太湖南岸地?zé)豳Y源現(xiàn)狀及資源潛力評(píng)價(jià)

何 鈺

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局浙江煤炭地質(zhì)局，杭州 310021)

0 引言

太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)，位于浙江省湖州市北部，地處浙蘇皖滬三省一市交界地帶，包括湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)、湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)、湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)，總面積約50km2。

太湖南岸地?zé)豳Y源勘查大致可分為三個(gè)階段：一是探索起步階段。20世紀(jì)70年代，浙江煤炭地質(zhì)局在該區(qū)及鄰近區(qū)域開展普查找煤工作并實(shí)施多個(gè)勘查鉆孔。其中1975年5月終孔的ZK413鉆孔水溫31℃，涌水量871.3m3/d。1982年，ZK413鉆孔的熱水引起社會(huì)各界廣泛關(guān)注，同年下半年，原湖州市國(guó)土資源局提交《湖州市附近溫泉調(diào)查報(bào)告》，認(rèn)為“湖州市蒼山、白雀溫泉具有較好的開發(fā)前景，其中蒼山溫泉有利條件更多，前景更佳”。二是鞏固拓展階段。2000—2010年，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)需求的推動(dòng)下，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用得到蓬勃發(fā)展[1]。浙江煤炭地質(zhì)局先后在該區(qū)蒼山、白雀、觀音山和小梅口等地，發(fā)現(xiàn)有較好開發(fā)利用價(jià)值的地?zé)釂尉?口，分別是WQ01、WQ05、WQ08。三是重點(diǎn)突破階段。2011—2020年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和對(duì)地?zé)豳Y源認(rèn)識(shí)的提高，出現(xiàn)了地?zé)豳Y源開發(fā)利用的熱潮[2]。原浙江省國(guó)土資源廳印發(fā)的《找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)綱要實(shí)施方案》，明確將太湖南岸地區(qū)作為浙江省地?zé)豳Y源找礦重點(diǎn)勘查區(qū)。浙江煤炭地質(zhì)局在浙江省地勘基金和社會(huì)資金的聯(lián)合支持下，在該區(qū)又發(fā)現(xiàn)有較好開發(fā)利用價(jià)值的地?zé)釂尉?口，分別是WQ9、WQ10、WQ11、WQ12。截至目前，各單井地?zé)豳Y源暫未被開發(fā)利用。

1 太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)劃

太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ1)之錢塘臺(tái)褶帶(Ⅱ2)武康-湖州隆斷褶束(Ⅲ2)北段，屬浙北地?zé)釒∑饠嗔褋喰蚚3]。區(qū)內(nèi)主要有北東、北西和東西向三組斷裂體系[4]。區(qū)域上，本區(qū)位于于湖州-嘉善東西向大斷裂、長(zhǎng)興-奉化北西向大斷裂與學(xué)川-湖州北北東向大斷裂交會(huì)處[5]，區(qū)內(nèi)地勢(shì)西高東低，構(gòu)成一個(gè)較完整的水文地質(zhì)單元。

1.1 地?zé)豳Y源區(qū)劃依據(jù)

1)依據(jù)熱儲(chǔ)埋藏條件、蓋層、導(dǎo)熱構(gòu)造、地形地貌的總體特征進(jìn)行分區(qū)，將地?zé)岬刭|(zhì)條件明顯差異的區(qū)塊進(jìn)行分別評(píng)價(jià)。

2)北東向F2斷層及分支斷層(學(xué)川-湖州大斷裂在本區(qū)的主干斷層)、北西向F8斷層(長(zhǎng)興-奉化大斷裂在本區(qū)的主干斷層)、近東西向F5斷層(湖州-嘉善大斷裂在本區(qū)的主干斷層)及東部Fa斷層(地球物理勘查推斷，經(jīng)WQ13探采結(jié)合井驗(yàn)證)等決定了該區(qū)地層沉積、熱儲(chǔ)的總體分布特征，是進(jìn)行地?zé)岱謪^(qū)的主要邊界條件。

1.2 地?zé)豳Y源分區(qū)

太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)整體地勢(shì)西高東低，構(gòu)成一個(gè)較完整的水文地質(zhì)單元。根據(jù)地層沉積特點(diǎn)、沉積環(huán)境、地貌類型，將本區(qū)分為二個(gè)小區(qū)，即東部白堊紀(jì)斷陷盆地區(qū)和西部構(gòu)造隆起區(qū)，分界線總體上以北東向F2斷層及其分支斷層為界，北段以F2斷層的分支斷層F2＇為界，南段以F2斷層為界(圖1)。

