;眉县西汤峪,水温60℃,流量16.6 m3/h,为SO4-Na型水,矿化度576 mg/ L。

第二段,由周至县马召镇至长安区东大。向秦岭北麓方向新生界厚度逐渐变薄,风化裂隙发育,在1100~1300 m可钻遇秦岭北麓断裂破碎带,为地热流体的储存和运移提供了较好的条件,单井出水量40 m3/h左右,井口温度55℃左右。

第三段,由长安区东大至华州区瓜坡镇。地势起伏相对较大,河谷切割深,地热流体储存和运移条件差异较大,单井出水量10~70 m3/h,井口温度40~70℃。局部有温泉出露,如蓝田汤峪温泉,水温49~58℃,流量10.8 m3/h,为SO4-Na型水,矿化度620 mg/L。

第四段,由华州区瓜坡镇至潼关县太要镇。目前该地区地热开发程度低,资料较少。在华阴市051基地内有2眼地热井WR04和R1,WR04井的水温105℃,出水量242.28 m3/h,矿化度31.91 g/ L;R1井的水温100℃,出水量136.37 m3/h,矿化度32.37 g/L,为Cl-Na·Ca型水。

3.4.2 地热流体赋存和分布的影响因素

关中盆地南部山前地区构造断裂型热储地热流体与盆地内相比,具有温度高,流量小的特点。

(1)开采段埋深

对地热井单井出水量的分析表明,出水量与开采段埋深具有较好的相关关系。开采段埋深小于3000 m时,出水量随着埋深的增大而逐渐增大;大于3000 m时,井的出水量则随埋深增大而逐渐减小。

(2)砂层厚度

对地热井的单位降深单位开采段出水量与砂厚比的分析表明,二者呈正相关关系,即开采段的砂厚比越大,单位降深单位开采段出水量就越大,储层就能赋存更多的地热水,即赋存的地热水资源就越多。

(3)断裂构造

在秦岭山前地区,断裂带对地热流体的分布和赋存有一定的控制作用,往往是地下热水运移的通道,在灰岩、碎屑岩及各类变质岩中,断裂带、破碎带使岩石的完整性和连续性受到破坏,岩石渗透性能增加,往往成为富水地段。

4 地热资源成因及资源量评价 4.1 地热资源形成模式 4.1.1 热源成因

关中盆地山前地区地热资源主要来自于地球的内部热能,深部地热能向上覆巨厚的新生界沉积层扩散,其扩散速率与岩石的热阻率呈反相关关系,在断裂处可通过构造的贯通向浅部快速传递。

其次为地壳中放射性元素衰变以及矿物转化过程中产生的热能。喜马拉雅—燕山时期形成的大量酸性花岗岩中的同位素238U衰变可以产生大量热,放射性元素在衰变期内产生的氦气的富集可支持该结论。成岩作用中蒙脱石向伊利石转化也会产生热能,该过程在研究区中部、东部的西安凹陷和固市凹陷普遍存在。此外,少量生物降解产生的能量是区域地热资源的补充能源。

研究区的地热流体运移和储存空间比较复杂,既有新生界的孔隙裂隙,也有基岩的构造裂隙和风化裂隙,主要受构造断裂的影响。秦岭北麓断裂是构成盆地与山地的边界断裂,属活动性断裂,沿着断裂带构造裂隙、节理及风化裂隙发育,为地热流体赋存及传导提供条件,秦岭北麓地热资源的形成模式可以分为热传导型和热对流型两类。岩层内的热传导以垂向扩散热能为主,在具有与深部高温部位导通作用的深断裂附近,可形成沿断裂方向的热对流。

4.1.2 热传导型

热传导型地热资源是区内地热资源的基础,完整地质体内地热资源的形成模式均是热传导型,平面上呈块状分布。热能由深部热源向地表扩散,以相对均匀的热传导方式向上运移,该过程仅仅是热能储量的交换,没有传热介质的运移。在局部地区,由于地层岩性导热系数、导温系数的差异,造成地温差异。

