位于甘肅東南部的天水及其南北地區, 包括天水、定西和隴南部分地區, 基底構造處在祁連、西秦嶺造山帶, 也是我國中央造山帶和南北向構造帶交匯部位, 以及我國華北地塊、華南地塊和青藏地塊交接地段。北部地表黃土覆蓋廣泛, 西迄華家嶺東至六盤山, 南接西秦嶺, 周邊環山基巖出露, 其間被中新生代盆地分割, 形成盆山相間展布的格局。由地球物理勘查資料可知這些盆地蓋層厚度普遍較薄,很少超過1 000 m , 因此限定了形成盆地型地熱田的地質前提。另據區域地溫場和溫泉分布特征, 表明具備形成斷裂隆起對流型地熱田的地熱地質條件。隆起斷裂對流型溫泉的地下熱水具有充沛的補給來源、較好儲存和開采條件, 具有進一步開發擴大地熱利用的遠景。

 

  1  區域地質特征

 

  天水及其南北地區處在近東西向祁連—西秦嶺造山帶接合部位, 疊加了斜跨之上較醒目的近南北向構造帶形跡, 而且新構造活動很明顯, 組成我國著名的南北向地震活動帶中段。由兩條巖漿構造隆起帶和其間的坳陷帶組成, 兩個隆起帶主要由印支、燕山期的花崗巖體組成, 各巖體的長軸方向雖多呈東西向, 而它們的組合形態排列卻成N15°～ 20°E 方向。東巖漿構造隆起帶位于張家川—清水—成縣一線;西巖漿構造隆起帶位于通渭一武山一舟曲一線;兩個隆起帶之間為坳陷帶和新生代斷陷盆地, 變質巖基底中花崗巖較少。盆地呈串珠狀分布, 如靜寧—秦安—天水盆地和西和一禮縣盆地, 盆地長軸方向均呈NNE 向, 盆地新生代沉積厚度僅千余米。

 

  出露地表的NWW 向區域性斷裂主要有:中祁連構造帶北緣會寧—張家川斷裂帶、通渭—清水斷裂帶、西秦嶺北緣和渭河斷裂帶、禮縣—麻沿河斷裂等, 這些斷裂帶具有延伸長、切割深, 多期活動的特點。

 

  近南北向斷裂地表出露規模不大, 一般為10 ～20 km , 且常出現在隆起帶上或其邊緣。它們比較集中在以下三個帶:溫泉—龍潭斷裂帶、天水—文縣斷裂帶、清水—成縣斷裂帶。組成這些帶的斷裂都呈斜列雁行式排列, 斷裂帶方向多為N20°～ 25°E ,斷裂擠壓現象明顯, 有的切割了第三系。隱伏斷裂一般在衛星象片上都有較清晰的影象特征, 有的具斷崖、斷裂谷地貌特征。特別引入注目的是構成東隆起帶的各巖體之西緣均較平直。地貌上形成有較明顯的階梯狀地形, 大致以天水一武都為界, 其東側山脈走向為EW 向, 海拔在2 000 m 以下。而西側山脈多為NW 走向, 海拔在3 000 m 以上。另據夷平面資料, 東西兩側同級夷平面相對上升高度也不同, 東側一、二級夷平面總的上升為800 m , 而西側卻上升了1 300 ～ 1 600 m 。這種地貌形態的變化和活動特征的差異反映了受新構造活動的影響。

 

  沿近SN 向構造帶還有喜山期巖漿巖出露。西

 

  隆起帶南段在禮縣白關一香山一帶為堿性玄武噴出巖, 多伏在老第三系紅色砂礫巖之上, 有的又被新第三系不整合覆蓋, 其產出與南北向超殼型深斷裂活動和地幔部分熔融巖漿貫入密切相關;東隆起帶在天水伯陽—元龍一帶, 為酸性—中性的流紋巖與安山質火山角礫凝灰巖, 另還有花崗正長巖和正長斑巖。它們雖巖性不同, 但形成時期一致, 從其出露位置分析與近南北向構造有內在聯系。

 

  2 溫泉分布特征和熱儲條件分析

 

  區內已知溫泉13 處, 如表1 所示。由表可見,

 