圖1 太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)區(qū)劃示意圖

1)東部白堊紀(jì)斷陷盆地區(qū)。東部白堊紀(jì)斷陷盆地區(qū)為平原區(qū)，上部覆蓋有50～100m厚的第四系松散層，第四系下一般有厚度不等的白堊系紅層(由西向東逐漸加厚)。南皋橋村周圍(隱伏向斜)核部及以東，白堊系下可見二疊系長(zhǎng)興組灰?guī)r熱儲(chǔ)；其下有300～400m厚的二疊系龍?zhí)督M、孤峰組砂頁巖蓋層；揭穿孤峰組后，可見最主要的熱儲(chǔ)層：二疊系棲霞組、石炭系船山組和黃龍組灰?guī)r熱儲(chǔ)。黃龍組灰?guī)r以下通常為石炭系下統(tǒng)高驪山組泥頁巖蓋層；再向下為泥盆系五通組、志留系茅山組等砂巖熱儲(chǔ)。

東部白堊紀(jì)斷陷盆地區(qū)東部邊界以Fa斷層為界，F(xiàn)a斷層以東灰?guī)r熱儲(chǔ)埋深大，無鉆孔控制；西部邊界以F2斷層及其分支斷層為界，北段以F2斷層的分支斷層F2′為界，南段以F2主干斷層為界；南部邊界以F5斷層為界，F(xiàn)5斷層以南，區(qū)域上屬構(gòu)造隆起區(qū)，又稱湖州升山隆起區(qū)；北部以自然邊界太湖湖岸為界；構(gòu)成湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)，面積18 245 669m2。

2)西部構(gòu)造隆起地區(qū)。西部構(gòu)造隆起地區(qū)為低山丘陵區(qū)，蓋層薄或砂巖、灰?guī)r熱儲(chǔ)直接出露地表，山前有10～50m厚的第四系蓋層，一般無白堊系紅層，局部有少量白堊系、侏羅系蓋層。通常直接出露地表的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水組與碎屑巖構(gòu)造裂隙含水組直接接受大氣降水的補(bǔ)給，在地表地形起伏形成的壓力差的驅(qū)動(dòng)下沿著含水層向深部徑流，依靠地殼的正常增溫加熱形成地?zé)豳Y源。同時(shí)因多條逆斷層的存在，地層重復(fù)出現(xiàn)，多個(gè)斷塊內(nèi)志留系、泥盆系碎屑巖下存在二疊系棲霞組、石炭系船山與黃龍組灰?guī)r熱儲(chǔ)。西部構(gòu)造隆起地區(qū)大致以F8斷層為界，又細(xì)分為南部蒼山-仁皇山褶皺區(qū)與西北部小梅山褶皺區(qū)。南部的蒼山-仁皇山褶皺區(qū)，其軸線及地層走向北西，核部出露泥盆系五通組、志留系茅山組等砂巖，兩翼為石炭、二疊、三疊系；西北部小梅山褶皺區(qū)，其軸線及地層走向北東，核部出露泥盆系五通組、志留系茅山組等砂巖，兩翼為石炭、二疊系。

小梅山褶皺區(qū)東部重復(fù)邊界此處不贅述；西部以F7(白雀-小梅口逆斷層)斷層為界(F7斷層以西灰?guī)r熱儲(chǔ)與砂巖熱儲(chǔ)直接出露地表，幾乎無蓋層，熱儲(chǔ)層暫未有地?zé)崽讲山Y(jié)合井控制，因此F7斷裂以西本文不作地?zé)豳Y源計(jì)算)；南部以F8斷層為界，北部以自然邊界太湖湖岸為界；構(gòu)成湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)，面積13 677 634m2。

蒼山-仁皇山褶皺區(qū)東部、北部重復(fù)邊界此處不贅述；西部以F7、F13、F22斷層為界；南部以F5斷層為界；構(gòu)成湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)，面積16 340 663m2。

2 太湖南岸地?zé)豳Y源量計(jì)算與評(píng)價(jià)

2.1 總可采資源量計(jì)算與評(píng)價(jià)

