基于A(yíng)rcGIS的江蘇泰州地區(qū)中深層地?zé)峥辈檫m宜性評(píng)價(jià)

左麗瓊， 王彩會(huì)， 鄒鵬飛,3， 杜建國(guó)， 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(chǔ)地質(zhì)勘查有限公司，江蘇 南京 210007； 3. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

江蘇地區(qū)地?zé)豳Y源勘查工作已取得較大進(jìn)展，中深層地?zé)岢晒葹轱@著，但僅限于局部地段的地?zé)豳Y源勘探，缺乏對(duì)全區(qū)地?zé)峥辈闈摿顩r的了解(王彩會(huì)等，2015；王琦等，2017)。另外，中深層地?zé)豳Y源開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)大、造價(jià)高，盲目打井必定會(huì)帶來(lái)?yè)p失，需要科學(xué)合理地指導(dǎo)勘查和開(kāi)發(fā)，分析影響地?zé)衢_(kāi)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(jìn)行區(qū)域中深層地?zé)豳Y源適宜性分區(qū)顯得尤為重要。

目前，小范圍內(nèi)的地?zé)岬刭|(zhì)條件分析多以定性描述為主，大區(qū)域的中深層地?zé)豳Y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(jié)合的統(tǒng)計(jì)分析方法，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)、教育、地質(zhì)環(huán)境、淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)以及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等多因素綜合評(píng)價(jià)領(lǐng)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A(yíng)rcGIS軟件，采用綜合指數(shù)法對(duì)中深層地?zé)豳Y源勘查適宜性分區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該方法在地?zé)豳Y源勘查適宜性分區(qū)研究中應(yīng)用效果顯著，可以快速準(zhǔn)確獲得分區(qū)效果，直觀(guān)性、適用性較強(qiáng)。

1 泰州地區(qū)地?zé)豳Y源概況

泰州地處江蘇中部，南部瀕臨長(zhǎng)江，北部毗鄰鹽城，東臨南通，西接揚(yáng)州(圖1)。泰州地區(qū)有揚(yáng)州—南通隆起區(qū)(蘇南隆起)和金湖—東臺(tái)坳陷區(qū)(蘇北盆地)兩大構(gòu)造單元：揚(yáng)州—南通隆起區(qū)可細(xì)分為2個(gè)凸起次級(jí)構(gòu)造單元，主要分布中生代和古生代地層；金湖—東臺(tái)坳陷在區(qū)內(nèi)由多個(gè)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?zé)豳Y源勘查較早，資源豐富，目前有12眼地?zé)嵘罹?，水溫較高，出水溫度為30～69 ℃；水量大，9眼地?zé)峋鏊烤?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(kāi)發(fā)利用價(jià)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(chǎng)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?zé)崃髦涤?個(gè)，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(lái)的地?zé)峥辈樯罹沂?，地溫梯度最大?.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(shì)(圖2)：高港—蔣垛一線(xiàn)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(xiàn)地溫梯度普遍>3.5×10-2℃/m，最高值達(dá)4.88×10-2℃/m。垂向上，地?zé)峋煌疃鹊牡販胤植记€(xiàn)呈線(xiàn)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?zé)醿?chǔ)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(lèi)和碳酸鹽巖類(lèi)兩大地?zé)醿?chǔ)層類(lèi)型。

新近系鹽城組在全區(qū)分布廣泛(圖3)，熱儲(chǔ)厚度以泰州—張甸—蔣垛為界，該線(xiàn)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(yáng)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(xiàn)

圖3 新近系鹽城組熱儲(chǔ)厚度分區(qū)圖

圖4 古近系三垛—戴南組熱儲(chǔ)厚度分區(qū)圖

碳酸鹽巖類(lèi)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(jì)、石炭—二疊紀(jì)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(shì)，賦水空間豐富；② 奧陶—寒武紀(jì)碳酸鹽巖主要揭示于泰州市海陵區(qū)—溱潼一線(xiàn)，鉆孔資料顯示，頂板埋藏埋深約為1 300 m，富水性強(qiáng)。

