陽原盆地半圈閉型熱儲(chǔ)成熱機(jī)理研究

牛 飛， 齊俊啟

(河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲 056200)

0 引言

地?zé)豳Y源是具有巨大開發(fā)利用價(jià)值的可再生清潔能源，地?zé)豳Y源的合理開發(fā)及利用需要建立在對(duì)地?zé)崽锍蔁釞C(jī)理充分研究的基礎(chǔ)上[1-4]，其主要研究對(duì)象是熱儲(chǔ)，地?zé)醿?chǔ)(簡稱熱儲(chǔ))，是指埋藏于地下且具有有效空隙和滲透性的地層、巖體或者構(gòu)造帶，其中儲(chǔ)存的地?zé)崃黧w可供開發(fā)利用。

河北省熱儲(chǔ)類型一般分為開放型熱儲(chǔ)、半圈閉型熱儲(chǔ)和圈閉型熱儲(chǔ)3類[5]，平原區(qū)熱儲(chǔ)均屬于圈閉型熱儲(chǔ)，山區(qū)具備以上3類熱儲(chǔ)，因此山區(qū)熱儲(chǔ)類型在成熱機(jī)理更為復(fù)雜。

陽原盆地位于張家口市西南，屬冀西北淺山盆地，呈東北向條帶狀，東西長約82km，南北寬約27km。地勢(shì)西南高、東北低。盆地內(nèi)現(xiàn)有地?zé)崽镆惶?，為三馬坊地?zé)崽?，該地?zé)崽镩_發(fā)利用歷史久遠(yuǎn)。然而除區(qū)內(nèi)三馬坊地?zé)崽锿獾钠渌貐^(qū)地?zé)峥辈槌潭容^低且地?zé)崽锍梢蝾愋拖嚓P(guān)研究較少，嚴(yán)重制約了區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用，因此通過開展工作查明陽原盆地內(nèi)控?zé)嵋蛩丶俺蔁釞C(jī)理對(duì)于區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)及利用具有重要意義[6]。

本文基于地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、大地電磁勘探、采樣測試、測井等工作手段，在查明陽原盆地地?zé)岬刭|(zhì)條件的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了地?zé)岙惓^(qū)熱源、構(gòu)造控(導(dǎo))熱、地?zé)崃黧w成因，為今后評(píng)價(jià)山區(qū)半圈閉型熱儲(chǔ)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)概況

陽原盆地屬山間盆地，南北兩側(cè)由恒山余脈雙條嶺與熊耳山山前組成的洪積平原，中部為桑干河發(fā)育的沖積河谷平原。研究區(qū)內(nèi)出露地層由老至新主要有：太古界遷西群、元古界長城系、寒武奧陶系、侏羅系、新近系、第四系[7]。

1.1 構(gòu)造演化

陽原盆地結(jié)晶基底為太古宙片麻巖系。太古宙基底形成后，進(jìn)入元古宙和古生代蓋層發(fā)育期，沉積元古宙高于莊組、霧迷山組以及古生代張夏、饅頭組，缺失元古宙鐵嶺洪水莊組和古生代中寒武世以后的地層。中生代開始研究區(qū)進(jìn)入強(qiáng)烈活化階段，盆地抬升缺失三疊紀(jì)、早侏羅世地層，中-晚侏羅世時(shí)受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，斷裂活動(dòng)加劇，發(fā)生大規(guī)?；鹕綆r噴發(fā)，特別研究區(qū)內(nèi)南山山前大的斷層活動(dòng)，為后期陽原盆地形成確定了構(gòu)造格架[8]。隨著喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，南北山體迅速抬升，南山北山之間形成陽原斷陷盆地，陽原盆地構(gòu)造演化過程中經(jīng)歷的燕山運(yùn)動(dòng)以及喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)以及拉張運(yùn)動(dòng)引起的斷陷活動(dòng)[9]，為深部熱源向上運(yùn)移提供了條件，為地?zé)豳Y源在山前盆地內(nèi)富集形成地?zé)岙惓^(qū)奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 構(gòu)造

