牛駝鎮(zhèn)地熱田地熱系統(tǒng)特征及其成因機制研究

(河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊，河北 衡水 053000)

二十一世紀人類將面臨資源、環(huán)境與災害的嚴重挑戰(zhàn)。如何開發(fā)利用潔凈的、對環(huán)境不產(chǎn)生或少產(chǎn)生污染的新能源，保護人類賴以生存的自然環(huán)境，是我國乃至世界各國經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略目標。地熱資源做為一種新能源，因開采條件簡單、用途廣泛而日益受到人們的青睞。2006年1月1日起施行的《中華人民共和國可再生能源法》也提出把地熱等可再生能源的開發(fā)利用作為能源發(fā)展的優(yōu)先領域。河北省固安縣地熱資源豐富，以中、低溫地熱資源為主，開發(fā)利用中、低溫地熱資源形成了以供暖為主，綜合開發(fā)溫泉洗浴、水療養(yǎng)生和水上游樂等項目。隨著社會各界對地熱資源優(yōu)越性的逐步認識，地熱資源開發(fā)規(guī)模迅速擴大，開發(fā)利用地熱資源對于緩解能源緊張，調(diào)整能源消耗結構，改善城鎮(zhèn)環(huán)境質(zhì)量，提高居民生活水平，對于促進地方經(jīng)濟發(fā)展，加快城市的發(fā)展進程將發(fā)揮重要的作用。

1 牛駝鎮(zhèn)地熱田概況

牛駝鎮(zhèn)地熱田地處京津保三角地區(qū)腹地，地熱田展布面積達605.65 km2，地熱田地質(zhì)條件良好，在冀中臺陷的控制下，全區(qū)地層由新到老分別為新生界第四系，新近系明化鎮(zhèn)組，古近系沙河街組，中上元古界青白口系、薊縣系。熱儲層位主要為新近系明化鎮(zhèn)組孔隙熱儲、新近系館陶組孔隙熱儲、奧陶系巖溶裂隙熱儲、薊縣系鐵嶺組巖溶裂隙熱儲和薊縣系霧迷山組巖溶裂隙熱儲，蓋層主要為新近系和第四系，地熱區(qū)域熱儲屬中、低溫地熱資源，地熱礦水溫度范圍30℃～100℃，水化學類型以HCO3·Cl-Na、Cl·HCO3-Na、Cl-Na為主。

2 牛駝鎮(zhèn)地熱田地熱系統(tǒng)特征

牛駝鎮(zhèn)地熱田擁有相對較高的地熱水資源，其高溫地熱水的形成有其相對較好的地熱田地質(zhì)條件，本文從構造、地熱儲層結構、地梯溫度場等多個角度分析了其地熱田地熱系統(tǒng)特征。

2.1 地熱田構造特征

牛駝鎮(zhèn)地熱田處于中朝準地臺(Ⅰ級)，華北斷拗(Ⅱ級)，冀中臺陷(Ⅲ級)，牛駝鎮(zhèn)斷凸(Ⅳ級構造單元)的北部斜坡上，緊鄰廊固斷凹。牛駝鎮(zhèn)斷凸是冀中臺陷北部的一個早第三紀長期隆起形成的正向構造單元，東南為武清-霸縣斷凹，北及西為廊固斷凹、容城斷凸[1，2]。

1)牛駝鎮(zhèn)斷凸。牛駝鎮(zhèn)斷凸基巖頂最淺埋深為700 m，牛駝鎮(zhèn)熱田基巖頂面等深線4 000 m所圈定之面積為1 100 km2，閉合度3 300 m；凸起內(nèi)幕為北北東或北東傾的單斜；基巖地層自東南而東北由老變新，依次為長城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭—二疊系。牛駝鎮(zhèn)斷凸主體分南北兩段，東南段地層主要為長城系高于莊組和薊縣系霧迷山組，分別厚2 000、3 000m；東北段主體層位為青白口系、下古生界。東南段地層層位老，隆升幅度也高于東北段。

