河北滄縣抬拱帶地熱能蘊藏機制研究

張財華

(河北省煤田地質局水文地質隊，河北邯鄲 056000)

河北省中部平原地區(qū)滄縣臺拱帶是省內重要的地熱富集帶，通過對獻縣地區(qū)的勘查工作，獲得了優(yōu)質地熱資源，具有很高的地熱能利用前景。本次研究以滄縣臺拱帶為研究區(qū)域，初步了解該地區(qū)地質情況、熱儲層特征、深部地溫狀態(tài)等，為該區(qū)域地熱能開發(fā)和利用工作提供了重要依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

研究區(qū)位于中朝準地臺(Ⅰ級)、華北斷坳(Ⅱ級)、滄縣臺拱(Ⅲ)內，其西部為冀中坳陷，東部為黃驊坳陷，南部為臨清臺陷(圖1)[1]。區(qū)內構造發(fā)育，以北東及北北東向斷裂構造為主，東部邊界構造為滄州-大名深斷裂，南部為無極-衡水大斷裂，西部為次一級斷裂構成了與冀中臺陷的分界線。研究區(qū)內地層由老至新分布有古—中太古界遷西群；新太古界的阜平群、五臺群；古元古界甘陶河群、東焦群；中元古界的長城系、薊縣系；新元古界的青白口系；古生界的寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界古近系、新近系、第四系[2]。

區(qū)內新生代巖漿活動強烈，大致可劃分為古近紀、新近紀和第四紀三個主活動期。河北省平原東部以中更新世的規(guī)模最大，平原西部以早更新世的規(guī)模最大。古近紀火山巖其巖性主要為漸新世的玄武巖、安山質玄武巖、局部夾火山碎屑巖、輝綠巖和輝長巖，大多數(shù)沿基底斷裂分布，反映活動方式以裂隙式寧靜溢流為特征，新近紀火山巖主要為堿性玄武巖及火山碎屑巖類，其分布多數(shù)沿斷裂延伸，表明其活動方式以裂隙式噴發(fā)為主。第四紀火山巖主要為強堿性玄武巖及火山碎屑巖類，在地下多沿斷裂延伸，反映沿斷裂以中心式噴發(fā)為主。

2 研究區(qū)地熱分布特征

據(jù)研究區(qū)內鉆孔揭露資料，主要劃分為巖溶裂隙含水層、新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組孔隙含水層。勘查區(qū)熱儲分布見圖1[3]。

圖1 工作區(qū)構造及熱儲分布

GRY1號孔位于獻縣地熱田，2017年5月20日完成鉆探工作，累計完成鉆探進尺4 025.82m。4 004.93m溫度達107.56℃,出口水溫103.50℃，水量為70m3/h。根據(jù)《理療熱礦水水質標準》GB11615—2010，鍶、氟、偏硼酸等達到了礦水濃度標準，因此本井地熱水適宜于供暖、醫(yī)療、農(nóng)田灌溉、養(yǎng)殖等項目開發(fā)利用[4]。該孔揭露主要熱儲為薊縣系楊莊組-長城系高于莊組熱儲、薊縣系霧迷山組熱儲、新近系明化鎮(zhèn)組熱儲。

2.1 薊縣系楊莊組-長城系高于莊組熱儲

高于莊組揭露厚度252.82m(3 767.46～4 025.82m)，根據(jù)鉆井液消耗量觀測，結合測井資料，綜合確定3 800.00～3 843.00m、3 874.00～3 887.00m、3 935.00～3 952.00m為含水層段。熱儲巖性為白云巖，與上覆地層不整合接觸，裂隙發(fā)育，連通性好，形成良好的儲層。據(jù)鉆孔揭露，該熱儲頂板埋深3 767.46m，出口最高水溫達103.50℃。該熱儲埋藏較深，目前還未開采利用。

楊莊組總厚744.39m(3 023.07～3 767.46m)，主要為泥質白云巖，泥質成分較高，鉆井液消耗量為0.60～108.00m3/h，結合測井資料，綜合確定3 746.00～3 761m層段為含水層。

本次對該層段進行兩次抽水試驗，最大涌水量69.38m3/h。據(jù)壓裂前抽水試驗中采樣結果，水質類型為Cl—Na型，礦化度6 437.06mg/L，富含鍶、偏硼酸，不能作為生活飲用水、漁業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水，為一優(yōu)質醫(yī)療熱礦水[5]。

