基于ArcGIS的江蘇泰州地區(qū)中深層地熱勘查適宜性評價

左麗瓊， 王彩會， 鄒鵬飛,3， 杜建國， 荊 慧， 邱 楊

(1. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018； 2. 江蘇華東基礎地質(zhì)勘查有限公司，江蘇 南京 210007； 3. 南京大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

江蘇地區(qū)地熱資源勘查工作已取得較大進展，中深層地熱成果尤為顯著，但僅限于局部地段的地熱資源勘探，缺乏對全區(qū)地熱勘查潛力狀況的了解(王彩會等，2015；王琦等，2017)。另外，中深層地熱資源開采風險大、造價高，盲目打井必定會帶來損失，需要科學合理地指導勘查和開發(fā)，分析影響地熱開發(fā)的多種因素(汪集暘，2015；于慧明等，2016；周紅衛(wèi)等，2016)。因此，進行區(qū)域中深層地熱資源適宜性分區(qū)顯得尤為重要。

目前，小范圍內(nèi)的地熱地質(zhì)條件分析多以定性描述為主，大區(qū)域的中深層地熱資源適宜性定量分析較少。綜合指數(shù)法是一種定性和定量相結合的統(tǒng)計分析方法，廣泛應用于經(jīng)濟、醫(yī)學、教育、地質(zhì)環(huán)境、淺層地溫能適宜性評價以及生態(tài)環(huán)境評價等多因素綜合評價領域(楊緒忠等，2007；黃杏元等，2008；梅芹芹等，2018)。以江蘇泰州地區(qū)為例，基于ArcGIS軟件，采用綜合指數(shù)法對中深層地熱資源勘查適宜性分區(qū)進行評價。結果表明，該方法在地熱資源勘查適宜性分區(qū)研究中應用效果顯著，可以快速準確獲得分區(qū)效果，直觀性、適用性較強。

1 泰州地區(qū)地熱資源概況

泰州地處江蘇中部，南部瀕臨長江，北部毗鄰鹽城，東臨南通，西接揚州(圖1)。泰州地區(qū)有揚州—南通隆起區(qū)(蘇南隆起)和金湖—東臺坳陷區(qū)(蘇北盆地)兩大構造單元：揚州—南通隆起區(qū)可細分為2個凸起次級構造單元，主要分布中生代和古生代地層；金湖—東臺坳陷在區(qū)內(nèi)由多個凸起和凹陷組成，總體呈北東向展布，區(qū)域內(nèi)3 km以淺主要分布新生代地層。泰州地熱資源勘查較早，資源豐富，目前有12眼地熱深井，水溫較高，出水溫度為30～69 ℃；水量大，9眼地熱井出水量均>600 m3/d；水質(zhì)優(yōu)良，含有偏硅酸、鍶、偏硼酸、氟等多種微量元素和礦物質(zhì)，具有較高的開發(fā)利用價值，目前多用于溫泉理療等(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，2015)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

1.1 地溫場特征

根據(jù)區(qū)域研究資料，泰州位于蘇北盆地南部，該區(qū)域莫霍面深度小，尤其是泰州中部—興化地區(qū)，深度<31 km，南部泰興、靖江地區(qū)為31～33 km。泰州居里面深度在28～32 km之間，中部深度稍淺，為28～30 km，其他地區(qū)多為30～32 km。收集的泰州大地熱流值有6個，均位于蘇北盆地的泰州低凸起、秦潼凹陷、吳堡低凸上，最高值為83 mW/m2，最低值為68 mW/m2，平均值為76.15 mW/m2，高于全省平均值63.7 mW/m2。泰州地區(qū)近年來的地熱勘查深井揭示，地溫梯度最大為4.09 ℃/km，最小為2.06 ℃/km。

泰州地區(qū)地溫梯度呈北高南低的趨勢(圖2)：高港—蔣垛一線以北地區(qū)的地溫梯度>3.0×10-2℃/m，南部泰興、靖江地區(qū)的地溫梯度<3.0×10-2℃/m；興化地區(qū)的陳堡、周莊、沈倫等地的地溫梯度>4.0×10-2℃/m，海陵、蘇陳、沈高一線地溫梯度普遍>3.5×10-2℃/m，最高值達4.88×10-2℃/m。垂向上，地熱井不同深度的地溫分布曲線呈線性特征，即地溫隨深度的增加而增高。綜上，該區(qū)具有良好的地溫條件。

