北川地?zé)崽锍梢?、流體特征及產(chǎn)能分析

屈澤偉，楊曉東，吳軍濤，馮麒蓉，陳怡西

(1.四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610000；2.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院，北京 100000)

1 研究背景

地?zé)豳Y源作為清潔、安全、可再生能源，在我國未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮著重要作用，地?zé)崃黧w多富含對人體有益的礦物成分及微量元素，開發(fā)利用潛力巨大[1]。四川省地?zé)豳Y源儲量巨大，川西地區(qū)多為高中溫地?zé)豳Y源，四川盆地及盆周山地多為中低溫地?zé)豳Y源，其中不乏存在資源規(guī)模、流體品質(zhì)各異的隱伏型地?zé)豳Y源，如北川地?zé)崽?。查清隱伏型地?zé)豳Y源的地?zé)岬刭|(zhì)條件、地溫場特征、成因模式、流體質(zhì)量等，對其地?zé)豳Y源的科學(xué)開發(fā)利用和保護意義重大。

北川地?zé)崽镂挥谒拇ㄅ璧匚鞅辈?，地處盆地山前平原區(qū)，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.0℃，年平均降雨量1 302.1 mm。該地?zé)崽锏責(zé)豳Y源類型屬沉積盆地傳導(dǎo)型，為低溫隱伏型地?zé)豳Y源，地表無熱異常，現(xiàn)有地?zé)峋?口(BJ01)，井深1 800 m，流體具承壓性，閉井靜壓力0.44 M pa，井口地?zé)崃黧w溫度39.0 ℃，穩(wěn)定產(chǎn)能(自流狀態(tài))185.18 m3/d。

1.1 地層巖性

根據(jù)北川地?zé)崽锏責(zé)峋?BJ01)揭露地層實際情況(表1)，1 800 m以淺地層由老至新，依次為三疊系、侏羅系及第四系。下伏三疊系雷口坡組、嘉陵江組碳酸鹽巖地層，古巖溶、溶蝕裂隙較發(fā)育，為地下水的儲集和運移提供了有力的通道條件；上覆三疊系須家河組碎屑巖與侏羅系紅色地層，以低孔低滲為基本特征，具良好的隔水保溫作用。因此，從地層巖性角度分析，該地?zé)崽锞邆湫纬沙练e盆地型地?zé)豳Y源的必要條件，即熱儲與蓋層。

表1 北川地?zé)峋?BJ01)揭露地層情況

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

北川地?zé)崽镌诖蟮貥?gòu)造上屬揚子準地臺一級構(gòu)造單元，四川臺坳二級構(gòu)造單元，川北臺陷三級構(gòu)造單元(圖1)。川北臺陷為中生代陸相多旋回拗陷，至今仍顯示沉降特點，南東以巴中基底斷裂與川中臺拱相鄰；從構(gòu)造行跡上看，屬盆地舒緩褶皺區(qū)，北西與龍門山前山褶皺逆沖斷裂帶以江油—灌縣大斷裂為界，區(qū)內(nèi)構(gòu)造行跡以北東向平緩褶皺(榮華寺背斜)為特征；從沉積建造角度上劃分，上覆侏羅系地層屬燕山—喜馬拉雅構(gòu)造層，下伏屬華力西—印支構(gòu)造層，二者呈角度不整合接觸；從基底巖性和構(gòu)造條件上分析，因基底屬中生代淺變質(zhì)巖，固結(jié)程度低，塑性較大[2-3]，而喜馬拉雅晚期主要表現(xiàn)重力均衡作用，在川中軟流圈上隆的同時，造成川西北軟流圈下凹，基底相對拗陷，地殼增厚，不利于地幔軟流體熱流向上傳導(dǎo)、積聚、供熱。因此，從構(gòu)造角度分析，北川地?zé)崽锼幉课粸榇蟮責(zé)崃髦档捅尘皡^(qū)，地殼淺部平均地溫梯度不高，在經(jīng)濟的成井深度內(nèi)(3000m為標準)不具備形成中高溫(≥90 ℃)地?zé)豳Y源的條件。

