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)
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。
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
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。
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。
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
2.1.1 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。
2.2.1 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
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)。
(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