三維可視化技術在沈北盆地地熱資源開發(fā)中的應用

李祎昕，蔣麗麗，王 超，王 營，李伯男，張 媛，趙曉恕，張言瓏，劉茂川，張 勇

1.遼寧省物測勘查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000；2.遼寧省地礦集團生態(tài)修復有限責任公司，遼寧 沈陽 110033；2.遼寧省自然資源廳，遼寧 沈陽 110033；4.遼寧省自然資源事務服務中心，遼寧 沈陽 110032

0 引言

綜合地球物理方法是地熱勘探的有效手段［1-20］.沈北盆地地熱為遼寧省典型的盆地傳導型地熱［21］，具有水質優(yōu)、位置佳、儲量大等特點，是應用綜合地球物理方法深部地熱找礦的典型成功案例［1］.多年來積累的地質、地球物理、鉆孔資料齊全，既有成功的案例，也有失敗的案例.盆地傳導型地熱地熱蘊藏深度較深，導致了從前期的調查到勘探和開發(fā)都有很大的盲目性和風險性，難度比較大.一口2000 m左右的地熱井，鉆探成本達500～600萬元，成井失敗會造成巨大的經(jīng)濟浪費和工期延誤.本研究充分收集以往鉆孔資料和地球物理資料，建立沈北盆地三維可視化模型，使用布格重力異常模擬盆地形態(tài)，試圖找到以往失敗地熱井水溫、水量不佳的原因，為本區(qū)地熱有效開發(fā)利用提供一種新思路.

1 研究區(qū)地熱地質特征

1.1 地質簡況

沈北盆地由新城子盆地、道義盆地和蒲河盆地3個盆地組成，位于遼寧中部鼻狀幔隆區(qū)的撫順-長興幔凸之上，屬于古近紀大陸裂谷型盆地.其基底為中元古代長城—薊縣期海相沉積巖，地表全部為第四系覆蓋.受郯廬斷裂系控制，北東向斷裂發(fā)育，使其基巖相對破碎，利于地下水的儲存、富集.

1.2 熱儲概念模型

沈北地熱田熱儲概念模型由蓋層、熱儲層、熱源和地下熱水源組成.

1.2.1 蓋層

沈北地區(qū)熱儲蓋層主要由第四系、新近系、古近系沉積層構成.第四系厚度10～110 m，巖性一般為亞黏土、亞砂土、砂、砂礫石及卵石，未成巖，結構疏松；古近系底板埋深900～1800 m，局部可能超過2000 m，巖性以泥巖、粉質泥巖、砂質泥巖、砂巖及砂礫巖組成，其中以泥巖最為發(fā)育.據(jù)鉆探資料統(tǒng)計，泥巖加權厚度占新近系和古近系總厚度的67%，基本成巖或半成巖，泥質、鈣質或硅質膠結.這些地層厚度大，導熱性差，起到了很好的隔熱保溫作用，是本區(qū)地熱田的較好熱儲保溫層.

1.2.2 熱儲層

本區(qū)熱儲層主要由中元古界組成，熱儲層巖性為薊縣系鐵嶺組（Jxt）、洪水莊組（Jxh）和霧迷山組（Jxw）的白云巖或燧石條帶白云質大理巖，埋深在900～1800 m，局部超過2000 m.這類巖石以碳酸鹽巖為主，裂隙、溶隙普遍發(fā)育，總厚度大于1000 m.巖石密度2.5～2.8 g/cm3，裂隙率3%～7%，熱導率一般為1.68～3.36 W/m·K，構成了本區(qū)地熱田的主要基巖裂隙、巖溶類型熱儲層，其水溫基本上大于45℃，出水量可達1000 m3/d以上.

1.2.3 熱源

研究區(qū)處于金州-營口-沈陽變異帶上，遼河斷陷盆地的北端.該變異帶位于中部鼻狀幔隆區(qū)的東側，呈北北東向展布.受西伯利亞板塊向華北板塊俯沖影響，巖石圈結構調整.新生代由于地幔沿北北東向局部強烈上隆，巖石圈顯著伸展減?。?-9］，對應產(chǎn)生北北東向斷裂體系.由于地幔上拱，拉張作用使本區(qū)地殼厚度變薄，沈北盆地的地殼厚度小于34 km.地幔隆起導致熔融軟流圈抬高，地殼拉張形成的深部開原-營口斷裂可能斷至莫氏面，即切割了上地幔凸起，溝通了上地幔的巖槳熱源，地幔熱流沿深部斷裂上涌，為地殼深部熱流等熱載體上升提供了良好的通道，構成地熱異常的熱源.

1.2.4 熱儲范圍

沈北盆地的地下熱水主要賦存在中元古代薊縣系的斷裂破碎帶中.新城子盆地和道義盆地規(guī)模較大，而蒲河盆地的規(guī)模較小、較淺（圖1）.根據(jù)以往的鉆探成果，在1000 m以下的薊縣系中可以找到地下熱水資源，因此按－1000 m標高圈定了熱儲的范圍，沈北地熱田總面積約190 km2.

