李文彬

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

河北省滄縣臺(tái)拱帶干熱巖資源潛力評(píng)估

李文彬

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

滄縣臺(tái)拱帶位于華北斷陷盆地，處在凸凹相間配置的構(gòu)造格局，新生界厚度適中，屬于沉積盆地干熱巖資源。經(jīng)預(yù)測(cè)，區(qū)內(nèi)5 km以淺干熱巖資源量為2405×1018J，相當(dāng)于8.21×1010t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量，賦存潛力巨大，開發(fā)利用這一潔凈能源對(duì)緩解我省日益嚴(yán)重的環(huán)境污染形勢(shì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

滄縣臺(tái)拱帶；干熱巖；特征；潛力評(píng)估

0　概況

干熱巖資源是指埋藏于距地表數(shù)公里處、溫度為大于150℃、含少量裂隙及流體的熱巖體。干熱巖技術(shù)就是開發(fā)利用干熱巖來(lái)抽取地下熱能的技術(shù)，其原理是從地表往干熱巖中施工鉆孔，注入溫度較低的水，注入的水沿著裂隙運(yùn)動(dòng)并與周邊的巖石發(fā)生熱交換，產(chǎn)生高溫高壓超臨界水或水汽混合物，然后從生產(chǎn)井中提取高溫蒸氣，用于地?zé)岚l(fā)電和綜合利用。干熱巖資源是地?zé)豳Y源的最重要的組成部分，也是未來(lái)中高溫地?zé)豳Y源開發(fā)利用的發(fā)展方向。

1　國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際上最早提出利用地下熱水及其干熱巖體發(fā)電的設(shè)想是美國(guó)人莫頓和史密斯。迄今在干熱巖發(fā)電技術(shù)方面邁出最大一步的試驗(yàn)是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和能源部在新墨西哥州芬頓山進(jìn)行的試驗(yàn)。受到芬頓山項(xiàng)目成果的鼓舞，英國(guó)于1977年啟動(dòng)了Rosemanows項(xiàng)目，該項(xiàng)目得出了水力壓裂的裂隙與最終人工裂隙系統(tǒng)幾乎毫不相干，天然裂隙決定了EGS（增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)）裂隙系統(tǒng)。

目前，國(guó)際上干熱巖發(fā)電技術(shù)正在向第二代過(guò)渡。美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家都建立了專門研發(fā)干熱巖發(fā)電技術(shù)的機(jī)構(gòu)，并投入巨資。美、德、法、澳、瑞等國(guó)還建設(shè)了一批試驗(yàn)性增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，甚至將其納入國(guó)家開發(fā)計(jì)劃。

我國(guó)干熱巖資源開發(fā)及其技術(shù)研究尚屬起步階段，許多能源專家和地質(zhì)工作者認(rèn)識(shí)到此領(lǐng)域的重要性并為此做出了努力。我國(guó)大陸地區(qū)已定期進(jìn)行了6次熱流匯編，如今熱流數(shù)據(jù)總數(shù)已達(dá)921個(gè)，根據(jù)淺部測(cè)溫資料向地殼深部外推的方法，對(duì)我國(guó)陸區(qū)不同深度溫度進(jìn)行了估算，在此基礎(chǔ)上利用體積法對(duì)我國(guó)陸區(qū)3.0～10.0 km深處的干熱巖資源量進(jìn)行了估算，總資源量為2.52×1025J，折合85.6×105億t標(biāo)準(zhǔn)煤。

目前，國(guó)內(nèi)多個(gè)省份（青海、山東利津、福建漳州、河南鄭州）已經(jīng)開始了干熱巖鉆探施工，取得了較好的效果，河北省已開始了干熱巖資源的研究，河北省滄縣臺(tái)拱帶已完成了資源研究與潛力評(píng)估，秦皇島西部干熱巖資源研究與潛力評(píng)估正在進(jìn)行，河北省滄縣臺(tái)拱帶干熱巖資源調(diào)查項(xiàng)目已獲省廳審批，即將實(shí)施。

2　研究區(qū)概況

河北省滄縣臺(tái)拱帶位于河北省平原區(qū)中東部，滄州市西部。東部以滄州-吳橋一線為界，西部以武邑-獻(xiàn)縣-大城縣一線為界，北部以天津市與河北省分界線為界，南部大體以衡德高速一線為界，面積約5390 km2。

工作區(qū)位于華北沖積平原中下部，由沖積平原向?yàn)I海平原的過(guò)渡地帶，整個(gè)地形西南高，東北低，西南武邑縣較高，海撥+21 m，東北較低，海撥+4 m，高差17 m。工作區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育，主要河流有：子牙河、子牙新河、南運(yùn)河等。

