（矿产普查与勘探专业论文）西安地热水伴生富氦天然气成因研究.pdf

摘要本文在对西安凹陷基底岩性组成、主要断裂和盆地构造演化特征等研究基础上，通过对地热水伴生天然气组成及其含量分析，重点分析研究了甲烷碳同位素、二氧化碳碳同位素和天然气氦同位素。通过地热井钻井资料分析，查明了富氦天然气赋存的主要层位、含气层厚度、富氦天然气分布以及与断裂构造和盆地基底岩性之间的关系。探讨了富箩王然气成围：、? 征，明确了甲烷天然气和氖气的来源及其源岩特征，为进一步研究和勘探西安地热：弋伴生富氦天然气提供了重要的基础资料。耗据地热水伴生天然气中的成分、含量的析结果，结合钻井资料分析认为天然气层位为取水层，深度主要在1 2 0 0 m 到1 8 0 0 m 以下，主要是蓝田灞河组、高陵组、白鹿塬组和红河组；地热水伴生天然气主要分布在铁炉子户县断裂、长安咸阳断裂、长安临潼断裂及渭河南岸断裂区域内，明显受断裂构造和新生代盆地构造演化控制。地热水伴生天然气61 3 c l ，61 3 c 2 和61 3 c 3 分析结果表明，户县一带甲烷碳同位素均小于5 5 o ，属生物成因气，是由户县一带富含未成熟有机质张家坡组泥岩形成的：其它地热水伴生的甲烷的碳同位素分布在2 7 2 0 - - 3 8 7 0 之间，属于有机质热解天然气，与渭河断裂之北盆地基底分布的古生界烃源岩有关。氦同位素分析结果表明，西安地区的天然气中的3 h e 4 h e 分布在( 4 7 士0 2 4 ) x 1 0 - s ( 7 8 0 - j = 0 2 3 ) x 1 0 7 之间，介于壳源! h h e值和幔源3 h e 4 h e 值之间，分析认为西安地区的天然气中以壳源成因主，有少量幔源氦气混入，其源岩是西安地区渭河盆地基底分布的富铀花岗岩体和西安市周边分布的含铀蓝田花岗岩体和牧护关花岗岩体。关键词：西安地区；氦同位素：甲烷碳同位素；氦气成因；甲烷成因a b s t r a c tb a s i n go nt h es t u d yo fm a i nf a u l t s ，b a s e m e n t sp e t r o l o g yo fx i a l ld e p r e s s i o na n di t sg e o l o g i c a le v o l u t i o n ，5 13 c 。r g ，8 ) 3 c c 0 2 a n dt h eh e l i u mi s o t o p eo fn a t u r eg a sf r o mg e o t h e r m a lw a t e ra r ea n a l y z e dt o g e t h e rw i t ht h ec o m p o n e n ta n dc o n t e n to ft h eg a s g a sb e d ，s t r a t i g r a p h ya n di t sd i s t r i b u t i o no ft h en a t u r eg a se n r i c h e dh e l i u m ，r e l a t i o n s ! 、 do fd i s t r i b u t i o nw i t ht h ef a u l t sa n db a s e m e n t sp e t r o l o g ya r ea s c e r t a i n e d o r i g i no ft h em e t h a n ea n dt h eh e l i u mg a sa n dt h e i rs o u r c er o c k sa r ed i s c u s s e d t h i sr e s e a r c hp r o v i d e sm u c hi m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rg a se x p l o r a t i o ni ng e o t h e r m a lw a t e ri nx i a na r e a a c c o r d i n gt ot h ec o m p o n e n ta n dc o n t e n to ft h eg a sc o n t a i n e di ng e o t h e r m a lw a t e rt o g e t h e rw i t hd r i l l i n gd o c u m e n t s ，t h eg a sb e dh o r i z o ni sf r o m12 0 0 mt o18 0 0 m ，s t r a t i g r a p h 3o fg a sb e d sa r et e r t i a r y , i n c l u d i n gl a n t i a n - b a h ef o r m a t i o n , g a o l i n gf o r m a t i o n ，b a i l u y u a nf o r m a t i o na n dh o n g h ef o r m a t i o n ，t h eh o r i z o no fg a sb e di sa l m o