冀中坳陷束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式

高楠安，汪新偉*，梁海軍，杜 利，毛 翔，羅 璐，王婷灝

1. 中國(guó)石化集團(tuán) 新星石油有限責(zé)任公司，北京 100083；2. 中國(guó)石化地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

地?zé)崮芤云滟Y源的豐富性、可再生性和環(huán)保性，近年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注（Muffler et al，1978；陳墨香等，1994；陳墨香，1998；汪集暘等，1993；Moeck，2014；周總瑛，2015；王貴玲等，2017）。對(duì)地?zé)嵯到y(tǒng)概念的理解隨著地?zé)嵫芯康纳钊攵粩喟l(fā)展，早期地?zé)嵯到y(tǒng)被定義為地?zé)岬母患潭茸阋詷?gòu)成能量資源的系統(tǒng)（Rybach et al., 1985），其后汪集暘（2015）強(qiáng)調(diào)“地?zé)嵯到y(tǒng)是一個(gè)地?zé)崮芫奂娇衫玫某潭?，在熱量和流體循環(huán)上相對(duì)獨(dú)立的地質(zhì)單元”。近年來(lái)，許多學(xué)者為了突出地?zé)嵯到y(tǒng)各個(gè)地質(zhì)要素在地?zé)崽锍梢蚍矫娴膬?nèi)在聯(lián)系及之間的有效匹配，把含油氣盆地分析的研究思路引入地?zé)崽镅芯浚ê沃瘟恋龋?017；張英等，2017），將地?zé)嵯到y(tǒng)定義為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的地質(zhì)單元，包含“源、儲(chǔ)、通、蓋”等地質(zhì)要素和熱的傳輸、儲(chǔ)集、保存、散失等一系列地質(zhì)作用。一套地?zé)嵯到y(tǒng)在平面上可以跨越多個(gè)構(gòu)造單元（地?zé)崽铮粋€(gè)構(gòu)造單元（地?zé)崽铮┰诖瓜蛏峡梢院鄠€(gè)地?zé)嵯到y(tǒng)。前人多傾向于對(duì)一個(gè)地?zé)崽飪?nèi)一套熱儲(chǔ)的地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式的研究（王迪等，2020；隋少?gòu)?qiáng)，2020），而對(duì)于同一構(gòu)造單元內(nèi)兩套地?zé)嵯到y(tǒng)成因聯(lián)系的研究較少，需通過(guò)解剖典型地?zé)崽飦?lái)對(duì)比分析之間的異同點(diǎn)。

束鹿凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷南端，是典型的東斷西超的箕狀斷陷（圖1）包含淺層館陶組砂巖熱儲(chǔ)與深層奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)兩套地?zé)嵯到y(tǒng)。位于束鹿凹陷北部的辛集市，是地?zé)豳Y源勘探開(kāi)發(fā)較早的地區(qū)，對(duì)于兩套熱儲(chǔ)均有開(kāi)發(fā)利用（表1）。近年來(lái)隨著中石化對(duì)該區(qū)域集中勘探開(kāi)發(fā)，已完鉆地?zé)峋?0余口，實(shí)現(xiàn)供暖面積約2.5×106m2。束鹿凹陷的地質(zhì)研究目前多集中于油氣勘探開(kāi)發(fā)方向，包括潛山油氣儲(chǔ)層類型和地下水化學(xué)分析（黃遠(yuǎn)鑫等，2018；吳東勝和陳林，2018；朱潔瓊等，2019；蔡川等，2020），而在地?zé)岬刭|(zhì)方面研究較少（李卓等，2017；劉現(xiàn)川，2017），尤其是其地?zé)嵯到y(tǒng)的成因機(jī)制方面更是尚未開(kāi)展綜合分析。本次研究在前人成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合最新地?zé)徙@井資料與水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，通過(guò)剖析“源”、“儲(chǔ)”、“通”、“蓋”四大地質(zhì)要素，查明其傳熱、聚熱機(jī)制，建立并對(duì)比分析束鹿凹陷上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步評(píng)價(jià)其地?zé)豳Y源量，從而為后期該區(qū)域地?zé)峥碧介_(kāi)發(fā)提供一定理論依據(jù)。

表1 辛集地?zé)崽锏湫偷責(zé)徙@孔數(shù)據(jù)Table 1 Typical geothermal borehole data in the Shulu Sag

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)概況

束鹿凹陷在區(qū)域構(gòu)造上屬于渤海灣盆地冀中坳陷內(nèi)的三級(jí)構(gòu)造單元（圖1），為一新生代斷陷凹陷，經(jīng)歷了印支、燕山、以及喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈改造，受控于東側(cè)新河斷裂和北側(cè)衡水?dāng)嗔选Ｆ湮鞑肯蛏线^(guò)渡為寧晉凸起，東部為新河凸起，北部為深縣凹陷，南部為小劉村凸起（孔冬艷，2005；郭增虎等，2018）。平面上具有東西分帶的特點(diǎn)，可以劃分為斜坡帶、洼槽帶（張丁寧等，2018；陳杰，2019）。