3　地?zé)岬刭|(zhì)條件

3.1地質(zhì)條件

高熱阻層厚度的大小對(duì)于干熱巖資源的賦存及開發(fā)有著很重要的作用。覆蓋層太薄，熱量容易散失；覆蓋層太厚，干熱巖巖體埋藏就會(huì)變深，不利于干熱巖資源的開發(fā)利用。因此，厚層、熱導(dǎo)率低的覆蓋層是沉積盆地中賦存干熱巖資源的必要條件。

本區(qū)為新生界全覆蓋區(qū)，基巖頂界面埋深絕大部分為800～1 200 m，埋深適中，良好的蓋層為本區(qū)高溫的形成提供必要的地質(zhì)背景。詳見圖1。

圖1　基巖頂界面埋深等值線圖Figure 1 Isogram of basement buried depths

3.2基巖的起伏形態(tài)

華北斷陷盆地中形成了一系列的斷陷與隆起?？蓜澐殖黾街邪枷荨婵h隆起、黃驊凹陷、臨清凹陷、埕寧隆起等構(gòu)造單元。在拗陷區(qū)和隆起區(qū)內(nèi)部，受斷裂控制，又有次一級(jí)的構(gòu)造—凸起和凹陷，形成了一種凸凹相間配置的構(gòu)造格局（圖2）。

大量的資料表明，在新生界一定的深度范圍內(nèi)，正向構(gòu)造的地溫高，地溫梯度大，負(fù)向構(gòu)造地溫低，地溫梯度小，地殼淺部地溫分布與基巖面的起伏呈正相關(guān)的關(guān)系（圖3）。在高凸深凹相間的地質(zhì)構(gòu)造格局下，較高熱阻的蓋層和較高熱導(dǎo)率的基巖相配置，使得來(lái)自地球內(nèi)部的較均一的熱流在傳導(dǎo)過(guò)程中，于地殼表部再分配，局部由負(fù)向構(gòu)造區(qū)向正向構(gòu)造區(qū)集中，在基巖隆起區(qū)的淺部形成高溫和高地溫梯度。

從熱源上分析，由巖漿巖、變質(zhì)巖構(gòu)成的結(jié)晶基底，其放射性元素儲(chǔ)量一般高于上覆沉積蓋層，基底抬高處可提供更多的附加熱源，另外，古老的結(jié)晶基底致密巖石的導(dǎo)熱性能優(yōu)于低密度的沉積蓋層，這就促使更多的熱流集中于基底抬高部位，反映至地面則形成地?zé)岙惓^(qū)。

圖2　工作區(qū)基底構(gòu)造分區(qū)圖Figure 2 Working area basement structural partition

圖3　熱傳導(dǎo)示意圖Figure 3 A schematic diagram of heat conduction

3.3大地?zé)崃髦堤卣?/p>

大地?zé)崃髦凳堑厍騼?nèi)部熱能傳輸至地表綜合反應(yīng)，是地溫場(chǎng)最重要的表征，華北平原平均大地?zé)崃髦禐?2.8 mw/m2，滄縣臺(tái)拱帶的大地?zé)崃髦党^(guò)平均值（圖4）。

4　工作區(qū)地溫場(chǎng)特征

4.1地溫梯度

根據(jù)前期研究成果，預(yù)查區(qū)平均地溫梯度3.12℃/百米，地溫梯度由南向北逐步增高，獻(xiàn)縣壘頭鄉(xiāng)附近一帶地溫梯度達(dá)3.82℃/百米（圖5）。

4.2工作區(qū)深部溫度的計(jì)算

目前所收集到的地溫資料絕大部分局限于2 km以淺，要推算深部的地溫，要建立地溫場(chǎng)熱傳導(dǎo)空間模型，（《我國(guó)陸區(qū)干熱巖資源潛力估算》）模型如下：

圖4　預(yù)查區(qū)大地?zé)崃鞣植紙DFigure 4 Distribution of terrestrial heat flow in reconnaissance area

圖5　工作區(qū)地溫梯度等值線圖Figure 5 Isogram of working area geothermal gradient

其中：T（Z）為深度z處的溫度（℃）；T0為Z-1處深度的溫度（℃）；q為熱流值（mw/m2）；A為生熱率；k為巖石導(dǎo)熱率；z為深度（km）；計(jì)算結(jié)果如表1，圖5。

表1　工作區(qū)內(nèi)地?zé)峋?km地溫表Table 1 Data sheet of working area geothermal wells depth 4km geotemperature

