劉 峰, 張洋洋, 朱 鵬, 賈志杰, 崔源遠, 周 娟, 王澤宇
(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院,江蘇 南京 210049)
地熱資源因其清潔性、可持續(xù)利用性而具有極大的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益(謝建磊等,2009;高世軒等,2014)。蘇北盆地地熱資源豐富,已有地熱井50口以上,主要分布在阜寧凹陷、建湖隆起和東臺凹陷內(nèi)(杜建國等,2012;徐立,2014;范迪富等,2015;羅璐等,2015;閔望等,2015),濱海隆起內(nèi)尚未有地熱井報導。2018年11月,濱海月亮灣地熱井成功出水,填補了濱海隆起區(qū)地熱資源的空白。月亮灣地熱井在濱海隆起內(nèi)具有典型性, 探討其地熱資源特征, 對處于同一構(gòu)造單位內(nèi)的地熱資源勘查評價和開發(fā)利用具有指導意義(徐軍祥等,1999;王奎峰,2009)。
研究區(qū)地處蘇北盆地北緣,次級構(gòu)造位于濱海隆起。蘇北盆地為晚白堊世發(fā)育起來的“南斷北超”箕狀凹陷盆地,濱海隆起位于其東北部,為一東西向展布、發(fā)育于震旦—三疊系中的隱伏隆起,因其廣泛發(fā)育北東向褶皺、斷裂,亦稱濱海斷褶帶(江蘇省地礦局,1984)。
研究區(qū)內(nèi)地表無基巖出露,全部為新生代地層所深覆蓋,松散層(新近+第四系)厚度一般為300~500 m。鉆孔揭露區(qū)內(nèi)基巖地層由老至新依次為奧陶系淺海相碳酸鹽巖夾海陸交互碎屑巖、志留—泥盆系海相碎屑巖、石炭—二疊系淺海相碳酸鹽巖、海相-海陸交互相碎屑巖夾含煤碎屑巖、白堊系、古近系陸相碎屑巖(圖1)。
圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖(圖b據(jù)閔望等,2015修改)
研究區(qū)以八灘—小街斷裂(F5)為界,八灘南—大淤尖背斜(A3)和濱淮倒轉(zhuǎn)向斜(A2)分別位于其東西兩側(cè)(圖1)。
1.2.1 濱淮倒轉(zhuǎn)向斜(A2) 沿35°~55°展布于濱淮鎮(zhèn)一帶,軸面傾向為北西向,傾角約為50°,沿軸向延伸達48 km以上,沿軸向北東端昂起,南西端傾伏,寬約8 km,組成向斜的核部地層為二疊系,組成翼部的地層為石炭—志留系,北西翼倒轉(zhuǎn)。
1.2.2 八灘南—大淤尖背斜(A3) 沿50°展布于八灘南—小街南—大淤尖一帶,沿軸向延伸長度約為30 km,寬4~5 km。組成背斜核部的地層為奧陶系,兩翼地層可能為志留—奧陶系,但被北東向斷裂破壞,東翼局部為浦口組所覆。
1.2.3 八灘—小街斷裂(F5) 破壞了A2與A3的完整性,位于八灘—小街—大淤尖北一帶。其走向約為60°,傾向南東,傾角約55°,長約34 km,控制奧陶系與志留系界線,南被古近系地層覆蓋。
1.2.4 其他斷裂 主要在燕山晚期—喜馬拉雅早期形成,包括北東向、北北西、近東西3組斷裂。主干北東向斷裂,與八灘—小街斷裂(F5)類似,控制著隱伏褶皺及地層的分布,北西向平移斷裂切割早期北東向斷裂。
據(jù)濱海地區(qū)普查找煤資料,研究區(qū)及其鄰區(qū)部分鉆孔可見凝灰質(zhì)角礫巖、玄武巖、輝綠巖等,屬喜馬拉雅期基性巖漿活動的產(chǎn)物(江蘇省地礦局,1984)。
月亮灣DR01井位于可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)L2線1 650 m處(圖2),根據(jù)巖屑錄井,實際鉆遇地層劃分如下。
(1)第四+新近系(Q+N):0~315 m,棕色、灰黃色粉砂質(zhì)黏土為主,夾細砂、中粗砂。
(2)志留系(S):315~1 116 m,灰白、灰綠色砂巖、長石石英細砂巖、粉砂巖為主,夾雜色、紫色泥巖,局部含硅質(zhì)條帶。
圖2 月亮灣DR01位置略圖
(3)奧陶系中—上統(tǒng)(O2-3):1 116~2 800 m,灰白色、灰色灰?guī)r、細晶灰?guī)r、泥灰?guī)r為主,局部夾泥巖、頁巖,裂隙較發(fā)育。
(4)奧陶系下統(tǒng)(O1):2 800~2 919 m,淺灰-灰白色白云質(zhì)灰?guī)r。
圖3 DR01井測溫曲線
對月亮灣DR01井進行全孔測溫(圖3)。根據(jù)公式r=(t-t0)/(H-H0)(式中r表示地溫梯度,H、t分別表示某一深度及其地溫,H0、t0分別表示常溫層的深度和地溫,用地表年平均氣溫14.1 ℃代替),對不同井深的地溫梯度進行加權(quán)平均,得到DR01地熱井平均地溫梯度,為每百米2.26 ℃。圖3顯示,300~500 m段出現(xiàn)了溫度的突變,認為是在變徑時(二開—三開)分2次測井所致。推測由于該段處于印支面附近,沿深大斷裂上導的地熱水止于此,并被新生界封存,形成了局部地溫異常(張百鳴等,2006;范迪富等,2015)。500 m以深地溫與深度呈明顯線性關(guān)系,即地溫隨著深度的增加而增加,顯示傳導型地熱特征,沒有附加熱源,溫度來自地球內(nèi)部傳導。