2.2 薊縣系霧迷山組熱儲層

與上覆地層不整合接觸，曾長期裸露地表遭受風化剝蝕和溶蝕，孔洞十分發(fā)育，連通性好，形成良好的儲層。該熱儲在獻縣縣城一帶頂板埋深1 300.00～1 500.00m，具有埋藏淺、溫度高、水量大的特點。目前區(qū)內的地熱井，成井時均自流，水頭高于地表25.00～50.00m，自流量57.88～90.00m3/h,井口水溫91.8～96℃。經(jīng)過多年的開采，水位、水溫均有不同程度的下降。

主要巖性為白云巖、燧石條帶白云巖，具有可溶性，經(jīng)過多次構造運動，其表層風化殼為該層熱儲的主要儲水空間，在強烈的巖溶作用下形成孔、洞、縫相當發(fā)育的溶蝕型碳酸鹽熱儲體，也成為地下熱水儲存的良好空間。根據(jù)目前周邊地熱井開采資料，水質類型為Cl—Na型，水量70.00～120.00m3/h，礦化度6.00g/L左右，不能作為生活飲用水、漁業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水，可直接用于供暖、醫(yī)療和洗浴[6]。

該熱儲是目前獻縣地熱田主要開采熱儲層，具有水量大、水溫高的特點。根據(jù)鉆孔水文地質觀測：1 344.35～1 613.96m鉆井液消耗量為19.30～108.00m3/h。抽水后測溫曲線成果顯示：1 326.60～1 956.88m出現(xiàn)地溫梯度負增長(地溫梯度為-0.06℃/100m)，因此，綜合確含水層層段為1 326.60～1 956.88m，厚度為630.28m。

距GRY1號鉆孔南部約50m的XXZK1鉆孔終孔深度為2 500.18m，終孔層位為薊縣系霧迷山組，于2017年4月對霧迷山含水層(1 337.88～2 500.18m)進行了抽水試驗，最大涌水量為109.29m3/h，井口水溫為83℃；距本孔北部約80m的XXZK2鉆孔終孔深度為2 004m，終孔層位為薊縣系霧迷山組，于2017年4月對霧迷山含水層(1 337.88～2 500.18m)進行了抽水試驗，最大涌水量為104.02m3/h，井口水溫為83℃，水質類型均為Cl—Na型，富含鍶、偏硼酸，為優(yōu)質醫(yī)療熱礦水。

XXZK1和XXZK2地熱井的實施，為了解薊縣系霧迷山組熱儲的水文地質特征提供了地質依據(jù)，為獻縣地熱田經(jīng)過多年開采的數(shù)據(jù)對比及地熱資源的綜合利用規(guī)劃奠定了基礎。

2.3 新近系明化鎮(zhèn)組熱儲

全區(qū)均有分布，頂板埋深450m左右，底板埋深1 200～1 500m，分為明化組上段、明化組下段。目前，周邊地熱井僅有兩眼地熱井開采利用新生界熱儲，獻熱1井(GRY1號井西南方向4.90km)、河北省獻縣諾信機械工程材料有限公司地熱井(GRY1號井西北方向10.95km)

明化鎮(zhèn)組上段底界平均埋深770.00～890.00m，平均厚度為103m。本孔埋深719.04m，厚度為215.08m。砂層單層最大厚度25m，砂厚比30%～40%，孔隙度約30%，具有良好的富水性及透水性，本次揭露厚度為272.4m，砂厚比76%。本段水量大于50m3/h，井口水溫可達40℃～50℃；水質為Cl—Na型。

明化鎮(zhèn)組下段以半成巖狀的粉砂為主，具有良好的富水性和透水性，底界埋深平均1 000～1 350m，本孔埋深1 326.60m，厚度603.56m，砂層單層厚度3～5m，最大為14m，砂厚比約20%，孔隙度23%～27%，本次揭露含水層厚度為133.20m，砂厚比27%。發(fā)育具有不均一性，單獨成井水量較小，但水溫較高，所以在明化鎮(zhèn)組成井時應取明化鎮(zhèn)組上段底部及明化鎮(zhèn)組下段上部熱儲綜合成井。水量大于60.00m3/h。井口水溫可達60℃以上，水位為31.00～35.00m，水質為HCO3—Na型，礦化度1.009～1.925g/L。如獻熱1井，成井段931.00～1 090.00m，涌水量64.00m3/h,水溫62℃，目前區(qū)內對該熱儲利用程度較低。