1.2 地熱儲層與蓋層

研究區(qū)3 km以淺主要分布新近系、古近系松散巖類和碳酸鹽巖類兩大地熱儲層類型。

新近系鹽城組在全區(qū)分布廣泛(圖3)，熱儲厚度以泰州—張甸—蔣垛為界，該線以南厚度偏小，介于0～200 m之間；以北厚度較大，最大厚度>1 300 m，位于秦潼凹陷內(nèi)。

古近系三垛組下段除在泰州北部柘垛低凸、中部泰州低凸及南部的揚通隆起缺失外，分布遍及坳陷區(qū)的大部分地區(qū)(圖4)，埋藏深度普遍>1 km。在秦潼凹陷、海安凹陷、高郵凹陷內(nèi)，砂層厚度較大，普遍>300 m，凹陷中心埋深>400 m。戴南組上段分布范圍小，僅限于高郵凹陷、秦潼凹陷內(nèi)，頂板埋藏深度普遍>1 300 m，厚度介于50～350 m之間。

圖2 泰州地區(qū)地溫梯度等值線

圖3 新近系鹽城組熱儲厚度分區(qū)圖

圖4 古近系三垛—戴南組熱儲厚度分區(qū)圖

碳酸鹽巖類地層主要為三疊系青龍組、石炭—二疊系、奧陶—寒武系(圖5)。① 三疊紀、石炭—二疊紀灰?guī)r主要分布在泰興和靖江地區(qū)，埋藏深度普遍>1 800 m，呈南淺北深的趨勢，賦水空間豐富；② 奧陶—寒武紀碳酸鹽巖主要揭示于泰州市海陵區(qū)—溱潼一線，鉆孔資料顯示，頂板埋藏埋深約為1 300 m，富水性強。

圖5 碳酸鹽巖熱儲埋深分區(qū)圖

該區(qū)可作為地熱蓋層的地層有第四系、新近系、古近系、浦口組、龍?zhí)督M、孤峰組等，蓋層具有熱導率低、厚度大、分布廣等特征。

1.3 控熱、控水構造

熱儲溫度受熱儲埋深、蓋層條件、大地熱流、深部水熱循環(huán)等多種因素制約，最根本的控制因素是地質(zhì)構造條件。

區(qū)域性斷裂控制了隆起區(qū)和坳陷區(qū)的分布及次一級隆起、坳陷、凸起、凹陷的分布(圖6)，控制了盆地演化和沉積作用。不同的構造單元影響大地熱流值的分布，坳陷區(qū)大地熱流值略高于隆起區(qū)，次一級構造單元大地熱流值差異明顯。在坳陷區(qū)中，凸起高于凹陷，凹陷斜坡帶高于深凹；在隆起區(qū)中，隆起高于坳陷，背斜高于向斜。

該區(qū)規(guī)模較大的斷裂有靖江—如皋斷裂、陳家堡—小海斷裂、泰州—安豐斷裂、大泗莊—鄧莊斷裂、孤山—西來斷裂等，往往成為地下熱水的良好通道，控制著有關地熱異常的分布(圖6)。

圖6 泰州市地質(zhì)構造圖

2 泰州地區(qū)地熱適宜性分區(qū)

2.1 評價模型

2.1.1 模型 綜合指數(shù)法包括簡單綜合指數(shù)和加權綜合指數(shù)2種類型，本次評價以加權綜合指數(shù)(楊緒忠等，2007)為主。

將每個網(wǎng)格點上的各項屬性賦值與其相對應的權重值相乘，然后求和，即可得出每個點的初步分值(董殿偉等，2010)。地熱資源勘查開發(fā)利用條件評價模型為：

(1)

