包头市地下热水资源的形成条件及勘探
|
来源：网友投稿
(1.内蒙古水利水电勘测设计院；2. 内蒙古第一水文地质工程地质勘查院，内蒙古 呼和浩特 010000；3.集宁师范学院，内蒙古 乌兰察布市 012000)
摘 要：本文在研究包头市地质、构造、物化探等资料的基础上，分析了地热田形成的热源、盖层、储热层和通道等基本条件，提出了不同类型地热资源的勘探有利地段。
关键词：经济建设；城市环境污染；活动断裂；深部地热；地热增温；沉降盆地
中图分类号：P314.1 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2007)08—0057—02
包头市是内蒙古自治区的重要工业城市，工业发展迅速，特别是近年来，随着西部大开发的逐步实施，包头地区的经济建设和城市建设得以迅猛发展，人民生活水平不断提高。但伴随而来的城市环境污染日趋严重，为此，在发展国民经济和城市建设的同时，应注重寻找新的能源。
地热资源被誉为绿色自然能源，有条件的地区可尽量利用。使用地热资源能够改善大气质量，节约不可再生的常规能源。地热资源用途广泛，可供采暖、养殖（种植）、洗浴、娱乐服务等。如果是矿泉水，尚有医疗保健作用。开发利用地热资源可进一步促进国民经济发展和人民身体健康。根据现有资料分析，包头地区地热资源是存在的，但需进一步调查勘探。
1 以往工作程度
包头地区在地质和水文地质方面研究程度相对较高，但地热资源有关资料却很少。1958年，地质部物探局北方大队在该区进行了水文地质勘探（电测深）工作。1965年，内蒙古物探队三分队在包头市进行了水文电测深试验。1972～1982年，内蒙古地质矿产局组织出版了包括包头地区在内的1∶20万区域地质测量报告。1977年，内蒙古物探队航测分队编写了《内蒙古包头地区航空航磁测量成果报告》。1983年，内蒙古水文地质勘察院完成了包头市地下水资源及其环境质量评价工作。1986年，内蒙古地质矿产局第一区调队及第二物探队编写了《包头市基底主要断裂分布及基底起伏状况说明书》。2001年，内蒙古第一水文地质工程地质勘察院对包头市进行了地热资源普查。
从以往工作来看，包头地区地下存在地热资源，中生界——第三系的砂砾岩是包头地区低温热水的主要储集层。
2 地质构造
2.1 地层
包头地区位于河套断陷盆地的中东部。地质构造横跨了白彦花凹陷、包头凸起和呼和浩特凹陷三个构造单元，称为前套盆地。包头凸起自东河区向西南方向延伸，主要受大青山山前断裂带西段控制，长30km，宽5～7km，呈东南陡、西北缓的不对称凸起，据钻孔资料揭露，该凸起由太古界片麻岩组成，第四系覆盖其上，厚度由几米到200余m，在昭君坟渡口附近，片麻岩直接出露，昭君坟出露为大理岩。白彦花凹陷与呼和浩特凹陷分别受乌拉山和大青山山前断裂带控制，各凹陷形成与侏罗纪末期，沉积有白垩系、第三系和第四系。两凹陷沉积厚度分别为5 100m和7 400m，根据地层厚度变化，在横剖面上均显示为北深南浅的簸箕状，纵剖面上为西深东浅。现将区内地层详述于下：
2.1.1 太古界（Ar）：变质岩系，主要以斜长片麻岩、花冈片麻岩、石英角闪片麻岩为主，节理裂隙发育，伴有岩浆岩脉。主要分布于北部基岩山区和盆地基底，总厚度大于1 000m。
2.1.2 中生界中、下侏罗纪统石拐群五当沟组（J1+2w）：主要分布于东河区北部山区杨家脑包——当铺窑——石拐区及庙沟一带，东西向延伸，面积83km2，可见厚度达1 183m，岩性主要为砾岩、砂岩、粉砂质泥岩，粉砂岩和砂砾岩，碎屑粒度自下至上由粗变细。与下伏太古界呈不整合接触。
2.1.3 中生界白垩系下统（K1）：以砂岩和泥岩互层为主，主要分布在兰贵窑子——阿善沟门断裂南北两盆地中，兰阿断裂以北，下白垩统沉积厚度不详，以南在黄河乳牛场一带最大沉积厚度为400m，自此往东厚度逐渐减小，大约在邓家营子和南海子一线以东为剥蚀面。