s tt h es a m ew i t hg e o t h e r m a lw a t e r t h eg a si ng e o t h e r m a lw a t e ri sd i s t r i b u t e dw i t h i nt h et i e l u z i h u x i a nf a u l t ，t h ec h a n g a l l - x i a n y a n gf a u l ta n dt h ew e i h ef a u l t ，w h i c hs h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o no fg a sa r ec o n t r o l l e db yf a u l t sa n dt h et e c t o n i ce v o l u t i o ni nc e n o z o i ce r a ( 6 1 3 c lo fg a sl o w e rt h a n 5 5 oi nh u x i a na r e ap r o v e dt h a ti ti sb i o c h e m i c a lg a s ，w h i c hc a r n ef r o mt h eb l a c km u d r o c ko ft h ez h a n g j i a p of o r m a t i o ni nh u x i a na r e a 6 1 3 c lo fg a sc o n t a i ni ng e o t h e r m a lw a t e ri no t h e ra r e ai sf r o m 一2 7 2 0ot o - 3 8 7 0 ，w h i c hi sak i n do ft h e r m a lp y r o l y s i sg a s ，r e l a t et ot h ep a l e o z o c ih y d r o c a r b o ns o u r c er o c k 3 h e 4 h er a t i oi sf r o m ( 4 7 4 - 0 2 4 ) x 1 0 。8t o ( 7 8 0 4 - 0 2 3 ) x l o 。7i i lt h eg a si ng e o t h e r m a lw a t e rw h i c hi n d i c a t e st h a tt h eg a sg e n e r a t e df r o mt h ec r u s ta n dt h em a n t l e t h eh e l i u mg a si sr a d i o g e n i cw i t hal i t t l ef r o mt h em a n t l e ，w h o s em a i ns o u r c er o c ki st h eg r a n i t ed i s t r i b u t e da tt h eb a s e m e n to fw e i h eb a s i na n dt h em u h u g u a ng r a n i t ea n dt h el a n t i a ng r a n i t ei nq i n l i n gm o u n t a i na r e a l e a rx i a n k e yw o r d s ：x i a l ld i s t r i c t ；h e l i u mi s o t o p e ；c a r b o ni s o t o p eo fm e t h a n e ；m e t h a n eg e n e s i s ；h e h u mg e n e s i s论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。：警钳。7 年占月了日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)：警劾干导师签名：圣窿眵。7 年fz- ，o 只je l。7 年眵日长安大学硕f 论艾1 1 勘探历史与现状第一章绪论渭河盆地是新生代断陷盆地，6 0 年代初，第三石油普查大队就开始在盆地内进行地质调查工作，1 9 6 0 系统进行地面地质、电法、重力的普查：至1 9 6 8 年这段时问内，又陆续进行了1 ：2 0 万重力测量和航空磁测工作，对盆地的基底性质、盖层发育特征提供了较为系统的资料，大致圈定了盆地的范围。接着以盆地凹陷为主体，完成了1 9 9 3 公里的地震反射侧面，基本控制了盆地的构造轮廓。在此期间共钻井1 9 口，同时还完成了盆地周边1 ：2 0 万地质普查填图，并对一些重点露头地区做了详细的研究工作，未发现任何油气显示，因而勘探暂时中断。1 9 7 2 - - 1 9 7 5 年，在盆地进行了第二阶段石油普查工作，钻井9 1 2 1 ，同时在构造发育地区进行了地震详查。通过这一阶段的工作，对盆地的二级构造、局部构造、断层的分布等，都有了详细的了解。其中在1 9 7 4 年钻成的渭深1 3 井中的第三系钻遇良好的天然气显示，由于当时的工作任务是以石油勘探为目的，未进一步开展工作。