河北高陽地熱田巖溶熱儲的成因

隋少強

(中國石化新星石油公司 新能源研究院，北京100083)

河北省地熱資源豐富，一方面是由于華北盆地相對于其他地區(qū)來說地殼相對較薄，斷裂比較發(fā)育，大地熱流值較高，熱源充足；另一方面河北省內發(fā)育有多套熱儲，基巖熱儲主要有薊縣系、奧陶系等碳酸鹽巖熱儲，砂巖熱儲有新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組等熱儲。其中，薊縣系基巖熱儲分布最廣、開發(fā)利用率最高，比如雄安新區(qū)的牛駝鎮(zhèn)、容城地熱田和位于滄縣隆起上的獻縣地熱田等，開發(fā)的都是薊縣系霧迷山組巖溶熱儲。相對于砂巖熱儲來說，基巖熱儲的溫度更高、水量更大[1-4]。這些地熱田的開發(fā)利用，為環(huán)北京經濟圈提供了大量的熱能，減少了燃煤等污染排放。

高陽地熱田位于高陽低凸起上，頂部埋深3 km左右(前面提到已開發(fā)的地熱田，埋藏較淺，為1 km左右)，是下一步大規(guī)模地熱開發(fā)利用的資源接替區(qū)，開發(fā)價值較高，意義重大。早些年有若干石油鉆井鉆遇薊縣系熱儲，發(fā)現(xiàn)熱儲物性比較好，儲集空間比較大[2,4]。近年來，在同一個構造帶上的博野縣鉆鑿了一口地熱井，水溫110℃，水量>70 m3/h，熱焓值很高，證明產能有保障。

本文從地質研究成果入手，分析地層、構造和地溫場等區(qū)域地熱地質特征，明確熱儲形成的基本條件；分析熱儲的分布、厚度、物性，以及運移通道、水化學等方面因素，歸納熱儲的成因模式，明確熱儲的成因機理，為更好地開發(fā)利用高陽地熱田地熱資源提供科學依據(jù)。

1 區(qū)域地熱地質特征

高陽低凸起屬于中朝準地臺(Ⅰ級)華北盆地(Ⅱ級)冀中拗陷(Ⅲ級)中的一個Ⅳ級構造單元，位于冀中拗陷的中南部。高陽地熱田主體位于高陽低凸起和蠡縣斜坡，西部是保定凹陷，東部是饒陽凹陷，北側和東北側分別為牛駝鎮(zhèn)凸起和霸縣凹陷，西南為無極-藁城凸起、晉縣凹陷(圖1)。潛山頂板埋藏較深，主體介于2.8～4 km，面積大約70 km2，以元古界霧迷山組海相碳酸鹽巖為主的巖溶熱儲厚度大，分布廣[5]。

燕山運動是本區(qū)最為重要的構造運動，發(fā)育了一系列NE、NWW、EW向的繼承性的張性大斷裂。西部的太行和西北部燕山等山地升起，冀中拗陷整體沉降；但冀中拗陷內部凸凹不平，總體上呈北東-南西向展布，并伴生了大量次級斷裂和褶皺。白堊紀末期全區(qū)擠壓隆升，僅部分區(qū)域接受沉積[1,5]。

1.1 地層

高陽地熱田區(qū)域地層從老到新包括太古界，中下元古界長城系(Ch)、薊縣系(Jx)，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系-二疊系，中生界侏羅系-白堊系，以及新生界的古近系、新近系和第四系。受薊縣運動影響，上元古界整體缺失；受加里東運動影響，志留系、泥盆系缺失；受海西運動影響，三疊系缺失。

基底地層從下至上主要發(fā)育太古界變質巖、元古界薊縣系霧迷山組(Jxw)白云巖、寒武系和奧陶系灰?guī)r，以及石炭系-二疊系海陸交互地層。碳酸鹽巖潛山地層主要是霧迷山組，以及部分寒武系和奧陶系。其中，霧迷山組白云巖發(fā)育在地熱田整個區(qū)域，寒武系、奧陶系灰?guī)r發(fā)育在地熱田偏南部地區(qū)，石炭系-二疊系僅在南部有殘留，中生界基本上分布在凹陷中[5](圖2、圖3)。

基巖熱儲蓋層總體上是古近系、新近系的砂泥巖互層和第四系。處于盆地凹陷期的新近系館陶組及其以上新生界在全區(qū)都有分布，厚度2 km左右，與古近系呈不整合接觸。古近紀時期盆地處于斷陷期，地層包括東營組(Ed)、沙河街組(Es)和孔店組(Ek)等，處于填平補齊階段，沉積范圍涵蓋整個研究區(qū)，厚度2 km左右，最厚的地方可達3 km。古近系與薊縣系、寒武系、奧陶系等地層呈角度不整合接觸。