2.1.4 新生界老第三系渐新统（E3）：分布于兰阿断裂南北两侧盆地中。北侧盆地沉积厚度不详，南侧盆地从养鱼池往西，沉积厚度逐渐增厚，一般由200m增至600m，岩性为灰色砂质泥岩、含砾泥岩及棕红、浅灰绿、含砾泥岩与杂色砾质砾岩、粉细砂岩、含砾泥质砂岩呈不等厚互层。2.1.5 新生界新第三系（N）：中新统（N1）广泛沉积于两大盆地中，岩性主要为一套河湖相的黄宗、棕红、黄色泥岩、含砾泥岩、砂质泥岩夹杂色砾岩、泥质砾岩、含泥粉细砂岩及中细砂岩等。在兰阿断裂以南，沉积厚度由东往西逐渐增大，自200～1 800m。上新统（N2）覆盖于中新统之上，盆地中广泛沉积，岩性主要为黄、棕、红色泥岩与灰白色泥岩、粉细砂岩、砂砾岩互层。在兰阿断裂以南沉积厚度由东向西加厚，一般为200～1 600m。
2.1.6 新生界第四系（Q1-4）：包头地区第四系松散沉积岩类广泛分布，特别是两大盆地中，沉积厚度较大，可达600m以上。据钻孔揭露，尤以中上更新统沉积厚度最大，分布亦广。岩性主要为灰黑、青灰、灰绿色淤泥质粘砂土或淤泥质砂粘土夹灰黑色粉细砂、粉砂等。
2.2 构造
根据包头地区物探、重力、航磁测量和地震勘测以及卫星遥感图像解译成果的综合分析，该区断裂构造比较发育，主要断裂构造有8条。其中以东西向或近东西向断裂构造为主，北东、北西向断裂次之。现将各条断裂构造的分布及特征叙述如下：
2.2.1 F1（山前断裂）。山前断裂系由一系列正断层或阶梯状正断层组成，断面倾向南，地表倾角较陡，在60～75°之间变化，深部变缓，为44～62°，总体构成铲形断层特征。乌拉山、大青山山前断裂为高角度压性正断裂，断裂北盘上升，南盘下降，属长期缓慢蠕动断裂。新生代断裂继续发育，断裂南翼下沉加快，直至全新世断裂仍有活动。
2.2.2 F2（兰阿断裂）。该断裂由兰贵窑子经麻池、万水泉、程户窑子至阿善沟门村，全长45km。根据断裂带的展布方向、地貌与第四纪活动特征，分两段描述：
麻池段：断裂西南起自昭君坟南，呈北东方向延伸至包头市东河区，沿二级台地前缘展布，长约30km。地震勘探资料表明，断层倾向南东，倾角约45～75°，为张性正断层，第四纪仍有明显活动。
东河区至永富村段：断裂沿山前台地前缘呈近东西向展布，断裂带北侧发育二级、三级台地，台地前缘基岩断崖十分壮观。该断裂由多个断裂组成。根据地震勘测资料，断裂带为南倾张性正断层，倾角为55～75°左右，向深部变缓为44～60°。
2.2.3 F3（物探解译活动性断裂）。该断裂呈西南——北东向展布，经大相公窑子——高油房——青山区东。据物探解译为正断层，倾向北西，断距在200m以上。
2.2.4 F4（物探解译活动性断裂）。位于包头钢铁公司北，走向30°左右，长约8km，断层西盘地貌为山地，东盘地貌为山前冲洪积扇，相对高差100m左右，东盘相对向北位移，推测为平推断层。
2.2.5 F5、F6、F7（物探解译活动性断裂）。该三条断裂位于麻池潜山地带上，长约5～6km，均在重力、航磁异常带轴的平移、扭曲部位。其断裂性质：F5、F6为平推断层，F7为性质不明断层。
2.2.6 F8断层。位于韩庆坝与二道沙河一线，走向35°，沿断裂地貌为一沟谷，重力异常曲线有形变和扭曲，航磁剖面平面图上断裂西北侧较东南侧异常梯度稍缓，异常变化也没有东南侧剧烈；航卫片上也有较好显示，断层倾向北西，为断距不大的正断层。
3 对包头市地热资源的初步认识
经过对以往的物探、重力、航磁测量和地震勘测、地面地质和水文地质、地温测量、卫星遥感图像解译、化探、化验测试等资料进行充分分析论证认为：包头市地热水资源是存在的，已具备了地热田形成的热源、盖层、储热层和通道四个基本条件，同时推断为低温地热资源（60～90℃），可划分出不同类型地热资源的勘探有利地段。
3.1 断裂构造型勘探有利地段