后来由于勘探重点转向鄂尔多斯盆地石油资源的勘探，而没有对汾渭盆地发现的天然气异常现象进行深入研究和勘探。目前，华北油田在临潼一渭南华阴一线以南开展天然气勘探，勘探目标为来源于渭南固市凹陷的生物成因的甲烷气。长庆油田在蒲城白水合阳一带开展以热解气兼顾生物成因的甲烷气为目标的天然气勘探。2 0 0 4 年，西安市国土局在西安市地热井中发现了地热水伴生富氦天然气，实际上是种天然气成藏显示，进一步证明了西安地区有富氦天然气成藏的可能性。本次采样时测得的伴生气量，结合钻井资料，根据付晓泰等【】提出的公式估算：压力为取水层顶部压力，在取水层顶部水温条件下为饱和并有部分气相存在；在取水层底部温度下为欠饱和态即天然气为水溶相。所以西安地区的天然气为水溶气，并伴有纯气相气。1 2 水溶气勘探研究现状水溶气是一种特殊类型的天然气资源。通常，天然气可以被溶解的方式富集于地下储水层中，当地下水被采到地表后，溶解在水中的天然气将会因水溶气饱和度的降低而第一章绪论从水中析出，成为与常规天然气一样的可利用的工业燃料或原料。沉积盆地的有机质在生物改造和热化学动力学作用下生成的油气，在从源岩排出和在向储集层运移过程中，其中的一部分会被孔隙水溶解和围岩吸附。但是，只有在溶解和吸收量得到满足后它们才j ：彦以游离态富集成藏【4 5 】。因此可以认为，凡是已经找到了油气聚集的盆地都存在水溶气资源，只是数量大小不同。此外，那些没有发现工业价值油气藏的盆地也可能有水溶气资源。从理论上讲，水溶气资源的分布领域较常规天然气的领域更加广泛。全世界水溶气资源丰富【6 - 8 1 。前苏联的水溶气资源约有4 0 0 x 1 0 1 2 m 3 ，美国仅德克萨斯州和路易斯安那州的水溶气原始资源量就有6 1 7 x 1 0 1 2 m 3 ，日本的水溶气储量约为( o 7 3 9 - 0 8 8 7 ) 1 0 1 2 m 3 。此外，匈牙利、菲律宾、尼泊尔、伊朗、意大利等国的水溶气资源也很多。全世界的水溶气资源总量在n x l 0 1 6 - - - - n x l 0 1 8 m 3 。不同国家和不同地区的每口井日产水量和产气量差别很大。一般说，日产水量5 - - 2 0 0 m 3 时，产水溶气量可达1 0 0 - - -4 0 0 0 0 m 3 。日本是目前开采水溶气最多的国家，仅1 9 7 7 年开采量就达5 4 5 x 1 0 8 m 3 到1 9 7 8 年开采量累计超过1 3 x 1 0 1 0 m 3 。中国的水溶气资源调查研究工作目前基本处于空白状况【9 1 ，只有一些零散的研究成果，尽管如此，这些成果对于开展水溶气资源研究仍十分宝贵。根据日本和其他国家水溶气田的分布规律，张恺等( 1 9 8 5 ) 采用类比法预测出我国水溶气资源总量约为3 8 x 1 0 1 2 m 3 ，与我国常规气层气资源量接近。杨远聪等( 1 9 9 1 ) 对我国四川盆地部分地区进行了考察，认为在中深层高压区带内存在大量的水溶气资源。王润三等【1 0 】通过分析西安地区大量的地热井钻井资料认为，西安地热田存在高压异常高压地层压力，并与地热流体压力封存箱有关，展示西安地区具备良好的水溶气储存条件。1 3 富氦天然气勘探研究现状与论文研究意义西安市国土资源局于2 0 0 4 年底随机采集的9 口地热水伴生的富氦天然气样品分析来看，氦气含量主要在o 8 , - 一1 2 ，最高为1 5 l ，最低为0 2 0 3 ，达到工业开采的含量o 1 ，超过四川威远气田的氦含量( 平均为o 2 ) ，甲烷含量多在7 , - - 一1 2 ，最高为1 8 8 6 。分析结果表明西安市地热水溶气为富氦天然气。氦是一种无色、无味、不燃烧也不助燃的稀有惰性气体，在标准状况下，氦是熔点和沸点最低的己知元素，分别为2 7 2 2 c 和2 6 8 9 6 c ；在正常压力下，随着温度的降低，氦是唯一不能固化的元素。由于其特殊的物理化学性质，氦在航天工业、核工业、医学2长安大学硕。i j 论迁( 临床医学) 、等离子工业、光学等领域具有十分广泛的用途。随着科学技术的发展，氦的应用越来越广泛，近1 0 年来氦的利用价值超过1 0 年前的1 0 0 0 倍，并且以9 的年增长速度递增。世界氦气的主要产地分布在美国、波兰、阿尔及利亚和俄罗斯，世界氦气的产量f 订储量中，美国占据大部分，并主要集中在5 个天然气田中，即德克萨斯州的c l i f f s i d e 气田，堪萨斯州- 俄克拉何马州一德克萨斯州的h u g o t o n 气田、俄克拉何马州的k e y e s 气田、德克萨斯州的p a n h a n d l e 气田以及怀俄明州的r i l e yr i d g e 气田。我国氦资源主要依靠从美国进口，由于氦资源十分紧缺，影响了其应用的推广。西安市区地热田水溶富氦天然气在国内还是首次发现，国内外以前报道发霉：的富氦天然气都在超壳断裂带附近或含油气沉积盆地中，而与地热田相伴生的富氦天然气尚末见报道。西安地热田发现的水溶富氦天然气，浓度高，分布广，研究其来源和成因、运移与富集以及在地热田中的赋存规律，具有重要的科学意义和社会经济价值。