太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)北東向、北西向?qū)針?gòu)造分布密集，幾乎遍布全區(qū)，形成本區(qū)特有的兼有層狀與帶狀熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)的富水性好、單井水量大?，F(xiàn)有的具有較好開發(fā)利用價(jià)值的地?zé)釂尉?口，均進(jìn)行了1年以上的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)工作和不同季節(jié)的抽水試驗(yàn)，提交的單井可采資源量已獲評(píng)審機(jī)構(gòu)和主管部門認(rèn)可(表1)，計(jì)算結(jié)果可靠程度高。根據(jù)礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)，6口井達(dá)到大型礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模級(jí)別，1口井達(dá)到小型礦山生產(chǎn)建設(shè)規(guī)模級(jí)別(全年按300 d計(jì))。單井抽水試驗(yàn)結(jié)果表明：各地?zé)峋嗷ブg基本不受干擾影響，故各單井可開采量累加即為本區(qū)目前總可開采資源量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)現(xiàn)有地?zé)峋矫鞯目砷_采量5 252m3/d，探明的+控制的可開采量7 374m3/d,探明的+控制的+推斷的可開采量10 118m3/d，現(xiàn)有地?zé)峋偪刹傻叵聼崴Y源豐富。

表1 太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)單井可采資源量成果[7-9]

2.2 已有地?zé)峋責(zé)崃黧w可開采量采出的熱量及年開采累計(jì)可利用熱能量計(jì)算與評(píng)價(jià)

已有地?zé)峋責(zé)崃黧w可開采量采出的熱量及年開采累計(jì)可利用熱能量分別按如下公式[6]計(jì)算：

W=4.186 8Q(t-t0)

(1)

∑Wt=86.4DWt/K

(2)

式中：W—熱功率，kW；Q—地?zé)崃黧w可開采量(探明的+控制的)，L/s；t—地?zé)崃黧w溫度，℃；t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀?，?6.0℃計(jì)(按收集到的氣象資料確定)；∑Wt—開采一年可利用的熱能，MJ；D—全年開采日數(shù)，d(全年按300d計(jì))；K—熱效比(按燃煤鍋爐的熱效率0.6計(jì)算)。

WQ10井出水口水溫為62.5℃；WQ09井出水口水溫為43℃；WQ08井出水口水溫為30℃；WQ12井出水口水溫為43℃；WQ05井出水口水溫為25.5℃；WQ01井出水口水溫為31℃；WQ11井出水口水溫為28℃。

從表2計(jì)算結(jié)果來看，現(xiàn)有地?zé)峋叵铝黧w可采出的熱量7.309 7MW(小于10MW)，當(dāng)保證開采年限100a時(shí)，判定太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)的規(guī)模為小型。但區(qū)內(nèi)已有地?zé)峋畠H7口，平均7k一口地?zé)峋?，地?zé)峋芏认鄬?duì)較小。本區(qū)熱儲(chǔ)在西部構(gòu)造隆起地區(qū)出露地表，直接接受大氣降水補(bǔ)給，地?zé)峋畠?nèi)水位可以得到及時(shí)有效恢復(fù)，如：WQ01井自成井以來一直保持自涌狀態(tài)；東部白堊系斷陷盆地區(qū)已證實(shí)接受大氣降水補(bǔ)給，WQ10自2013年建井以來絕大部分時(shí)間在自涌，且抽水試驗(yàn)后，水位0.5h內(nèi)能完全恢復(fù)，WQ09、WQ08、WQ12井靜止水位基本保持穩(wěn)定。因此，太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)還可適當(dāng)增加布置多口地?zé)衢_采井，地?zé)豳Y源潛力巨大，地下熱水可開采量將遠(yuǎn)大于現(xiàn)有探明的+控制的可開采量，可采出的熱量極有可能突破10MW，達(dá)中型規(guī)模地?zé)豳Y源區(qū)。

表2 太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)地?zé)豳Y源產(chǎn)能計(jì)算成果

2.3 熱儲(chǔ)中熱量的計(jì)算與評(píng)價(jià)

前文已計(jì)算出具有較好地?zé)衢_發(fā)前景的地?zé)岙惓^(qū)面積約50k，且熱儲(chǔ)的富水性好、補(bǔ)給充分，然而現(xiàn)有的7口井總可開采量與可采出的熱量，并不能完全反映出全區(qū)地?zé)豳Y源情況。下文將采用熱儲(chǔ)法計(jì)算熱儲(chǔ)中熱量，綜合評(píng)價(jià)該區(qū)地?zé)豳Y源潛力。