1.2 構造

高陽地熱田內主體部位主要發(fā)育近NE向的高陽斷裂、安國斷裂以及其他一些小斷裂。高陽斷裂是一組走向近似于北東向的反坡向正斷層，是高陽低凸起與蠡縣斜坡的分界。高陽斷裂和安國斷裂近于平行，傾向北西，前者規(guī)模較大。高陽斷裂下面斷至長城系、上面斷至新近系；而安國斷裂比較淺，下面只斷至古近系[6](圖4)。

區(qū)域上，處于NE向展布的高陽地熱田，發(fā)育的主要斷裂有南部近NWW向的衡水斷裂，北部近NWW向的出岸斷裂以及百尺斷裂。衡水斷裂傾向北東，與安國斷裂相交，止于西北方的徐水-保定-石家莊斷裂；百尺斷裂、出岸斷裂傾向南西，百尺斷裂斷至霧迷山組[7]。古近系與薊縣系等地層呈角度不整合接觸形成不整合面(圖2、圖4)。上述深大斷裂和不整合面構成了流體運移通道。

由圖1、圖2、圖3和圖4中地層的平面和剖面展布特征可知，高陽地熱田主要熱儲是霧迷山組白云巖巖溶熱儲，蓋層是古近系、新近系的砂泥巖和第四系。由圖1中霧迷山組頂面埋深等值線展布特征可知，在目前的經濟技術條件下(一般埋深<3.5 km)，該熱儲的有效開采部位總體位于高陽低凸起和蠡縣斜坡的高部位。

1.3 地溫場

高陽地熱田新生界蓋層比較厚，基巖頂面埋深達到3 km左右。然而，蓋層地溫梯度均為>35℃/km，這充分說明高陽地熱田基巖熱儲溫度比較高[8]。

從高陽地熱田潛山熱儲溫度等值線圖上(圖5)可見，地熱溫度高區(qū)塊有2個，分別位于高陽低凸起北部和饒陽凹陷南部的深澤低凸起，最高溫度均>120℃，溫度等值線疏密程度相近。溫度等值線在北東-南西向較北西-南東向疏，說明北西-南東向溫度變化較快，由此可以推測水源補給來自于西北部太行山脈。

北部區(qū)塊地溫梯度等值線延伸較均勻，但在南部區(qū)塊，北東方向地溫梯度等值線明顯較其他方向稀疏，推測東北方為熱水擴散區(qū)，這一特點同溫度等值線分布一致。

2 巖溶熱儲成因分析

2.1 熱儲展布特征

高陽地熱田廣泛發(fā)育了海相碳酸鹽巖潛山熱儲。其中，最主要熱儲層位是薊縣系霧迷山組，局部發(fā)育了寒武系、奧陶系灰?guī)r熱儲。主力熱儲層霧迷山組，巖性以白云巖為主，亦發(fā)育少許云質灰?guī)r，熱儲巖相主要是潮下帶上部至潮間帶亞相，該巖相主要發(fā)育了藻礁灘、藻席等。寒武系、奧陶系巖性以灰?guī)r為主，熱儲主要發(fā)育于潮坪亞相，其中尤以灰坪最為發(fā)育，其次為云坪，再次為云灰坪[5]。

中部的高陽低凸起埋藏較淺，最高點的深度<3 km，潛山地層由北向南依次為霧迷山組白云巖和寒武系、奧陶系等的灰?guī)r。西部及東部地區(qū)的兩個凹陷內地勢較低，埋深>5 km(圖3、圖4)。

高陽地熱田潛山熱儲厚度(d)在中部達到最大，最大可達700 m以上；向北、向南熱儲厚度減小，薄至200 m以下(圖6)。

2.2 熱儲物性特征

霧迷山組白云巖地層，在漫長地質歷史時期經歷了構造演化以及剝蝕、風化和淋濾等改造作用，產生了構造縫、構造溶蝕縫、粒間溶孔、晶間溶孔、藻架孔、溶孔及溶洞等儲集空間。巖石孔隙度(q)主要分布于<6.0%；滲透率(K)分布范圍較大，87.8%分布于(0.01～100)×10-3μm2，平均滲透率為(35～40)×10-3μm2。霧迷山組潛山熱儲孔滲性較好，為高孔高滲熱儲。這與霧迷山組潛山熱儲處于滲流帶和潛流帶利于發(fā)育大型溶洞的特征有關。