1 4 天然气成因研究现状1 4 1 天然气成因类型在国外学者主要有机成因气和无机成因气的天然气成因类型的基础上嘲，“六五和“七五”期间，国内学者通过对煤系生气机理和煤成气地球化学特征的研究，认为煤成气是天然气的重要类型之一【6 矗1 3 f1 4 1 ，同时发现由于我国气源层位多、演化历史长，自然界中存在的天然气往往是由多种来源的天然气混合而成，戴金星、宋岩等提出了无机成因气、有机成因气、混合成因气三大类天然气成因类型的划分方案【1 5 协1 ，并将育机成因气根据演化程度分为生物气、热解气和裂解气，根据母质类型划分为煤成气和油型气。“八五 期间，徐永昌、刘文汇等提出生物气和热解气之间还存在生物催化过渡带气的成因类型【1 7 1 引。1 4 2 天然气成因类型的鉴别对于不同成因天然气的鉴别，中国天然气工作者经过的多年的地球化学研究和实践，逐步总结出一套完整的各类不同成因天然气的鉴别标志，成为我国天然气地质理论的重要组成部分。无机成因气的鉴别通常包括c 0 2 和c h 4 无机成因与有机成因的鉴别。无机气c 侥是无机成因气的主要组成，其成因判别指标主要有c 0 2 含量和碳同位素组成。国内许第一章绪论多学者对不同的c 0 2 碳同位素分布进行研究【1 9 2 0 1 ，综合其观点，无机成因c 0 2 的碳同位素值大于8 o ，主要为8 一3 o 。戴金星【1 9 】等根据我国不同成因的2 1 2 个气样及国外1 0 0 多个样品的c 0 2 组分和碳同位素组成数据资料，编制了有机成因c 0 2 与无机或因c 0 2 鉴别图版，得出的结论是：c 0 2 含量大于6 0 均为无机成因；无机成因c 0 2 的6 1 3 c c 0 2 较有机成因c 0 2 的6 1 3 c c 0 2 重，无机成因c 0 2 的6 1 3 c c 0 2 值大于8 o ，有机成因c 0 2 的8 1 3 c c 0 2 值小于- 1 0 o ，而8 0 0 0 0 0 1 0 o 为有机和无机c 0 2 的6 1 3 c c 0 2 值重叠区域。碳同位素组成是判别无机烷烃气的有效指标，主要表现在两个方面：无机成因烃气具有完整的负碳同位素系列( 即6 1 3 c l 6 1 3 c 2 6 1 3 c 3 6 1 3 c 4 ) ；其甲烷碳同位素值一股大于3 0 o e l6 1 ，也有学者提出将6 1 3 c l 值大于2 5 o 作为无机成因的标志【2 1 】。伴随无机成因气研究的深入，氦同位素的研究和应用进展较大。天然气中的氦主要有两种成因，一是有放射性衰变而成，即壳源氦，二是幔源岩浆成因，称幔源氦。其中幔源氦是通过超大断裂上升至浅层聚集，所以氦同位素也是判断超大断裂是否存在的标志之一【2 2 2 ”。研究者通常根据共生气体同源性的特点，依据天然气中氦同位素的来源判断与其伴生天然气中的其它组分的成因。有机成因气的鉴别首先分为生物成因气和热解成因气两类。其中热解成因气又分油型气和煤成气，较全面的鉴别方法见表1 1 。甲烷碳同位素组成和c h i c 2 + 相对含量是国内外学者普遍采用的鉴别生物气的主要地球化学指标。甲烷是生物气的主体组分，含量一般大于9 5 ，无或仅有微量乙烷和丙烷，属干气。生物气的甲烷碳同位素在各种成因天然气中最轻，多数学者按值小于一5 5 o ：皂0 分生物成因气【6 2 4 2 5 1 。表1 1 天然气组分和碳同位素鉴别( 据戴金星，2 0 0 5 )鉴别指标油型气煤成气8 1 3 c 13 0 0 , 4 0 8 ”c l 5 5 01 0 o 8 1 3 c l - 4 3 08 1 3 c 2 2 7 5 8 1 3 c ， 2 5 5 8 1 3 c 3 - 4 连线较轻较重8 1 3 c l 与r d 关系6 3 c l 1 5 8 0 1 9 r d 4 2 2 18 1 3 c l 1 4 1 3 1 9 r d 3 4 3 9碳同8 1 3 c 1 4 连线较轻较重位c 土。轻烃单体系列 2 6 素同源的凝析油8 1 3 c轻( 一般 - 2 8 0 )凝析油饱和烃和芳烃6 1 3 c饱和烃8 1 3 c 2 7 0饱和烃8 。3 c 8 1 3 c 8 1 3 c 3 0 0 )烃源岩沥青“a ”对应的组较轻较重甲苯8 1 3 c较轻较重4长安大学硕士论文续表1 1器别指标油型气煤成气组汞蒸气 7 0 0 n g m ，分c 2 4 含量( 成熟阶段)r 。相同或相近时，一般油型气比煤成气多2 以上甲基环己烷指数 5 0 - - - 2 。c 6 7 支链。烃含量 1 7 1 7 甲苯，苯一般 l轻苯1 4 8 1 a g 几4 -4 7 5 1 a g l 烃甲苯1 1 3 峙l - 4 -5 3 6 “g l - i -富含链烷烃，贫环烷烃和芳贫链烷烃，富环烷烃和芳烃，一殷凝析油c 4 ，烃族组成烃，一股芳烃 1 0 c ，的五环烷、六环烷和疗c 7富 t c 7 和五j 烷贫r c 1 ，富尹i 妒烷p 开h 值一股 2 7没有杜松烷，难以检测到桉杜松烷、桉叶油烷可检测到杜松烷翩桉叶油烷叶油烷凝析油和储松香烷系列和海松烷系列贫海松烷和松香烷成熟度不高时，可枪测到海松烷系集层沥青中列和松香烷系列化合物生物标志物二环倍半萜c 1 5 c 1 6 值 31 1 2 8双杜松烷无有一般c 2 7 、c 2 8 丰富，c 2 9c 2 7 2 9 甾烷一般c 2 9 丰富，c 2 7 、c 2 8 较少含量少甲烷碳同位素易受成熟度影响，而重烃气的碳同位素却具有较强的母质类型继承性，能更有效的区别不同母质形成的天然气，国内学者普遍采用6 1 3 c 2 界限值为2 9 0 来区分煤成气和油型气。