  溫泉水溫多在25 ～ 57 ℃之間, 屬隆起斷裂對流型中低溫地熱資源, 熱儲多為花崗巖斷裂破碎帶或者花崗巖與變質巖接觸帶, 僅個別為其它巖性。區內溫泉分布多沿基底區域性斷裂和重力梯級帶反映的近NS 向隱伏斷裂分布(圖1 、圖2), 并且多出現在兩組斷裂交匯部位, 尤其受近南北向構造控制更明顯, 甚至有些溫泉泉眼成群沿近南北向排列。例如沿通渭一武山一舟曲西隆起帶分布的西鞏驛、通渭義崗、通渭青土坡、通渭湯池、武山溫泉鄉、禮縣龍潭、禮縣龍王溝等溫泉;沿清水—成縣東隆起帶分布的清水湯峪、天水溫家峽溫泉, 其間還有伯陽溫泉, 因資料不多未列入表內;中間坳陷帶分布的秦安于夫子溝、天水中灘以及南端的文縣石坊溫泉。這些溫泉的分布還受區域性NWW 向斷裂與近SN 向斷裂交匯控制, 形成東西成行, 南北成列的網格狀格局。

 

  溫泉水中SiO2 、F 含量較高, 前者大于25mg /L , 后者大于4 mg /L , 且隨泉水溫度的升高而含量增加。泉水的礦化度與Cl - SO24Ca2 +Na+K+等離子含量呈正消長關系, 與HCO3含量呈反消長關系。

 

  區內由東南向西北礦化度和離子含量呈遞增趨勢,主要反應水質的變化。另據武山、通渭、秦安、清水等溫泉水溶氣體中氦含量較高, 較淺層水或空氣中的氦高2 ～ 3 個數量級, 說明氦來源地殼深部。

 

  從天水及鄰區兩條近南北向巖漿構造帶與溫泉

 

  分布來看, 巖體可為溫泉提供地殼淺部熱源。分布在通渭—武山—舟曲巖漿構造隆起帶的武山溫泉鄉、通渭湯池溫泉和分布在清水—成縣巖漿構造隆起帶的清水湯峪、天水溫家峽溫泉, 其水溫較高均在40 ℃以上, 而在兩者之間的秦安—天水—武都坳陷帶, 中酸性巖漿巖零星出露, 分布在秦安于夫子溝、天水中灘溫泉的溫度偏低在30 ℃以下, 文縣石坊溫泉僅有19. 5 ℃, 可見溫泉水溫高低與花崗質巖石有關。花崗巖據同位素年齡測定在170 ～ 240 Ma 左右, 多屬印支—燕山期產物。另據該區巖石樣品放射性含量測定, 花崗巖U 、Th 、K 含量較高, 巖石生熱率仍是花崗巖最高, 次為花崗閃長巖, 其它巖石如泥巖、白云巖、灰巖生熱率較低, 顯然是淺部花崗巖放射性含量高衰變產生熱量亦高的很好說明。

 

  而在坳陷帶內的天水盆地為新生代山間斷陷盆地, 東西長40 km , 南北寬10 ～ 18 km , 中間被NW 向天水市區低隆起分隔為東(十里鋪—甘泉)、西(太京—天水郡)兩個斜列的坳陷。盆地是形成熱儲的有利場所, 要形成沉積盆地型地熱田, 除有足夠熱源、水源和通道外, 還必需有足夠厚的蓋層和儲層。

 

  但從天水盆地以往煤田電測深資料和近期可控源音頻電磁測深結果分析, 天水盆地及其次級坳陷基底埋深較淺, 一般只有500 ～ 600 m , 最深地段為800 ～1 000 m 。新生界蓋層厚度較薄, 不利于形成溫度較高的熱儲層, 因此, 不具備形成盆地傳導型地熱田的地質條件。以往地熱鉆探結果表明, 處在兩坳陷間的天水市低隆起部位的市內北關施工的地熱井, 井深632. 78 m , 以未能打出熱水而告終, 就是例證。

 

  3  區域地球物理特征

 

  3. 1  地溫梯度與大地熱流場特征

 

  由地震系統在該區所測地溫梯度與大地熱流

 