2.3.1 計(jì)算公式[10]

Q=Qr+Qw

(3)

Qr=AMρrCr(1-ψ)(tr-t0)

(4)

Qw=QLCwρw(tr-t0)

(5)

QL=Q1+Q2

(6)

Q1=AψM

(7)

Q2=ASH

(8)

式中：Q—熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量，J；Qr—巖石中儲(chǔ)存的熱量，J；QL—熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量，m3；Q1—截止到計(jì)算時(shí)刻，熱儲(chǔ)空隙中熱水的靜儲(chǔ)量，m3；Q2—水位降低到目前取水能力極限深度時(shí)熱儲(chǔ)所釋放的水量，m3；Qw—水中儲(chǔ)存的熱量，J；A—計(jì)算區(qū)面積，m2；M—熱儲(chǔ)層厚度，m；ρr—熱儲(chǔ)巖石密度，kg/m3；Cr—熱儲(chǔ)巖石比熱容，J/(kg·K)；ψ—熱儲(chǔ)巖石的孔隙率；tr—熱儲(chǔ)溫度，℃；t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，℃；ρw—地?zé)崴拿芏?，kg/m3；S—彈性釋水系數(shù)；H—計(jì)算起始點(diǎn)以上水頭高度，m；Cw—水的比熱容，J/(kg·K)。

2.3.2 參數(shù)的確定

計(jì)算區(qū)面積A：各計(jì)算區(qū)面積見前文。

熱儲(chǔ)層厚度(取各小區(qū)內(nèi)地?zé)峋跋嚓P(guān)煤炭資源勘查鉆孔揭露的熱儲(chǔ)層厚度平均值)：湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)厚度132.9m；湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)厚度152.5m；湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)灰?guī)r熱儲(chǔ)厚度116.9m。

熱儲(chǔ)巖石密度ρr：本區(qū)灰?guī)r巖石密度測(cè)試結(jié)果2 600～2 700 kg/m3，取中間值2 650 kg/m3。

熱儲(chǔ)巖石比熱Cr：根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615—2010)附錄C中表C.1提供的經(jīng)驗(yàn)值，石灰?guī)r比熱920 J/(kg·℃)。

熱儲(chǔ)巖石的空隙度ψ(取各小區(qū)內(nèi)地?zé)峋跋嚓P(guān)煤炭資源勘查鉆孔巖溶率平均值)：湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)空隙度6.21%；湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)空隙度5.96%；湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)空隙度10.32%。

熱儲(chǔ)溫度tr[取各小區(qū)內(nèi)地?zé)峋跋嚓P(guān)煤炭資源勘查涌水孔井(孔)口水溫平均值]：湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)溫度53℃；湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)溫度30℃；湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)溫度28℃。

當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁豻0(以收集到的氣象資料確定)：16℃。

地?zé)崴拿芏圈褀：根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615—2010)附錄C中表C.2提供的經(jīng)驗(yàn)值內(nèi)插，湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)地?zé)崴拿芏?86.6kg/m3；湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)西部蒼山區(qū)地?zé)崴拿芏?95.1kg/m3；湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)地?zé)崴拿芏?95.9kg/m3。

彈性釋水系數(shù)S：

S=Mρw[ψβW+(1-ψ)βS]

=MρwψβW+Mρw(1-ψ)βS

(9)

式中包含水的膨脹釋放出的水和含水層壓縮變薄(空隙變小)釋放出的水二部分。本區(qū)熱儲(chǔ)埋藏深，巖性由堅(jiān)硬的灰?guī)r、砂巖等組成，其上覆較厚的隔水層分布，熱儲(chǔ)層的壓縮很小，因此本次計(jì)算不考慮含水層壓縮變薄釋放出的水。故式(9)簡(jiǎn)化為

S=MρwψβW

(10)

式中：βW—水的體積彈性壓縮系數(shù)，一般經(jīng)驗(yàn)值4.5×10-10(Pa-1)；其余各參數(shù)意義與前文同。

經(jīng)計(jì)算，湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)彈性釋水系數(shù)3.66×10-6；湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)西部蒼山區(qū)彈性釋水系數(shù)4.07×10-6；湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)彈性釋水系數(shù)5.41×10-6。