“七五”期间，戴金星综合国内夕 b 1 5 1 5 个天然气碳同位素数据编制了6 1 3 c 1 6 1 3 c 2 6 1 3 c 3 关系图版来进行鉴别：煤成气6 1 3 c 2 值大于2 5 1 o ，6 1 3 c 3 值大于2 3 2 0 0 0 ，油型气6 1 3 c 2 值小于2 8 8 0 ，6 1 3 c 3 值小于2 5 5 e t l6 1 。利用同位素判断单一来源的天然气源很有效，但是如果研究的天然气是两种或两种以上来源混合，鉴别时的一些数据会明显改变。夏新宇掣2 6 通过对不同比例油型气和煤成气混合，得出混源作用、运移过程中的组分分馏和碳同位素分馏作用等均台使判定结果错误，甚至使有机成因的碳同位素正序列呈现局部到完全反序。陈安定等1 2 7 ，2 8 1 用实验模拟和天然气甲烷碳同位素在实际平面上的分布证明：天然气的运移会造成明显的碳同位素分馏。刘朝露等【2 9 】通过自行设计的天然气运移成藏物理模拟仪，对实际岩芯样品进行了高压水溶气运移成藏的物理模拟实验。实验结果表明：随着运移距离的增加，水溶气中的非烃c 0 2 含量普遍增大，烃类气体“甲烷化 趋势明显，c 2 + 以上的含量随碳数升高而降低( 至c 5 含量基本可以忽略不计) ，轻烃组分中的苯和甲苯含量由低( 气源j到高( 运移距离近) 再变低( 运移距离远) ，甲烷碳和氢同位素变化幅度均不大( 仍具第一章绪论有略偏正的特征) 。因此利用鉴别天然气成因和来源是具有一定局限性的。1 5 研究内容本文通过分析富氦天然气成分、含量、组成及碳同位素、氦同位素特征，结合地质资料，论述西安凹陷富氦天然气的成因，具体研究内容包括：( 1 ) 西安地区的基础地质特征；( 2 ) 西安市富氦天然气分布地区，含气层位和厚度；( 3 ) 西安凹陷富氦天然气的地球化学特征与成因；( 4 ) 不同成因天然气气源。为了准确测定地热井天然气成分和含量特征，获得第一手可靠资料，特邀请了中国石油化工集团公司华北石油勘探局华西石油实验中心( 原咸阳三普) 天然气分析的专业实验室人员，帮助完成了天然气从取样、样品保存和送检等样品处理全过程的工作。该实验中心曾多次分析地热井气体成分，取样和分析都很有经验。本次研究采集天然气样品的地热井均为长期稳定生产的地热井，利用排水法采集，每个地热井采集两个样品，每个天然气样品体积为5 0 0 m l 。天然气成分分析是在华西石油实验中心( 原咸阳三普) 实验室用1 0 3 型气相分析仪按g b p 1 3 6 1 0 9 2 方法进行分析，地热井伴生天然气的3 h e 4 h e 、4 h e 2 0 n e 同位素比值以及c 0 2 和有机烷烃气体的碳同位素，包括甲烷( c i - 1 4 ) 、乙烷( c 2 h 6 ) 和丙烷( c 3 h 8 ) 的碳同位素分析是在中国科学院兰州地质研究所天然气地球化学国家重点实验室用v g 5 4 0 0 质谱仪测定完成。本文重点部分为确定富氦天然气中的氦气和甲烷的成因。目前国内外普遍方法是利用同位素分析结果，根据研究地区的勘探程度和所需解决的问题的不同而采用不同方法来鉴定天然气成因类型。研究区的天然气并未引起重视，相关的天然气地质方面的研究程度较低，给本文的综合分析带来一定困难。为此，研究过程要立足于基本的鉴定方法，同时定性分析次生变化、混源作用和运移扩散作用等影响的程度，充分利用数据，采用前人统计分析出的相关图表，结合地质资料，多方位论证本地区地热水伴生天然气成因。6长安大学硕十论文第二章西安地热水伴生天然气基础地质特征渭河盆地作为华北地台南缘与秦岭褶皱系之间的一个新生代断陷盆地，其形成、发展和演化与华北地台和秦岭褶皱系区域地质构造密切相关。渭河断陷盆地的西安地热田内的水溶富氦天然气形成与分布不可避免地受到华北地台和秦岭褶皱系的联合影响。2 1 构造地质特征2 1 1 大地构造特征西安地热田地处渭河断陷盆地的中西部，位于天山祁连秦岭大别山次级特提斯构造带与太行山龙门山次级外太平洋构造带相互交织的秦岭地轴的北部【3 0 川】。按照我国著名地质学家黄汲清院士创始和奠基的中国历史大地构造学说，西安地热田位于秦岭褶皱系( i i ) 和华北地台( i ) 的毗邻部位( 图2 1 ) 。图例i华北地台i 1 陕北台凹i 。2 陕甘宁坳缘褶断束i ， 1 景福山一永寿断褶段it 2 铜川一韩城断褶段iz 汾渭断凹i ：1 渭河断凹i ：2 骊山台拱i ，豫西断隆i 。1 太华台拱i 。2 金堆城台凹秦岭褶皱系，北秦岭加里东褶皱带i i 。1 纸房一永丰褶皱束i i ，2 太白一商县褶皱束z 礼县一柞水华里西褶皱带图2 1 西安地区大地构造略图( 据陕西省区域地质志，1 9 8 2 )( 1 ) 华北地台( i )在西安地热田内，华北地台( i ) 仅出露了渭河断凹( 1 2 1 ) 和骊山台拱( 1 2 2 ) 次一级构造单元。7第二章西安地热水伴生天然气基础地质特征渭河断凹( h 1 )渭河断凹亦称渭河断陷、渭河地堑，为新生代复杂地堑，受渭北翘起带北缘山前断裂与南缘铁炉子引镇户县断裂控制。西安地热田区第三系、第四系陆相堆积层厚度大于7 0 0 0 m ，与秦岭主峰地形高差3 0 0 0 m ，纵断距大于1 0 0 0 0 m 。