蘇北盆地濱海隆起晉寧期基底之上主要發(fā)育3個構(gòu)造層:① 印支加里東構(gòu)造層:下古生界寒武—奧陶系、上古生界石炭—二疊系碳酸鹽巖地層因裂隙巖溶發(fā)育而成為區(qū)內(nèi)重要的地熱儲層;② 燕山構(gòu)造層(白堊系):以陸相碎屑巖地層為主,因不含水、熱導率低、厚度大而成為區(qū)內(nèi)良好的地熱蓋層;③ 喜馬拉雅構(gòu)造層(新近系、第四系):以松散堆積為主,為良好的地熱蓋層。位于濱海隆起背部的月亮灣地區(qū),新近系鹽城組直接覆蓋于下古生界志留系之上,缺失上古生界。
DR01地熱井位于北東走向八灘—小街斷裂(F5)的東南側(cè),出水量為2 171.28 m3/d,出水溫度為51 ℃。根據(jù)巖屑錄井、裸眼位置、測井解譯結(jié)果綜合分析,作為主要含水段的破碎帶共有16層,累積厚度274.30 m,主要位于1 200~2 919 m,孔隙度多為9%~20%,滲透率多為0.01~0.11 μm2,巖性主要為奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r、下統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r,因此月亮灣地區(qū)熱儲層主要為奧陶系碳酸鹽巖。
月亮灣地區(qū)的地熱蓋層主要為第四系、新近系和志留系。第四系、新近系松散層厚度較大,黏土層熱導率低,透水性差。志留系亦具有較好的隔熱保溫作用,縱向上形成致密不滲透層的層狀疊覆狀,水力聯(lián)系弱,有利于熱儲層蓄熱增溫,構(gòu)成了良好的地熱蓋層。
研究區(qū)處于蘇北盆地濱海隆起,發(fā)育于隱伏的奧陶—二疊系中,印支期—燕山早期褶皺、斷裂以及燕山晚期—喜馬拉雅期隆凹相間構(gòu)造發(fā)育,地熱構(gòu)造條件有利。研究區(qū)處于斷凸與斷凹交界處,八灘—小街斷裂(F5)控制了它們的分布,斷裂經(jīng)過之處造成局部開放空間,打開由淺層直達深部熱源通道,是深部大地熱流匯集的有利地段,斷裂破碎帶則為地熱水提供了儲集空間。
范迪富等(2015)將蘇北盆地地熱資源分為松散巖類孔隙型、古構(gòu)造面巖溶型及構(gòu)造裂隙型3個亞類。其中,松散巖類孔隙型、古構(gòu)造面巖溶型屬于傳導類地熱系統(tǒng);構(gòu)造裂隙型地熱資源包括傳導型與對流型2種地熱系統(tǒng),傳導型地熱系統(tǒng)熱量主要來自于地球深部,通過自然增溫形成,溫度與深度呈線性關(guān)系,嚴格受“源、通、儲、蓋”條件控制(杜建國等,2012)。
研究區(qū)熱儲層主要為奧陶系灰?guī)r,蓋層為志留系泥巖、新近+第四系黏土層。溫度與深度線性關(guān)系明顯,熱源為地下深處按一定地溫梯度增加的累積熱盤的自然增溫傳導。八灘—小街斷裂為一張性斷裂,為熱源提供了通道。因此,研究區(qū)地熱資源類型為傳導型地熱系統(tǒng)的構(gòu)造裂隙型。
研究區(qū)地熱的補給來源主要為大氣降水、構(gòu)造帶的垂直補給及弱含水層的越流補給(曾向東,2018),水流貯存于斷裂構(gòu)造裂隙、巖溶裂隙中,水介質(zhì)在原地靜態(tài)接收熱量,并不斷吸收圍巖的微量元素(范迪富等,2015)。熱量主要來自地球深部,通過自然增溫形成,溫度與深度呈線性關(guān)系??刂菩詳嗔褳楸睎|向張性斷裂,處于斷裂的開啟狀態(tài),有利于地熱水的運移與儲存(范迪富等,2012)。地熱概念模型見圖4。
圖4 月亮灣地熱概念模型(據(jù)曾向東,2018修改)
DR01地熱井水溫為50.5 ℃,偏硅酸、氟、偏硼酸體積質(zhì)量分別為36.5、1.96、1.36 mg/L,依據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010),溫度、氟、偏硼酸含量達到“有醫(yī)療價值”標準,偏硅酸含量達礦水“有醫(yī)療價值”標準(表2)。綜合評價認為研究區(qū)地熱水不宜用作飲用水,可用于洗浴、理療、養(yǎng)殖、溫室等行業(yè)。
表1 月亮灣DR01井水質(zhì)分析結(jié)果
表2 月亮灣DR01井理療熱礦水水質(zhì)評價
(1)DR01井測溫曲線顯示,500 m以深地溫與深度線性關(guān)系明顯,出水層段地層主要為奧陶系灰?guī)r,說明研究區(qū)地熱資源屬傳導型地熱系統(tǒng)的構(gòu)造裂隙型,嚴格受“源、通、儲、蓋”條件控制。
(2)研究區(qū)熱源來自于地下深處的自然增溫傳導,熱儲層主要為奧陶系灰?guī)r,蓋層為新近+第四系黏土層以及志留系泥巖,控制性斷裂為八灘—小街斷裂。
(3)地熱水中氟、偏硼酸含量達到醫(yī)療價值,偏硅酸含量達到礦水標準,可用于洗浴、理療、養(yǎng)殖、溫室等行業(yè)。