圖5 碳酸鹽巖熱儲(chǔ)埋深分區(qū)圖

該區(qū)可作為地?zé)嵘w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(dǎo)率低、厚度大、分布廣等特征。

1.3 控?zé)?、控水?gòu)造

熱儲(chǔ)溫度受熱儲(chǔ)埋深、蓋層條件、大地?zé)崃?、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(gòu)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(jí)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(gòu)造單元影響大地?zé)崃髦档姆植?，坳陷區(qū)大地?zé)崃髦德愿哂诼∑饏^(qū)，次一級(jí)構(gòu)造單元大地?zé)崃髦挡町惷黠@。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(lái)斷裂等，往往成為地下熱水的良好通道，控制著有關(guān)地?zé)岙惓５姆植?圖6)。

圖6 泰州市地質(zhì)構(gòu)造圖

2 泰州地區(qū)地?zé)徇m宜性分區(qū)

2.1 評(píng)價(jià)模型

2.1.1 模型 綜合指數(shù)法包括簡(jiǎn)單綜合指數(shù)和加權(quán)綜合指數(shù)2種類(lèi)型，本次評(píng)價(jià)以加權(quán)綜合指數(shù)(楊緒忠等，2007)為主。

將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的各項(xiàng)屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘，然后求和，即可得出每個(gè)點(diǎn)的初步分值(董殿偉等，2010)。地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)利用條件評(píng)價(jià)模型為：

(1)

式(1)中，R為地?zé)豳Y源勘查條件分級(jí)，ri為各因素影響程度分級(jí)，wi為各因素對(duì)目標(biāo)的權(quán)重。

泰州地區(qū)地?zé)豳Y源賦存條件主要影響因素為地?zé)醿?chǔ)層分布與厚度、熱儲(chǔ)層埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)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?zé)豳Y源勘查條件相關(guān)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(quán)重；② 收集整理數(shù)據(jù)，繪制各因素分區(qū)圖或等值線(xiàn)圖，圖層要數(shù)字化，將線(xiàn)狀要素轉(zhuǎn)換為面狀要素，每個(gè)要素層均應(yīng)量化；③ 利用ArcGIS軟件將各圖層?xùn)鸥窕?，主要采用ArcGIS中的ArcMap和ArcToolbox進(jìn)行地?zé)峥辈檫m宜性分區(qū)；④ 利用GIS的空間分析功能，運(yùn)用綜合加權(quán)評(píng)價(jià)模型，將各影響因素專(zhuān)題圖層按權(quán)重進(jìn)行多重疊加，進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)。

2.2 賦值

2.2.1 熱儲(chǔ)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(kāi)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(jìn)行分級(jí)取值，砂(巖)層厚度越大，適宜性分區(qū)指標(biāo)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(duì)砂(巖)層熱儲(chǔ)厚度進(jìn)行區(qū)域分級(jí)。

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(jiàn)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(jí)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(jí)取值

圖7 ArcGIS新近系鹽城組砂層厚度分級(jí)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(jí)賦值(表2、圖8)。

表2 砂巖厚度分級(jí)取值

圖8 ArcGIS古近系三垛—戴南組砂巖厚度分級(jí)示意圖

2.2.2 熱儲(chǔ)層埋藏深度 埋藏深度決定了熱儲(chǔ)的富水空間，三垛組砂巖熱儲(chǔ)頂板埋深相當(dāng)于上述Q-N砂層厚度。根據(jù)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)埋深進(jìn)行分級(jí)取值，埋深越大，熱儲(chǔ)溫度越高，富水空間越大，但考慮到目前開(kāi)發(fā)技術(shù)水平，埋深1～3 km的適宜性分區(qū)指標(biāo)賦值較大，其他情況較小。區(qū)內(nèi)灰?guī)r熱儲(chǔ)多分布在泰州低凸及揚(yáng)通隆起地區(qū)：泰州低凸的灰?guī)r埋深范圍在1～3 km；揚(yáng)通隆起的灰?guī)r熱儲(chǔ)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(jí)取值