圖1 構(gòu)造綱要圖

(1)江油—灌縣大斷裂：為龍門山前山主干大斷裂，發(fā)育在古生界至三疊系中，為一系列近平行的斷層束，走向NE40°～50°，傾向北西，傾角70°左右。其西側(cè)未見磨拉石建造，東側(cè)出現(xiàn)磨拉石，最初形成正斷層，印支末期發(fā)生反轉(zhuǎn)成為逆斷層，于燕山運動時重復(fù)活動。

(2)榮華寺背斜：東起玉皇觀，經(jīng)八角廟、爛田壩、譚家壩繼續(xù)向南西方延伸，長約20 km，寬0.5～1.0 km。核部為侏羅系遂寧組，兩翼為侏羅系蓮花口組，軸線走線北東50°～65°，北西翼傾角7°～12°，南東翼傾角10°～16°，軸面近于直立。

1.3 地溫場特征

地溫場主要受基底凸凹相間的地質(zhì)構(gòu)造格局控制[4]，影響因素包括基巖的起伏，構(gòu)造形態(tài)、巖漿活動和地下水活動等[5-6]，其最重要的表征參數(shù)為大地?zé)崃髦?、居里面、莫霍面及地溫梯度。四川盆地基底?gòu)造對盆地殼淺部地溫場的分布起著主導(dǎo)作用，川中臺拱區(qū)較兩側(cè)拗陷區(qū)地溫場埋深更淺，有利于地幔軟流圈熱流向隆起部位基底頂部聚集，地殼淺部熱流活動更強烈，同一深度下地?zé)豳Y源溫度更高。但四川盆地作為一個壓性盆地，大地?zé)崃髌骄祪H為50.93 mW/m2[7]，整體上較華北、蘇北、蘇南等張性盆地，依然屬于“冷盆”。

(1)莫霍面：莫霍面起伏反映基底形態(tài)及地殼厚度[8-10]，由圖2可知，北川地?zé)崽飳俅ū卑枷輩^(qū)，莫霍面埋深約44 km[11]，地殼厚度較川中臺拱區(qū)大，不利于地球內(nèi)部深部熱流向地表傳導(dǎo)，地幔軟流圈熱流對地殼淺部供熱量有限。

圖2 四川盆地(四川部分)莫霍面埋深 圖3 四川盆地(四川部分)居里面埋深

(2)居里面：居里面可反映地球深部熱狀態(tài)[12]，由圖3可知，該地?zé)崽镂挥谒拇ㄅ璧鼐永锩孓窒輩^(qū)，地溫場埋深較深，地殼淺部溫度低，熱流活動小。

(3)地溫梯度：地溫梯度表征地球內(nèi)部溫度不均勻分布程度，一般埋深越深處的溫度值越高。由圖4可知，北川地?zé)崽餃囟入S深度增加，溫度呈線性增加，平均地溫梯度約15 ℃/km，遠低于全球地殼近似平均值25 ℃/km及中國沉積盆地平均值32 ℃/km[13]，為地溫梯度低背景區(qū)。

圖4 地?zé)峋?BJ01)測井成果(地溫梯度) 圖5 四川盆地(四川部分)大地?zé)崃髦?/p>

(4)大地?zé)崃髦担捍蟮責(zé)崃髦凳潜碚鞯厍騼?nèi)部熱狀態(tài)的重要參數(shù)，是地球內(nèi)部熱作用過程在地表最直接的顯示，也是反映地溫場基本特征的綜合參數(shù)[14]，由圖5可知，地表大地?zé)崃髦祪H約45 mW/m2，遠低于中國大陸地區(qū)(含渤海海域)平均值61.5±13.9 mW/m2及全球陸區(qū)平均值63 mW/m2[15-16]，為大地?zé)崃髦档捅尘皡^(qū)。

綜上分析可知，北川地?zé)崽飳俚蜏仉[伏地?zé)崽?，在?jīng)濟的成井深度下(3000 m為標準)，北川地?zé)崽锊痪哂行纬芍懈邷氐責(zé)豳Y源的條件，屬低溫(25℃～90℃)地?zé)豳Y源區(qū)。

2 數(shù)據(jù)采集與測試

2.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)