圖1 束鹿凹陷及鄰區(qū)構(gòu)造單元與巖性分布圖（據(jù)吳東勝，2018修改）Fig. 1 Regional map showing the structual units and lithological distribution in the Shulu Sag and its adjacent area

束鹿凹陷的地層層序表現(xiàn)為在太古界結(jié)晶基底之上發(fā)育了4套構(gòu)造層（圖1），由老到新依次為（1）中—上元古界，主要發(fā)育長(zhǎng)城系、薊縣系，巖性由碳酸鹽巖和少量碎屑巖組成；（2）下古生界寒武系—奧陶系以灰?guī)r、白云巖夾泥頁(yè)巖為主；（3）上古生界石炭系—二疊系主要發(fā)育泥巖、碳質(zhì)泥巖及煤層，由于區(qū)域性抬升剝蝕，分布范圍局限；（4）新生界主要為古近紀(jì)斷陷期和新近紀(jì)拗陷期的碎屑巖沉積。

束鹿凹陷及鄰區(qū)主要發(fā)育兩種類型熱儲(chǔ)（圖1），分別是陸相碎屑沉積為主的新生界孔隙型熱儲(chǔ)和海相沉積為主的古生界、中新元古界的碳酸鹽巖類巖溶型熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)受沉積物性與構(gòu)造演化的制約。其中，孔隙型熱儲(chǔ)主要為新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組熱儲(chǔ)層，分布于整個(gè)研究區(qū)；巖溶熱儲(chǔ)主要為古生界奧陶系和薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層，分布于束鹿凹陷洼陷帶和西斜坡帶，在寧晉凸起和新河凸起上抬升剝蝕。本次研究的主要對(duì)象為新近系館陶組和古生界奧陶系熱儲(chǔ)，分別構(gòu)成了淺層砂巖與深層碳酸鹽巖兩套地?zé)嵯到y(tǒng)。

2 地?zé)嵯到y(tǒng)成因要素

地?zé)嵯到y(tǒng)的成因要素主要包括熱源機(jī)制、熱儲(chǔ)特征、地下水運(yùn)移、蓋層條件等，明確各地質(zhì)因素的特征和他們之間的傳熱、聚熱機(jī)制，是建立地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式的基礎(chǔ)，也是后期地?zé)豳Y源精細(xì)評(píng)價(jià)的依據(jù)（朱煥來(lái)，2011；郎旭娟，2016；汪新偉等，2019）。

2.1 熱源機(jī)制

2.1.1 深部地殼結(jié)構(gòu)

束鹿凹陷莫霍面埋深大約為34~36 km，根據(jù)大地電磁資料深部電性結(jié)構(gòu)可以看出（詹艷等，2011），在深度10 km以上的晉縣斷裂（F4）和新河斷裂（F5）呈現(xiàn)明顯的電性差異帶，表現(xiàn)為斷裂上盤(pán)的低阻和斷裂下盤(pán)的高阻，與地表地質(zhì)劃分的位置一致（圖2）。其中晉縣斷裂（F4）向西延伸約10 km，深度約7 km，平緩的歸并于太行山山前斷裂（F1）之上；新河斷裂向西延伸到深度5 km左右。在深度10 km深度之下，束鹿凹陷及其鄰區(qū)的電性結(jié)構(gòu)存在一個(gè)較大的深部隱伏電性差異帶，其向下延伸深度約30 km，向上與新河斷裂交會(huì)，推測(cè)該隱伏差異帶與新河、晉縣斷裂構(gòu)成了深部熱流向上運(yùn)輸?shù)挠欣ǖ溃▓D2）。

大地?zé)崃魇堑貧せ驇r石圈深部熱狀態(tài)在地表的直觀表現(xiàn)，從冀中坳陷南部電磁剖面深部電性結(jié)構(gòu)與大地?zé)崃髦祵?duì)比圖（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，電磁剖面對(duì)應(yīng)的大地?zé)崃髦底兓c其深部結(jié)構(gòu)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表現(xiàn)為莫霍面埋深由西向東逐步變淺，相應(yīng)的大地?zé)崃髦涤晌飨驏|表現(xiàn)為逐步變大，同時(shí)殼內(nèi)高阻體對(duì)應(yīng)于相對(duì)低的大地?zé)崃髦?，殼?nèi)低阻體對(duì)應(yīng)相對(duì)高的大地?zé)崃髦?。在石家莊-晉縣凹陷、寧晉凸起和束鹿凹陷之下的殼內(nèi)低阻高導(dǎo)層，埋深約為10 km，厚約為20 km，可能是由于長(zhǎng)英質(zhì)礦物的部分熔融，與上地幔的熱物質(zhì)的上升有關(guān)（楊曉平等，2016）。束鹿凹陷及其鄰區(qū)大地?zé)崃髦悼筛哌_(dá)68 mW/m2，推測(cè)該低阻體為研究區(qū)提供了一定熱能。