由于深钻孔仅达第三系，根据物探资料、西安市周边地层出露概况及构造特征推断，基底主要为太古宇太华群、下元古界铁铜沟组及印支、燕山等时期侵入的花岗岩。骊山台拱( 1 2 2 )骊山台拱位于临潼东南，为断凹中局部隆起，面积约6 0 k m 2 ，地貌、水系及新构造运动表明；该台拱至今仍在上升。台拱内出露的地层主要为太古宇太华群及下元古界铁铜沟组及燕山期花岗岩。( 2 ) 秦岭褶皱系( i i )西安地热田所涉及到的秦岭褶皱系为北加里东褶皱带的纸房永丰褶皱束( i i l l ) 。纸房一永丰褶皱束位于渭河断凹的南侧( 以铁炉子引镇户县断裂为界) ，其主体为中元古褶皱带，主要由宽坪群和印支期、燕山期花岗岩组成。中元古界宽坪群分布广、厚度大，原岩为海相基性火山岩、碎屑岩和钙硅质岩。根据岩石化学成分，火山岩属大洋拉斑岛弧拉斑玄武岩。宽坪群经历了中压相系低绿片岩相低角闪岩相变质作用。侵入岩分布较广，具多期和多岩类特点，以印支期和燕山期花岗岩为主，另有基性、超基性岩出露。2 1 2 区域构造特征西安地热水伴生天然气田位于渭河盆地。渭河盆地是一个新生代断陷盆地，断裂构造纵横交错，复杂的断裂系统控制了渭河盆地的形成、发展和演化，盆地的基底和盖层组成、盆地沉降与充填、盆地地热体系以及地貌等地质特征都与断裂构造有关。渭河盆地断裂构造特征在盖层表现最为明显。自新生代以来，盆地被不同方向、不同级别、不同规模的断裂分割成大小不等、结构不同的断块。从构造演化分析，主要分为两种类型的断块，一种是断阶( 也称为断隆) ，是相对隆起的构造区块；另一种是断凹( 凹陷) ，是相对凹的构造区块，断阶和断凹二者均以断裂为界，又可以进一步划分出次一级的断隆和断陷，称之为断凸和断凹。渭河盆地区域构造单元划分如图2 2 所示。8长安夕：学硕 ：论文il 一口镇三原断凹；i2 一富平合阳断凸；i i l 一成阳次断阶；i i2 一兴平- 牛家村次断阶：l 一泾阳次断阶；2 一高陵凹陷：i v l 一渭河次断凹；i v 2 一户县次断阶：i v 3 一西安次新阶：i 、7 4 一霸桥次断阶；v l 一渭南次断阶：v 2 一骊山断凸；v 3 一白麓原次断凸；v 4 一少陵塬 j ：断阶2 2 渭河盆地基底组成特征渭河盆地是在前古生界基础上发育形成的一个新生代断陷盆地，具有典型的双层结构，一般将新生代以前的地层称为基底，新生代地层称为盖层。渭河盆地地处华北地台南缘与秦岭褶皱系之间根据地球物理资料、钻井资料和地面地质调查资料综合分析表明，以渭河断裂为界，渭河盆地基底划分为两个大区( 图2 3 ) 。盆地南部基底主要由太古界、元古界变质岩系以及花岗岩侵入体，盆地北部地区主要为古生界和中生界沉积岩层。基本以长安临潼断裂为界，盆地南部基底又可以进一步分为东部太古界变质岩和花岗岩区，西部元古界变质岩区。因此，渭河断裂和长安临潼断裂是分割盆地基底的区域性断裂带，它们对渭河盆地的形成、发展演化以及后期活动起着非常重要的控制作用，属于长期活动的区域性断裂带。9第二章西它地热水伴生天然气摹础地质特征图2 3 渭河盆地基底及西安周边岩体分布图( 彭建兵，1 9 9 2 ，有修改)l 一下古生界；2 一元古界和花岗岩；3 一太古界和花岗岩：4 一中生界；5 一上古生界；6 一下古生界；7 一变质岩：8 一太古界；9 一花岗岩；1 0 一断层；1 i 一岩相界线2 2 1 华北地台区地层依据骊山台拱和西安市周边基岩区出露的地层，结合构造分析和重力资料【3 2 1 ，该区出露的地层主要为太古宇太华群和下元古界铁铜沟组【简称前震旦系( a n z ) 以及下古生界寒武系和奥陶系。太古宇太华群和下元古界铁铜沟组展布于渭河断裂与铁炉子引镇余下断裂之间。早古生界寒武系和奥陶系碳酸岩盐分布于渭河断裂以北( 图2 3 ) 。( 1 ) 太古宇太华群( a r t h )太华群主要为黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩及斜长角闪岩，偶见变粒岩、浅粒岩等。根据野外观测，黑云角闪斜长片麻岩和斜长角闪岩可见残余气孔、杏仁构造，因而是正变质岩，其中的黑云母大部分为角闪石退变而成：浅粒岩、变粒岩和黑云母斜长片麻岩为副变质的产物，变质作用达角闪岩相。( 2 ) 下元古界铁铜沟组( p t l t )铁铜沟组由陕西区调队( 1 9 5 8 ) 建立，命名地点在蓝田县灞源乡铁铜沟。临潼区骊山等地出露的铁铜沟组下部以含砾石英片岩、石英片岩为主，夹二云母片岩和白云母石英片岩；上部以石英片岩和二云母片岩为主，夹绢云母石英片岩，厚度大于1 5 m 。铁铜沟组的厚度在研究区东部( 灞源地区) 大于3 t 5 m ，骊山大于1 5 m ，向西有：l 戎薄的趋势。1 0长安，匕学硕：1 1 论之( 3 ) 下古生界寒武系( )据渭北翘起带该地层出露特征，区内寒武系主要由碳酸盐岩组成，生物群较发育，以三叶虫为主。( 4 ) 下古生界奥陶系( o )下奥陶统马家沟组( 0 1 m ) 淡紫红色白云质灰岩，由于受断层多期( 次) 活动的影响，岩石强烈破碎，方解石发育应力双晶。2 2 2 秦岭褶皱系地层在本区，秦岭褶皱系出露的地层主要为中元古界宽坪群( p t 2 k p ) ，分布于铁炉子引镇余下断裂的南侧。