北川地?zé)崽锏責(zé)崃黧w樣品來源于北川地?zé)峋瑯悠凡杉课粸榫?，取樣包括水質(zhì)全分析樣1組，年齡同位素(氚)分析樣1組，氫氧同位素分析樣1組。樣品采集于“平、豐、枯”三期單井降壓試驗結(jié)束前，具體時間為2018年5月22日、2018年8月26日及2018年12月29日。

水樣均送至具相關(guān)檢測資質(zhì)的單位進行測試。其中，水質(zhì)全分析樣送至四川省天晟源環(huán)保股份有限公司，測試結(jié)果見表2；年齡同位素樣、氫氧同位素樣送至國土資源部地下水與科學(xué)重點實驗室(中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所)，測試結(jié)果見表3。

表2 北川地?zé)崽锏責(zé)崃黧w水質(zhì)測試結(jié)果 mg·L-1

表3 北川地?zé)崽锏責(zé)崃黧w同位素測試結(jié)果

2.2 產(chǎn)能數(shù)據(jù)

根據(jù)GB/T 11615-2010要求，對北川地?zé)峋M行了“豐、平、枯”三期的單井產(chǎn)能測試，采用3次降壓的穩(wěn)定流降壓試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 北川地?zé)峋a(chǎn)能測試結(jié)果表

3 結(jié)果與分析

3.1 地?zé)崽锍梢?/h3>

根據(jù)區(qū)域地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造條件，北川地?zé)崽锞邆涑练e盆地型地?zé)豳Y源形成的必備條件，即“熱、儲、蓋、通、源”5大基本要素。由圖5地?zé)峋?BJ01)測溫曲線可知，地溫隨深度增加而增大，呈現(xiàn)出較好直線性且無溫度突變段，說明該地?zé)崽餆徇^程是以傳導(dǎo)為主，其地?zé)豳Y源類型屬沉積盆地傳導(dǎo)型，為深埋藏—深循環(huán)型熱礦水。

3.1.1 基本要素

(1)熱源：主要來自正常地?zé)嵩鰷豙17]；據(jù)地質(zhì)、構(gòu)造資料顯示，該區(qū)域不存在現(xiàn)代巖漿侵入活動，無附加熱源。北川地?zé)崽锲骄販靥荻?5 ℃/km，熱儲層地溫梯度約20 ℃/km，蓋層地溫梯度約10 ℃/km。

(2)熱儲：屬巖溶層狀熱儲，由分布穩(wěn)定的三疊系天井山組(T2t)、雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)碳酸鹽巖沉積層組成，巖性主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、灰?guī)r、膏鹽角礫巖等，埋深1 005.0～1 800 m，標高-435.0～-1 230 m，厚度795 m。受地層巖性和深部褶斷構(gòu)造的影響，該套地層巖石破碎，古巖溶、溶蝕裂隙較發(fā)育，為地?zé)崃黧w提供了良好的運移通道和儲集空間。北川地?zé)崽餆醿囟葹?9.6℃(熱儲層中部溫度)，根據(jù)GB/T 11615-2010，其屬低溫(25℃～90℃)地?zé)豳Y源。

(3)蓋層：上覆蓋層由三疊系上統(tǒng)須家河組(T3x)長石石英砂巖、泥巖地層、侏羅系(J)紅色地層共同組成。第一蓋層為須家河組，直接覆蓋于熱儲層之上，厚約325 m；第二蓋層為侏羅系紅層，間接覆蓋于熱儲層之上，厚度大于400 m。四川盆地為壓性盆地，蓋層受水平加壓作用，具有巖石致密、完整性好、低孔低滲的特點，同時蓋層又位于川北拗陷區(qū)，沉積厚度大且層位穩(wěn)定、分布廣、熱導(dǎo)率低，能起到良好的阻水、保溫隔熱作用，有效避免下伏熱儲層內(nèi)熱量的散失。

下伏隔水層由三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)泥頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成，裂隙不發(fā)育，厚約490 m。能有效防止熱儲層內(nèi)熱礦水繼續(xù)向下滲透、流失，從而起到保水的作用。