主要分布在兰阿断裂以南韩庆坝——古城湾乡一带，呈条带状，面积约32.5km2。其依据为：
3.1.1 深部地温预测为60～90℃，为低温热水资源类型。
3.1.2 据100 m同深度垂向测温资料显示，地温梯度为5～11℃/100m，表示浅部地温异常。
3.1.3 由于深部咸水沿断裂带顶托补给，地段内地下水矿化度较高，一般在1～3g/l之间，Cl和Na离子含量较高，水化学类型呈HCO3•Cl——Na•Ca及HCO3•Cl——Ca型，而在古城湾乡为HCO3•Cl——Na型，其Na/Ca比值一般在1～3之间，Cl/F比值在东河区一带大于100，Cl/Na比值有的地段高达0.85～1.10，SiO2含量在15～20mg/l之间，均是深部地热在浅部的明显异常显示。
3.1.4 地热孔深度约2 500m左右。
3.2 地热增温型勘探有利地段
3.2.1 A段：东河区沉降盆地地热增温型勘探有利地段，主要分布在兰阿断裂以南张六圪旦——陶窑子一带，面积39.8km2。主要依据是：①该地段基底埋深由北向南逐渐加深， 约有2 000m， 向南增至5 000m左右，从而保证有足够的热源。②该段热储层为第三系含泥粉细砂岩及中细砂岩，其埋深约为700～900m，第三系厚度可达2 000～3 000m，可作为良好的盖层。③根据地下水水质资料进行的地热水系统化学指标分析，Cl/F值较大，一般大于50，在七连附近更高，在100～200之间。④兰阿断裂可作为地下热水的补给通道，孔深约3 000m。
3.2.2 B段：位于昆区沉降盆地，分布在土黑麻淖乡——昆区一带，面积90.1km2。依据为：①该地段处于山前倾斜平原，为该凹陷最深部位，基底埋深2 000～2 400m，第三系泥岩具有良好的保温作用。②该段储热层为第三系和白垩系，第三系埋深大约400～600m，第三系和白垩系沉积厚度为1 400～1 750m。③根据水化学资料Na/K值在8～20之间，Na/Ca值较高在1～3之间，Cl/F值也较高，表明浅部有异常显示。
摘 要：本文在研究包头市地质、构造、物化探等资料的基础上，分析了地热田形成的热源、盖层、储热层和通道等基本条件，提出了不同类型地热资源的勘探有利地段。
关键词：经济建设；城市环境污染；活动断裂；深部地热；地热增温；沉降盆地
中图分类号：P314.1 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2007)08—0057—02
包头市是内蒙古自治区的重要工业城市，工业发展迅速，特别是近年来，随着西部大开发的逐步实施，包头地区的经济建设和城市建设得以迅猛发展，人民生活水平不断提高。但伴随而来的城市环境污染日趋严重，为此，在发展国民经济和城市建设的同时，应注重寻找新的能源。
地热资源被誉为绿色自然能源，有条件的地区可尽量利用。使用地热资源能够改善大气质量，节约不可再生的常规能源。地热资源用途广泛，可供采暖、养殖（种植）、洗浴、娱乐服务等。如果是矿泉水，尚有医疗保健作用。开发利用地热资源可进一步促进国民经济发展和人民身体健康。根据现有资料分析，包头地区地热资源是存在的，但需进一步调查勘探。
1 以往工作程度
包头地区在地质和水文地质方面研究程度相对较高，但地热资源有关资料却很少。1958年，地质部物探局北方大队在该区进行了水文地质勘探（电测深）工作。1965年，内蒙古物探队三分队在包头市进行了水文电测深试验。1972～1982年，内蒙古地质矿产局组织出版了包括包头地区在内的1∶20万区域地质测量报告。1977年，内蒙古物探队航测分队编写了《内蒙古包头地区航空航磁测量成果报告》。1983年，内蒙古水文地质勘察院完成了包头市地下水资源及其环境质量评价工作。1986年，内蒙古地质矿产局第一区调队及第二物探队编写了《包头市基底主要断裂分布及基底起伏状况说明书》。2001年，内蒙古第一水文地质工程地质勘察院对包头市进行了地热资源普查。