圖2 冀中坳陷南部電磁剖面深部電性結(jié)構(gòu)（據(jù)詹艷等，2011）與大地?zé)崃髦担〒?jù)Wang et. al., 2019修改）對(duì)比圖Fig. 2 2-D geo-electrical structure model obtained by the NLCG along the profile of southern Jizhong Depression and variations in heat flows in southern Jizhong Depression (modified from Wang et. al., 2019)

2.1.2 熱傳遞方式

通過(guò)分析單井上蓋層與儲(chǔ)層的溫深關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)（圖3），束鹿凹陷中地?zé)峋疁厣钋€表現(xiàn)為溫度隨深度的增加而升高，總體上呈分段式，即第四紀(jì)沉積物地溫梯度為明顯高值（最高可達(dá)8.13℃/100 m），下部?jī)?chǔ)層為相對(duì)低值（多介于1~2℃/100 m），反映了由于熱導(dǎo)率不同，熱傳導(dǎo)速度在儲(chǔ)層與蓋層間存在著較大差異。

館陶組砂巖孔隙型熱儲(chǔ)溫深曲線呈兩段式（圖3），儲(chǔ)層地溫梯度在1~1.5℃/100 m。在GL7井上可以看到（圖3b），明化鎮(zhèn)組上部存在一段溫深關(guān)系，表現(xiàn)為地層溫度大于其儲(chǔ)層地溫梯度擬合溫度，反映了側(cè)方可能存在著高溫流體的注入（圖3b），表明砂巖熱儲(chǔ)中熱量傳遞以熱傳導(dǎo)為主，局部存在熱對(duì)流。

圖3 束鹿凹陷地?zé)峋疁厣钭兓€Fig. 3 Relationship between formation temperatures and depths of geothermal wells in the Shulu Sag

奧陶系巖溶型熱儲(chǔ)溫深曲線呈四段式（圖3c）和三段式（圖3d），儲(chǔ)層地溫梯度在1.5~2.5℃/100 m之間，略高于砂巖熱儲(chǔ)，以熱傳導(dǎo)為主傳遞熱量。其中ZY2井上東營(yíng)—沙河街組地層的地溫梯度（2.88℃ /100 m）略高于下部奧陶系—寒武系（2.31℃/100 m），明顯高于上部明化鎮(zhèn)—館陶組（1.08℃/100 m），說(shuō)明東營(yíng)—沙河街組地層對(duì)于下伏奧陶系巖溶熱儲(chǔ)為一套良好的隔水阻熱層。

2.1.3 淺部地?zé)釄?chǎng)特征

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于基底隆起區(qū)，有較高的地溫梯度，而在基底凹陷區(qū)有較低的地溫梯度（毛小平，2018；Wang et al., 2019）。本次研究基于實(shí)測(cè)地溫梯度和熱物性參數(shù)等資料，結(jié)合前人研究成果繪制了束鹿凹陷及鄰區(qū)新生代平均地溫梯度平面分布圖（圖4a），由此分析淺部地?zé)釄?chǎng)特征。地溫梯度在平面分布上表現(xiàn)出顯著的橫向變化特征，表現(xiàn)為凹陷區(qū)地溫梯度低，凸起區(qū)地溫梯度高。束鹿凹陷內(nèi)部地溫梯度多介于2~3℃/100 m之間，在凹陷西南部地溫梯度較高，可達(dá)3.75℃/100m；在西側(cè)寧晉凸起上，地溫梯度多在3~3.75℃/100 m之間；在東側(cè)新河凸起上，地溫梯度多在3~4℃/100 m之間；而在南側(cè)小劉村凸起上，地溫梯度最高可達(dá)4.5℃/100 m。結(jié)合研究區(qū)的基巖地質(zhì)圖（圖1），分析可知凸起區(qū)剝露的地層愈古老，對(duì)應(yīng)的地溫梯度愈高，凹陷區(qū)沉積地層厚度越大，對(duì)應(yīng)的地溫梯度越低。

2.2 熱儲(chǔ)特征

2.2.1 孔隙型砂巖熱儲(chǔ)