  值[ 1 - 2] (圖2)可以看出, 在清水—天水—成縣一線,形成一條明顯的呈近南北向地溫梯度與大地熱流異常帶, 地溫梯度在21. 01 ～ 49. 3 ℃/1 000 m , 平均值33. 93 ℃/1 000 m ;大地熱流值64 ～ 75. 7 mW /m2 ,平均值70. 78 mW /m2 。而相鄰的隴東盆地地溫梯度在18 ～ 29 ℃/1 000 m , 平均值24. 23 ℃/1 000 m ,大地熱流值53. 5 ～ 59. 2 mW/m2 , 平均值55 mW /m2 。

 

  由此可見在天水及其南北地區地溫梯度和大地熱流值均大于正常地溫梯度(30 ℃/1 000 m)和全球平均大地熱流值(61. 45 mW /m2 ), 也高出周邊地區。

 

  3. 2  地球物理場特征反映的近南北向構造帶從布格重力異常圖上(圖2)可較清楚地看到重力異常值由西(- 280 ×10- 5 m /s2)向東遞增( - 180×10 -5 m / s2) , 并形成兩條近SN 向布格重力異常密集梯級帶, 以通渭—武山重力梯級帶帶最清晰;成縣—清水一線亦有顯示, 反映近南北向隱伏斷裂的存在, 并與地震測深推斷莫霍面隆起兩側陡變帶對應(圖4), 屬超殼深斷裂。在兩重力梯級帶間被不連續重力低相隔, 反映中新生代盆地分布。NWW向重力梯級帶不連續, 多出現在近南北向重力梯級帶扭曲部位, 反映了這組NWW 向斷裂構造與近南北向隱伏構造立體交叉的影響。

 

  在航磁異常圖上也非常醒目的反映出天水一武都一線和西秦嶺北緣形成兩種不同磁場特征的分界, 是不同地質構造單元間以斷裂為界的特征。

 

  在北側和東側, 是正負相間變化、磁場強度在100 ～300 nT 間的高磁異常區, 從大片升高區域磁場分析, 主要反映中酸性巖體和火山巖的廣泛分布。西秦嶺西段是平靜的低值磁場區, 場值普遍小于50nT , 為碎屑巖和碳酸鹽巖的反映。

 

  3. 3  電磁場、波速場反映深部地質構造與巖石圈熱結構本區地溫梯度、大地熱流場和溫泉的空間分布反映出以通渭華家嶺—武山近SN 向重力梯級帶反映的隱伏深斷裂為西界, 六盤山—隴山重力梯級帶反映的深斷裂為東界, 其間地溫場溫度高, 溫泉多,地熱田分布屬隆起斷裂對流型;在其東西側分別為隴西盆地和隴東盆地, 盆地沉積厚度大, 多在2 000～ 3 000 m , 地溫場偏低, 且少見溫泉, 地熱田以盆地傳導型為主。

 

  地溫場高、溫泉眾多與區域地質構造和深部地

 

  質背景密切相關。地震測深大地電磁測深推斷天水—秦安一線莫霍面和地幔高導層均上隆(圖4), 地殼厚度僅有45 km , 較東、西兩側減薄4 ～ 6km , 并形成兩條近NS 向陡變帶。巖石圈厚度為76～ 90 km , 與構造活動區(<100 km)相當, 遠小于鄰區(130 ～ 160 km)或大陸穩定地區(150 ～ 200 km)。

 

  區內地殼厚度減薄莫霍面劇烈向上隆起, 而且下地殼、中地殼和上地殼也呈上隆趨勢, 地震波速度普遍高于周圍相應層位, 這種現象顯然與上地幔熱物質的上涌有關。并且該地區存在一個明顯的殼幔過渡層, 也稱異常地幔, 從地震測深剖面上來看主要表現在下地殼底部出現了一個P 波速度為7. 0 ～ 7. 4 km / s 的特殊層位, 其形成可能與莫霍面兩側的物質在高溫條件下發生的一系列復雜的地球化學反應和物質運移過程有關。殼幔過渡層波速異常特征被認為是底侵作用的結果:一般認為是由于上地幔巖漿侵入下地殼, 并與下地殼巖漿相互對流、混融而形成的, 出現這種波速特征說明該地區有可能發生過上地幔巖漿侵入的下地殼。在發生過底侵作用的部位存在一個明顯向上隆起的下地殼高速體, 其上部邊界位于地下約32 km 處, 速度等值線分布呈向上凸起趨勢, 波速值明顯高于周圍相應層位。