从以往工作来看，包头地区地下存在地热资源，中生界——第三系的砂砾岩是包头地区低温热水的主要储集层。
2 地质构造
2.1 地层
包头地区位于河套断陷盆地的中东部。地质构造横跨了白彦花凹陷、包头凸起和呼和浩特凹陷三个构造单元，称为前套盆地。包头凸起自东河区向西南方向延伸，主要受大青山山前断裂带西段控制，长30km，宽5～7km，呈东南陡、西北缓的不对称凸起，据钻孔资料揭露，该凸起由太古界片麻岩组成，第四系覆盖其上，厚度由几米到200余m，在昭君坟渡口附近，片麻岩直接出露，昭君坟出露为大理岩。白彦花凹陷与呼和浩特凹陷分别受乌拉山和大青山山前断裂带控制，各凹陷形成与侏罗纪末期，沉积有白垩系、第三系和第四系。两凹陷沉积厚度分别为5 100m和7 400m，根据地层厚度变化，在横剖面上均显示为北深南浅的簸箕状，纵剖面上为西深东浅。现将区内地层详述于下：
2.1.1 太古界（Ar）：变质岩系，主要以斜长片麻岩、花冈片麻岩、石英角闪片麻岩为主，节理裂隙发育，伴有岩浆岩脉。主要分布于北部基岩山区和盆地基底，总厚度大于1 000m。
2.1.2 中生界中、下侏罗纪统石拐群五当沟组（J1+2w）：主要分布于东河区北部山区杨家脑包——当铺窑——石拐区及庙沟一带，东西向延伸，面积83km2，可见厚度达1 183m，岩性主要为砾岩、砂岩、粉砂质泥岩，粉砂岩和砂砾岩，碎屑粒度自下至上由粗变细。与下伏太古界呈不整合接触。
2.1.3 中生界白垩系下统（K1）：以砂岩和泥岩互层为主，主要分布在兰贵窑子——阿善沟门断裂南北两盆地中，兰阿断裂以北，下白垩统沉积厚度不详，以南在黄河乳牛场一带最大沉积厚度为400m，自此往东厚度逐渐减小，大约在邓家营子和南海子一线以东为剥蚀面。
2.1.4 新生界老第三系渐新统（E3）：分布于兰阿断裂南北两侧盆地中。北侧盆地沉积厚度不详，南侧盆地从养鱼池往西，沉积厚度逐渐增厚，一般由200m增至600m，岩性为灰色砂质泥岩、含砾泥岩及棕红、浅灰绿、含砾泥岩与杂色砾质砾岩、粉细砂岩、含砾泥质砂岩呈不等厚互层。2.1.5 新生界新第三系（N）：中新统（N1）广泛沉积于两大盆地中，岩性主要为一套河湖相的黄宗、棕红、黄色泥岩、含砾泥岩、砂质泥岩夹杂色砾岩、泥质砾岩、含泥粉细砂岩及中细砂岩等。在兰阿断裂以南，沉积厚度由东往西逐渐增大，自200～1 800m。上新统（N2）覆盖于中新统之上，盆地中广泛沉积，岩性主要为黄、棕、红色泥岩与灰白色泥岩、粉细砂岩、砂砾岩互层。在兰阿断裂以南沉积厚度由东向西加厚，一般为200～1 600m。
2.1.6 新生界第四系（Q1-4）：包头地区第四系松散沉积岩类广泛分布，特别是两大盆地中，沉积厚度较大，可达600m以上。据钻孔揭露，尤以中上更新统沉积厚度最大，分布亦广。岩性主要为灰黑、青灰、灰绿色淤泥质粘砂土或淤泥质砂粘土夹灰黑色粉细砂、粉砂等。
2.2 构造
根据包头地区物探、重力、航磁测量和地震勘测以及卫星遥感图像解译成果的综合分析，该区断裂构造比较发育，主要断裂构造有8条。其中以东西向或近东西向断裂构造为主，北东、北西向断裂次之。现将各条断裂构造的分布及特征叙述如下：
2.2.1 F1（山前断裂）。山前断裂系由一系列正断层或阶梯状正断层组成，断面倾向南，地表倾角较陡，在60～75°之间变化，深部变缓，为44～62°，总体构成铲形断层特征。乌拉山、大青山山前断裂为高角度压性正断裂，断裂北盘上升，南盘下降，属长期缓慢蠕动断裂。新生代断裂继续发育，断裂南翼下沉加快，直至全新世断裂仍有活动。
2.2.2 F2（兰阿断裂）。该断裂由兰贵窑子经麻池、万水泉、程户窑子至阿善沟门村，全长45km。根据断裂带的展布方向、地貌与第四纪活动特征，分两段描述：