目前開(kāi)發(fā)利用的孔隙型砂巖熱儲(chǔ)主要為館陶組，其平面展布與縱向分層特征如下：

（1）頂、底板埋深：束鹿凹陷及鄰區(qū)館陶組孔隙性砂巖熱儲(chǔ)主要受凹凸格局限制，其頂板埋深介于300~1600 m，底板埋深介于1100~2000 m，整體而言，由南向北，由西向東，熱儲(chǔ)底板埋深增大（圖4b）。

圖4 束鹿凹陷及鄰區(qū)新生代地層地溫梯度平面等值線圖(a)；束鹿凹陷及鄰區(qū)館陶組底界面溫度和埋深平面等值線圖(b)Fig. 4 Cenozoic strata geothermal gradients in the Shulu Sag and its adjacent area (a); Distribution of temperatures and depths of the base of the Guantao Formation (b)

（2）底板溫度：館陶組底界面溫度受熱傳導(dǎo)差異影響，其平面分布特征與凹凸格局有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。表現(xiàn)為凹陷中溫度較低，周圍凸起上相對(duì)較高。束鹿凹陷館陶組底界面溫度多介于57~67℃，在其西南部最高可達(dá)75℃；西部寧晉凸起和南部小劉村凸起上，溫度相對(duì)較高，分別為65~78℃和65~75℃；東部新河凸起上，溫度為57~70℃。

（3）儲(chǔ)集層物性特征：館陶組熱儲(chǔ)主要以灰白色含礫細(xì)砂巖為主，最底部為灰色中砂巖，整體砂泥比高，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)已有井資料，其儲(chǔ)厚比可達(dá)55~70%，儲(chǔ)層厚度約為200~320 m。總體上呈現(xiàn)孔隙度大，約15%~35%，滲透率高，最高可達(dá)1200 mD的特征，垂向上為多套含礫砂巖與泥巖互層，表現(xiàn)為多套含水層與隔水層疊置的特征。

（4）縱向分層：以研究區(qū)內(nèi)GL7井為例（圖5a），在1487~1971 m深度范圍內(nèi)解釋出21層含水層，累計(jì)有效厚度為291 m，折算砂厚比為60.1%，單層最大厚度可達(dá)42 m，最小為2.6 m。泥質(zhì)含量普遍較低，平均值為13.7%?？紫抖容^為均一，介于17.9%~33.8%，平均值25.2%；滲透率變化大，介于14.4~1180.1 mD。

圖5 束鹿凹陷不同類型熱儲(chǔ)典型單井特征：館陶組孔隙性砂巖熱儲(chǔ)（a）；奧陶系巖溶熱儲(chǔ)（b）Fig. 5 Typical single well characteristics of different types of thermal reservoirs in the Shulu Sag: porous sandstone geothermal reservoir in the Guantao Formation (a); Ordovician karst geothermal reservoir (b)

2.2.2 碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)

奧陶系是碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)開(kāi)發(fā)利用的主力層系，其空間展布主要受單斜狀構(gòu)造格局控制，頂板埋深變化較大，總體介于1800~6000 m，在束鹿凹陷西斜坡帶向上尖滅。據(jù)已有地?zé)徙@井資料顯示，奧陶系巖溶熱儲(chǔ)在井深2100~3500 m時(shí)，地?zé)崴跍囟燃性?8~91℃。鉆井巖屑揭示奧陶系地層上段巖性主要為灰?guī)r、下段巖性以白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖為主，地層厚度約為550~1100 m（黎苗，2013），總體儲(chǔ)厚比為20%~50%，儲(chǔ)層厚度約為100~550 m。巖溶熱儲(chǔ)非均質(zhì)性強(qiáng)，孔隙度在2%~18%（李東昊，2018）；滲透率在0.5~50 mD。

奧陶系熱儲(chǔ)在縱向上亦具有分層特征。以KD3井為例（圖5b），奧陶系地層在2165~2628 m深度范圍內(nèi)共識(shí)別出I、II、III類熱儲(chǔ)層共34層，儲(chǔ)層有效厚度共267.9 m。其中發(fā)育I類熱儲(chǔ)層13層，總厚度121.8 m，平均孔隙度4.1%，平均滲透率0.7~3.0 mD；II類熱儲(chǔ)層12層，總厚度101.2 m，平均孔隙度2.9%，平均滲透率0.2~3 mD；III類熱儲(chǔ)層9層，總厚度44.9 m，平均孔隙度2.5%，平均滲透率0.1~1.1 mD。該井在研究區(qū)內(nèi)孔滲物性參數(shù)整體低于研究區(qū)平均值。

2.3 地下水運(yùn)移分析

2.3.1 水化學(xué)特征

研究區(qū)地下熱水有著水化學(xué)類型比較集中，礦化度較高的特征，其中陽(yáng)離子以Na+占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，Ca2+次之，Mg+含量最低；陰離子中以Cl-占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，HCO3-次之，SO42-含量較低。水化學(xué)類型按C.A舒卡列夫分類為Cl-Na和Cl·HCO3-Na型兩類（圖6）。

