黃榮華 宋榮彩 張 超 王迎春 柳貴康 李 濤 吳勇君
成都理工大學(xué)能源學(xué)院
隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展,對(duì)能源的需求越來越旺盛,而傳統(tǒng)能源的使用帶來的環(huán)境問題也日益凸顯。地?zé)崮茏鳛樾履茉矗纲x存在地球內(nèi)部巖土體、流體和巖漿體中,滿足現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)要求,可被人類開發(fā)和利用的熱能[1],包括淺層地?zé)崮苜Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖型地?zé)豳Y源三種類型[2]。它通過火山爆發(fā)、溫泉、間隙溫泉及巖石的熱傳導(dǎo)等形式不斷地向地表傳送和散失熱量,是21世紀(jì)能源發(fā)展重要的可再生清潔能源,也是最現(xiàn)實(shí)最具有競爭力的資源之一[3]。具有儲(chǔ)量大、分布廣、清潔環(huán)保、可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)[4]。我國地?zé)豳Y源十分豐富,地?zé)豳Y源總量約占全球地?zé)豳Y源總量的7.9%[5],水熱型地?zé)豳Y源每年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤18.65×108t,336個(gè)地級(jí)以上城市淺層地?zé)崮苜Y源每年可開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7×108t[6]。因此,合理開發(fā)地?zé)崮軐⒇S富我國能源結(jié)構(gòu),為建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)提供充分的保障。
廣西的煤炭、石油等一次能源十分匱乏[7],煤炭資源保有量居全國第20位,主要集中于桂中、桂北、桂西,品種少、煤質(zhì)差,屬劣質(zhì)煤區(qū)[8];石油儲(chǔ)量較少,且主要分布于百色盆地和南海北部盆地,能源資源分布極不平衡,是資源匱乏地區(qū),絕大部分能源資源供應(yīng)由外部輸入,近年來地?zé)崮艿睦迷谌珖秶鷥?nèi)廣泛興起,廣西地?zé)豳Y源勘探也越來越受到重視,故發(fā)展新型能源對(duì)于廣西具有十分重要的意義。
合浦盆地位于廣西壯族自治區(qū)北海市合浦縣、欽州市浦北縣一帶,是一個(gè)在華南褶皺系上發(fā)育起來、受扭動(dòng)斷裂控制的中新生代斷坳型復(fù)合盆地[9]。盆地呈NE向展布,形態(tài)狹長,長75 km,寬5~25 km,面積950 km2[10-11]。盆地內(nèi)部斷層十分發(fā)育,第四紀(jì)以來活動(dòng)十分強(qiáng)烈,地震時(shí)常發(fā)生,深大斷裂深切至硅鋁層,有利于深部熱流向地表傳遞。
盆地內(nèi)部無溫泉出露,但淺井水溫普遍較高,為26~29 ℃,有的達(dá)32 ℃[11]。盆地內(nèi)地?zé)豳Y源以中低溫水熱型地?zé)豳Y源為主,以傳導(dǎo)的形式傳熱。盆地?zé)醿?chǔ)主要以孔隙熱儲(chǔ)為主。孔隙熱儲(chǔ)有新近系上新統(tǒng)—中新統(tǒng)南康組、古近系漸新統(tǒng)沙崗組、古近系始新統(tǒng)酒席坑組[12];蓋層由白堊系、古近系—新近系和第四系組成。基底為古生界志留系、泥盆系砂泥 (頁)巖、碳酸鹽巖以及華力西期、燕山期花崗巖[13], 結(jié)晶基底埋深較淺,基底埋深最大約4 000 m[14]。