3 研究區(qū)深部溫度估算

本次研究采用地溫梯度法來推測巖石的溫度。主要采用按照孔底地溫梯度進行估算并采用居里面溫度向淺部推算進行驗證[7]。

3.1 根據(jù)GRY1號鉆孔孔底溫度估算

GRY1號鉆孔終孔深度為4 025.82m，終孔層位為長城系高于莊組，孔底溫度為107.56℃。按測溫曲線趨勢將基巖段分為四段(圖2)：①段1 597.72～2 161.96m，為霧迷山組上部，地溫梯度為0.30℃/100m；②段2 161.96～3 649.78m，為霧迷山組下部-楊莊組中下部，地溫梯度為1.44℃/100m；③段3 649.78～3827.84m，為楊莊組底部-長城系高于莊組上部，地溫梯度為-1.69℃/100m；④段為GRY1號鉆孔孔底，高于莊組中上部，地溫梯度為2.45℃/100m[8]。

圖2 GRY1號鉆孔測溫曲線

GRY1號鉆孔預計高于莊組底界深度為4 500m，長城系底界深度為5 400m，5 400m以深為太古界。本次研究按照高于莊組白云巖段、高于莊組以深石英砂巖段進行計算。

1)高于莊組白云巖組段(4 003.98～4 500m)。本段以灰白色、灰色厚層泥晶白云巖、粉砂質白云巖為主，含硅質。巖性特征與3 827.84～4 003.98m段巖性基本一致，因此利用④段地溫梯度進行估算是合理的(圖3)。

圖3 GRY1號鉆孔3 600～4 003.98m測溫曲線

根據(jù)圖3曲線特征看出，③段4點→④段1點，出現(xiàn)地溫驟降的現(xiàn)象，105.15℃降至102.32℃，根據(jù)孔內水文觀測情況發(fā)現(xiàn)該段地層裂隙發(fā)育，為Ⅰ類～Ⅱ類裂縫層，引起溫度驟降的原因應該為此層段裂隙發(fā)育，富水性強，橫向的水力聯(lián)系密切，使該點的巖溫降低。因此，該點的在測溫曲線的實測點并不能真正反映巖溫，僅僅反映了該點水的溫度。2點處也出現(xiàn)了溫度突變，3點～4點曲線反映良好，地溫梯度為1.80℃/100m，可以作為推算長城系高于莊組底界溫度的依據(jù)，據(jù)前所述，4 500m(高于莊組底界)溫度為115.59℃[9]。

2)長城系大紅峪組-常州溝組石英砂巖段(底界深度5 400m)。該段上部由灰白色長石石英砂巖和石英砂巖組成，夾硅質層；下部由灰黃色—紫紅色砂巖組成，巖性致密，裂隙不發(fā)育。據(jù)圖3中②段測溫曲線特征，在2點處地溫梯度出現(xiàn)增大的趨勢，1→2地溫梯度為0.96℃/100m，2→3地溫梯度為2.09℃/100m，增幅為118%。②段巖性1→2裂隙略微發(fā)育過渡為2→3致密，與高于莊組過渡到本段地層變化相似，因此以增幅為118%來計算，本段地溫梯度為3.92℃/100m，推測至5 400m溫度為150.87℃。

3.2 由居里面向淺部反算驗證

根據(jù)中國陸域航磁計算居里面等值線平面圖進行深部溫度估算。本次研究區(qū)居里面埋深約22 000m，溫度為580℃。GRY1號鉆孔4 025.82m溫度為107.56℃，推算4 025.82～22 000m綜合地溫梯度為2.62/100m，推算至150℃，深度約5 600m，與按照孔底地溫梯度進行的估算結果接近，說明本次的溫度估計是正確的，GRY1號鉆孔150℃的深度約為5 400m。

4 熱儲藏模式

地熱田的成藏機制包括地熱熱源、導熱通道、熱儲層、熱儲蓋層、地熱流體補徑排條件5個方面。根據(jù)研究區(qū)內的熱儲層特征、溫度狀態(tài)、水文狀況等地質特征對熱儲成藏進模式進行分析。

4.1 熱源條件

熱源條件是熱儲成藏的基本條件，一般包括放射性元素衰變、深部熱傳導、幔源的巖漿熱、變形熱等。研究區(qū)內第四紀發(fā)育大規(guī)模的玄武質巖漿活動，說明本區(qū)在新生代深部地幔處于活躍期。活躍的地幔會產(chǎn)生大規(guī)模的熱流并通過熱傳導作用于上覆地層。當深層熱流進入地殼上部以后，由于上覆基巖凸起與凹陷的構造格局會使得熱流重新分配，在正向構造與負向構造的交接轉換部位，熱流方向發(fā)生偏轉，不再保持垂向轉移而是由凹陷區(qū)向凸起區(qū)轉移，導致凸起區(qū)熱量的積累(圖4)。