4.1.3 热对流型

深大断裂的开放性为深部热源向上传输热能提供了通道,深部热能被介质携带,沿断裂向地表运移,流出地表时,形成地表温泉。根据介质运移的方向不同可分为垂向热对流型和水平热对流型两类。

垂向热对流型分布在秦岭北麓断裂(F1)及其他断裂(余下—铁炉子断裂(F2)、陇县—马召断裂(F11)、临潼—长安断裂(F13)等)交汇处,在深部高温、高压的驱动下,水介质携带深部热量可以沿着断裂迅速运移,表现为该区域地温梯度偏高:秦岭北麓断裂为一南升北降、垂直断距达10 km以上呈左旋扭动的正断层,其断裂带岩石破碎,含热介质向地表运移,形成温泉或地温异常,如东大地区200 m地热井可获得30℃以上的地热流体温度,地温梯度在5℃/100 m左右;北东向的临潼—长安断裂为一组相互平行的3条断裂组成的断裂带,属张性断裂,破碎带宽,断裂西南端与秦岭北麓断裂交汇处的东大和草堂均地热异常,如东大镇某井深356.06 m的地热井,井口水温达54℃;北西向的司街—益门断裂为张扭性断裂,其与秦岭北麓断裂交汇处的宝鸡温水沟地温异常;近东西向的余下—铁炉子断裂断距达4 km以上,其与秦岭北麓断裂交汇处的蓝田汤峪地温异常。渭南市华州区、华阴市的地温异常也与当地的断裂交汇活动有关。

水平热对流型的地热资源主要分布在深大断裂的旁侧。热能在深大断裂垂向对流的过程中,由于上部通道不畅或断裂旁侧有空隙、裂隙发育的水平岩层,热介质转以水平方向对流,形成深大断裂附近一定范围的地热异常区,但受断裂带垂向热对流的强度、断裂带的开放程度、断裂带附近岩层的空隙发育程度等因素影响,水平对流的延伸范围差异较大。在平面上常显示为沿断裂带呈串珠状或带状分布的地热异常区。秦岭北麓的东大、子午草堂寺等地段,沿断裂上升的热能未能溢出地表,沿水平途径进入第四系松散层,形成了沿断裂带呈串珠状分布的浅埋热异常地段。

4.2 区域地热资源量 4.2.1 计算原则

本次计算不考虑水运移产生的热量输运,把水和固体介质看成一个整体传热系统,且是均质、各向同性,即传热方式是热量均匀地由下向上传导的。同时认为每个热储单元是一个独立封闭系统,水平方向同一深度上地温相同,无热量交换,单元侧向周边边界看成零热量交换边界(隔热边界),垂直方向不同深度上热流由下向上均匀传导。

4.2.2 计算方法

使用体积法计算关中盆地南部山前热储层体积内储存的总热量,计算的上边界为恒温层,下边界是基底接触面。计算公式如下:

式中:Q是热量(kcal);A是热储面积(km2);H是热储层平均厚度(m);Cv是热储层体积比热容(kcal/ m3·℃);Tp是热储层平均温度(℃);Tc是基准温度,即当地地下恒温层温度或多年平均气温(℃),本文所用温度为15℃。

4.2.3 资源量

关中盆地南部山前地区地热单元储存的总热量为2.69×1017 kcal,相当于标准煤3.85×1010t(表 3)。若按标准煤450元/ t的价格计算,假设研究区地热资源100%利用时,可节约煤炭成本约17.33万亿元。

表 3 地热资源量计算 Table 3 The calculation table of geothermal resources

4000 m以深暂难利用的热量是1.10×1017 kcal,相当于标准煤1.58×1010 t,占总热量40.93%;4000 m以浅能开采利用的热量1.59×1017 kcal,相当于标准煤2.27×1010 t,占总热量59.07%。

