吳清華，馮穎，劉帥，張靜，王玲麗

(山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院)，山東 德州 253015)

0 引言

莘縣地區(qū)地熱資源豐富，開采條件好，開發(fā)潛力大，利用前景廣闊。正在進行的高鐵新城項目是莘縣正在重點推進的兩大戰(zhàn)略項目之一，項目涉及約400hm2基本農(nóng)田需調(diào)整為一般農(nóng)田后轉(zhuǎn)為建設用地，會建設大量的公共、商業(yè)、辦公等建筑，因此查清莘縣地區(qū)地熱資源的賦存條件并對地熱資源進行計算和評價，對解決新城區(qū)供暖問題、優(yōu)化能源結構、減少污染物排放具有十分重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地層

研究區(qū)被第四系覆蓋，自中新世以來，受差異性升降運動的影響，一直緩慢下沉，沉積了厚大新生代地層。地層由老至新有古近系、新近系和第四系(圖1)。

1—古近紀東營組；2—古近紀孔店-沙河街組；3—侏羅紀三臺組；4—二疊紀石盒子群； 5—二疊紀山西組；6—石炭-二疊紀太原組；7—奧陶紀馬家溝群；8—物探解譯斷層；9—隱伏平行不整合線；10—研究區(qū)范圍圖1 莘縣地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

(1)古近系

古近系包括孔店組、沙河街組和東營組。孔店組主要為砂巖與泥巖互層，底部為礫巖，厚度大于400m；沙河街組巖性主要為灰?guī)r、泥巖和泥砂巖，底部為泥巖及砂礫巖，厚度145～789m；東營組巖性主要為砂巖、含礫砂巖、泥巖和細礫巖，與下伏沙河街組呈整合接觸，厚度100～500m左右。

(2)新近系

新近系包括明化鎮(zhèn)組和館陶組。館陶組巖性主要為細砂巖、中砂巖、砂礫巖和泥巖，砂巖及砂礫巖分選性較差，磨圓度中等，膠結性差，與下伏東營組呈不整合接觸，厚度300～500m；明化鎮(zhèn)組巖性主要為細砂巖和泥巖為主，與下伏館陶組呈整合接觸，厚度600～1000m。

(3)第四系

以平原組為主，局部地表可能有黃河組。巖性主要為粉砂、粉細砂、細砂、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土為主，下部層底結構致密，含大量鈣質(zhì)、鐵、錳質(zhì)結核以及鈣質(zhì)沉淀層。厚度120～290m，與下伏新近紀明化鎮(zhèn)組呈不整合接觸[1]。

1.2 地質(zhì)構造

研究區(qū)大地構造位于華北板塊(Ⅰ級)華北凹陷區(qū)(Ⅱ級)臨清凹陷(Ⅲ級)東明-莘縣潛斷陷(Ⅳ級)莘縣潛凹陷(Ⅴ級)范圍內(nèi)。

區(qū)內(nèi)重要斷裂為聊考斷裂，聊考斷裂南起河南蘭考，北至山東禹城，全長大于300km，走向20°～40°，傾向NW，傾角60°左右，其北端落差變小漸而消失。斷裂帶寬4～8km，落差大于2500m，它控制了中生代以來的地質(zhì)發(fā)展史，在重力異常圖上表現(xiàn)為明顯的NNE向重力密集帶，電測深剖面上也有明顯的反映，范縣至聊城，兩側電法標志層(奧陶系頂面)埋深相差2000～3000m。聊考斷裂是一個新構造活動帶，1502年—1948年間僅5級以上地震就發(fā)生過5次。

2 地熱地質(zhì)條件

莘縣地熱開采區(qū)處于聊城西部地熱田，熱儲類型為層狀孔隙型，主要開采新近紀館陶組砂巖熱儲和古近紀東營組砂巖熱儲。

2.1 熱儲特征

(1)館陶組

該熱儲受區(qū)域構造和基底起伏的控制，頂板埋藏深、厚度大，自東向西由淺變深，厚度由小變大(圖2)。頂板埋深約1000m，底板埋深1300～1500m，地層厚度300～500m，含水層累計厚度155～175m。砂層巖性主要為河流相、沖積扇相的細砂巖、粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖，礫石呈半圓狀，磨圓度中等。在1000～1500m取水段，單井涌水量1500～2000m3/d。地熱水礦化度4～6g/L，水化學類型為Cl-Na和SO4·Cl-Na型，井口出水溫度45～60℃，屬溫熱型—熱水型低溫地熱資源。