在深度600~2 400 m范圍內(nèi),古近系—新近系熱儲(chǔ)單井出水量16.1~152.5 m3/h[15],地?zé)豳Y源儲(chǔ)量為568.74×1012m3,可利用資源量達(dá)44.426×1017J[13,16]合理地開發(fā)地?zé)豳Y源將為當(dāng)?shù)貛砜捎^的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。本文結(jié)合大量資料,分析了合浦地?zé)崽锏責(zé)豳Y源形成的過程,并根據(jù)地?zé)崽锏奶攸c(diǎn),對(duì)該地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用前景進(jìn)行評(píng)價(jià),為北部灣城市群能源發(fā)展規(guī)劃提供參考。
廣西地處大陸性地殼向大洋性地殼過渡的變異地帶[13]。揚(yáng)子板塊、華南板塊和華夏板塊碰撞、拼貼,經(jīng)歷了加里東、華力西、印支、燕山及喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),地殼幾度升降,海陸交替,形成了如今大地構(gòu)造基本格局。印支運(yùn)動(dòng)結(jié)束了桂南地區(qū)海侵[17]。區(qū)內(nèi)發(fā)育有早古生代志留系,晚古生代泥盆系、石炭系,中生代侏羅系、白堊系,新生代古近系、新近系、第四系。中生代以來,由于印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響,先后形成了欽州、合浦、白沙南康等陸相斷陷盆地[18]。區(qū)內(nèi)深大斷裂發(fā)育,包含巴馬—博白斷裂、百色—合浦?jǐn)嗔?、靖西—崇左斷裂、合浦—北流斷裂、防城—靈山斷裂和南寧—桂林?jǐn)嗔训萚19],這些斷裂構(gòu)成了廣西X型斷裂體系[20](圖1),其具有較強(qiáng)的活動(dòng)性,地震活動(dòng)頻繁,1936年在防城—靈山斷裂帶上發(fā)生6.8級(jí)地震,為廣西有記錄以來地震強(qiáng)度最高的地震[21]。廣西溫泉已知有34處,主要分布在廣西東部(圖1),皆為中、低溫?zé)崴甗22]。溫泉是地?zé)嶙钪苯语@示,它的形成與分布與深大斷裂、巖漿活動(dòng)、侵入體等密切相關(guān)。
圖1 廣西溫泉、地?zé)峋植技昂喴獦?gòu)造圖(改編自康志強(qiáng)等,2020;聶冠軍等,2019)
現(xiàn)有資料表明,廣西地殼自西北向東南逐漸減薄,莫氏面、結(jié)晶基底面的趨勢(shì)基本相似,總體從西北向東南埋深逐漸減小,在廣西東南部兩者最薄處僅為29 km和9 km[23-24],有利于地幔熱流向地表傳遞,表明廣西具有良好的熱源基礎(chǔ)。
合浦盆地主體位于廣西壯族自治區(qū)北海市合浦縣境內(nèi)(圖1),大地構(gòu)造位置上處于華南褶皺帶,長軸呈北東向展布,面積950 km2,是一個(gè)晚白堊紀(jì)開始發(fā)育的斷陷盆地[25]。合浦盆地并無溫泉出露,根據(jù)重力、地震和鉆井資料,盆地自南西至北東分為西場(chǎng)凹陷、上洋凸起、常樂凹陷、新圩凸起和石埇凹陷5個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元[11](圖2)。合浦盆地巖石圈厚度薄,結(jié)晶基底埋深較淺,為4.0~5.5 km[26],深大斷裂深切至硅鋁層,有利于地幔熱流與深部熱流向地表傳遞。盆地及周圍出露古生界志留系、泥盆系和石炭系,中生界白堊系,新生界古近系、新近系及第四系[26]。盆地基底為下古生界志留系、泥盆系砂泥巖、碳酸鹽巖以及華力西期、燕山期花崗巖,蓋層為白堊系、古近系—新近系和第四系[13],以砂巖、泥巖為主。中新世中期,盆地已經(jīng)基本萎縮,結(jié)束了沉積作用,面積不斷減小,因此,合浦盆地基本無第四系或少有第四系沉積[27]。
