地热资源是一种十分宝贵的矿产资源, 同时也是一种清洁可再生能源, 开发利用地热资源对遏制环境恶化、维护生态和谐、推动绿色发展具有重要作用。尤其在当今环境污染突显和化石能源短缺的情况下, 大力开发地热资源更具现实意义, 地热资源也因此受到了世界许多国家的重视。20世纪90年代, 兰州市周边的西安市、银川市、西宁市等省会城市的地热勘查均有了较大的进展和突破。然而, 兰州市的地热勘查开发程度较低。2001年以来, 在市政府有关部门支持下, 甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院开启了兰州市城区地热勘查研究工作, 经过多年的探索, 在资源勘探、利用方面都取得了一定成效。本文在收集已有资料的基础上, 根据最新补充取得的大量地热勘查资料, 从地热资源形成的地质背景条件入手, 重点研究了兰州沉积盆地传导型地热田地热流体赋存特征及其补给、径流和排泄等地质条件, 对地下热水资源的形成机理、分布规律及赋存特征等进行了阐述。按照水文地质单元划分对城区地热资源进行了评价, 显示出了较丰富的可开发资源潜力^{[1, 2, 3, 4, 5]}, 对加快兰州城区地热供暖, 实现“ 兰州蓝” 工程有重要的推动作用。

兰州市地热资源勘查可追溯到20世纪80年代。1985年, 兰州石油机械厂在七里河区厂内试验新型钻机, 试钻孔深1 903.6 m, 孔口上返泥浆温度达到55.0 ℃, 从而获取了深部地热异常信息。

多年来, 通过不断总结以往地质、水文地质资料, 采用可控源音频大地电磁测深等手段, 初步圈定了七里河地热异常区, 并于2003年7月在七里河区运通大厦院内打成了兰州市第一眼地热井, 井深2 003.1 m, 单井出水量504.0 m³, 井口水温60.3 ℃, 取得了在兰州城区地热勘查的首次突破^[2]。

近年来, 在市场经济的推动下, 先后围绕七里河— 安宁断陷盆地边缘断裂打成了3眼水温、流量较理想地热水井, 进一步证明了兰州城区地热资源赋存的可靠性, 同时也为全面系统地掌握城区地热资源分布规律提供了重要依据。

2015年, 受兰州市国土资源局的委托, 甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院利用2 a多时间, 以兰州市城区为重点, 开展了专项地热资源勘查工作, 范围包括兰州市中心城区, 面积260 km²(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 兰州市城区交通及地热勘查区位置Fig.1 Location of traffic and geothermal exploration area in Lanzhou City

此次地热勘查在全面收集研究已有地热资料的基础上, 先期投入了大量的地面调查、物探等工作, 从区域上对城区一带地热田热储、盖层分布特征及其空间赋存条件做到了一定的控制。根据前期勘查成果, 选择在七里河— 安宁断陷盆地中央部位实施了一眼深2 502.0 m的地热勘探孔, 经抽(放)水试验, 自流量26.25 m³/h, 出口水温68.0 ℃; 单井抽水量稳定在90.0 m³/h, 井口水温74.0 ℃, 水质达到国家理疗矿泉水标准。该地热井是兰州市及甘肃省迄今井深最深、水量最大、水温最高的地热水井, 首次证明了七里河— 安宁断陷盆地中央部位有丰富的地下热水资源存在, 对认识七里河— 安宁断陷盆地及其以外整个城区盆地型层状地热田规模提供了重要的地质依据。

兰州断陷盆地第四系、新近系、古近系、白垩系分布广, 地球物理特征各异。表层第四系的岩性变化较大, 电性变化也很大, 电阻率为中高阻(40~1 000 Ω · m); 中部新近系、古近系为低阻电性层(10~30 Ω · m), 与下部白垩系构成不易区分的电性层, 重力密度差(0.2× 10³~1.0× 10³kg/m³)微小; 元古宇基底岩层电阻率较高(> 100 Ω · m), 与中新生界有明显的电性界面和0.25× 10³kg/m³重力密度差。同时中新生界磁性较弱, 元古宇磁性较高, 这也是兰州盆地基底岩性划分的依据^[3]。本次物探方法的应用中, 采用可控源音频大地电磁测深和重力勘探等物探手段刻画了兰州断陷中生界基底平面形态和范围, 反映出基底形态中部下凹、由西向东平缓抬升的规律, 最深处在西固区陈官营— 深沟桥一带, 埋深大约2 800 m, 同时推断划分出了多组规模较大的隐伏断裂(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 重力物探推断兰州断陷盆地构造和基底埋深等值线Fig.6 Structure and contour of basement buried depth by gravity geophysical prospecting in Lanzhou faulted basin

