摘要
大同地区作为我国重要的煤炭产区,由于煤炭资源的枯竭和环境污染问题,大同地区面临的能源结构调整问题亟待解决。研究发现大同盆地具有丰富的地热资源,而地热资源作为一种可再生的清洁能源,因其储量大、分布广、可再生、无污染、不受气候影响等特点在能源结构调整,新能源的开发与利用方面具有重大潜力。因此,对大同盆地地热资源进行科学研究、开发与利用,对当地经济社会的发展具有举足轻重的作用。以往对大同盆地地热资源的研究较少,且主要集中在浅层。大同盆地东北部地热区地热地质特征响应明显,而为科学可持续的利用该区域的地热资源,则亟需探讨大同盆地东北部地热区地热资源的分布规律与形成机制,了解研究区地热系统的关键要素(包括热源、热储、盖层等)。因此,本研究首先优选大同盆地东北部天镇、阳高一带作为地热资源的重点研究区域。在研究区内布设十条大地电磁测线、两个大地电磁加密区以及两条音频大地电磁测线,并通过对大地电磁与音频大地电磁原始数据的时间序列进行傅里叶变换、Robust估计、远参考等预处理,获取高质量的数据信息;然后,对十条MT测线及两条AMT测线进行Swift分解、GB分解和相位张量分解,确定了测线地下介质二维性较好,采用GB多频多测点分解法统计分析MT及AMT测线地下介质的电性主轴信息,确定了MT及AMT测线的电性主轴方向。另外,采用Niblett-Bostick法计算了上述测线的趋肤深度,最终确定MT及AMT测线的反演深度分别为15km和1km。同时利用相位张量分解法对两个加密区的大地电磁数据进行维性分析,确定了两个加密区具有三维特性。随后,对MT及AMT测线进行二维反演,对加密区MT测线进行三维反演,综合分析研究大同盆地东北部地热区电性结构特征,并结合已有的地热地质、地球化学及综合地球物理资料,圈定了GR1高温地热井的位置,确定构建出研究区地热结构模型、地热系统的关键要素及地热资源的形成机制;最终,根据研究区电性结构特征及干热岩地球物理特性,结合地热钻孔GR1、D1判断该地区干热岩地热资源存在的可能性。综合上述研究得到如下认识:(1)根据已有资料分析确定大同盆地地热资源丰富且其东北部为地热资源的重点研究区域,并圈定天镇、阳高加密区为精细化研究区域。(2)精细化电性结构反演结果表明研究区内存在两种不同的地电结构模型,一种电性模型表现为表层低阻层,其下为相对低阻区域,深部有低阻体的存在,深部低阻体与浅部低阻层通过相对高阻区域连通;另一种地电模型,电阻率呈层状分布,从上到下依次为相对低阻层、高阻层、相对低阻层、低阻层。(3)建立了研究区内的三维地热地质模型,确定研究区的地热系统为高温对流传导型地热系统,并显示了研究区地热系统的关键要素。研究区存在两种类型的地热系统分别为传导型地热系统与对流型地热系统。传导型地热系统主要分布在研究区的南部,热源、热储与盖层分别为部分熔融体,d3电性层与d2电性层;而对流型地热系统分布在研究区的北部,以地热流体为主的地热资源,该系统的热源、热储、盖层分别为深部部分熔融体、太古代变质岩、粘土层,且热源、热储、盖层通过深大断裂连通。(4)研究区内作为热源的部分熔融体来源于两种形式:一种是大同火山群喷发后,未喷出地表的岩浆沿地壳裂隙向盆地NE方向运移形成部分熔融体;另外一种是大同盆地对应华北西部的克拉通破坏,软流圈出现上涌,地幔活动将热量传递给地壳,在板块间挤压作用下使周围边山地壳增厚减压熔融地壳岩层脱水挤压形成部分熔融体。(5)通过MT&AMT的探测结果,圈定了地热资源的范围,确定GR1井地热钻孔的位置,GR1井钻探后获得很高的温度。基于对地热钻孔GR1、D1的地球化学资料进行分析,确定地热资源的热水主要来源于北部山区大气降水的入渗补给。同时可以推断研究区有干热岩型地热资源存在,且主要分布在研究区的中部和南部,南部干热岩表现为以热动力主导的构造变形,深部热源底辟隆起,由垂向上热传导控制浅部地热资源的形成,而中部干热岩主要为岩浆侵入作用,通过深大断裂,高温异常体在浅部形成。