 

  在天水至秦安一帶, 中地殼分別存在低速高導

 

  層。根據地震測深資料, 低速層下底面在地下19 ～20 km 深處, 層厚約3 ～ 5. 5 km , P 波速度約為5. 85km / s , 其上方的P 波速度平均約為6. 04 km /s , 下方的P 波速度約為6. 21 ～ 6. 3 km / s 。電性資料也顯示在中地殼低速層對應的層位為一厚度約4 km的高導層, 電阻率約為5 ～ 13. 8 Ψ m , 高導層的底面埋深在14. 7 ～ 17. 6 km 之間, 層厚與中地殼低速層相當, 但埋深略淺。在中地殼低速、高導層的上方, 天水伯陽和禮縣白關有新生代幔源型侵入巖的出露。這說明至少在新生代初期, 該地區的巖石圈通道是非常活動, 而且中地殼低速高導層的溫度達到含水巖石發生脫水反應所需的溫度也達到或超過了巖石的局部熔融溫度, 這個高溫區很可能是巖石圈通道在地表的重要表現之一。

 

  地幔高導層上隆也說明軟流圈在上隆,據文獻研究表明, 地幔高導層上隆軟流圈中含有熔融的流體物質降低了巖石的強度。軟流圈中低密度的流體組分要向軟流圈隆起的部位遷移, 它會聚于巖石圈的下部, 并在巨大的圍壓作用下沿著構造塊體之間的破碎帶向上辟進, 形成巖石圈內的熱流體通道。

 

  3. 4  溫泉形成的熱源機制

 

  地表熱流由地殼熱流和地幔熱流兩部分組成,據天水地區實地測試[ 2] 分別為40. 25 、32. 74mW /m2 , 所占比例各為55 %、45 %。兩者雖較為接近, 而地殼熱流所占比例稍大, 與相鄰薄地殼(33 ～35 km)的汾渭裂谷型盆地的地幔熱流占主導顯然不同, 但比相鄰厚地殼的地段, 由于本區地殼減薄莫霍面上隆而增加了地幔熱流比例。該區中地殼低速、高導層存在, 被認為是巖石相變脫水反應形成的局部熔融體, 可作為地殼中部熱源。下地殼高速殼幔過度層是地幔超鎂鐵巖作為熱底辟上侵與下地殼混融的產物, 加之地殼減薄莫霍面上隆的熱效應, 致使天水一帶地熱區是在地幔熱源增溫的背景上迭加殼內局部熱源, 形成多級熱源的疊加。尤其地殼上部來源于構造巖漿帶中酸性巖體放射性元素U 、Th 、K 衰變產生的熱量, 更是上地殼熱流值在地表熱流中所占比例較高(33 %)的原因。這正是巖漿構造隆起帶內的溫泉溫度偏高的原因所在, 尤其近南北向隱伏超殼斷裂和區域性NWW 向區域性斷裂發育和新構造活動更為形成斷裂隆起對流型溫泉創造了條件。

  4  結論

 

  (1) 天水及其南北地區具備形成地下熱水的區

 

  域與深部地質背景, 水熱活動主要表現為斷裂隆起型溫泉。地幔高導層、莫霍面上隆, 地殼厚度減薄,有利地幔熱流將熱量傳遞給隆升部位;地殼內廣泛分布的中酸性巖體生熱率高, 致使該區有較高的地表大地熱流值和地溫梯度。

 

  (2) 本區處在深部近南北向構造與淺部近東西向構造立體交叉部位, 致使該區斷裂構造發育, 是地下熱水深循環的有利通道, 控制該區溫泉呈網格狀分布。

 

  (3) 本區內盆地蓋層較薄, 不利熱儲, 因此不具備形成沉降盆地對流型地熱田的地質條件。地殼熱流在地面熱流中占主導地位, 殼內熱流主要來源于中酸性巖體放射性元素U 、Th 、K 衰變產生的熱量,致使在巖漿構造隆起帶內的溫泉溫度偏高。在中酸性巖漿巖另星出露的坳陷帶內溫泉溫度偏低。

 

  (4) 區內溫泉的地下熱水具有充沛的水源補給來源、較好儲存和開采條件, 具有進一步鉆探開發擴大地熱利用的遠景。