據(jù)《河北省北京市天津市區(qū)域地質(zhì)志》對(duì)構(gòu)造單元的劃分，本區(qū)處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(華北板塊)Ⅰ級(jí)構(gòu)造單元，山西斷?、蚣?jí)構(gòu)造單元，五臺(tái)臺(tái)拱Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元，天鎮(zhèn)臺(tái)穹Ⅳ級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)。陽原盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要斷裂方向有NE-NEE、NNW、NW和近EW向4組，其中以NE-NEE和NNW向斷裂規(guī)模較大。根據(jù)斷層切割關(guān)系判斷，NE-NEE、EW向斷裂形成較早，其次是NNW向，NW向斷裂形成最晚。區(qū)內(nèi)斷層性質(zhì)均以正斷層為主，其中以南山、北山山前斷裂規(guī)模最大，控?zé)峒翱厮饔妹黠@，區(qū)內(nèi)三馬坊地?zé)崽?、金家莊地?zé)岙惓^(qū)、西城鎮(zhèn)地?zé)岙惓^(qū)均發(fā)育在南北山前斷裂與次一級(jí)構(gòu)造斷裂的交匯處。

1.3 熱儲(chǔ)層

根據(jù)熱儲(chǔ)成因模式、儲(chǔ)層時(shí)代、分布及儲(chǔ)水介質(zhì)特征，陽原盆地內(nèi)0～2 000m深度范圍內(nèi)共發(fā)育有兩大熱儲(chǔ)層系即第四系孔隙熱儲(chǔ)和薊縣—長城系巖溶裂隙熱儲(chǔ)。不同于河北平原區(qū)內(nèi)層狀分布的孔隙型熱儲(chǔ)和基巖裂隙型熱儲(chǔ)，區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層與非熱儲(chǔ)層邊界多以地溫梯度劃分或構(gòu)造裂隙帶邊界劃分且區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)平面上呈帶狀分布(圖1)。

區(qū)內(nèi)薊縣-長城系巖溶裂隙熱儲(chǔ)以本次新發(fā)現(xiàn)的西城鎮(zhèn)地?zé)岙惓^(qū)為典型，該區(qū)地下熱水主要賦存于長城系系白云巖中，區(qū)內(nèi)有2個(gè)鉆孔探獲該層熱儲(chǔ)，分別是D-2號(hào)孔，556.70m；D-3號(hào)孔，549.75m。揭露地層巖性為第四系泥河灣組黏土、砂質(zhì)黏土、粉土，長城系白云巖、泥巖等。根據(jù)物探、鉆探成果資料，元古界熱儲(chǔ)在該異常區(qū)內(nèi)均有分布，熱儲(chǔ)頂界埋深350～450m，熱儲(chǔ)厚度250～275m，涌水量60～100m3/h，水溫33.2℃，溶解性總固體一般為2.09～2.26g/L，水質(zhì)類型主要為主要為Cl·SO4-Na型。

圖1 陽原盆地構(gòu)造綱要及區(qū)內(nèi)地?zé)岙惓^(qū)分布Figure 1 Structural outline map of Yangyuan Basin and geothermal abnormal places distribution

區(qū)內(nèi)第四系孔隙型熱儲(chǔ)以新發(fā)現(xiàn)的金家莊地?zé)岙惓^(qū)最為典型，金家莊地?zé)岙惓^(qū)呈帶狀分布于陽原盆地東部南山斷層次一級(jí)構(gòu)造斷裂發(fā)育處，根據(jù)區(qū)域地?zé)嵫芯抠Y料、鉆探及物探資料推斷，區(qū)內(nèi)儲(chǔ)熱層主要為第四系孔隙熱儲(chǔ)。熱儲(chǔ)頂界埋深150～200m，熱儲(chǔ)厚度200～300m，水溫31.6～52.8℃，涌水量60～80m3/h，水質(zhì)類型主要為主要為Cl·HCO3·SO4-Na型。