式(1)中，R為地熱資源勘查條件分級，ri為各因素影響程度分級，wi為各因素對目標的權重。

泰州地區(qū)地熱資源賦存條件主要影響因素為地熱儲層分布與厚度、熱儲層埋藏深度、地質(zhì)構造發(fā)育情況和研究程度等。

2.1.2 分區(qū)步驟 ① 分析與地熱資源勘查條件相關地質(zhì)環(huán)境因素，提取主要影響因素，衡量重要性，確定各自權重；② 收集整理數(shù)據(jù)，繪制各因素分區(qū)圖或等值線圖，圖層要數(shù)字化，將線狀要素轉(zhuǎn)換為面狀要素，每個要素層均應量化；③ 利用ArcGIS軟件將各圖層柵格化，主要采用ArcGIS中的ArcMap和ArcToolbox進行地熱勘查適宜性分區(qū)；④ 利用GIS的空間分析功能，運用綜合加權評價模型，將各影響因素專題圖層按權重進行多重疊加，進行地熱資源勘查開發(fā)適宜性分區(qū)評價。

2.2 賦值

2.2.1 熱儲層分布與厚度 砂(巖)層厚度決定了含水層的富水性，富水性決定了開采條件的優(yōu)劣及含水層調(diào)蓄能力的高低。根據(jù)砂(巖)層厚度進行分級取值，砂(巖)層厚度越大，適宜性分區(qū)指標賦值越大，反之越小。目前，區(qū)內(nèi)少有鉆孔揭穿整套灰?guī)r地層，厚度數(shù)據(jù)較少，因此僅對砂(巖)層熱儲厚度進行區(qū)域分級。

松散砂層分布全區(qū)，其中厚度<500 m的砂層多分布于大泗—黃橋—分界以南，蘇陳鎮(zhèn)地區(qū)零星分布；500～1 000 m砂層分布于海陵及興化以北地區(qū)；1 000～1 500 m砂層分布較廣，多見于興化以南及姜堰地區(qū)；厚度>1 500 m的砂層較少，分布于戴南、興泰、白米地區(qū)。依此分級取值(r)，5分為最高分值，1分為最低分值(表1、圖7)。

表1 砂層厚度分級取值

圖7 ArcGIS新近系鹽城組砂層厚度分級示意圖

古近系砂巖主要分布于泰州—顧高—張甸以北地區(qū)，厚度>500 m的古近系三垛—戴南組(Es-d)砂巖地層多分布于戴南—興泰—俞垛—九龍一帶以及陳堡以西地區(qū)，100～500 m砂巖地層分布于興化以南、姜堰以東地區(qū)，0～100 m地層分布于興化以北、姜堰以西地區(qū)。

依此分級賦值(表2、圖8)。

表2 砂巖厚度分級取值

圖8 ArcGIS古近系三垛—戴南組砂巖厚度分級示意圖

2.2.2 熱儲層埋藏深度 埋藏深度決定了熱儲的富水空間，三垛組砂巖熱儲頂板埋深相當于上述Q-N砂層厚度。根據(jù)碳酸鹽巖熱儲埋深進行分級取值，埋深越大，熱儲溫度越高，富水空間越大，但考慮到目前開發(fā)技術水平，埋深1～3 km的適宜性分區(qū)指標賦值較大，其他情況較小。區(qū)內(nèi)灰?guī)r熱儲多分布在泰州低凸及揚通隆起地區(qū)：泰州低凸的灰?guī)r埋深范圍在1～3 km；揚通隆起的灰?guī)r熱儲分布于泰興—新街—分界一帶至新橋—廣陵一帶，其中新橋—廣陵一帶埋深范圍為0～1 km，泰興—新街—分界一帶埋深范圍為1～3 km(表3、圖9)。

表3 碳酸鹽巖埋深分級取值

圖9 ArcGIS碳酸鹽巖熱儲埋深分級示意圖

2.2.3 地質(zhì)構造 區(qū)內(nèi)控熱控水構造主要為坳陷區(qū)的凸凹構造、區(qū)域性斷裂及盆地邊界斷階帶。構造發(fā)育程度決定了熱儲層導熱控熱及導水控水能力。根據(jù)地質(zhì)構造進行分級取值，構造斷裂裂隙越發(fā)育，適宜性分區(qū)指標賦值越大，反之越小。蘇北盆地的大地熱流值與地溫梯度普遍高于揚通隆起，中低凸地區(qū)均高于凹陷區(qū)。泰州低凸、黃橋低凸、高郵凹陷、溱潼凹陷地區(qū)，尤其是邊緣斷階區(qū)斷裂、北東向斷裂如泰州—安豐斷裂、大泗莊—鄧莊斷裂、靖江—如皋斷裂裂隙發(fā)育。