4.3 高地温异常区地热流体资源量

地热流体按照其所赋存的储层孔隙性质认为是山前基岩裂隙型地热流体,储层孔隙连通性变化较大,流体在其中运移复杂,静储量法、补给量法评价均有难度。热流量法适用于隆起山地对流型地热资源的评价,通过对温泉或地热井的流量来对其放热量进行计算,因此本文以热流量法评价研究区基岩构造裂隙型热储的地热流体资源量。高地温异常区主要分布在宝鸡温水沟、眉县汤浴、蓝田汤浴和西安东大,以下分别论述。

4.3.1 宝鸡温水沟

宝鸡温水沟9处泉眼的的实测流量在1972年4月为18.0 m3/h,2006年4月26日的实测汇水总量为18.187 m3/h,与1972年的实测流量、水温及水化学比较,彼此基本一致,说明其水热动态稳定,该值(0.043×104 m3/d)作为地热流体资源比较可靠。

4.3.2 眉县汤峪

眉县西汤浴温泉自流量为16.67 m3/h,自20世纪80年代中后期以来,由于周边施工多眼地热井,泉水已不自流,现在水位距地表 7 m左右,据近几年记载,水位随供水量大小略有升降,根据调查结果,这一地区的目前采水量为17×104m3/a(0.047×104m3/d)。

4.3.3 蓝田汤峪

蓝田东汤浴区段90年代泉水已不能自流,泉水水位埋深约6 m,据常年观测资料,基本稳定,略呈缓慢下降趋势。20世纪90年代区内增加3眼热水井,取水量大幅增加(90年代初均值为17.5×104 m3/ a,1991年达到18.16×104m3/a),之后逐渐控制开采量,取水量有所下降(2007年降为7.6×104 m3/a),在冬季泉水用泵已经无法抽取热水,显示已超过补给能力。因此,以90年代的17.5×104 m3/a(0.048×104 m3/d)作为开采资源量。

4.3.4 西安东大

西安东大地区是地热资源相对富集的地区,地热资源的开发利用已有30余年的历史,最初以开采浅部第四系热储层为主,而后新井多开采更深的新近系热储层,水温相对较高,主要用于洗浴、供暖、养殖等方面(杨立中等,2017)。据陕西省地质调查院研究成果,区域内单井出水量10~70 m3/h。

5 开发应用 5.1 开发利用区划

开发利用区划以地热地质构造单元为基础。依据单位面积地热资源量的大小,参考研究区内4个高地温异常区(即主要开采区)的水位变化情况,将研究区的地热资源开发利用区划分为4类:鼓励开采区、保持开采区、一般开采区和限制开采区(图 5)。

图 5 地热资源开发利用区划图 Fig. 5 Development and utilization zoning map of geothermal resources
5.1.1 鼓励开采区

包括余下断阶(除东大镇)、西安断凹、渭南断阶、白鹿塬断阶、渭南断阶和二华断阶等。这些区域单位面积内地热资源量丰富,地热水位基本稳定,开采热储层为断裂裂隙水,具有较强的补给能力。目前开发程度较低,井数较少,采水量小,具备良好的开发利用前景。建议做好地热开发产业布局,优化资源配置。

5.1.2 保持开采区

焦岱断阶(除蓝田汤峪)。地热资源量较丰富,也是关中盆地最早直接利用地热资源的区域,地热资源需求较大,历年开采已经引起区内热流体水位下降,但是由于可以获得沿着深大断裂的浅循环水补给,具有较好的补给能力,维持现状的开采基本可以满足当地的需求。在保证不引起水位持续下降条件下,建议适量增大地热资源开采力度,同时加强技术研发,积极引进先进工艺,提高地热利用能效及管理水平。

5.1.3 一般开采区

包括宝鸡凸起的宝鸡断凸和眉县浅凹(除眉县汤峪)。该地区单位面积内地热资源量较少,开发程度较低,目前已有的工程集中在宝鸡市温水沟一带,区域地热资料较少。建议地热项目实施前,做好前期勘查工作,降低投资风险。