2 地溫場特征

地溫場是地質(zhì)發(fā)展史與地質(zhì)現(xiàn)狀對(duì)其影響的綜合體現(xiàn)，地溫場屬非穩(wěn)定場受地質(zhì)構(gòu)造、活動(dòng)斷裂、巖漿活動(dòng)、地下水運(yùn)動(dòng)、地層巖性等多方面因素的影響。陽原盆地內(nèi)不同構(gòu)造區(qū)位、巖性、深度地溫場特征差異明顯[10]。

2.1 橫向地溫場特征

陽原盆地內(nèi)恒溫帶溫度的確定，采用多年平均地面溫度略高于多年平均氣溫1～3℃的方法，陽原當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁貫?.7℃，所以確定本區(qū)恒溫帶溫度為11℃。

新生界地溫梯度的計(jì)算，主要通過區(qū)內(nèi)開展的地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查工作對(duì)溫度大于11℃的機(jī)民井、地?zé)峋M(jìn)行調(diào)查所得到的各機(jī)井的編號(hào)、井深及井口溫度等數(shù)據(jù)，根據(jù)下列公式計(jì)算出該點(diǎn)的地溫梯度值。

地溫梯度計(jì)算公式：

ΔT=(t-t0)÷(H-H0)/100

(1)

式中：ΔT為地溫梯度，℃/100m；t為井口穩(wěn)定水溫，℃；t0為恒溫層溫度，11℃；H0為恒溫層埋深，30m；H為利用段中部埋深，m。

本次工作選取陽原盆地內(nèi)249組機(jī)民井及地?zé)峋{(diào)查數(shù)據(jù)，并根據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查獲取的井位和地溫梯度值，繪制了陽原盆地新生界地溫梯度等值線圖(圖2)。

圖2 陽原盆地新生界地溫梯度平面圖Figure 2 Yangyuan Basin Cenozoic geothermal gradient plan

陽原盆地內(nèi)非地?zé)岙惓^(qū)新生界地溫梯度均值為1.84～2.46℃/100m，地溫梯度高值區(qū)主要分布在陽原盆地?cái)嗔褬?gòu)造帶及其交匯部位，地溫梯度最高值在達(dá)到10.0℃/100m。

2.2 縱向地溫場特征

通過測井成果顯示陽原盆地內(nèi)地溫場縱向變化主要受地下水活動(dòng)及地層巖性的影響。

西城鎮(zhèn)地?zé)岙怐-2號(hào)孔地?zé)峋疄橹性沤玳L城系基巖熱儲(chǔ)地?zé)峋?56.70m，第四系蓋層厚度為460.00m，揭露基巖熱儲(chǔ)厚度為96.70m?？椎诇囟?3℃，全孔地溫梯度為3.5℃/100m，鉆孔測溫曲線見圖3。

圖3 D-2孔測溫曲線Figure 3 Borehole D-2 measured temperature curve

垂向上可根據(jù)測溫曲線曲線形態(tài)劃分為3個(gè)階段，各個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的地溫梯度。0～300m地層相對(duì)松散，巖性為土層砂層礫石層，地溫梯度為2.46℃/100m接近陽原盆地內(nèi)淺部第四系正常地溫梯度背景值，表明此段內(nèi)無地下水活動(dòng)，大地?zé)崃饕詿醾鲗?dǎo)為主。300～460m為第四系底部，地層較上部密實(shí)，巖性以富水性差的泥層及砂層為主，巖層熱導(dǎo)率差，地溫梯度為7.5℃/100m，遠(yuǎn)高于全孔地溫梯度值，此階段曲線形態(tài)表現(xiàn)為下凹的低地溫梯度的特征，為對(duì)流型曲線特征，證明第四系底部存在對(duì)流式高溫?zé)嵩矗?60～556.7m為長城系巖溶裂隙含水熱儲(chǔ)層，巖層原生孔隙及次生裂隙發(fā)育，地溫梯度接近于0℃/100m，地?zé)崃黧w依靠構(gòu)造裂隙帶縱向?qū)α骰顒?dòng)，使深部熱量快速運(yùn)移值淺部地層，縱向?qū)α鲄^(qū)內(nèi)地溫呈均一化，并在淺部出現(xiàn)地溫異常區(qū)。D-2孔測溫曲線特征與同為薊縣—長城系巖溶裂隙熱儲(chǔ)的三馬坊地?zé)崽飪?nèi)DK1、DK2、K1、ZK1孔曲線特征相似，證明西城鎮(zhèn)地?zé)岙惓^(qū)與三馬坊地?zé)崽锞哂邢嗨频牡責(zé)岬刭|(zhì)條件及深部熱源。