依此進行分級賦值：泰州低凸賦值最高；吳堡低凸與柘垛低凸對新近系砂層、古近系砂巖地層來說亦是良好的賦存地熱資源構造，賦值僅次于泰州低凸地區(qū)；黃橋低凸東南地區(qū)大地熱流值與地溫梯度亦較高，且存在一隱伏背斜，受構造影響，斷裂裂隙發(fā)育，對碳酸鹽巖熱儲層是良好的控熱控水構造，賦值與吳堡低凸、柘垛低凸相同(表4、圖10)。

2.2.4 研究程度 決定了開發(fā)熱儲層的潛力與風險程度，研究程度越高，開發(fā)熱儲層的潛力越大，風險相對越低，適宜性分區(qū)指標賦值越大，反之越小。區(qū)內(nèi)研究程度的高低與地層構造分區(qū)較一致。

表4 地質(zhì)構造分級取值

圖10 ArcGIS構造分級示意圖

溱潼凹陷、泰州凸起存在20多個深部鉆孔，研究程度較高，關于灰?guī)r地層的深部鉆孔資料多在泰州凸起及靖江孤山背斜地區(qū)，揚通隆起地區(qū)黃橋低凸、孤山背斜的研究程度較高，吳堡(荻垛)低凸的研究程度一般；高郵凹陷、柘垛低凸、海安凹陷的研究程度相對較低(表5、圖11)。

表5 研究程度分級取值

圖11 ArcGIS對研究程度分級示意圖

2.2.5 疊加分析 根據(jù)對深層地熱資源勘查條件的影響程度賦予各因子權重，影響程度越大，權重越大，總累加值為1。

不同的熱儲影響因素不同：① 松散巖孔隙、裂隙型熱儲，其勘查條件的影響因素主要為Es-d厚度、Q-N厚度、構造、研究程度，分別取值0.45、0.35、0.10、0.10；② 碳酸鹽巖巖溶裂隙熱儲，其影響因素主要為灰?guī)r埋藏深度、地質(zhì)構造、研究程度，分別取值0.45、0.45、0.10。在兩類熱儲分區(qū)后，權重均以0.5進行疊加分區(qū)。

根據(jù)評價結果，確定地熱資源勘查條件分級標準，將全區(qū)劃分為開發(fā)利用條件良好區(qū)、較好區(qū)、一般區(qū)(表6、圖12)。

表6 地熱資源開發(fā)利用條件分級標準

圖12 ArcGIS疊加分析成果示意圖

3 基于ArcGIS的分區(qū)實現(xiàn)

經(jīng)過ArcGIS疊加分析及調(diào)整，將泰州地熱資源勘查條件劃分為良好區(qū)、較好區(qū)和一般區(qū)(表7、圖13)。良好區(qū)主要分布在泰州市區(qū)以北、華港—茅山以南地區(qū)，較好區(qū)分布在華港—茅山以北、廣陵—河失、姜堰以東地區(qū)，其他地區(qū)為一般區(qū)。

4 結 論

(1)結合區(qū)域地質(zhì)背景，根據(jù)泰州地區(qū)地熱資源的研究程度、地熱儲層分布、埋藏深度、厚度、地質(zhì)構造發(fā)育情況等多種因素，在ArcGIS的基礎上采用綜合指數(shù)法對該地區(qū)地熱資源勘查條件進行適宜性分區(qū)定性和定量評價。

(2)根據(jù)分區(qū)結果，將泰州市地熱資源勘查條件劃分為良好區(qū)、較好區(qū)和一般區(qū)。目前，泰州地熱井多分布在良好區(qū)和較好區(qū)，水量豐富，進一步驗證了基于ArcGIS的綜合指數(shù)法對中低溫地熱資源條件分析的準確性和可靠性，為泰州地區(qū)深部地熱資源評價、開發(fā)利用規(guī)劃與管理提供了科學依據(jù)。

表7 泰州地區(qū)地熱資源勘查條件分區(qū)

圖13 地熱源勘查條件分區(qū)圖