圖6 束鹿凹陷地?zé)崃黧wPiper圖Fig. 6 Piper triangular diagram of the major ions in underground water from the Shulu Sag

取水層段為館陶組砂巖熱儲(chǔ)的水化學(xué)類型全部為Cl·HCO3-Na型。總體上，館陶組地下熱水中Cl-含量多集中在450~700 mg/L，TDS含量相對(duì)較低，大部分在2000 mg/L以下。館陶組地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)γNa/γCl為0.93~1.31，均大于0.85，說(shuō)明水動(dòng)力環(huán)境開(kāi)放。

取水層段為奧陶系巖溶熱儲(chǔ)的地?zé)崴疄镃l-Na型和Cl·HCO3-Na型。TDS含量相比館陶組含量更高，普遍在2500 mg/L以上，Ca2+濃度在奧陶系巖溶地?zé)崴邪l(fā)生明顯富集，最高可達(dá)121.1 mg/L，Cl-濃度基本超過(guò)了1000 mg/L，顯著高于館陶組地?zé)崴ū?）。奧陶系地?zé)崴淖冑|(zhì)系數(shù)γNa/γCl為0.75~0.86，幾乎都小于0.85，說(shuō)明水動(dòng)力環(huán)境封閉。相比于館陶組砂巖熱水，奧陶系巖溶熱水中水巖相互作用中陽(yáng)離子是以含Ca2+的礦物溶解為主，水巖相互作用程度更高，運(yùn)移時(shí)間長(zhǎng)，存儲(chǔ)存環(huán)境相對(duì)封閉，水的成熟度更高。

表2 束鹿凹陷水化學(xué)分析數(shù)據(jù)Table 2 Chemical composition and information of groundwater samples in the Shulu Sag

2.3.2 補(bǔ)給高程計(jì)算

大氣降水中的氫氧同位素具有高程效應(yīng)。在水文地球化學(xué)中，如果已經(jīng)確定大氣降水為地下水補(bǔ)給來(lái)源，可以利用氫氧同位素的高程效應(yīng)確定補(bǔ)給區(qū)和補(bǔ)給高程（Sanchez et al.，2004）。沉積盆地型地?zé)豳Y源的地下水補(bǔ)給來(lái)源通常為大氣降水，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴笑?8O的數(shù)值可以計(jì)算得到地下熱水補(bǔ)給高程，計(jì)算公式如下：

式中，H為補(bǔ)給區(qū)海拔，m；h為取樣點(diǎn)海拔，m；δG為地下熱水中的δ18O值，‰；δP為取樣點(diǎn)降水中δ18O的值，取-7.6‰；K為δ18O同位素高度梯度，取-0.11‰/100 m。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 束鹿凹陷地?zé)峋a(bǔ)給高程計(jì)算表Table 3 Parameters and supply elevation calculated

計(jì)算結(jié)果表明，束鹿凹陷地下熱水補(bǔ)給區(qū)海拔在1300~2300 m之間，結(jié)合當(dāng)?shù)氐孛睬闆r，認(rèn)為地下水補(bǔ)給主要來(lái)自西邊太行山南段裸露山區(qū)的大氣降水，在研究區(qū)內(nèi)自西向東運(yùn)移。

2.4 蓋層條件

對(duì)于傳導(dǎo)型地?zé)?，熱?dǎo)率相對(duì)較低的蓋層對(duì)地溫場(chǎng)分布的影響尤為重要（龔育齡，2011），熱導(dǎo)率與地溫梯度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，蓋層的地溫梯度越高，其封蓋性能越好。研究區(qū)內(nèi)第四系平原組和新近系明化鎮(zhèn)組地層厚度約300~1400 m，其中，平原組主要沉積松散的泥質(zhì)粉砂及細(xì)砂巖，是一套良好的隔水層。同時(shí)對(duì)于下伏兩套熱儲(chǔ)層也是優(yōu)質(zhì)的隔熱保溫蓋層，其導(dǎo)熱率約為0.9~1.8 W/(m·K)，地溫梯度可達(dá)到6.5~8.5℃/100 m，源自地下深處的熱流途經(jīng)該層段傳導(dǎo)時(shí)，因傳遞速度變慢而產(chǎn)生富集作用。古近系和石炭系—二疊系厚度約為300~800 m，主要巖性為泥巖夾粉砂巖及細(xì)砂巖，局部發(fā)育黑色泥頁(yè)巖，對(duì)地?zé)崃黧w在垂向運(yùn)移上有很好的封堵作用。該層段導(dǎo)熱率多在1.7 W/(m·K)左右，地溫梯度為1.2~3.5℃/100 m，略高于下伏熱儲(chǔ)層，與第四系平原組、新近系明化鎮(zhèn)組共同構(gòu)成了下部奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的優(yōu)質(zhì)蓋層。