圖2 合浦盆地簡要構(gòu)造圖
盆地內(nèi)斷裂尤為發(fā)育(圖3),合浦—北流斷裂、巴馬—博白斷裂控制著盆地的發(fā)展和演化。合浦—北流斷裂屬巖石圈斷裂[28],第四紀(jì)西南段活動(dòng)較為強(qiáng)烈,晚更新世以來,活動(dòng)性明顯減弱[29]。巴馬—博白斷裂在新生代以來和第四紀(jì)時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,現(xiàn)代地震活動(dòng)頻繁發(fā)生,為熱水運(yùn)移和儲(chǔ)存提供了良好的通道和空間。常樂凹陷、西場(chǎng)凹陷內(nèi)砂巖、碳酸鹽巖較為發(fā)育,是該地區(qū)良好的熱儲(chǔ)層。整個(gè)盆地泥巖橫向分布到邊,豎向分布與砂巖呈相間產(chǎn)出,厚度大,其中泥巖具有低熱導(dǎo)率、低滲透率的特點(diǎn),為盆地提供了良好的蓋層。
圖3 合浦盆地構(gòu)造剖面圖
根據(jù)前人[13]整理的合浦盆地地?zé)釤崽锏你@井溫度測(cè)量成果所制的深度—溫度曲線圖(圖4)可以看出,曲線基本呈現(xiàn)直線,其斜率值即是該區(qū)域地質(zhì)背景地溫梯度,屬于熱傳導(dǎo)型曲線。200 m以淺溫度在25~35 ℃,1 200 m溫度區(qū)間在39~57℃,2 400 m溫度區(qū)間在60~100 ℃之間,中低溫地?zé)豳Y源豐富。
圖4 合浦盆地地溫-深度曲線圖(吳少斌等,2005)
合浦盆地地下水系統(tǒng)由潛水、黏性土弱含水層和多層承壓水組成,地?zé)崴?8O和δD值分別為-47.1‰和-7.28‰,海水樣δ18O和δD值分別為-60.5‰和-9.06‰,雨水樣δ18O和δD值分別為-5.4‰和-1.01‰[30],表明該地區(qū)地下熱水主要補(bǔ)給來源于大氣降水[31]。區(qū)域內(nèi)深大斷裂發(fā)育,是地下水向上運(yùn)移的通道。根據(jù)前人[30]對(duì)合浦地?zé)崽锪黧w分析得出,合浦地下熱水的水質(zhì)類型主要為HCO3—Ca、Cl—Na型,偏硅酸、氟、偏硼酸等組分含量較高,可達(dá)具有醫(yī)療價(jià)值的礦水濃度標(biāo)準(zhǔn)。在煙墩嶺火山一帶地下水SiO2含量較高,火山口附近含量高達(dá)24~32 mg/L,是斷裂和火山活動(dòng)的結(jié)果[32]。
由石油井測(cè)井資料整理顯示,合浦盆地內(nèi)常樂凹陷、西場(chǎng)凹陷砂巖、碳酸鹽巖較為發(fā)育,是該地區(qū)良好的熱儲(chǔ)層,表1是兩凹陷區(qū)熱儲(chǔ)層大致物性特征。該地區(qū)熱儲(chǔ)層按照儲(chǔ)層介質(zhì)特征可以劃分成3種類型:孔隙熱儲(chǔ)、孔隙裂隙熱儲(chǔ)和基巖構(gòu)造裂隙、溶隙熱儲(chǔ)層[13]。本文主要探討該地區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用前景及其應(yīng)用,因此只分析能夠有效利用,具有商業(yè)開發(fā)價(jià)值的熱儲(chǔ)層。其中較好的、具有開發(fā)前景的熱儲(chǔ)層主要是西場(chǎng)凹陷和常樂凹陷的南康組、沙崗組以及酒席坑組孔隙和孔隙裂隙熱儲(chǔ)。南康組是由泥巖和粉砂巖呈互層狀疊置[13],粉砂巖與泥巖厚度比為1:1;沙崗組由泥巖、含礫泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與含礫粉砂巖互層;酒席坑組在常樂凹陷呈現(xiàn)泥巖夾砂巖呈互層狀,在西場(chǎng)凹陷除砂泥巖互層外,有發(fā)育構(gòu)造裂隙和巖溶裂隙,是良好的熱儲(chǔ)層。熱儲(chǔ)層砂巖厚度大,分布范圍廣,成巖程度較低,孔隙度大,滲透率高,是地?zé)豳Y源開發(fā)理想的熱儲(chǔ)層。