兰州断陷盆地南部山区基岩裸露, 岩石构造裂隙发育, 降水及其汇集而成的地表径流沿断裂带或岩层层间裂隙向地下渗入进入热储层。盆地中巨厚的中新生界沉积物构成了补给— 径流— 排泄条件完整的碎屑岩类孔隙裂隙承压自流水含水层系统^[7]。在漫长的地质年代里, 地下水在径流过程中经深循环岩温加热而形成深层热水, 水温随热储层埋深增加逐渐增高。还有斜切黄河河谷的断裂破碎带, 加剧了深层地热流体的水交替作用。根据水头标高等值线图推测, 地热水在向北、北东方向径流中, 于城区东部的桑园峡一带受阻溢出地面排入黄河。现状人工排泄地热水量很小^[3]。

兰州断陷盆地属半封闭的中新生代地下水自流盆地, 地下径流滞缓。中粗、细砂岩为地热流体层, 水化学类型为Cl^--Na⁺型和S O42--Cl^--Na⁺型, 水质矿化度介于4.6~20 g/L之间, 属高矿化的地热水。地下热水含有丰富的矿物质, 除常规离子外, 还有氟、溴、碘、锶、锂、偏硼酸、偏硅酸等多种有益元素, 其中K₃孔水中含氟(0.94 mg/L)、溴(13.80 mg/L)、碘(0.78 mg/L)、锶(35.71 mg/L)、锂(0.976 mg/L)、偏硼酸(16.96 mg/L)、偏硅酸(53.56 mg/L), 多项指标达到有医疗价值的浓度, 为极佳的理疗矿泉水。

地热资源是一项地球内部自然赋存的一定深度范围内可供开发利用的无污染新能源, 由于地热地质条件的变化, 热储类型和地热水特征又存在着明显的差异^[3]。目前, 兰州市城区地热勘探程度仍然较低, 仅达到调查— 普查阶段, 还未从区域层面形成对深层地下热水资源的合理控制, 也无法较准确地评价其可利用资源量。依据兰州市城区地热资源勘查获取的资料, 以研究程度较高的七里河— 安宁断陷为依托, 根据整个城区地热水赋存条件相似的特点, 采用水文地质学方法和热储法, 分西部城区、中部城区(七里河— 安宁断陷)和东部城区对地热水资源开发潜力进行了分析评价。

经水文地质方法计算, 西部城区、中部城区(七里河— 安宁断陷)、东城区相应地热流体允许开采量分别为200.0 m³/h、1 000.0 m³/h、275.0 m³/h; 利用断面径流法复核, 以上区段地热流体允许开采量有较高的保证程度。

从热量角度分析, 西部城区、中部城区(七里河— 安宁断陷)、东部城区对应热储中储存热量分别为1.81× 10²¹J、1.11× 10²²J和5.09× 10²⁰J; 可采出的热量转换成热功率分别是23.49 MW、117.46 MW和17.91 MW。开采100 a能采出的热量分别为6.19× 10¹⁶J、3.10× 10¹⁷J和4.72× 10¹⁶J, 只占各热储中储存热能的0.034%、0.028%和0.009%。初步评价西部城区、中部城区(七里河— 安宁断陷)、东部城区地热田的产能分别为23.49 MW、117.46 MW和17.91 MW, 3处地热田规模分别达到中型、大型和中型。

通过对地热流体质量评价, 兰州市城区地下热水属中性、中低温热水, 地热水中含有多种微量组分具有较高的理疗价值, 达到国家理疗热矿水水质标准, 主要可用于采暖、洗浴、养殖、温室等。

由此可见, 兰州市城区地热资源潜力大, 开采条件适宜, 利用前景良好, 在采取科学合理的资源保护和环境保护措施后, 能够满足较大规模的建筑供暖及其他用途的开发利用^[6]。

(1)兰州断陷盆地属中生代断陷盆地, 盆地内断裂发育并具有继承性活动的特点, 形成了以盆地传导型兼断裂对流型地热地质条件。

(2)水热型地热资源分布范围大, 以古近系(E)、白垩系(K)碎屑岩及元古宇(Pt)基底片岩风化带组成热储, 厚度达到800~1 600 m; 盖层以新近系(N)泥岩、砂质泥岩为主, 层位稳定, 厚度为1 000~1 200 m。

(3)通过现阶段勘探表明, 城区一带深部赋存的地热流体普遍存在承压性, 单井涌水量20.8~90.0 m³/h, 出口水温42~74 ℃, 属中低温、高矿化地热水。初步评价西部城区、中部城区(七里河— 安宁断陷)、东部城区3处地热田产能分别为23.49 MW、117.46 MW和17.91 MW, 规模达到中— 大型地热田。