圖9 ArcGIS碳酸鹽巖熱儲(chǔ)埋深分級(jí)示意圖

2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造 區(qū)內(nèi)控?zé)峥厮畼?gòu)造主要為坳陷區(qū)的凸凹構(gòu)造、區(qū)域性斷裂及盆地邊界斷階帶。構(gòu)造發(fā)育程度決定了熱儲(chǔ)層導(dǎo)熱控?zé)峒皩?dǎo)水控水能力。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分級(jí)取值，構(gòu)造斷裂裂隙越發(fā)育，適宜性分區(qū)指標(biāo)賦值越大，反之越小。蘇北盆地的大地?zé)崃髦蹬c地溫梯度普遍高于揚(yáng)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(jìn)行分級(jí)賦值：泰州低凸賦值最高；吳堡低凸與柘垛低凸對(duì)新近系砂層、古近系砂巖地層來(lái)說(shuō)亦是良好的賦存地?zé)豳Y源構(gòu)造，賦值僅次于泰州低凸地區(qū)；黃橋低凸東南地區(qū)大地?zé)崃髦蹬c地溫梯度亦較高，且存在一隱伏背斜，受構(gòu)造影響，斷裂裂隙發(fā)育，對(duì)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層是良好的控?zé)峥厮畼?gòu)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(kāi)發(fā)熱儲(chǔ)層的潛力與風(fēng)險(xiǎn)程度，研究程度越高，開(kāi)發(fā)熱儲(chǔ)層的潛力越大，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)越低，適宜性分區(qū)指標(biāo)賦值越大，反之越小。區(qū)內(nèi)研究程度的高低與地層構(gòu)造分區(qū)較一致。

表4 地質(zhì)構(gòu)造分級(jí)取值

圖10 ArcGIS構(gòu)造分級(jí)示意圖

溱潼凹陷、泰州凸起存在20多個(gè)深部鉆孔，研究程度較高，關(guān)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(yáng)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(duì)較低(表5、圖11)。

表5 研究程度分級(jí)取值

圖11 ArcGIS對(duì)研究程度分級(jí)示意圖

2.2.5 疊加分析 根據(jù)對(duì)深層地?zé)豳Y源勘查條件的影響程度賦予各因子權(quán)重，影響程度越大，權(quán)重越大，總累加值為1。

不同的熱儲(chǔ)影響因素不同：① 松散巖孔隙、裂隙型熱儲(chǔ)，其勘查條件的影響因素主要為Es-d厚度、Q-N厚度、構(gòu)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(chǔ)，其影響因素主要為灰?guī)r埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造、研究程度，分別取值0.45、0.45、0.10。在兩類(lèi)熱儲(chǔ)分區(qū)后，權(quán)重均以0.5進(jìn)行疊加分區(qū)。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，確定地?zé)豳Y源勘查條件分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將全區(qū)劃分為開(kāi)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?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用條件分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

圖12 ArcGIS疊加分析成果示意圖

3 基于A(yíng)rcGIS的分區(qū)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)ArcGIS疊加分析及調(diào)整，將泰州地?zé)豳Y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(jié) 論

(1)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，根據(jù)泰州地區(qū)地?zé)豳Y源的研究程度、地?zé)醿?chǔ)層分布、埋藏深度、厚度、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況等多種因素，在A(yíng)rcGIS的基礎(chǔ)上采用綜合指數(shù)法對(duì)該地區(qū)地?zé)豳Y源勘查條件進(jìn)行適宜性分區(qū)定性和定量評(píng)價(jià)。

(2)根據(jù)分區(qū)結(jié)果，將泰州市地?zé)豳Y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?zé)峋喾植荚诹己脜^(qū)和較好區(qū)，水量豐富，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于A(yíng)rcGIS的綜合指數(shù)法對(duì)中低溫地?zé)豳Y源條件分析的準(zhǔn)確性和可靠性，為泰州地區(qū)深部地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃與管理提供了科學(xué)依據(jù)。

表7 泰州地區(qū)地?zé)豳Y源勘查條件分區(qū)

圖13 地?zé)嵩纯辈闂l件分區(qū)圖