表1 合浦盆地凹陷熱儲(chǔ)層特征表
3.1.1 火山活動(dòng)
更新世我國東南沿海發(fā)生了大規(guī)模的火山噴發(fā)活動(dòng),一直持續(xù)到全新世。廣西沿岸范圍內(nèi)新生代火山活動(dòng)最早始于古近紀(jì),至第四紀(jì)到達(dá)頂峰[32]。位于廣西北海市合浦縣煙墩嶺火山時(shí)間距今1.26~1.04 Ma,煙頭嶺火山噴發(fā)時(shí)間約0.72 Ma,都是早更新世火山[33],與北部灣著名的潿洲島火山噴發(fā)大致同期[34],是我國最年輕的火山之一。根據(jù)前人對(duì)一個(gè)發(fā)生于1.2 Ma左右的一次火山噴發(fā)形成的侵入巖進(jìn)行研究[35],結(jié)果顯示,巖石表面溫度從800 ℃降到200 ℃,大致需要1.0 Ma,與廣西第四系火山活動(dòng)時(shí)間大致相吻合,故推測(cè)合浦盆地存在巖漿侵入體余熱傳導(dǎo),熱流傳導(dǎo)至上覆地層,是該區(qū)熱源之一。同時(shí),這也說明了廣西北部灣沿岸具有干熱巖資源潛力。根據(jù)圖6計(jì)算合浦地?zé)崽锲骄販靥荻燃s為2.73℃/hm,明顯低于云南騰沖地?zé)崽铮◣r漿型地?zé)崽铮?0~12 ℃/hm,說明巖漿余熱并不是本區(qū)主要熱源。
3.1.2 深部熱源
合浦盆地?zé)嵩粗饕怯傻蒯嵩囱a(bǔ)給和放射性生熱供給。廣西位于亞歐板塊、太平洋板塊和印度洋板塊交接地帶,其陸殼經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng),印支期酸性巖漿巖U、Th、K含量較高[36],可作為良好的生熱物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)前人研究,桂東南莫霍面和結(jié)晶基底面埋深較淺,有利于地幔熱源熱流向上傳導(dǎo)至上覆巖層,形成局部地?zé)岙惓!?/p>
蓋層是地?zé)嵯到y(tǒng)的重要組成部分,通常主要是沉積巖或火山巖,有時(shí)候也可以是合適厚度的風(fēng)化殼層[37]。合浦盆地蓋層主要以第四系、新近系、古近系和白堊系的黏土、泥巖組成。南康組、沙崗組和酒席坑組多為泥巖和砂巖互層,砂巖孔隙度高,是良好的儲(chǔ)層,泥巖孔隙小,滲透性極低,熱導(dǎo)率低,通常作為蓋層。該地區(qū)上部沉積物以泥巖、粉砂巖和砂巖為主,厚度大且分布廣,圈閉性較好,是地?zé)豳Y源良好的隔熱保溫蓋層。
合浦盆地地處桂東南,莫霍面埋深較淺,區(qū)內(nèi)砂巖、碳酸鹽巖較為發(fā)育,淺部泥巖廣泛分布,大氣降水、地表徑流下滲被來自上地幔的熱量及巖漿余熱所加熱,經(jīng)深大斷裂向淺部運(yùn)移,形成了合浦地?zé)崽镓S富的地?zé)豳Y源,故認(rèn)為本區(qū)地?zé)豳Y源屬于傳導(dǎo)巖漿余熱型成因,具有特殊的深層干熱型+中淺層水熱型,即“雙層兩類”地?zé)岢梢蚰J剑▓D5)。
圖5 合浦盆地地?zé)豳Y源“雙層兩類”地?zé)岢梢蚰J綀D