1—第四系；2—新近紀明化鎮(zhèn)組；3—新近紀館陶組；4—古近系；5—侏羅系-白堊系；6—石炭系-二疊系；7—奧陶系；8—斷裂圖2 地熱地質(zhì)剖面圖

(2)東營組

受區(qū)域構造和基底起伏的控制，東營組底板埋深在2000m左右，厚度小于500m，在凹陷盆地的中心厚度最大，在盆地邊緣最薄，分布不穩(wěn)定，呈現(xiàn)自西向東、自南向北變厚趨勢?；讛嗔褬嬙燧^發(fā)育，構成良好的熱源上涌通道。熱儲巖性為細砂巖、砂礫巖，砂巖熱儲累計厚度100m左右，單井涌水量720～1440m3/d，地熱水礦化度6～10g/L，水化學類型為Cl-Na，Cl·SO4-Na型，井口出水溫度50～60℃，屬溫熱水--熱水型低溫地熱資源。

2.2 地溫梯度特征

為了解研究區(qū)地熱水的水化學特征，本次對施工地熱井的水質(zhì)分別進行了常規(guī)離子、微量元素、污染組分、放射性元素及同位素等方面的檢測。

(1)水平變化特征

研究區(qū)內(nèi)地溫梯度總體大于3.4℃/100m(圖3)。在水平方向上總的規(guī)律是中間低兩邊高，莘縣東南部分地溫梯度最高。地溫場的展布方向呈帶狀NNE向，地溫在平面上的變化規(guī)律與區(qū)內(nèi)基巖埋藏深淺、凹凸基底的構造輪廓、斷裂活動的分布具一致性。

1—地溫梯度小于3.6℃/100m；2—地溫梯度3.6～3.8℃/100m；3—地溫梯度大于3.8℃/100m；4—地溫梯度分區(qū)界線；5—施工地熱井圖3 蓋層地溫梯度分區(qū)圖

(2)垂向變化特征

地溫場的垂向變化規(guī)律主要由井內(nèi)測溫方法獲得。本次施工地熱井成井深度1900m，井底溫度58℃，取水段為1340～1830m，取水段以上熱儲蓋層地溫梯度較高，約3.60℃/100m，熱儲層地溫梯度相對降低，約3.42℃/100m，綜合計算地溫梯度為3.51℃/100m。測溫曲線總體上是一條斜直線(圖4)，反應在垂直方向上，地溫隨井深度的增加而遞增，但曲線上也有波折，分析其曲線形態(tài)，主要與地層巖性變化和砂泥巖比例有關[2-8]，綜合計算地溫梯度為3.57℃/100m。

圖4 蓋層地溫梯度分區(qū)圖

2.3 地熱水水化學特征

(1)常規(guī)離子成分

根據(jù)測試結果，莘縣地區(qū)地熱水礦化度介于7163.03～7776.14mg/L之間(表1)，水化學類型屬于Cl-Na或Cl·SO4-Na型。陰離子以氯離子為主，含量介于2957.88～3350.03mg/L；陽離子以鈉離子為主，含量介于2105.25～2343mg/L?？傆捕冉橛?220.98～1246.0mg/L之間，pH介于7.46～7.47之間。

表1 地熱水中常量元素含量一覽表 mg/L

(2)微量元素

地熱流體由于深層循環(huán)過程中的水—巖相互作用，同時受到高溫對溶濾作用的影響，地熱水中含有豐富的微量元素組分。根據(jù)測試結果，研究區(qū)地熱水中偏硼酸含量12.04mg/L，偏硅酸含量35.75mg/L，鍶含量8.9mg/L，碘含量1.70mg/L，鋰含量0.32mg/L，溴含量5.50mg/L(表2)。

表2 地熱水中微量元素組分含量一覽表 mg/L

(3)污染組分含量及其特征

根據(jù)測試結果，地熱水中有害成分和污染物含量極微，大部分低于檢出限(表3)。

表3 污染成分含量一覽表 mg/L

(4)放射性元素及其特征

地熱水中放射性物質(zhì)皆高于一般地下水，放射性元素含量差別較大。根據(jù)其測試結果，區(qū)內(nèi)熱水中總α含量<4.3×10-2βq/L，總β含量0.027βq/L，222Rn含量6558mβq/L。

(5)同位素及其特征

根據(jù)測試結果，區(qū)內(nèi)地熱水中δD×10-3含量為-72，δ18O×10-3含量為-9.1，其D，18O關系點均稍位于全球雨水線附近(δD=8δ18O+10)(圖5)，說明區(qū)內(nèi)地熱水起源于大氣降水。