宽坪群是北秦岭加里东褶皱带的主要组成部分之一，在区域上呈北西向延伸。宽坪群地层分为广东坪组、四岔口组和谢湾组。各组之间或本群与相邻地层之间皆为构造面接触。研究区的宽坪群主要包含广东坪组和四岔口组。广东坪组以变质基性火山岩为主，岩性主要为绿帘绿泥片岩、钠长阳起片岩、斜长角闪岩等，其中夹碳质云母石英片岩和云母石英片岩，属火山硅质基性火山岩建造。四岔口组以云母石英片岩、石英片岩、黑云斜长石英片岩为主，夹黑云变粒岩、斜长角闪岩。以副变质岩为主，其中夹少量正变质岩。2 2 3 岩浆岩由于地处华北地台和秦岭褶皱系的接触部位，研究区岩浆活动较为发育出露地表及深埋于第四系、第三系之下的岩浆岩主要有加里东期辉石岩脉、辉长岩脉和印支期、燕山期花岗岩体及花岗岩脉。( 1 ) 加里东期辉石岩脉加里东期辉石岩脉在区内出露较少，仅在东汤峪南部可以见到。岩石中辉石含量多( 大于9 0 ) ，结晶颗粒粗大( 0 5 - - l m m ) ，基本上不含长石，岩石呈黑色，块状构造，比重较大。辉石退化变质成为角闪石、绿泥石。( 2 ) 加里东期辉长岩脉( v 3 )加里东期辉长岩脉主要出露于东汤峪山前断裂带上及刘秀洞( 桥) 南侧，呈北西走向，宽3 0 - - , 2 0 0 m 。主要矿物辉石( 5 0 - - , 7 0 ) 、基性斜长石( 2 0 - - 3 0 ) ，次要矿物角闪石、绿帘石。岩脉具片理化，弱蚀变。( 3 ) 燕山花岗岩体( 怕)第二章西爰地热水伴生天然气基础地质特征本区出露三个燕山期花岗岩体：蓝田花岗岩体；牧护关花岗岩体：仁宗庙花岗岩体。其中蓝田花岗岩体和牧护关花岗岩体是放射性含铀花岗岩。( 4 ) 印支期翠华山花岗岩体翠华山花岗岩体位于户县、长安、蓝田三县的南部，由于被秦岭北坡山前断裂破坏，推测其长度大于6 0 k m ，宽度大于l o k m ，面积大于6 0 0 k m 2 ( 尚瑞均等，1 9 8 8 ) 。在沣峪口，翠华山花岗岩主要为黑云母花岗岩，具微片麻状构造，发育多期侵入的伟晶花岗岩脉和细晶质花岗岩脉，伟晶岩脉与细晶岩脉及伟晶岩脉之间相互切穿，表明该岩体发生了多期( 次) 的岩浆侵入和多期( 次) 的构造变形。2 3 渭河盆地盖层渭河盆地盖层主要是新生代沉积地层。西安地热水伴生天然气田位于渭、瓮地的中部偏南，西到户县，东至临潼，南依秦岭，北傍渭河，东西长约6 5 k m ，南北宽约4 9 k m ，面积约3 1 8 5k m 2 。从研究区中心分别向南北两侧山地，地形呈阶梯状升高，依次为河流阶地、冲积平原、黄土台塬、山前冲洪积扇群( 图2 4 ) 。图2 4 西安地区地质剖面图( 据地质鄙第三晋查大队)以岩性上来看，区内广泛分布第四系以来的沉积物，少数地区出露第三系沉积物，具体特征分述如下：2 3 1 第四系( q )分布于整个调查区内，岩性以黄土和砂砾卵石为主，成因类型复杂，以风积、冲洪积、湖积为主，另有冰水、坡积、滑塌堆积。第四系与下伏第三系为不整合接触。由于1 2长安了：学硕十论文原始地形崎岖不平，使第四系沉积厚度差别极大，由西北而东南增厚。渭河盆地；兀积中一t l , 处的户县、固市等地，第四系厚度最大，一般为7 0 0 - 8 0 0 m ，最大厚度达1 3 0 0 m 。河谷区一般均大于4 0 0 m ，黄土塬区一般厚1 0 0 - - 3 0 0 m ，有的地方小于1 0 0 m ( 图2 5 ) 。图2 5 渭河盆地第四系等厚度图( 据李祥根)1 一盆地界线；2 一第四系厚度等值线( m ) ：3 一钻井打穿第四系最大厚度( m )2 3 2 第三系( n )分布于白鹿塬、同仁塬、横陵塬以及骊山周边地带，依次围绕骊山向西、南、东呈扇状分布，近骊山者老，远骊山者新。大多数掩埋于平原之下，其上部为第四系覆盖仅在深切沟谷或山地边缘见及。渭河盆地第三系等厚线图如图2 6 。图2 6 渭河盆地第三系等厚线图( 据三普1 9 7 7 )1 一等厚线( m ) ：2 一沉积地层分区界线( 1 ) 上新统( n 2 )分布较为广泛，除灞河之外，在金陵河、洛河等地均有出露，岩性为大套灰黄、褐、浅红棕色泥岩与含砾砂岩互层，厚达2 2 7 一, 9 8 9 m ，本统分为两组：1 3第二章西安地热水伴生天然气摹础地质特征灞河组( n 1 2 b ) ：出露于渭河盆地东南部的西安、蓝田、渭南之间，并在华县等地的河谷中也有少量出露。该组上部为黄棕、浅灰绿色泥岩；中部为紫褐、黄棕色砂质泥岩与砂砾岩互层；下部为浅紫褐色泥岩、浅棕黄色砂岩，为河流相为主的河湖相沉积。在平原区埋深4 7 0 - 9 0 0 m 以下，与下覆寇家村组呈假整合接触。 蓝田组( n 2 2 l ) ：出露于西安、蓝田、渭南之间等地区。岩性主要为深红色粘土及棕红、灰白色砾岩，粘土中有丰富的钙质结核，形成似海绵状结构，为河湖相沉积，与下覆地层为不整合接触。( 2 ) 中新统( n 1 ) ：出露于骊山南麓和西麓、白鹿塬东缘以及横岭塬沟谷中，厚度由数米到百余米不等，钻井揭露盆地内部厚达1 3 4 2 m ，埋深6 7 0 - - 1 2 0 0 m ，由东向西，愈近西安凹陷中心埋深愈大。本统分为两组，下部为冷水沟组，上部为寇家村组。与白鹿塬组不整合接触。冷水沟组( n 1 1 1 ) ：出露于骊山西侧、横岭塬两侧以及灞河左岸的白鹿塬边。岩性主要为紫红色泥岩、砂岩，为湿热气候条件下的河湖相沉积，以湖相为主。