我國地?zé)豳Y源較為豐富,據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì),全國336個(gè)地級(jí)以上城市淺層地?zé)崮苜Y源每年開采量折合標(biāo)準(zhǔn)煤7×108t。廣西自古以來便是一個(gè)“缺油、缺煤、缺氣”能源資源匱乏區(qū),開發(fā)地?zé)豳Y源對(duì)于廣西來說意義重大。據(jù)前人[38]對(duì)桂林市地?zé)崮芾玫难芯?,發(fā)現(xiàn)采用熱泵空調(diào)/熱水系統(tǒng)替換傳統(tǒng)空調(diào)/熱水系統(tǒng)較原系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約49%以上,節(jié)能效果十分顯著,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。合浦地?zé)崽锟衫玫馁Y源量達(dá)44.426×1017J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.516×108t,熱水溫度在40.19~66.80 ℃[13]。合浦盆地主體位于廣西壯族自治區(qū)北海市境內(nèi),屬亞熱帶季風(fēng)型海洋性氣候區(qū),年平均氣溫21 ℃,秋春相連,長夏無冬,夏無酷暑,氣候宜人。周邊擁有銀灘國家旅游度假區(qū)、潿洲島鱷魚山景區(qū)、北海老城景區(qū)、金海灣紅樹林生態(tài)旅游區(qū)等,旅游資源較為豐富。同時(shí),合浦盆地內(nèi)合浦縣也是首批52個(gè)國家現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)示范區(qū)之一,是廣西傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大縣。合浦地?zé)崽锏責(zé)豳Y源開發(fā)和利用宜與農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)相結(jié)合。50 ℃以上熱水可用于溫室大棚、家庭用熱水等,20~50 ℃可用于沐浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、飼養(yǎng)牲畜、土壤加溫、脫水加工等。
根據(jù)地區(qū)發(fā)展特點(diǎn),地?zé)豳Y源利用主要分為以下幾種形式:
1)中低溫地?zé)岚l(fā)電
中間介質(zhì)法地?zé)岚l(fā)電利用地下熱水間接加熱某些低沸點(diǎn)物質(zhì)如氯乙烷、氟利昂等來推動(dòng)汽輪機(jī)做工發(fā)電[39],其發(fā)電效率較高,介于35%~50%[40]。以北海市合浦縣石灣鎮(zhèn)的一口地?zé)峋瓽XJ024石灣DRK2地?zé)峋疄槔?,其測(cè)深1 807 m時(shí),溫度為69.6 ℃,地溫梯度最高達(dá)到3.4 ℃/hm,井底流量1 392 m3/d。取熱水進(jìn)口溫度90 ℃,尾水溫度50 ℃,假設(shè)熱量全部用來發(fā)電,則發(fā)電量可用以下公式進(jìn)行估算:
式中Q表示發(fā)電量,kW·h;C表示水的熱容,kJ/(kg·K);m表示地?zé)崴髁?,kg/s;η表示發(fā)電效率(0.35<η<0.5);T表示地?zé)崴跏紲囟?,℃;T0表示尾水溫度,℃。
計(jì)算得到單井理論年發(fā)電量為8.3×106~1.19×107kW/h,平均每1 m3地?zé)崴a(chǎn)電19.812 kW·h高于羊八井地?zé)犭娬久? m3地?zé)崴l(fā)電12 kW·h[41],具備地?zé)岚l(fā)電的可行性。此外,廣東豐順縣是廣東地?zé)豳Y源較為豐富的縣份之一,其熱水溫溫達(dá)60~92 ℃[42],其豐順地?zé)犭娬臼俏覈谝蛔責(zé)嵩囼?yàn)電站,同樣采用中間介質(zhì)法進(jìn)行地?zé)岚l(fā)電,可參照豐順地?zé)犭娬灸J郊右愿倪M(jìn)。