圖4 熱傳導示意

研究區(qū)位于滄縣臺拱帶內，其形態(tài)為北東向凹凸相間分布，基巖凸起部位均有地熱異常顯示，暗示高地幔大地熱流是地熱區(qū)高溫地溫場以及深部地熱資源豐富的主要原因之一[10]。

此外，由變質巖構成的結晶基底，其放射性元素儲量一般高于上覆沉積蓋層，放射性元素衰變生熱可為基底隆起部位提供更多的額外的熱源，另外，古老的結晶基底致密巖石的導熱性能高于低密度的沉積巖蓋層，這就促使更多的熱流集中于基底抬高部位，直接傳導至地面則形成地熱異常區(qū)域。研究區(qū)深部具有厚層的變質基底，因此放射性元素衰變生熱也是可能的熱源[11-12]。

4.2 蓋層條件

研究區(qū)內熱儲蓋層是由新生界第四系構成的，厚503.96m，為一套以河流相、湖相為主，兼有湖沼相和海相成因的松散沉積物，其巖性由黏土、亞黏土、亞沙土與粉砂、細砂組成，不等厚交互沉積，地層結構松散-疏松，孔隙大，底部沉積厚層黏土，導熱性差，具有良好的保溫隔熱作用，是理想的熱儲覆蓋層。

4.3 熱儲條件

通過上述分析可知研究區(qū)內主要熱儲層為薊縣系楊莊組-長城系高于莊組熱儲、薊縣系霧迷山組熱儲、新近系明化鎮(zhèn)組熱儲，包括孔隙型熱儲層及基巖裂隙型熱儲層。這些熱儲層埋深大，上覆厚層蓋層，具有良好的熱隔擋效應。熱儲層主要巖性為空隙發(fā)育的碳酸鹽巖以及聯(lián)通性好的碎屑沉積巖，利于傳熱和封閉地水的流動和熱交換[13]。

4.4 通道條件

研究區(qū)內構造發(fā)育，以北東及北北東向斷裂構造為主，包括滄東斷裂、獻縣斷裂、無極-衡水大斷裂等，深大斷裂控制著區(qū)內的構造格局并連通著地殼地幔處深部熱源與上部各熱儲層，為深部熱能向上運移提供了良好的傳遞通道[14]。

4.5 地熱流體補徑排條件

根據(jù)GRY1號鉆孔水樣氘(D)、氧(18O)同位素檢測結果，研究區(qū)內地熱水為古大氣降水經(jīng)溶濾作用形成的古埋藏水，基巖熱儲層補給水來源甚微，為封閉消耗性地下水。地下熱水的徑流與排泄受基地構造和古地形地貌及各隔水層的控制，徑流非常緩慢。封閉的深部地下水能夠保持溫度的穩(wěn)定，利于地熱田的成藏。

4.6 成藏機制

研究區(qū)內第四紀發(fā)育了大規(guī)模的幔源巖漿作用。大量的深部地?；顒邮沟脽嵩丛丛床粩鄠鲗е翜\部地殼。受上部構造格架的控制，導致熱流由深部的穩(wěn)定傳導至淺部重新分配，并向凸起區(qū)集中。楊莊組、高于莊組、霧迷山組、明化鎮(zhèn)組由于空隙發(fā)育，加上受古降水影響積累了大量地下水。在深部熱源持續(xù)加熱的作用下導致溫度逐漸升高成為熱儲層。隨著內動力地質作用的減弱，研究區(qū)在第四紀進入長期穩(wěn)定的階段，并沉積了厚度大、隔熱效果好的沉積物，巨厚蓋層的影響會減緩深部熱能的散失使得熱能得以保存，對于深部熱儲層的保持起到了重要的隔熱作用(圖5)[15]。

圖5 熱儲成藏機制剖面示意

5 結論

1)研究區(qū)主要熱儲層為薊縣系楊莊組-長城系高于莊組熱儲、薊縣系霧迷山組熱儲、新近系明化鎮(zhèn)組熱儲。

2)研究區(qū)受第四紀幔源的巖漿熱及老變質基底的放射熱供給影響，使得薊縣系楊莊組-長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組、新近系明化鎮(zhèn)組及內部的封閉地下水被加熱成為熱儲層，上覆的厚層沉積物起到了重要的隔熱作用。