陽原縣金家莊村地?zé)岙惓^(qū)內(nèi)金家莊D-1鉆孔為第四系孔隙熱儲(chǔ)地?zé)峋?，井?67m，孔底溫度52.8℃，對(duì)其進(jìn)行定深測溫分析熱儲(chǔ)溫度垂向變化特征，鉆孔測溫曲線見圖4。

圖4 金家莊D1孔測溫曲線Figure 4 Jinjiazhuang borehole D-1 measured temperature curve

金家莊D-1鉆孔為第四系孔隙熱儲(chǔ)地?zé)峋?，井?67m，孔底溫度52.8℃，經(jīng)過計(jì)算，該地?zé)峋販靥荻葹?.88℃/100m。對(duì)其測井曲線進(jìn)行分析獲取熱儲(chǔ)溫度垂向變化特征，通過對(duì)比不同深度測井曲線變化形態(tài)發(fā)現(xiàn)從84.19～105.00m以及130.00～167.00m地溫梯度較大，達(dá)到9.46℃/100m，曲線形態(tài)下凹，為對(duì)流型溫度曲線，表明深部存在高于圍巖溫度的熱源以及地下水對(duì)流作用，105.00～130m為富水性較強(qiáng)的第四系礫石層，地溫梯度為2.2℃/100m，地下水在該垂向區(qū)域內(nèi)形成次一級(jí)對(duì)流作用，將深部對(duì)流獲取的地?zé)崮芸焖賯鬟f至富水性較差的上部蓋層區(qū)底部形成賦存于第四系孔隙熱儲(chǔ)中的地?zé)岙惓^(qū)。

通過以上分析表明：陽原盆地內(nèi)垂向地溫場表現(xiàn)為緩慢增加，受深部熱源、巖性、富水性、導(dǎo)熱率等因素影響地溫梯度在垂向向存在較大變化，該地區(qū)傳熱模式以對(duì)流型為主，并伴隨有地下水活動(dòng)的過程。地下水通過區(qū)內(nèi)山前深大斷裂完成深循環(huán)，并在富水性較好的熱儲(chǔ)層完成次一級(jí)對(duì)流作用，因此地下水成為陽原盆地內(nèi)良好的傳熱載體，地下水循環(huán)對(duì)流活動(dòng)將深部地?zé)崮芸焖龠\(yùn)移至熱儲(chǔ)頂部。

3 控?zé)嵋蛩胤治?/h2>

地球深部地?zé)崮芟驕\部傳遞的過程中，受到構(gòu)造、地下水活動(dòng)、地層巖性等因素的影響，從而導(dǎo)致大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)至地殼淺部各處時(shí)分布并不均衡，在一些某些特定空間地?zé)崮芨患纬傻責(zé)岙惓^(qū)，進(jìn)而形成地?zé)崽颷11]。根據(jù)陽原盆地內(nèi)測井成果以及地溫場垂向/平面分布特征，本次研究工作從深部熱源、地?zé)崃黧w成因及演變、地下水活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造等方面分析陽原盆地內(nèi)控?zé)嵋蛩亍?/p>