計(jì)算起始點(diǎn)以上水頭高度H(取各小區(qū)內(nèi)地?zé)峋跋嚓P(guān)煤炭資源勘查鉆孔主要熱儲(chǔ)埋深平均值)：湖州太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)1 090.9m；湖州蒼山地?zé)豳Y源區(qū)322.16m；湖州小梅口地?zé)豳Y源區(qū)156.58m。

水的比熱Cw：4 180 J/(kg·K)。

2.3.3 熱量計(jì)算與評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算，太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)中熱量3.67×1017J，其中，水中儲(chǔ)存的熱量3.99×1016J，巖石中儲(chǔ)存的熱量3.27×1017J(表3)。

表3 太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)中熱量計(jì)算成果

太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)面積48 253 966m2,熱儲(chǔ)中的熱量高達(dá)3.67×1017J,熱量非常巨大。太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)中的熱量是現(xiàn)有7口地?zé)峋觊_采累計(jì)可利用熱能量的1 162倍。其中，熱儲(chǔ)中水的熱量是現(xiàn)有7口地?zé)峋觊_采累計(jì)可利用熱能量的126倍，熱儲(chǔ)中巖石的熱量是現(xiàn)有7口地?zé)峋觊_采累計(jì)可利用熱能量的1 036倍。結(jié)果表明，太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)可利用的地?zé)豳Y源豐富、潛力巨大。

3 結(jié)論及建議

1)單井抽水試驗(yàn)成果資料表明，太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)日可開采地?zé)豳Y源量可達(dá)10 000m3以上，地?zé)峋偪刹傻叵聼崴Y源豐富。

3)太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)中熱量3.67×1017J，其中，水中儲(chǔ)存的熱量3.99×1016J，巖石中儲(chǔ)存的熱量3.27×1017J。太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)熱儲(chǔ)中的熱量是現(xiàn)有7口地?zé)峋觊_采累計(jì)可利用熱能量的1 162倍，其中，熱儲(chǔ)中水的熱量是現(xiàn)有7口地?zé)峋觊_采累計(jì)可利用熱能量的126倍，熱儲(chǔ)中巖石的熱量是現(xiàn)有7口地?zé)峋觊_采累計(jì)可利用熱能量的1 036倍。結(jié)果表明，太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)可利用的地?zé)豳Y源豐富、潛力巨大。

4)太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)及周邊區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造及其發(fā)育，地?zé)岙惓Ｃ黠@。初步推測(cè)，本次計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)域東部邊界Fa斷層以東并非不存在熱儲(chǔ)，而是熱儲(chǔ)埋深較大，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下勘查開發(fā)利用地?zé)豳Y源，技術(shù)難度大、費(fèi)用高。同時(shí)，也并不能說明Fa斷層一直向東，熱儲(chǔ)埋深將越來越大。根據(jù)近期的勘查成果發(fā)現(xiàn)：Fa斷層以東熱儲(chǔ)埋深有變淺的可能。如Fa斷層以東約12km的湖州織里，ZK920鉆孔揭露白堊系蓋層厚度僅283m,遠(yuǎn)小于WQ09、WQ13、WQ10井控制的白堊系厚度；又如Fa斷層以東約30km的湖州倪家灣，ZR2探采結(jié)合井1 525～1 775m揭露二疊系棲霞組、石炭系船山組灰?guī)r熱儲(chǔ)，該熱儲(chǔ)頂板埋深與本區(qū)WQ10井相近，可見灰?guī)r熱儲(chǔ)埋深在區(qū)域上并非Fa斷層以東越來越深。計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)域西部邊界F7斷層以西橫山構(gòu)造隆起區(qū)、洪橋深凹盆地區(qū)、新塘-后洋斷陷區(qū)等區(qū)塊，構(gòu)造位置處于小梅山背斜西翼，其地質(zhì)構(gòu)造條件與太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)相似，且以往有較多的煤炭資源勘查鉆孔控制或揭露灰?guī)r地層，也已有多個(gè)地?zé)岙惓ｏ@示，預(yù)測(cè)太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)以西約100km2的范圍內(nèi)蘊(yùn)含豐富的淺層地下熱水資源。在整體斷裂構(gòu)造發(fā)育的背景下，太湖南岸地?zé)豳Y源區(qū)東西兩側(cè)廣大區(qū)域均有可能存在豐富的地下熱水資源，可作為今后地?zé)豳Y源勘查的重要區(qū)域。