王建偉，佟智強(qiáng)，宋林旭，高 博，宋立東

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 牡丹江 157021)

敦密斷裂帶(敦化-密山斷裂帶)為我國(guó)東北部中、新生帶巨大的裂陷帶，南起沈陽(yáng)，北至密山，斜貫遼寧、吉林和黑龍江三省，斷裂展布區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的煤炭、石油、天然氣、地?zé)?、多金屬及非金屬資源，是我國(guó)東北地區(qū)重要的斷裂帶之一[1-3]。鏡泊鄉(xiāng)位于黑龍江省牡丹江市南部，面積180 km2，距牡丹江市區(qū)150 km，屬切割的低山丘陵地貌，平均海拔400 m左右，該區(qū)處于敦密斷裂帶形成的鏡泊湖地塹中，根據(jù)區(qū)域上地?zé)峥辈槌晒Π咐?鏡泊湖地塹敦參1井)綜合對(duì)比分析，鏡泊鄉(xiāng)地區(qū)具備地?zé)豳Y源賦存的有利條件，地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)具備一定潛力[4]。

2008年開(kāi)始，黑龍江省第一地質(zhì)勘查院陸續(xù)對(duì)該區(qū)開(kāi)展了地?zé)峥辈楣ぷ鳎阽R泊鄉(xiāng)地區(qū)北部施工鉆孔1個(gè)，編號(hào)鏡泊湖1號(hào)，孔深1 579.40 m，并完成了相應(yīng)的測(cè)井、抽水試驗(yàn)、取樣測(cè)試等工作。本文以前人研究成果和實(shí)測(cè)地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，對(duì)鏡泊鄉(xiāng)地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征進(jìn)行了分析與研究，利用熱儲(chǔ)法[5-14]對(duì)研究區(qū)地?zé)豳Y源量進(jìn)行初步估算與評(píng)價(jià)，以期為該區(qū)合理開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造

區(qū)域上主要發(fā)育兩條深斷裂，分別為敦密斷裂和牡丹江斷裂。其中，敦密斷裂帶走向55°～60°，主要由兩條相距10～20 km、大致平行的高角度主干斷裂組成，后期因相向?qū)_，形成“逆地塹式”斷裂[15-16]；牡丹江斷裂呈近南北向或北北東向分布于牡丹江市至東京城鎮(zhèn)連線東側(cè), 在鏡泊湖南至寧安南部與敦密斷裂帶相裁切(圖1)。在兩條大斷裂形成之后，沿其次級(jí)斷裂發(fā)生過(guò)多次巖漿侵入活動(dòng)，使部分地區(qū)呈現(xiàn)基底隆起，部分地區(qū)呈現(xiàn)凹陷而形成盆地[17-18]，鏡泊湖地塹即位于形成的海浪盆地內(nèi)。

1前震旦系深變質(zhì)巖2下奧陶統(tǒng)較深變質(zhì)巖3前中生界淺變質(zhì)巖4中生界5新生界6花崗巖7中生代火山巖8新生代玄武巖9盆地邊界10深斷裂11區(qū)域大斷裂12一般斷裂

1.2 地層

區(qū)域上敦密斷裂帶兩側(cè)地層主要由中元古界黑龍江巖群的片巖和泥盆系歪鼻子組變質(zhì)砂巖等變質(zhì)巖構(gòu)成，零星分布侏羅系上統(tǒng)寧遠(yuǎn)村組流紋巖等火山巖。鏡泊湖地塹內(nèi)地層主要由古近系琿春組及新近系土門(mén)子組河湖相沉積巖構(gòu)成[19]，上伏覆蓋第四系全系統(tǒng)鏡泊湖早期玄武巖。

上述大的斷裂構(gòu)造、頻繁復(fù)雜的巖漿活動(dòng)及盆地內(nèi)沉積地層，共同提供了在本區(qū)域內(nèi)形成地下熱儲(chǔ)資源的地質(zhì)條件。