圖1 沈北盆地古近系基底等深線圖Fig.1 Bathymetric map for Paleogene basement of Shenbei Basin

1.2.5 熱儲概念模型

本區(qū)地熱田熱儲概念模型是：地殼深部供熱→深大斷裂導熱→低熱導率巖層聚熱隔熱保溫→側向地下水徑流深循環(huán)補給（圖2）.區(qū)域性的深大斷裂除自身會產(chǎn)生一定的摩擦熱外，更主要的是溝通深部的熱源.呈北北東向展布的開原－營口構造變異帶產(chǎn)生的深大斷裂可能斷至上地幔，將熔融巖漿帶至地殼，起導通熱能的作用；而區(qū)內(nèi)的一些次級斷裂則起導水作用.

圖2 沈北地熱田熱儲概念模型Fig.2 Heat reservoir conceptual model of Shenbei geothermal field

2 綜合地球物理數(shù)據(jù)整理

尋找盆地傳導型地熱的常見綜合地球物理方法有地溫測量、重力、磁法、可控源、音頻大地電磁、電測深、地震、放射性等.

本區(qū)應用重、磁面積性測量成果推測地質構造位置、性質和基本特征，確定主控地質構造，并依據(jù)重力異常圈定盆地總體輪廓，利用局部變化特征劃分次級凹陷和凸起，確定次級凸起部位及其邊緣斷裂帶為尋找地熱資源的有利部位.利用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）剖面測量成果，根據(jù)斷裂垂向地電斷面視電阻率變化特征，推斷斷裂性質和深部的巖石破碎程度以及含水情況.根據(jù)二維地震測量，進一步確定斷裂性質，推斷出最佳含水部位，最終確定地熱井井位.各種地球物理方法的作用和局限性見表1.

表1 地熱勘探的地球物理方法及數(shù)據(jù)用途Table 1 Geophysical methods and uses of geothermal prospecting

3 三維可視化技術的應用

本研究將布格重力異常進行矢量化處理，低異常區(qū)對應基底凹陷，高異常區(qū)對應基底隆起，因此布格重力異常值由低到高對應地下深度由深到淺.將已知鉆孔資料進行矢量化處理，疊加到重力三維模型中.本文采用公式為：盆地底界面=布格異?！?00-4400.

與其他地質資料相比，重力可以更好地反映沈北盆地基底起伏情況.根據(jù)區(qū)內(nèi)7口地熱井情況統(tǒng)計（見表2、3），地熱勘探效果比較好的幾口井（新南井、頗家2、治安2）都分布在盆地邊緣斷裂構造部位，在三維模型圖中同一重力值范圍內(nèi)（見圖3），代表重力推斷的某一深度的地層，水溫和水量不理想的幾口井都不在該范圍內(nèi).新參1井是盆地內(nèi)局部凸起，水溫較高而水量欠佳，其余井的水溫和水量都不理想，是因為盆地中部蓋層較厚而未打到含水層位.三維可視化重力資料直觀地模擬了盆地基底起伏情況，重力勘探是尋找盆地傳導型地熱的有效手段.

表2 已建地熱井一覽表Table 2 List of drilled geothermal wells

4 地熱資源開發(fā)方向與展望

根據(jù)資料匯總分析可以看出，越向盆地內(nèi)熱儲深度越大，水溫越高；越向盆地邊緣，鉆遇熱儲深度越淺，溫度越低.但靠近盆地內(nèi)，容易發(fā)生蓋層太厚、井太深而打不到目標層位的問題；太靠近盆地邊緣，容易產(chǎn)生水溫不夠的問題.因此，最佳的鉆孔位置應該分布在盆地邊緣某一深度范圍內(nèi).結合以往成功和失敗的地熱井分布情況和本區(qū)布格重力異常三維可視化模型，于新城子和道義東部盆地邊緣圈定了沈北地熱田遠景區(qū)（如圖3）.實際地熱井的布設還應結合以下要素：1）依照前人的經(jīng)驗，斷陷盆地的邊緣和凹陷中的相對凸起區(qū)地下熱水較好；2）有一定厚度的地熱蓋層（即保溫層）；3）有良好的熱源通道（即斷裂）；4）地下有一定的儲水空間（即儲水構造破碎帶）.

圖3 布格重力異常三維可視化模型Fig.3 3D visual model of Bouguer gravity anomaly

表3 失敗地熱井一覽表Table 3 List of failed geothermal wells

5 結論

通過系統(tǒng)收集研究沈北地熱田以往地球物理、地質、鉆孔資料，分析以往打鉆失敗的原因，使用布格重力異常模擬了沈北盆地的三維空間形態(tài).經(jīng)過與其他資料對比，模擬出的盆地形態(tài)可信程度更高.建立了沈北盆地熱儲概念模型.研究發(fā)現(xiàn)在沈北盆地中有些未成功的地熱井，其原因是對盆地三維形態(tài)了解的不夠，井位布設在盆地中心蓋層較厚的位置，且不在有利的斷裂構造位置，從而導致成井不成功.根據(jù)本次研究進一步劃分找礦遠景區(qū)，為科學合理地部署地熱勘查工作提供了依據(jù).