5.1.4 限制开采区

指西安东大、眉县汤峪和蓝田汤峪。该地区地热资源开发程度高,持续开采已经引起地热流体水头的反复升降,提示该区域地热资源的开采量过大或已接近饱和,为保障区域地热资源的可持续利用,建议限制开采地热资源,同时加强政府监管。

5.2 地热资源利用方向

以习近平生态文明思想为指导,坚持统一规划、科学勘查、合理开发的原则,在加大生态环境保护与改善的前提下,优化地热勘查开发与保护利用的规划布局,实现多规合一,加强政府管控,推进地热资源节约、集约利用,实现地热资源可持续利用和经济效益、社会效益、资源环境效益三统一。

5.2.1 地热能供暖

秦岭山前地热资源属于中、低温热水资源,区内地热井水温在40~90℃,具备地热供暖的良好条件。目前缺乏地热水开发利用的统一管理,建议在利用地热能供暖时,采取梯级利用、多能互补(以地热能为基础负荷,电能或天然气提供调峰负荷)、集中开发、分片供给的方案,避免过度开采。供暖对象包括集中住宅区、休闲会议中心、体育基地、农业温室大棚等,也可以建设地热利用为主体的特色小镇。

5.2.2 地热水资源矿物质的利用

区内地下热水富含氟、偏硅酸、偏硼酸、碘、溴等微量组分,部分热水中的氟及偏硅酸达到了命名矿水的浓度,属于较好的复合性医疗热矿水。地热水洗浴投资少,管理简单,经济效益明显,对医疗价值高的地热水进行重点开发,建立综合性的温泉、疗养、度假、旅游基地,拉动当地关联性产业。

5.2.3 种养加一体化全产业链生态循环农业

利用地热资源辅助农业生产,是一种提高农业、花卉种植效率的清洁、环保、节能的生产模式。该模式可以降低供暖运行成本,减少燃煤带来的资源浪费及环境污染,还可以提前培育生长期较长的农副业作物,错开上市高峰期。如果得到规模化、集约化的推广,将会提高冬季农业生产力,增加农民收入,丰富冬季蔬果市场,带来较高的经济效益和广泛的社会效益。

地热水产养殖是地热直接利用的重要方式,随着人们生活水平的增高,对各种鱼类的需求增长,地热水产养殖前景广阔。在地热资源条件好的地区,扩大养殖规模,形成养殖基地,增加养殖品种。用现代化手段进行地热水高密度水产科学养殖,缩短养殖周期,拉长水产养殖的产业链,增添必要的配套设施,如排放水净化系统,使人们食用的放心。

5.2.4 地热水伴生资源综合利用

根据地质调查和前人研究,发现关中盆地地热水伴生有较高含量的氦气和甲烷气,大部分地热水伴生的水溶He气含量为1.0%~1.5%,远远超过He气工业开发指标(0.3%),地热水水溶He气达到工业开发所需的含量。热水伴生的甲烷气一般含量为10%~15%,其中西安凹陷和固市凹陷地热异常区存在He气和甲烷气富集区域,具有伴生气勘探开发和综合利用前景(李荣西等,2009刘建朝等,2009)。

6 结论

关中盆地南部山前地区的自然地理条件多样,地质构造单元和区域地热储存条件复杂,根据区域内近地表处(20 m)、1500 m处、地温梯度以及大地热流值分布情况,将关中盆地南部山前地区的地热流体按赋存特征分为四个地段,每一地段的地热特征不同。

研究了地热资源成因类型和传导方式。利用体积法估算了关中盆地南部山前地区地热单元储存的总热量和4000 m以深及以浅的地热资源量。利用热流量法计算了宝鸡温水沟、眉县汤浴、蓝田汤浴、华清池和西安东大等高地温异常区的地热流体资源量。根据地热资源赋存规律和开发利用现状,划分了地热资源区类型。秦岭山前地热资源属于中、低温热水资源,适合于直接利用,如地热采暖、洗浴、养殖等,开发利用前景良好,为区域地热资源的科学、长期利用开发提供理论依据。

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