2)地?zé)崴菁?jí)利用
地?zé)崴嘣菁?jí)綜合利用是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。地?zé)崴靡M可能利用其作為資源和能源的特點(diǎn),克服單一的利用方式。合浦盆地地處熱帶地區(qū),冬季無供暖需求。本區(qū)域可結(jié)合自身區(qū)域發(fā)展特點(diǎn),對(duì)于地?zé)崴l(fā)電后余熱,可用于溫室大棚養(yǎng)殖、地?zé)岱趸?,尾水可用于?dāng)?shù)鼐用袢粘I钕丛?,發(fā)展溫泉產(chǎn)業(yè),澆灌糧食、水上娛樂設(shè)施用水或者用于夏季制冷等(圖6)。
圖6 合浦盆地地?zé)豳Y源梯級(jí)利用示意圖
3)熱泵空調(diào)
相比于傳統(tǒng)供暖(冷)方式,熱泵空調(diào)利用淺層地?zé)崮苓M(jìn)行供暖(制冷)較傳統(tǒng)供暖(制冷)方式節(jié)能50%~75%[43],能大幅度減少粉塵、CO、SO2等有害氣體排放,且運(yùn)行成本低,效率高。重慶地源熱泵技術(shù)在我國位居前列,實(shí)驗(yàn)顯示采用江水源熱泵機(jī)組較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30%左右[39],合浦盆地水資源豐富,可仿照重慶出臺(tái)相關(guān)政策,積極推廣地源熱泵系統(tǒng)。
合浦盆地地?zé)崃黧w成分與南寧地?zé)崽镱愃芠44],后者可溶性SiO2(偏硅酸)、Sr含量達(dá)到《飲用天然礦泉水》(GB8537—2008)標(biāo)準(zhǔn),故推測(cè)合浦盆地地?zé)崴喾巷嬘锰烊坏V泉水界限指標(biāo),可開發(fā)成飲用天然礦泉水。
地?zé)豳Y源開發(fā)與旅游業(yè)相結(jié)合,近年來北海市旅游業(yè)發(fā)展迅速,是國內(nèi)熱門旅游目的地之一。相較于廣西首府南寧市,北海市在溫泉旅游項(xiàng)目方面有所欠缺。例如南寧九曲灣溫泉,將溫泉文化與當(dāng)?shù)厣贁?shù)民族特色融合,自正式營業(yè)以來,受到了海內(nèi)外游客廣泛好評(píng)。目前,九曲灣溫泉片區(qū)已建成溫泉度假村、水上樂園等游樂設(shè)施,成為南寧市最重要的溫泉旅游品牌。北海市擁有潿洲島火山國家地質(zhì)公園、號(hào)稱“天下第一灘”的北海銀灘、北海金海灣紅樹林生態(tài)旅游區(qū)等得天獨(dú)厚的旅游資源,利用原有的資源優(yōu)勢(shì),帶動(dòng)相關(guān)溫泉產(chǎn)業(yè)發(fā)展,從而完善相關(guān)旅游產(chǎn)品。這不僅能夠額外增加旅游收入,還能進(jìn)一步提升城市的旅游形象。
1)合浦地?zé)崽镂挥趶V西東南部,地殼厚度薄,儲(chǔ)蓋條件好,地?zé)豳Y源潛力大。
2)地?zé)崽餆嵩粗饕獮榈蒯嵩囱a(bǔ)給和放射性生熱供給,地表水下滲過程中經(jīng)巖石加熱沿盆地內(nèi)深大斷裂運(yùn)移至地表淺部,形成了合浦盆地豐富的地?zé)豳Y源,屬傳導(dǎo)巖漿余熱型成因。
3)根據(jù)當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn),采取梯級(jí)利用的方式,仿照廣東豐順湯坑鄧屋地?zé)犭娬具M(jìn)行中低溫地?zé)岚l(fā)電,地?zé)嵛菜糜诖笈镳B(yǎng)殖、房屋制冷、農(nóng)作物灌溉等。其次結(jié)合北海原有的旅游資源的優(yōu)勢(shì),發(fā)展溫泉產(chǎn)業(yè),提升城市旅游形象。