3.1 熱源分析

大地?zé)崃魇侵傅厍騼?nèi)熱以傳導(dǎo)方式傳輸?shù)降乇?，而后散發(fā)到空中的熱量[12]，時(shí)地球內(nèi)熱在地球表層的直接反映，是研究地球熱場特征和地?zé)豳Y源形成與分布的基礎(chǔ)資料。河北省太行山及燕山地區(qū)，大地?zé)崃髦灯骄鶠?7.7mW/m2，變化范圍為25.1～75.4mW/m2，鄰區(qū)赤城大地?zé)崃髦禐?9.4mW/m2，承德為30.1mW/m2，而華北地區(qū)大地?zé)崃髦灯骄禐?1.5mW/m2，通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知華北山區(qū)大地?zé)崃髦档陀谌A北平原區(qū)大地?zé)崃髦担栐璧卮蟮責(zé)崃髦翟诘陀谌A北大地?zé)崃髌骄档臈l件下說明陽原盆地區(qū)內(nèi)不存在高熱地質(zhì)背景。

在地表觀測到的大地?zé)崃髦涤蓛刹糠纸M成，一部分來源于地殼淺部放射性元素(U、Th、K)衰變所產(chǎn)生的熱量[13]，另一部分熱量來源于地殼深部及上地幔。陽原盆地受南山及北山斷層控制構(gòu)造格架呈NNE向展布，且區(qū)內(nèi)南山、北山山區(qū)斷層為區(qū)域性大斷裂。綜合前文闡述，陽原盆地內(nèi)不存在大地?zé)崃髦档母咧当尘皡^(qū)，說明陽原盆地內(nèi)地?zé)岙惓５男纬芍饕c地殼深部及上地幔熱源有關(guān)，加之深大斷裂構(gòu)造形成了良好的導(dǎo)熱通道，上地幔熱源及放射性元素衰變熱源以地?zé)崃黧w作為熱載體向上運(yùn)移至淺部熱儲(chǔ)層。

3.2 地下水活動(dòng)對(duì)地溫場的影響

根據(jù)地下水流動(dòng)方向可將地下水活動(dòng)分為向上運(yùn)動(dòng)和向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)叵滤蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)把深部熱量傳遞到上部地?zé)嶂校⑹蛊淞鲃?dòng)地層區(qū)間熱量均勻，溫度值也均一，地溫梯度會(huì)降低并向下偏離原有數(shù)值。當(dāng)?shù)叵滤蛳逻\(yùn)動(dòng)時(shí)，地下水會(huì)充當(dāng)傳熱載體使得上層的地溫增加，地溫梯度值變大，下部巖層地溫梯度值降低，曲線形態(tài)上出現(xiàn)上凸型曲線。陽原地區(qū)的溫度曲線(圖3、圖4)為下凹對(duì)流型曲線，表明在300～460m埋深是地下水對(duì)流活動(dòng)影響了縱向地溫梯度。

3.3 地?zé)崃黧w成因和演變過程對(duì)溫度場的影響

通過研究陽原盆地內(nèi)地下熱水的同位素組成及其放射性，可用于了解地下熱水的來源、形成年代和補(bǔ)給條件等。根據(jù)收集到資料和此次水質(zhì)檢測結(jié)果，陽原盆地內(nèi)地下熱水同位素分析結(jié)果見表1。

穩(wěn)定同位素氘(D)、氧(18O)在地下水循環(huán)過程中，由于同位素的分餾作用，使輕重同位素發(fā)生分異[14]。利用地下水重同位素與輕同位素含量的比值與標(biāo)準(zhǔn)平均海水的比值相比較，求出δD、δ18O。

表1 陽原盆地地?zé)峋|(zhì)同位素分析結(jié)果Table 1 Geothermal well water quality isotope analysis resultsin Yangyuan Basin

天然降水中氫、氧穩(wěn)定同位素δD(‰)和δ18O(‰)之間存在線性關(guān)系，其關(guān)系方程式δD=8δ18O+10‰，即克雷格降水線，是判斷地下水補(bǔ)給來源的依據(jù)。各地天然水中凡未經(jīng)明顯蒸發(fā)的水樣，氫、氧穩(wěn)定同位素濃度的數(shù)據(jù)都會(huì)落在在克雷格降水線上。經(jīng)過運(yùn)移、蒸發(fā)的水，其穩(wěn)定同位素的濃度則將偏離克雷格降水線，一般位于克雷格降水線的右側(cè)。