寇家村组( n 2 l k ) ：出露于骊山西侧、蓝田与渭南之间的横陵塬两侧，以及灞河左岸的白鹿原边一带。岩性为棕红色、桔黄色泥岩和灰白色、棕黄色砂岩，为湿热条件下的河湖相沉积，以湖相沉积为主。( 3 ) 始新统白鹿原组( e b )出露于骊山东、南、西三面沟谷中，另在灞河左岸的白鹿原边的毛西村有少量出露。岩性主要为灰白色砂岩与紫红色、褐色泥岩，分上中下三部分，与红河组呈假整合接触，为河流、湖泊相沉积。( 4 ) 始新统红河组( e 2 )集中出露在骊山东南及西南麓各冲沟的中上游两侧，以大套紫红色泥岩为特征，夹灰黄色和灰绿色砂岩j 粉砂岩。该组为湖泊、河流相沉积，地层总体倾向南西，以较缓的倾角由骊山插入平原下部。本组在平原地区埋深为2 1 0 0 - - 2 8 0 0 m ，与下覆太华群为不整合接触。渭河盆地地热水伴生天然气田地层系统见表2 1 。1 4长安六学硕士论文表2 1 西安地区地热水伴生天然气田地层系统界系统组岩性描述厚度与分布特征成藏要素由风积层、洪积层和冲积屡交广泛分布在秦岭山前地区及渭河盆互层构成岩性主要为黄土地厚度差别很大沉降中心位于第四系f q )物砂质钻、河流渖积砂、砾户县、西安固市厚度一般5 0 0 -区域性盖屡。6 0 0 m 最大超过13 0 0 l i t 河谷区一石。般大于4 0 0 m ，黄土塬区一般小于3 0 0 m 。张为一套以深色泥岩为主的浅一广泛分布渭巧盆地沉降中心位于户家深湖相沉积，岩性为暗色，灰县、西安医市，厚度一般7 0 0 - 8 0 0 m 坡绿色，浅棕红色泥岩，砂质泥最大超过1 0 0 0 m 在户县厚度约12 0 0区域佳盖层同时组岩夹薄屡灰色粉细砂岩不等厚m 在西安凹陷中心部位厚度约8 0 0路色：t 岩是：胃河盆互层砂岩较松散m 在固市凹陷中心厚度约13 0 0 m 。地生物气历岩。t n 2 5 2 1上新蓝深红色粘土、钙质结核棕红分布于西安。蓝田、渭南一薷，标新统田色和灰白色砂岩和砾岩砂岩准剖面在蕊田在j 田县灞；= - 7 西岸九组碎屑成分主要为石英长石和龙坡，出露厚度6 4 m ；( n 2 。)少量岩屑。泥质含景变化大。生上都为黄栋色和灰绿色泥岩分布在溜河盆地东南部西安蓝田砂岩层是件生天然第灞中部为紫褐色和黄棕色砂质泥一带，埋深一般超过5 0 0 m 在秦岭气和圯 4 诏罢是f n )河岩与砂砾岩互层下部为浅蘩山前一般埋深2 0 0 - 4 g o l i t ，在西安凹目前幻壤井最主要组枯色泥岩栋黄色砂岩，为，可陷埋深超过2 0 0 0 m 。的取水井段=f 心。)湖相沉积。界_ -系寇高家为一套河、湖相沉积主要岩出露干秦岭山前骊山一带，厚度几米由陵沟性为大段棕红色，棕紫色泥岩到几百米不等在西安凹陷埋深最大新群组、砂质泥岩夹薄屡状灰色粉绍，埋深超过3 0 0 0 m 。统砂岩。泥岩含钙结较硬砂岩ln )主冷较疏松。：水o沟组白鹿灰白色砂岩与紫色，棕褐色泥出霈于桑岭山前骊山和白鹿塬一带，砂岩层是! ：t 生天肚塬岩与含砾粗砂岩不等厚互层厚度变化大几米到几百米不等。气和硭螅：1 层埋始组在西安凹陷埋深约4 0 0 0 m 。深较六，是音f j 分井新e ，。)的取承井垃。统红花岗序砂窘羊口砾岩( e 河大套紫红色泥岩夹灰黄色和出霭于秦岭山前骊山一带厚度约组灰绿色砂岩、粉砂岩，为一套2 0 0 l i t 由山前播入盆地区在凹陷中的i 躬旺也是h e( e _ )河湖相沉积。区埋深超过4 0 0 0 m 。气的气源宕。睡豳含煤岩系：泥岩、深色泥岩，砂岩，粉砂岩，煤古出露于渴北隆起一带在渭河盆地聪热解气的主要气源岩坤基地分布在渭河断裂以北埋深一生馁般超过5 0 0 0 m 盛碳酸盐岩：灰岩白云岩界倒钙质泥岩，生物灰岩侣滕前寒武系变质岩包括元古界秦岭群和前寒武系前寒武系变质岩：包括元古太古界太华群前者分布在宝鸡、户变质岩界云母石英片岩、黑云母斜县蓝田一带后者分布在临潼潼牧户关岩 奉 口蓝田蓑长片麻岩等：关等地。体是h e 气的三要气溽蒸山期花岗岩包括牧户关牧户关岩体主要出嚣于蓝田到商县岩花_ ；：i 老窖一定舅燕山期岩体和蓝田岩体等，为二东西长3 2 公里南北宽1 0 公里出的放射“生铀铀放芽花岗岩长花岗岩。露面积2 4 6 k m ，蓝田岩体位于蓝田形成的h e 气县东南东西长3 1 公里，南北宽9 公里出露面积1 5 4 k m 。1 5第二章西安地热水伴生天然气基础地质特征2 4 断层与盆地构造演化渭河盆地大部分地区被第四系、第三系覆盖，根据邻区基岩和骊山地区及乾陵地区的基岩构造以及新构造运动的产物地裂缝等特征分析，研究区褶皱、断层、节理、非常发育，渭河盆地主要断裂分展布见图2 7 。图2 7 渭河盆地主要断裂分布图( 据彭建兵，1 9 9 2 )2 4 1 断层特征依据走向，研究区内断层可分三组：近东西走向断层、北西走向断层、北东走向断层等。( 1 ) 近东西走向断层带西安地热田区发育最明显的近东西向断层带有两条：秦岭北坡山前断裂带；铁炉子引镇余下断裂带。铁炉子引镇余下断裂带是八渡虢镇眉县户县铁炉子三要断裂带【3 3 】的一部分，西起户县余下，经长安区引镇、蓝田县陈家庄直至商州市铁炉子，通常被称为华北地台与秦岭地槽的分界断裂，或为中元古代台缘边界断裂，总体倾向北，倾角大于6 0 0 。该断裂带产生于太古宙以后，明显控制了其南侧宽坪群与其北侧