2)廊固斷凹走向NE-NNE蓋層為第四系、新近系及古近系,基巖為中生界。從基底形態(tài)看，斷凹北部為鳳河營潛山帶，東部為河西務斷裂潛山帶，西部為九州—曹家務潛山帶。

3)武清-霸縣斷凹形態(tài)是一個北東向展布的箕狀負向構造，西北部陡，東南緩，西陡東緩，凹陷沉積中心在霸州城區(qū)東部。凹陷基巖由古生界至元古界組成，因斷裂沉陷，基巖之上沉積了巨厚的新生界，最大埋深近7 000 m，沉積蓋層主要為新生界第三系、第四系組成，第三系常為斷層復雜化，形成大小不等的斷塊構造。第四系構造單一，其底略有起伏。武清霸縣斷凹西北的牛駝鎮(zhèn)凸起是一個新生代早期的拱升區(qū)，基巖由元古界—古生界組成，有其優(yōu)越的地熱地質(zhì)條件。武清霸縣斷凹的東部有蘇橋潛山帶，基巖由古生界組成，亦有較好地熱地質(zhì)環(huán)境[3,4]。

2.2 地熱儲層結構特征

區(qū)域熱儲屬中、低溫地熱資源按其賦存條件可分二種，一種是賦存于新生界砂巖中的孔隙水；一種是賦存于碳酸鹽巖中的巖溶裂隙水。

1)新近系明化鎮(zhèn)組孔隙熱儲。新近系明化鎮(zhèn)熱儲是本區(qū)廣泛分布的熱儲層。該熱儲層埋藏淺，顆粒較粗，膠結疏松，富水性強，水質(zhì)較好。熱儲層含水巖性為細砂巖、中砂巖，熱儲砂巖厚度在牛駝鎮(zhèn)斷凸的中部較薄，向四周逐漸加厚，中部一般<150 m，邊緣最厚可達400 m，平均厚度為225 m。平均砂厚比約31%。熱儲層中部溫度中南部較高，一般大于50℃ ，北部熱儲溫度較低，一般為40℃～50℃。區(qū)域加權平均滲透率814.77×10-3μm2，孔隙度18%～34%，區(qū)域單井涌水量一般60～80 m3/h，最大90 m3/h；井口水溫在51℃～63℃；礦化度0.5～1.5 g/L，水化學類型為HCO3—Na和HCO3·Cl—Na型水，pH值7.2～9.0。

2)新近系館陶組孔隙熱儲。新近系館陶組熱儲層主要分布于牛東斷裂后緣線以東凹陷區(qū)域內(nèi)，平均熱儲厚度較薄，富水性較好。熱儲層一般厚度在200～400，在武清-霸縣斷凹內(nèi)沉積最后可達500 m, 熱儲層含水巖性為細砂巖、粉砂巖、中砂巖及含礫砂巖，平均砂厚比39.4%。熱儲中部溫度45℃～65℃，平均熱儲溫度為53℃。熱儲平均孔隙度22%～30%，區(qū)域加權平均滲透率329.83×10-3μm2，區(qū)域單井涌水量為40～87 m3/h，井口水溫在50℃～73℃，礦化度 1.6～2.4 g/L，水化學類型為Cl·HCO3—Na或Cl—Na型水，pH值7.7～8.4。

3)奧陶系巖溶裂隙熱儲。主要分布在牛駝鎮(zhèn)地熱田東北部，熱儲巖性為灰?guī)r、白云巖及灰質(zhì)白云巖。儲厚比32.0%，平均熱儲厚度82.8 m，平均空隙率1.81%；區(qū)域單井涌水量為2～60 m3/h左右，出水能力差別較大，井口水溫50℃～60℃。礦化度1.08～2.3 g/L，水化學類型為HCO3—Na和Cl·HCO3—Na型水。

4)薊縣系鐵嶺組巖溶裂隙熱儲。熱儲巖性為灰質(zhì)白云巖、白云巖，熱儲層平均溫度80.5℃，平均空隙度1.65%，平均熱儲厚度51.8 m,裂隙巖溶發(fā)育段約占地層厚度的30%。地熱井單位涌水量5.119 m3/h·m，礦化度約2.955 g/L，pH值約7.46，水化學類型為Cl—Na型水，井口水溫最高86.0℃。