麻池段：断裂西南起自昭君坟南，呈北东方向延伸至包头市东河区，沿二级台地前缘展布，长约30km。地震勘探资料表明，断层倾向南东，倾角约45～75°，为张性正断层，第四纪仍有明显活动。
东河区至永富村段：断裂沿山前台地前缘呈近东西向展布，断裂带北侧发育二级、三级台地，台地前缘基岩断崖十分壮观。该断裂由多个断裂组成。根据地震勘测资料，断裂带为南倾张性正断层，倾角为55～75°左右，向深部变缓为44～60°。
2.2.3 F3（物探解译活动性断裂）。该断裂呈西南——北东向展布，经大相公窑子——高油房——青山区东。据物探解译为正断层，倾向北西，断距在200m以上。
2.2.4 F4（物探解译活动性断裂）。位于包头钢铁公司北，走向30°左右，长约8km，断层西盘地貌为山地，东盘地貌为山前冲洪积扇，相对高差100m左右，东盘相对向北位移，推测为平推断层。
2.2.5 F5、F6、F7（物探解译活动性断裂）。该三条断裂位于麻池潜山地带上，长约5～6km，均在重力、航磁异常带轴的平移、扭曲部位。其断裂性质：F5、F6为平推断层，F7为性质不明断层。
2.2.6 F8断层。位于韩庆坝与二道沙河一线，走向35°，沿断裂地貌为一沟谷，重力异常曲线有形变和扭曲，航磁剖面平面图上断裂西北侧较东南侧异常梯度稍缓，异常变化也没有东南侧剧烈；航卫片上也有较好显示，断层倾向北西，为断距不大的正断层。
3 对包头市地热资源的初步认识
经过对以往的物探、重力、航磁测量和地震勘测、地面地质和水文地质、地温测量、卫星遥感图像解译、化探、化验测试等资料进行充分分析论证认为：包头市地热水资源是存在的，已具备了地热田形成的热源、盖层、储热层和通道四个基本条件，同时推断为低温地热资源（60～90℃），可划分出不同类型地热资源的勘探有利地段。
3.1 断裂构造型勘探有利地段
主要分布在兰阿断裂以南韩庆坝——古城湾乡一带，呈条带状，面积约32.5km2。其依据为：
3.1.1 深部地温预测为60～90℃，为低温热水资源类型。
3.1.2 据100 m同深度垂向测温资料显示，地温梯度为5～11℃/100m，表示浅部地温异常。
3.1.3 由于深部咸水沿断裂带顶托补给，地段内地下水矿化度较高，一般在1～3g/l之间，Cl和Na离子含量较高，水化学类型呈HCO3•Cl——Na•Ca及HCO3•Cl——Ca型，而在古城湾乡为HCO3•Cl——Na型，其Na/Ca比值一般在1～3之间，Cl/F比值在东河区一带大于100，Cl/Na比值有的地段高达0.85～1.10，SiO2含量在15～20mg/l之间，均是深部地热在浅部的明显异常显示。
3.1.4 地热孔深度约2 500m左右。
3.2 地热增温型勘探有利地段
3.2.1 A段：东河区沉降盆地地热增温型勘探有利地段，主要分布在兰阿断裂以南张六圪旦——陶窑子一带，面积39.8km2。主要依据是：①该地段基底埋深由北向南逐渐加深， 约有2 000m， 向南增至5 000m左右，从而保证有足够的热源。②该段热储层为第三系含泥粉细砂岩及中细砂岩，其埋深约为700～900m，第三系厚度可达2 000～3 000m，可作为良好的盖层。③根据地下水水质资料进行的地热水系统化学指标分析，Cl/F值较大，一般大于50，在七连附近更高，在100～200之间。④兰阿断裂可作为地下热水的补给通道，孔深约3 000m。
3.2.2 B段：位于昆区沉降盆地，分布在土黑麻淖乡——昆区一带，面积90.1km2。依据为：①该地段处于山前倾斜平原，为该凹陷最深部位，基底埋深2 000～2 400m，第三系泥岩具有良好的保温作用。②该段储热层为第三系和白垩系，第三系埋深大约400～600m，第三系和白垩系沉积厚度为1 400～1 750m。③根据水化学资料Na/K值在8～20之间，Na/Ca值较高在1～3之间，Cl/F值也较高，表明浅部有异常显示。