2 熱儲(chǔ)特征

2.1 鉆孔揭露特征

鏡泊湖1號(hào)井設(shè)計(jì)孔深1 500 m，終孔孔深1 579.40 m(圖2)，主要目的是尋找地?zé)崴@取相關(guān)地?zé)釁?shù)。該地?zé)峋┻^(guò)頂部玄武巖蓋層，在新近系中新統(tǒng)土門(mén)子組沉積巖(主要為中-粗砂巖，夾少量細(xì)砂巖和泥巖)中打出熱水，共揭露熱儲(chǔ)層16層(表1)，累計(jì)厚度157.20 m，熱儲(chǔ)平均孔隙度20.59%，平均滲透率194.35×10-3μm2，富水性中等。

圖2 鏡泊湖1號(hào)井巖性結(jié)構(gòu)示意圖

表1 鏡泊湖1號(hào)井熱儲(chǔ)層一覽表

2.2 垂向地溫場(chǎng)

鏡泊湖1號(hào)井井溫垂向變化特征如表2、圖3所示，井溫與井深呈正相關(guān)關(guān)系，300 m處溫度為20.87℃，1 550 m處溫度為54.78℃，算數(shù)平均溫度為39.48℃。在900～1 100 m深度范圍內(nèi)井溫增加速度最快，地溫梯度達(dá)3.43℃/100m。

表2 鏡泊湖1號(hào)井井溫測(cè)量表[20]

圖3 鏡泊湖1號(hào)井溫度垂向變化圖

2.3 水化學(xué)特征

鏡泊湖1號(hào)井熱礦水礦化度為922 mg/L，為淡水，其中陽(yáng)離子以Na+為主，含量為245 mg/L，毫克摩爾濃度97%，陰離子以HCO3-為主，含量為586 mg/L，毫克摩爾濃度83.2%(表3)，按舒卡列夫分類(lèi)，水化學(xué)類(lèi)型屬HCO3-Na型水；pH值8.38，總硬度11 mg/L，屬弱堿性水，氟含量為12.0 mg/L，井口(抽出水)溫度為48℃，已達(dá)到《天然礦泉水地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB/T13727-2016)規(guī)定的命名條件，為氟化物淡溫泉水(氟≥2.0 mg/L、溫度≥34℃、礦化度<1 000 mg/L)。依據(jù)《醫(yī)療礦泉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，該熱礦水中氟和偏硅酸含量(29.6 mg/L)較高，具有一定的醫(yī)療價(jià)值，并已達(dá)到氟水和硅水的命名條件。氟的攝取量對(duì)于維持骨骼的正常發(fā)育是很重要的，適量的氟可加速骨骼的形成，增加骨骼的硬度。

表3 鏡泊湖1號(hào)井水質(zhì)分析成果表 mg/L

熱礦水中氟含量超過(guò)國(guó)家《飲用天然礦泉水》(GB8537-2018)規(guī)定限量指標(biāo)(氟化物≥2.0 mg/L)與《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB/5749-2006)規(guī)定毒理學(xué)指標(biāo)(氟<1.0 mg/L)要求，不能直接作為天然礦泉水及生活飲用水使用。

3 地?zé)豳Y源量計(jì)算

熱能量計(jì)算分為熱儲(chǔ)層中熱能總量和可開(kāi)采熱能儲(chǔ)量計(jì)算兩個(gè)方面。常用的方法是“熱儲(chǔ)法”和“回采系數(shù)法”。

3.1 計(jì)算公式

本次地?zé)豳Y源量計(jì)算采用“熱儲(chǔ)法”，即：

(1)

根據(jù)鏡泊湖1號(hào)井實(shí)測(cè)熱儲(chǔ)參數(shù)及《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)相關(guān)規(guī)定可得：A=1.8×108m2；d=157.2 m；tr=48.0℃；tj=3.6℃；ρc=2.60 g/cm3；ρw=0.988 91 g/cm3；cc=0.21 cal/g·℃；cc=1.00 cal/g·℃；φ=20.59%。