5)薊縣系霧迷山組巖溶裂隙熱儲。薊縣系霧迷山組巖溶裂隙熱儲為區(qū)域性熱儲層，熱儲巖性為灰白、灰褐色白云巖、燧石條帶白云巖，性硬脆，巖溶裂隙發(fā)育，富水性好，平均儲厚比30%，熱儲空隙率2.0%～9.3%。本區(qū)主要分布在牛駝鎮(zhèn)地熱田的東南部，平均埋深987.6 m，熱儲平均溫度83℃，井口水溫最高可達104℃，單井涌水量25～150 m3/h，水化學類型為Cl—Na型水或 Cl·HCO3—Na型水，礦化度為2.5～3.298 g/L，pH值6.5～8.3。

圖1 牛駝鎮(zhèn)地熱儲層結構特征

2.3 地熱溫度場特征

2.3.1 地溫場平面分布特征

依據(jù)牛駝鎮(zhèn)石油孔和地熱井資料，區(qū)域上地熱異常帶受本區(qū)凹凸相間的地質(zhì)構造所控制，高溫區(qū)與基巖隆起區(qū)相一致，新生界地溫梯度高值沿牛駝鎮(zhèn)地熱田凸起軸部呈NE—NEE向展布[5，6]，向兩側和兩端梯度值變??；并在大營和龍虎莊附近形成兩個島狀的梯度值中心，見圖2及圖3(a)，梯度值分別為12.61℃/100m和6.51℃/100m；區(qū)內(nèi)最低梯度值為2.33℃/100m，梯度值總體趨勢是：東南部高、東北部低；軸部高，一般5.0～12.61℃/100m，兩側低，5.0～2.33℃/100m。在廊固斷凹內(nèi)新生界地溫梯度小于3.0℃/100m。

2.3.2 地溫場縱向變化特征

地溫場的縱向變化與其地層巖性關系密切，隨著深度的增加，新生界地層的地溫梯度變化不大，地溫呈逐漸增長的趨勢。地層熱導率是影響地溫梯度變化的主要原因，在一定熱流量下，熱導率越高地溫梯度變化就越小，反之變化則隨之增大[7，8]。隨著深度的增加及地層時代的改變，地層密實度將增大，熱傳導率相應隨之增加，因此地溫梯度隨深度的增加而降低。不同時代的基巖地溫梯度是有差異的，區(qū)域鉆井統(tǒng)計資料，其平均地溫梯度為：石炭至二疊系3.30℃/100m，奧陶系2.60℃/100m，寒武系1.98℃/100m，青白口系至薊縣系2.0～3.30℃/100m，基巖地溫梯度的差別除了受所處構造位置影響外，主要是基巖自身導熱性能的差別引起的。

3 牛駝鎮(zhèn)地熱田地熱系統(tǒng)成因機制

牛駝鎮(zhèn)地熱田具有水量大、溫度高、埋藏淺的開發(fā)利用優(yōu)勢，其地熱田的熱源形成、對流循環(huán)、蓋層保溫在區(qū)域上有一定的代表性和典型性，由此通過分析其地熱田儲層、蓋層特征和通道特征來闡明牛駝鎮(zhèn)地熱田獨特的地熱系統(tǒng)成因機制。

3.1 儲層特征

牛駝鎮(zhèn)地熱田在“三升兩降”地質(zhì)歷史時期，經(jīng)歷海侵、海退、地殼隆起、下沉等多次重大構造活動，沉積有海相、海陸交互相、陸相地層。新生代喜山運動前，發(fā)生多次長期海侵、海退活動，沉積有厚層的海相碳酸鹽地層，且在凹陷抬升為陸后，在大氣降水、沖刷、奉化溶濾作用下，經(jīng)歷多次巖溶化時期，形成多層的巖溶-裂隙地熱儲集空間，這也為形成良好的基巖熱儲層提供了熱源儲集條件；喜山運動后，牛駝鎮(zhèn)地熱區(qū)下沉，廣泛沉積了明化鎮(zhèn)組和第四系松散孔隙層，這不僅為地熱儲集形成了良好的蓋層也同時形成了孔隙類型的熱儲層。