3 地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型

通過(guò)上述對(duì)束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)“源、儲(chǔ)、通、蓋”四大地質(zhì)因素的分析可以建立起研究區(qū)兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式。束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)熱源可能為其下部埋深20 km處的低阻體，該低阻體東部的隱伏差異帶與上部的新河、晉縣斷裂構(gòu)成了深部熱流向上運(yùn)輸?shù)挠欣ǖ?。館陶組砂巖和奧陶系碳酸鹽巖為研究區(qū)內(nèi)的兩套層狀熱儲(chǔ)，均接受來(lái)自西部太行山隆起大氣降水的補(bǔ)給，由古近系沉積的厚層砂泥巖和石炭系—二疊煤質(zhì)沉積相隔，構(gòu)成了上下兩套相互獨(dú)立的地?zé)嵯到y(tǒng)。大氣降水以地層不整合面和斷裂為運(yùn)移通道，經(jīng)深部循環(huán)、圍巖加熱，并與圍巖發(fā)生水巖反應(yīng)、礦物質(zhì)和微量元素溶解形成地?zé)崴患畛溆跓醿?chǔ)中。上部第四系和明化鎮(zhèn)組較細(xì)的沉積地層構(gòu)成了良好的蓋層，熱流在該地層傳導(dǎo)時(shí)，地溫快速降低。兩套地?zé)嵯到y(tǒng)都以熱傳導(dǎo)傳為主，局部存在熱對(duì)流共同作用傳遞熱流（圖7）。

圖7 束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式圖Fig. 7 Conceptual model of the geothermal system in the Shulu Sag

館陶組孔隙性砂巖地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)底面埋深介于1100~2000 m，儲(chǔ)層厚度約200~320 m，熱儲(chǔ)底板溫度多在57~78℃，地?zé)崴瘜W(xué)類型為Cl·HCO3-Na型，水動(dòng)力環(huán)境開(kāi)放，上覆平原組和明化鎮(zhèn)組地層構(gòu)成其封堵蓋層；奧陶系裂隙性巖溶地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)頂面埋深介于1800~6000 m，儲(chǔ)層厚度約100~550 m，井口溫度在75~92℃，地?zé)崴瘜W(xué)類型以Cl-Na型為主，水動(dòng)力環(huán)境較為封閉，由平原組和明化鎮(zhèn)組和上覆古近系、石炭系—二疊系共同構(gòu)成其封堵蓋層。

4 地?zé)崽锏責(zé)豳Y源量評(píng)價(jià)

4.1 計(jì)算方法及參數(shù)的確定

束鹿凹陷兩套地?zé)嵯到y(tǒng)均為沉積盆地型層狀熱儲(chǔ)，根據(jù)上述地?zé)崽锍梢驒C(jī)制分析，結(jié)合目前已有的鉆探資料可以使用熱儲(chǔ)體積法對(duì)館陶組砂巖熱儲(chǔ)和奧陶系巖溶熱儲(chǔ)進(jìn)行資源量評(píng)價(jià)。其基本原理為計(jì)算某一給定體積的巖石和水中所含有的全部熱含量之和，其計(jì)算公式如下：

式中，Q為地?zé)豳Y源量，J；A為評(píng)價(jià)區(qū)面積，m2；d為熱儲(chǔ)有效厚度，m；φ為巖石的孔隙度，%；tr為熱儲(chǔ)溫度，℃；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，?4.9℃；Pc為巖石密度，取2700 kg/m3；Cc為巖石比熱容，其中砂巖比熱取878 J/(kg·℃)，灰?guī)r比熱取920 J/(kg·℃)；Pw為水的密度，取1000 kg/m3；Cw為水的比熱容。取4180 J/(kg·℃)。

公式中各個(gè)參數(shù)確定如下（表4）：

表4 束鹿凹陷地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)參數(shù)取值與計(jì)算結(jié)果Table 4 Evaluation parameters and calculated data of geothermal resources in the Shulu Sag

（1）評(píng)價(jià)區(qū)面積（A）：館陶組熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)面積為束鹿凹陷洼槽帶和斜坡帶區(qū)域，奧陶系為凹陷內(nèi)基巖地質(zhì)圖中石炭系—二疊系和奧陶系出露區(qū)域，由GeoMap軟件計(jì)算面積分別為674.66 km2和562.44 km2。

（2）熱儲(chǔ)有效厚度（d）：通過(guò)已有鉆井進(jìn)行儲(chǔ)厚比（有效儲(chǔ)層厚度/地層厚度）統(tǒng)計(jì)計(jì)算，再結(jié)合平均地層厚度計(jì)算出儲(chǔ)層厚度（平均地層厚度×儲(chǔ)厚比）。其中，館陶組地層儲(chǔ)層厚度200~320 m，平均儲(chǔ)層厚度取286.2 m；奧陶系地層儲(chǔ)層厚度100~550 m，平均儲(chǔ)層厚度取130.7 m。