由表中數(shù)據(jù)可知，陽原盆地內(nèi)地?zé)崃黧w中δD=-91‰～-89‰，δ180=-12.1‰～-11.5‰，對(duì)其進(jìn)行分析，地下熱水的穩(wěn)定同位素組成落在克雷格降水線的右側(cè)附近，且漂移距離較短(圖5)，證明該地下熱水的補(bǔ)給來源是大氣降水。

圖5 陽原盆地地下熱水同位素組成分布Figure 5 Geothermal water isotope components distributionin Yangyuan Basin

從地下熱水的水化學(xué)特征來看，陽原盆地內(nèi)地?zé)崃黧w水化學(xué)類型為主要為Cl·SO4-Na和C1·SO·HCO3-Na型，含有F-和可溶性偏硅酸 (H2SiO3)。SO42-的出現(xiàn)是深部H2S溶解水所形成，H2SiO3一般認(rèn)為與遷移的Si02有關(guān)?？梢姷?zé)崴堑叵滤?jīng)過深部循環(huán)后運(yùn)移而來。

由表1可知，三馬坊地?zé)岙惓^(qū)內(nèi)K1、ZK1、DR1井的放射性同位素14C測定結(jié)果顯示其年齡為29 520±1 200a、22 050±820a、29 060±1 650a該地?zé)崴碾昂勘容^低，而14C年齡比較長，說明地?zé)崴纬赡挲g遠(yuǎn)低于熱儲(chǔ)層形成年代，其來源為后期大氣降水入滲[15]。綜上所述，大氣降水經(jīng)過長周期、深循環(huán)后形成儲(chǔ)層內(nèi)地?zé)崃黧w。

3.4 構(gòu)造控?zé)岬挠绊?/h3>

陽原盆地內(nèi)已有三馬坊地?zé)岙惓^(qū)以及本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)的西城鎮(zhèn)地?zé)岙惓^(qū)、金家莊地?zé)岙惓^(qū)均位于斷裂構(gòu)造帶及斷裂交匯部位，且地?zé)岙惓^(qū)展布形態(tài)受構(gòu)造控制明顯，平面特征與區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架一致。陽原盆地內(nèi)南山北山斷層以及盆地內(nèi)發(fā)育的次一級(jí)斷裂構(gòu)造形成的構(gòu)造破碎帶為大氣降水的深循環(huán)提供了通道。區(qū)域上松枝口-馬市口大斷裂和陽原南山斷裂控制著三馬坊地?zé)岙惓^(qū)，陽原北山斷層的次一級(jí)斷層和暖泉斷層控制著西城鎮(zhèn)地?zé)岙惓^(qū)，陽原南山斷層的次一級(jí)斷裂控制金家莊地?zé)岙惓^(qū)。

4 結(jié)論

陽原盆地內(nèi)第四系孔隙熱儲(chǔ)和薊縣-長城系巖溶裂隙熱儲(chǔ)屬華北地區(qū)典型的山前盆地半圈閉型熱儲(chǔ)。盆地內(nèi)地?zé)岙惓^(qū)受構(gòu)造控制明顯，南山及北山山區(qū)大斷裂為區(qū)域性控?zé)釋?dǎo)熱構(gòu)造，區(qū)內(nèi)地?zé)岙惓^(qū)均發(fā)育于導(dǎo)熱構(gòu)造交匯處。大氣降水沿深大斷裂補(bǔ)給地下水，斷裂帶中的地下水經(jīng)深循環(huán)加熱和水熱對(duì)流后沿?cái)嗔褞У顾ǖ郎嫌?，地下水通過深循環(huán)作用將地殼深部及上地幔熱能運(yùn)移至淺部熱儲(chǔ)中，形成呈帶狀分布的地?zé)岙惓^(qū)及地?zé)崽铮栐璧氐責(zé)豳Y源開發(fā)利用前景優(yōu)越，并內(nèi)有望在盆地淺部發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)中—低溫地?zé)豳Y源。