圖5 地熱水δD和δ18O關系圖

3 地熱流體質(zhì)量評價

莘縣地區(qū)地熱水中含有多種對人體有益的微量元素，偏硼酸、偏硅酸、氟含量均達到了《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615-2010)中《理療熱礦水水質(zhì)標準》礦水濃度值，可命名為含硼、硅、氟型熱礦水(表4)。由于地熱水中礦化度、總硬度、氯化物、硫酸鹽等離子含量超標，不適宜作為農(nóng)田灌溉用水和飲用水水源(表5、表6)。

表4 理療熱礦泉水水質(zhì)標準對比表 mg/L

表5 農(nóng)業(yè)灌溉用水水質(zhì)標準對比表 mg/L

表6 生活飲用水水質(zhì)標準對比表 mg/L

根據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)對研究區(qū)地熱水進行腐蝕性和結垢評價。研究區(qū)地熱水為腐蝕性鍋垢很多的地熱水，因此在地熱水開發(fā)利用過程中要考慮地熱水對金屬的腐蝕性[9-15]。

4 地熱資源計算

4.1 地熱資源量計算

本次采用“熱儲法”計算研究區(qū)館陶組和東營組熱儲地熱資源量。計算公式如下：

Q=Qr+Qw

Qr=AdρrCr(1-φ)(tr-t0)

QL=Q1+Q2

Q1=Aφd

Q2=ASH

Qw=QLCwρw(tr-t0)

式中：Q—熱儲中儲存的熱量(J)；Qr—巖石中儲存的熱量(J)；QL—熱儲中儲存的水量(m3)；Q1—截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量(m3)；Q2—水位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量(m3)；Qw—水中儲存的熱量(J)；A—計算區(qū)面積(m2)；d—熱儲層厚度(m)；ρr,ρw—熱儲巖石密度、地熱水密度(kg/m3)；Cr,Cw—熱儲巖石比熱、地熱水的比熱(J/(kg·℃))；φ—熱儲巖石的空隙度，無量綱；tr—熱儲溫度(℃)；t0—當?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；S—彈性釋水系數(shù)，無量綱；H—計算起始點以上高度(m)。

經(jīng)計算，本區(qū)館陶組地熱資源量為224.46×1016J，折合標準煤7.66×107t；東營組地熱資源量為191.66×106J，折合標準煤6.55×107t。

4.2 地熱水可采量計算

本次采用“開采強度法”計算工作區(qū)館陶組和東營組熱水可采量。計算公式如下：

Q可=t·ε·4bL

式中：ε—開采強度(m3/d·m2)；t—開采時間(d)；2L—開采區(qū)長度(m)；2b—開采區(qū)寬度(m)。

經(jīng)計算，館陶組地熱水可采量為11.38×108m3，放熱量折合標準煤6.71×106t；東營組地熱水可采量為9.66×108m3，放熱量折合標準煤6.09×106t。

4.3 回灌條件下地熱可采量計算

根據(jù)《地熱資源評價方法及估算規(guī)程》(DZ/T0331--2020)，考慮回灌條件，采用熱突破公式計算地熱回灌條件下流體可開采量。計算公式如下：

ρeCe=φρwCw+(1-φ)ρrCr

式中：Qa—回灌條件下允許開采量(m3/d)；t—熱突破時間(d)；R1—井間距(m)；A—評價面積(m2)；M—熱儲層厚度(m)；φ—熱儲巖石孔隙度；ρw，ρr—熱儲水的密度，巖石的密度(kg/m3)；Cw，Cr—熱儲水的比熱，巖石的比熱(kJ/(kg·℃))。熱突破時間t取100年，即36500d。

經(jīng)計算，館陶組可采資源量為18.40×106m3/a，東營組可采資源量為13.89×106m3/a。

5 結論

(1)莘縣地區(qū)地熱資源主要賦存于新生代新近紀和古近紀碎屑沉積巖中。

(2)莘縣地區(qū)館陶組地熱資源量為224.46×1016J，地熱水可采量為11.38×108m3，回灌條件下地熱水可采量為18.40×106m3/a；東營組地熱資源量為191.66×1016J，地熱水可采量為9.66×108m3，回灌條件下地熱水可采量為13.89×106m3/a。

(3)莘縣地區(qū)地熱水不適宜作為農(nóng)田灌溉和飲用水源，且具有腐蝕性。