（3）熱儲(chǔ)平均溫度（tr）：為熱儲(chǔ)頂?shù)装鍦囟鹊钠骄?，其中，館陶組砂巖熱儲(chǔ)溫度為57~67℃，平均溫度取59.6℃；奧陶系巖溶熱儲(chǔ)溫度為78~91℃，平均溫度取75.9℃。

（4）熱儲(chǔ)孔隙度（φ）：根據(jù)測(cè)井解釋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，束鹿凹陷館陶組孔隙度15%~35%，平均孔隙度取25.5%；奧陶系孔隙度2%~18%，平均孔隙度取7.8%。

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

束鹿凹陷兩套地?zé)嵯到y(tǒng)計(jì)算出的地?zé)豳Y源量如表2所示。根據(jù)公式計(jì)算出館陶組砂巖熱儲(chǔ)平均資源量值為244.430×108GJ，奧陶系巖溶熱儲(chǔ)平均資源量值 203.752×108GJ，合計(jì)為 448.182×108GJ，折合標(biāo)煤 15.296×108t（1t標(biāo)煤可產(chǎn)出 29.3 GJ熱量）。根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》（DZ40-85）規(guī)定，砂巖熱儲(chǔ)回收率為25%，巖溶熱儲(chǔ)回收率為15%，所以束鹿凹陷可采資源量為91.671×108GJ，折合標(biāo)煤3.129×108t。若按100年開(kāi)采計(jì)，每年可開(kāi)采地?zé)豳Y源量折合標(biāo)煤3.129×106t。根據(jù)每平方米每年供暖所需熱量為0.0283 t標(biāo)煤，束鹿凹陷地?zé)豳Y源量滿足的供暖面積可達(dá)1.106×108m2，資源開(kāi)發(fā)潛力巨大

5 討論

5.1 兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的成因差異

如前所述，束鹿凹陷的兩套地?zé)嵯到y(tǒng)具有相同的水源，均為來(lái)自太行山南段裸露山區(qū)的大氣降水，但運(yùn)移的路徑、時(shí)間、與形成的水化學(xué)特征等方面有所差異：（1） 運(yùn)移路徑：淺層館陶組砂巖熱儲(chǔ)地層整體均一平緩，埋藏深度為1600~2000 m，地?zé)崴谏皫r熱儲(chǔ)中較平穩(wěn)地至西向東運(yùn)移；而深層的奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)受古近紀(jì)斷塊旋轉(zhuǎn)、差異升降的影響，地層呈多個(gè)并列的不規(guī)則單斜或褶皺狀特征，頂板埋藏深度變化較大，約1800~6000 m，運(yùn)移路徑復(fù)雜，地?zé)崴h(huán)深度大；（2） 運(yùn)移時(shí)間：根據(jù)本次測(cè)試得到的奧陶系熱水14C年齡大于4萬(wàn)年，收集到的館陶組熱水14C年齡為3.29 ± 0.16萬(wàn)年（方連育等，2015），說(shuō)明源于同一地區(qū)大氣降水，在研究區(qū)奧陶系儲(chǔ)層內(nèi)運(yùn)移時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)；（3） 水化學(xué)特征：兩套地?zé)嵯到y(tǒng)中的地?zé)崴瘜W(xué)特征有明顯區(qū)別，砂巖熱儲(chǔ)中地?zé)崴V化度為900~2300 mg/L，水化學(xué)類型主要為Cl·HCO3-Na；奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)中地?zé)崴V化度為2500~3300 mg/L，水化學(xué)類型主要為Cl-Na。水化學(xué)特征與運(yùn)移路徑、時(shí)間的差異密切相關(guān)。但對(duì)比兩套地?zé)嵯到y(tǒng)與其之間古近系和石炭系—二疊系地?zé)崴牡V化度可知（圖8），沙河街組流體系統(tǒng)礦化度最高，在0~150000 mg/L，以鹽水和鹵水為主，儲(chǔ)存環(huán)境封閉，對(duì)上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)在垂向上起到分隔作用，使兩套熱儲(chǔ)形成相互獨(dú)立的地?zé)嵯到y(tǒng)。而新近系館陶組和奧陶系地?zé)崴偷V化度的特征，表明了地?zé)崴鎯?chǔ)環(huán)境相對(duì)開(kāi)放，適于后期的開(kāi)采利用。

圖8 束鹿凹陷地層水礦化度隨深度變化分布圖（據(jù)蔡川等，2020修改）Fig. 8 Changes in TDS with depth in wells from the Shulu Sag（modified from Cai et al., 2020）