4.3工作區(qū)干熱巖資源量估算

采用體積法預(yù)測(cè)干熱巖資源量，體積法公式如下：

其中：Q為干熱巖資源量，J；V為巖石體積km3；ρ為巖石密度，kg/km3；CP為巖石比熱容，J/（kg·K）；T為所計(jì)算深度的巖石的溫度，℃；T0為地表溫度，℃。

經(jīng)過(guò)資料量預(yù)測(cè)，工作區(qū)內(nèi)5.5 km以淺共獲得資源量2405×1018J，其中，3.5～4.5 km資源量為737×1018J，4.5～5.5 km資源量為1668×1018J，相當(dāng)于8.21×1010t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量（表2）。

5　干熱巖資源潛力評(píng)估

工作區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上屬于滄縣隆起，區(qū)域上形成了一種凸凹相間配置的構(gòu)造格局，并且工作區(qū)內(nèi)有一定的新生界覆蓋，在高凸深凹相間的地質(zhì)構(gòu)造格局下，在基巖隆起區(qū)的淺部形成高溫和高地溫梯度。工作區(qū)斷裂、褶曲發(fā)育，易形成地溫異常。

工作區(qū)內(nèi)5.5 km以淺干熱巖資源量為2405× 1018J，相當(dāng)于8.21×1010t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量，因此，工作區(qū)內(nèi)賦存干熱巖資源的潛力巨大。

圖6　工作區(qū)4km地溫等值線圖Figure 6 Isogram of working area depth 4km geotemperature

表2　滄縣臺(tái)拱帶干熱巖資源量匯總表Table 2 Summary statement of hot dry rock resources in Cangxian anticlise zone

6　結(jié)論

干熱巖資源屬于新興戰(zhàn)略性接替能源，清潔可再生。我省環(huán)境形勢(shì)十分嚴(yán)竣，霧霾等大氣環(huán)境污染已嚴(yán)重影響了人民的生產(chǎn)和生活，同時(shí)京津冀協(xié)同發(fā)展離不開能源支持，減少化石能源的使用，開發(fā)利用干熱巖資源勢(shì)在必行。據(jù)分析，滄縣臺(tái)拱帶在地質(zhì)地?zé)釛l件、巖石圈結(jié)構(gòu)等均有熱異常反應(yīng)，屬于典型的沉積盆地型干熱巖資源。區(qū)內(nèi)5 km以淺干熱巖資源量相當(dāng)于8.21×1010t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱量，賦存潛力巨大，盡早開發(fā)利用這一潔凈能源對(duì)我省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及環(huán)境污染均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]李文彬，王曉軍.河北省滄縣臺(tái)拱帶干熱巖資源研究與潛力評(píng)估報(bào)告[R].河北邯鄲：河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)，2015.

[2]藺文靜，王貴玲.我國(guó)陸區(qū)干熱巖資源潛力估算[J].地球?qū)W報(bào)，2012：807-811.

[3]楊方，李靜.中國(guó)干熱巖勘查開發(fā)現(xiàn)狀[J].資源環(huán)境與工程，2012.

[4]陸川，王貴玲.干熱巖研究現(xiàn)狀與展望[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，33（19）.

[5]甘浩男，王貴玲，藺文靜.中國(guó)干熱巖資源主要賦存類型與成因模式[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，33（19）.

[6]譚現(xiàn)鋒，王浩.山東省陳莊潛凸起地區(qū)地溫場(chǎng)特征與泰山巖群放射性元素[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，33（19）.

[7]龍西亭，袁瑞強(qiáng)，等.汝城干熱巖地?zé)豳Y源研究[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015，33（19）.

Hot Dry Rock Resource Potential Assessment in Cangxian Anticlise Zone,Hebei Province

Li Wenbin
(Hydrogeological Exploration Team,Hebei Bureau of Coal Geological Exploration,Handan,Hebei 056000)

Through geothermal geological condition analysis in the Cangxian anticlise zone,North China fault basin depression and up?lift alternating structural framework.Cenozoic group thickness is moderate and contained sedimentary basin hot dry rock resources. Through prediction,hot dry rock resources above depth 5km in the area is 2405×1018J,amount to 8.21×1010tons equivalent of coal pro?duced caloricity,thus huge hosting potential.Exploitation and utilization of the clean energy source have important practical signifi?cance to relieve increasingly serious environmental pollution situation in the province.

Cangxian anticlise zone;hot dry rock;feature;potential assessment

P314

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.11.09

1674-1803(2016)11-0043-06

河北省滄縣臺(tái)供帶干熱巖資源研究與潛力評(píng)估，冀煤地字[2015]21號(hào)

李文彬（1965—），畢業(yè)于鄭州煤田職工地質(zhì)學(xué)院水文與水資源專業(yè)，水文地質(zhì)高級(jí)工程師。

2016-06-02

責(zé)任編輯：宋博輦