圖2 牛駝鎮(zhèn)地熱田地熱地質(zhì)特征圖 圖3 牛駝鎮(zhèn)地熱田剖面圖

3.2 蓋層特征

始新世末喜山運動II幕，在牛東、大興等斷裂的控制下，牛駝鎮(zhèn)凸起發(fā)育成熟，且凸起暴露地表，沉積了新近系明化鎮(zhèn)組和第四系地層，構成基巖熱儲的良好蓋層。牛駝鎮(zhèn)地熱儲層以基巖為最優(yōu)，基巖熱儲熱量通過裂隙通道上涌，在新近系及第四系厚層的蓋層保溫條件下，不僅使得基巖熱儲熱量得以保存，而且在裂隙通道的作用下，基巖熱儲創(chuàng)造了良好的熱循環(huán)系統(tǒng)，并且厚層的熱儲蓋層為下覆基巖儲層保存熱量，形成良好的熱儲保證。

3.3 通道特征

牛駝鎮(zhèn)地熱田高溫地熱水的分布形態(tài)與基巖的構造形態(tài)是一致的，即隨牛駝鎮(zhèn)凸起而展布，溫度高值區(qū)均在凸起部位，凸起兩翼溫度較低[2,9]。構造凸起區(qū)基巖埋深淺，其上部具有較大的地溫梯度和熱流值，兩側凹陷區(qū)較低。牛駝鎮(zhèn)地熱田高溫熱水分布形態(tài)特征受地質(zhì)構造特征控制，在“三升兩降”的五次地史發(fā)展時期中，侏羅至白堊系構造活動強烈，牛東、牛南、容城、大興斷裂形成，且在始新世末期喜山運動I幕，牛駝鎮(zhèn)凸起形成，凸起的形成為高溫地熱水的裂隙儲集空間。在古近系早期活動加劇，長期發(fā)育的生長性斷層，斷開了結晶基底，有利于熱流向凸起區(qū)聚集，也為深部地熱水對流循環(huán)提供了有利通道。

總而言之，牛駝鎮(zhèn)地熱田良好的熱循環(huán)系統(tǒng)得益于多層的巖溶-裂隙熱儲空間、斷凸形成的對流通道和上覆明化鎮(zhèn)組、第四系熱儲蓋層，這些使得牛駝鎮(zhèn)地熱田具備充足的高溫地熱水源儲備資源、良好的深部熱源對流循環(huán)和蓋層保溫條件。

4 結語

(1)牛駝鎮(zhèn)地熱田存在孔隙和裂隙兩種類型的地熱儲層，孔隙熱儲含水層巖性以中、細砂為主，熱儲溫度53℃～61℃；巖溶裂隙熱儲巖性以灰?guī)r、白云巖為主，裂隙發(fā)育、富水性好，熱儲溫度60℃～100℃；儲熱蓋層巖性以新近系和第四系松散孔隙層為主，且蓋層為下覆基巖熱儲熱量得以保溫。

(2)牛駝鎮(zhèn)地熱溫度場受區(qū)域凹凸相間的地質(zhì)構造所控，地熱田地梯溫度值分布東南部高、東北部低，軸部高，呈NE—NEE向展布；地溫場的縱向變化特征與其地層巖性關系密切，隨著深度的增加及地層時代的改變，地層密實度將增大，熱傳導率相應隨之增加。

(3)牛駝鎮(zhèn)地熱田成因機制與其多層的巖溶-裂隙熱儲空間、斷凸形成的對流通道和上覆明化鎮(zhèn)組、第四系熱儲蓋層有關。巖溶-裂隙空間使牛駝鎮(zhèn)地熱田具備充足的高溫地熱水源儲備資源、凹凸相間的地質(zhì)構造使地熱田形成良好的深部熱源對流循環(huán)條件，新近系和第四系厚層儲熱蓋層為基巖熱儲熱量保溫提供保障。

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