此外，從區(qū)域上看，上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)分布的特征在冀中坳陷南端普遍存在，如其西部的石家莊凹陷同樣包含新近系館陶組砂巖地?zé)嵯到y(tǒng)和基巖巖溶裂隙地?zé)嵯到y(tǒng)，接受大氣降水補(bǔ)給（胡君春和郭純青，2008）。其中館陶組砂巖地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)底板埋深943~1825.5 m，厚度200~656 m，水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na型，礦化度為1000~3000 mg/L，井口溫度50~59℃；基巖巖溶地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)頂面埋深1300~2000 m，厚度為25~350 m，水化學(xué)類型為Cl·HCO3-Na和HCO3-Na型，礦化度在2080~3130 mg/L，井口溫度50~83℃，展示了與束鹿凹陷地?zé)嵯到y(tǒng)基本類似的特征。

5.2 資源量評(píng)價(jià)的可靠性

對(duì)比兩套熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量，館陶組砂巖熱儲(chǔ)資源量可能區(qū)間為 149.727×108~337.227×108GJ，奧陶系巖溶熱儲(chǔ)的資源量可能區(qū)間89.219×108~655.760×108GJ，大于館陶組地?zé)豳Y源量區(qū)間。相較于奧陶系巖溶熱儲(chǔ)，館陶組砂巖在全區(qū)厚度均一，儲(chǔ)層物性參數(shù)變化較小。奧陶系巖溶熱儲(chǔ)僅在研究區(qū)洼陷帶和西斜坡帶上有分布，且在洼陷帶埋深普遍超過(guò)3000 m，非均質(zhì)性強(qiáng)。綜合鉆遇深度等經(jīng)濟(jì)條件，認(rèn)為淺層館陶組地?zé)嵯到y(tǒng)相較于奧陶系地?zé)嵯到y(tǒng)更具開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

劉現(xiàn)川（2017）用熱儲(chǔ)體積法對(duì)辛集-寧晉地?zé)崽锕派鐘W陶系巖溶熱儲(chǔ)資源量進(jìn)行計(jì)算，得到其地?zé)豳Y源量為191.993×108GJ，折合標(biāo)煤6.551×108t，該結(jié)果在本次研究得到的奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量區(qū)間內(nèi)，與計(jì)算得到的平均資源量值203.752×108GJ相當(dāng)。

6 結(jié)論

（1）束鹿凹陷可能接受其下20 km處深部地殼結(jié)構(gòu)中的低速高導(dǎo)體提供熱源，其右側(cè)的隱伏電性差異帶連通上部新河斷裂和晉縣斷裂構(gòu)成了深部熱流向上運(yùn)輸?shù)挠欣ǖ?。束鹿凹陷及鄰區(qū)的淺部地溫場(chǎng)在平面上表現(xiàn)為凹陷區(qū)地溫梯度的相對(duì)低值，多介于2~3℃/100 m，凸起區(qū)地溫梯度的相對(duì)高值，多介于3~4℃/100 m。熱傳遞方式以熱傳導(dǎo)為主，局部存在熱對(duì)流傳導(dǎo)。

（2）束鹿凹陷及鄰區(qū)館陶組砂巖熱儲(chǔ)底板埋深介于1100~2000 m，儲(chǔ)層厚度約為200~320 m，孔隙度約15%~35%，滲透率高達(dá)1200 mD，熱儲(chǔ)底板溫度多在57~78℃；奧陶系巖溶熱儲(chǔ)頂板埋深變化較大，介于1800~6000 m，儲(chǔ)層厚度約為100~550 m，孔隙度多在2%~18%，滲透率多在0.5~50 mD，地?zé)崴跍囟仍?5~92℃。

（3）束鹿凹陷館陶組地?zé)崴瘜W(xué)類型以Cl·HCO3-Na型為主，奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)地?zé)崴疄镃l·HCO3-Na和Cl-Na型，均接受來(lái)自西部太行山隆起大氣降水的補(bǔ)給，以不整合面和斷裂為水運(yùn)移通道，經(jīng)深部循環(huán)加熱后，富集于熱儲(chǔ)中。

（4）束鹿凹陷兩套層狀熱儲(chǔ)構(gòu)成了上下兩套地?zé)嵯到y(tǒng)，其中館陶組砂巖熱儲(chǔ)資源量為244.430×108GJ，奧陶系巖溶熱儲(chǔ) 203.752×108GJ，兩套地?zé)嵯到y(tǒng)的資源量合計(jì)為448.182×108GJ，折合標(biāo)煤15.296×108t。年開(kāi)采地?zé)豳Y源量可滿足1.106×108m2的供暖面積，開(kāi)發(fā)潛能巨大。