(4)通道：

補給通道：補給區(qū)位于北川熱田北部永安鎮(zhèn)一帶碳酸鹽巖裸露區(qū)，區(qū)內(nèi)淺部溶蝕裂隙較為發(fā)育；因補給區(qū)位于龍門山前山褶皺逆沖斷層帶內(nèi)，構(gòu)造運動產(chǎn)生了大量的開啟性較好的高傾角構(gòu)造裂隙，同時也加劇了原有溶蝕裂隙的物理風(fēng)化深度和速度，使各種裂隙相互貫通，破壞了碳酸鹽巖地層的連續(xù)性、完整性，形成了良好的地下水補給通道；

徑流通道：江油—灌縣大斷裂形成的破碎帶及其派生的次級羽狀小斷裂、盆地舒緩褶皺區(qū)深部構(gòu)造層內(nèi)因地質(zhì)構(gòu)造運動形成的構(gòu)造裂隙、深部巖溶地層自身具有的古巖溶、溶蝕裂隙等，為西北部的巖溶水側(cè)向補給東南部自流盆地中的深部熱礦水，提供了良好的橫向徑流通道；

排泄通道：人工鑿井。

(5)水源：本文利用氫氧穩(wěn)定同位素和氚年齡同位素，分別對北川地?zé)崽餆岬V水的補給來源和年齡做分析判斷。該地?zé)崽铩柏S、平、枯”三期熱礦水水樣測試結(jié)果顯示，δD值分別為-61 ‰、-62 ‰、-63 ‰，δ18O值分別為-8.1 ‰、-8.1 ‰、-8.2 ‰，數(shù)據(jù)變幅微弱，反映該熱礦水處在一個比較封閉的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中，與外界環(huán)境的水力聯(lián)系很弱。由圖6可知，δD和δ18O組成數(shù)據(jù)均落在了我國西南地區(qū)大氣降水線的附近且靠右下，說明熱礦水的補給來源為大氣降水[18-19]，但經(jīng)歷了蒸發(fā)濃縮作用。

圖6 北川地?zé)崽铴腄-δ18O關(guān)系曲線圖

該地?zé)崽铩柏S、平、枯”三期熱礦水水樣中氚含量極少(<1 TU)，說明該熱礦水年齡較老，其形成時間應(yīng)在1953年核爆炸之前，為次現(xiàn)代降雨補給形成，水循環(huán)交替較弱[20-21]。

3.1.2 成因模式

北川地?zé)崽镅a給區(qū)為碳酸鹽巖裸露區(qū)，巖溶地下水接受大氣降水、地表水直接補給后，繼續(xù)沿構(gòu)造裂隙、溶蝕裂隙等由地表向深部做垂向運移；運動至下伏三疊系飛仙關(guān)組隔水頂板處遇阻，轉(zhuǎn)而沿層間裂隙、溶蝕裂隙等做橫向徑流，后通過江油—灌縣大斷裂的破碎帶及其派生的次級羽狀小斷裂補給熱儲層內(nèi)熱礦水并在此儲存(圖7)，整個地下水深循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動力來自地形高差形成的水力壓差，循環(huán)深度2 053 m(表5)。在地下水做深循環(huán)過程中，受新石橋向斜的“滯水”作用，徑流速度非常緩慢，加之遠離補給區(qū)，徑流途徑長，地下水不斷與圍巖發(fā)生熱傳導(dǎo)、離子交換、溶濾、吸附、沉淀等復(fù)雜的熱物理、化學(xué)反應(yīng)，最終形成具有一定溫度、一定壓力且富含多種有益礦物元素的高礦化度熱礦水。當(dāng)人工鑿井達到相應(yīng)深度的熱儲層位時，可開采獲取熱礦水。

圖7 北川地?zé)崽锍梢蚰Ｊ?/p>

表5 北川地?zé)崽锼h(huán)深度計算表

3.2 流體特征

3.2.1 流體成因

地下水成分組成因其來源和形成條件的不同而各異，以黃海海水成分為標準，利用離子比例系數(shù)法可定性判斷地下水的成因特征[22-24]。利用γ(Na)/γ(Cl)、I×106/Cl可判斷地下水的成因，利用Cl/Br可判斷深層水的變質(zhì)作用強度，利用Br/I可判斷水的形成是否與海相沉積有關(guān)，或是否有海相水的組成(殘余海水)。

由表6可知，北川地?zé)崽锏責(zé)崃黧w成因為含有機殘骸的、經(jīng)蒸發(fā)濃縮作用的海相沉積+鹽巖溶濾水，地球化學(xué)相為硫化氫(強還原)相。