寒武系、奧陶系巖性以灰?guī)r為主，亦發(fā)育少許云質灰?guī)r。經歷漫長地質歷史時期剝蝕、風化和淋濾，構造縫、構造溶蝕縫、粒間溶孔、晶間溶孔、藻架孔、溶孔及溶洞相當發(fā)育。巖石孔隙度較低，少量的達到5%；滲透率變化范圍較大，為(0.01～1 000)×10-3μm2，主要分布于(0.01～100)×10-3μm2，平均滲透率為(35～45)×10-3μm2。因此，寒武系、奧陶系巖溶裂隙型熱儲孔滲性較好，為高孔高滲熱儲。這與滲流帶和潛流帶發(fā)育大型溶洞和溶孔密不可分，緩流帶熱儲通常不發(fā)育。

高陽地熱田潛山巖溶熱儲的孔隙度、滲透率等物性在中部博野地區(qū)最大，孔隙度達5%以上，滲透率達30×10-3μm2以上；向西北、西南、東北方向依次減小，在保定、定州地區(qū)，孔隙度<2%，滲透率<5×10-3μm2；在饒陽地區(qū)，孔隙度<3%，滲透率<10×10-3μm2(圖7、圖8)。

2.3 運移通道

高陽地熱田周邊發(fā)育衡水斷裂、出岸斷裂、百尺斷裂，地熱田內發(fā)育安國斷裂、高陽斷裂，這些都是地熱水運移的重要通道。于此同時，太行山山麓的徐水-保定-石家莊斷裂也發(fā)揮著重要的作用，因為地熱田的水來源于太行山脈。高陽地熱田新生界直接覆蓋在霧迷山組等基巖之上，形成廣泛分布的不整合面，也為地熱水的流動提供了有效通道。

總之，高陽地熱田地熱水主要通過斷層、不整合面等通道運移[1-4]。

2.4 水化學特征

據(jù)前人氫氧同位素和14C年齡研究，高陽地熱田地熱水來源于北部燕山山脈和西部太行山脈[2,4]。高陽地熱田潛山巖溶裂隙水富含Cl-和Na+。根據(jù)高陽地熱田潛山礦化度等值線圖(圖9)，霧迷山組總體礦化度5～6 g/L；西北部低，為3 g/L以下；東南部高，最高可達12 g/L。礦化度的分布特征與地熱水的運移方向特點一致。

近年來在該區(qū)域鉆鑿的某地熱井水化學分析結果顯示，pH值：7.85；總硬度：236.35 mg/L；總堿度：549.91 mg/L；總酸度：155.00 mg/L；熱水中Na+的質量濃度為1 565.00 mg/L，Cl-的質量濃度為2 251.57 mg/L，屬于Cl-Na型水。地熱水中鋰、偏硼酸、偏硅酸的含量達到了醫(yī)療價值的指標。

2.5 巖溶熱儲成因模式

高陽地熱田碳酸鹽巖潛山熱儲主體位于高陽低凸起和蠡縣斜坡。在這些區(qū)域內，潛山埋藏相對較淺，屬于構造高地。燕山期，霧迷山組潛山處于巖溶高地、巖溶斜坡等，較少出露巖溶盆地，易于風化和淋濾而形成優(yōu)質熱儲。

根據(jù)前人研究，地熱水來源于大氣降水[2,4]。太行山山前的徐水-保定-石家莊深斷裂溝通了地表水與熱儲，大氣降水通過該斷裂經衡水斷裂、安國斷裂、百尺斷裂、出岸斷裂及不整合面等運移至高陽低凸起、蠡縣斜坡、深澤低凸起等，在該圈閉聚集成藏。流體在運移的過程中不斷地吸收周圍巖石的熱量，使冷水變成熱水。并且在深大斷裂處形成冷熱對流，在密度差的作用下，熱水不斷地沿著斷裂、不整合面等通道向上運移。

通過源-通-儲-蓋等因素分析，建立了高陽地熱田巖溶熱儲的概念模式(圖10)。

3 結 論

高陽地熱田巖溶熱儲主要為霧迷山組白云巖，局部為寒武和奧陶系灰?guī)r，沉積相帶主要屬于潮間-潮下帶上部藻礁灘復合體，比較有利，具有形成巖溶熱儲的優(yōu)勢物質基礎。霧迷山組等巖溶熱儲曾經長期處于巖溶高地、巖溶斜坡等有利部位，易于風化和淋濾而形成優(yōu)質熱儲。潛山頂板溫度為90～130℃，大地熱流值高，熱源條件好。上覆蓋層主要為第三系泥質巖石，厚度大，隔熱好，為熱能的富集和保存奠定了良好基礎。

地熱水自北西向南東方向流動，由太行山山脈水源補給，地熱水礦化度由北西向南東方向有遞增趨勢，主要通過山前深大斷層、不整合面、高陽斷裂和衡水斷裂等運移至高陽低凸起和蠡縣斜坡，經過大地熱流加熱形成溫度較高的地熱水。