表6 北川地?zé)崽锏責(zé)崃黧w各比例系數(shù)值 mg·L-1

3.2.2 水化學(xué)特征

根據(jù)北川地?zé)崽铩柏S、平、枯”三期地?zé)崃黧w水質(zhì)檢測結(jié)果及GB/T 11615-2010，地?zé)崃黧w溫度39℃；溶解性總固體含量16.4～17.5 g/L，屬高礦泉高滲泉；pH值7.20～7.46，屬中性水；總硬度(以CaCO3計)2 036～2 194 mg/L，屬于極硬水；由表4和圖8可知，地?zé)崃黧w中陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-為主，水化學(xué)類型為Cl·Na型；按舒卡列夫分類，其水化學(xué)類型為C-28。

圖8 水化學(xué)類型Piper三線圖

3.2.3 流體質(zhì)量評價

根據(jù)GB/T 13727-2016附錄E，北川地?zé)崽锏責(zé)崃黧w成分中達到有醫(yī)療價值濃度、礦水濃度的有總硫化氫(167.0～186.0 mg/L)、溴(136.0～147.0 mg/L)、偏硼酸(86.6～91.0 mg/L)、碘(3.59～3.85 mg/L)、偏硅酸(36.2～39.1 mg/L)。其中，達到理療礦泉水命名濃度的有總硫化氫、溴、偏硼酸，地?zé)崃黧w可命名為含溴、硼酸、硫化氫理療溫礦(泉)水。根據(jù)《礦產(chǎn)工業(yè)要求參考手冊》，地?zé)崃黧w中溴元素(含量136.0～147.0 mg/L，限值>50 mg/L)，為可提取工業(yè)利用的成分。

3.3 單井產(chǎn)能

由單井產(chǎn)能測試結(jié)果可知：北川地?zé)峋畣挝挥克?.056 4 L/s·m；在自噴條件下(壓力降0.38 Mpa)，單井穩(wěn)定產(chǎn)能185.18 m3/d；在最大水位降深96.5 m條件下，單井允許開采量470.22 m3/d；在允許開采量可保證開采100 a的前提下，其熱功率(Wt)為0.77 mW，屬小型規(guī)模地?zé)崽?，開采100 a累積可利用放熱量為4.03×109MJ，折合成電能為1.12×109kW·h，標準煤為1.37×105萬t。

4 結(jié)語

(1)北川地?zé)崽餅樾∫?guī)模隱伏型地?zé)崽铮責(zé)豳Y源屬沉積盆地傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源。熱儲為古巖溶、溶蝕裂隙發(fā)育的三疊系中下統(tǒng)碳酸鹽巖，蓋層為低滲低透的三疊系上統(tǒng)碎屑巖及侏羅系紅色地層，熱源為正常地溫梯度(15 ℃/km)，水源為次現(xiàn)代降水，水循環(huán)深度2 053 m。

(2)莫霍面與居里面埋深大，地溫場埋藏深，地球內(nèi)部軟流圈熱流量通過熱傳導(dǎo)向淺部地殼貢熱有限。大地?zé)崃髦?45 mW/m2)遠低于中國大陸地區(qū)(含渤海海域)平均值及全球陸區(qū)平均值，為大地?zé)崃鞯捅尘皡^(qū)，地?zé)豳Y源屬低溫(25℃～90℃)地?zé)豳Y源。

(3)北川地?zé)崽锏責(zé)崃黧w成因為含有機殘骸的、經(jīng)蒸發(fā)濃縮作用的海相沉積+鹽巖溶濾水，地球化學(xué)相為硫化氫(強還原)相。流體可命名為含溴、硼酸、硫化氫的理療熱礦水，溴元素為可提取工業(yè)利用的成分。

(4)在自流條件下，北川地?zé)峋?BJ01)單井穩(wěn)定產(chǎn)能為185.18 m3/d；在開采性抽水條件下，最大水位降深96.5 m，單井允許開采量為470.22 m3/d。開采100 a累積可利用放熱量為4.03×109MJ，折合成電能為1.12×109kW·h，標準煤為1.37×105萬t。