熱儲(chǔ)層可采熱能儲(chǔ)量計(jì)算，采用“回采系數(shù)法”進(jìn)行計(jì)算，即：

Qwh=RE·QR

(2)

式中：Qwh為熱儲(chǔ)層可開(kāi)采熱儲(chǔ)量(J)；RE為回采系數(shù)(回收率)；QR為地?zé)豳Y源量(J)。

用熱儲(chǔ)法計(jì)算出的熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存熱能總量不可能全部被開(kāi)采出來(lái)，只能開(kāi)采出一部分，二者的比值稱(chēng)為回收率。松散孔隙熱儲(chǔ)，孔隙率大于20%時(shí)，回收率可取25%，固結(jié)砂巖、花崗巖、火成巖等裂隙熱儲(chǔ)，其回收率可取5%～10%。本次計(jì)算熱儲(chǔ)層為固結(jié)砂巖，其孔隙度大于20%，回收率值取10%。

3.2 計(jì)算結(jié)果

將上述各參數(shù)值分別帶入(1)和(2)式中計(jì)算得到：鏡泊鄉(xiāng)地區(qū)地?zé)豳Y源量(QR)為3.35×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1.14×108t；可開(kāi)采資源量(Qwh)為3.35×1017J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1.14×107t(每噸標(biāo)準(zhǔn)煤按2.93×1010J計(jì)算)。

4 地?zé)崃黧w可開(kāi)采量

4.1 單井可開(kāi)采量

鏡泊湖1號(hào)井采用穩(wěn)定流反向三個(gè)落程的方法進(jìn)行了抽水試驗(yàn)工作，試驗(yàn)成果如表4所示。

表4 鏡泊湖1號(hào)井抽水試驗(yàn)成果表

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果繪制Q-S曲線，經(jīng)計(jì)算鏡泊湖1號(hào)井Q-S曲線為指數(shù)型曲線，表達(dá)式為Q=81.372·S1/1.138。依據(jù)“地?zé)峋樗囼?yàn)資料用內(nèi)插法(最大水位下降以不大于20 m為宜)初步確定熱水井可采量”規(guī)定，當(dāng)降深至20 m時(shí)，鏡泊湖1號(hào)井可采量為1 131.592 m3/d。

4.2 地?zé)崃黧w可開(kāi)采量

鏡泊鄉(xiāng)地?zé)衢_(kāi)采井的合理井間距的計(jì)算根據(jù)單井開(kāi)采權(quán)益保護(hù)半徑公式確定，具體公式為：

(3)

式中：R為地?zé)峋_(kāi)采100年排出熱量對(duì)熱儲(chǔ)的影響半徑(m)；Q為單井可采量(m3/d)；f為水比熱與熱儲(chǔ)巖石比熱的比值(無(wú)量綱)，數(shù)值為4.76；d為熱儲(chǔ)層厚度(m)。

4.3 年產(chǎn)能

地?zé)岙a(chǎn)能采用公式：

Wt=4.186 8Q總(t-tj)

(4)

式中：Wt為熱功率(kW)；Q總為地?zé)崃黧w可開(kāi)采量(L/s)；t為地?zé)崃黧w溫度(℃)；tj為當(dāng)?shù)啬暝u(píng)均氣溫(℃)。

地?zé)崃黧w年開(kāi)采累計(jì)可利用的熱能量估算公式為：

(5)

式中：∑Wt為開(kāi)采一年可利用的熱能(MJ)；D為全年開(kāi)采天數(shù)(d)；K為為熱效比(無(wú)量綱)，按燃煤鍋爐的熱效率0.6計(jì)算。

將相關(guān)參數(shù)分別帶人(4)和(5)式中，計(jì)算得到：Wt=5.113×104kW，=2.687×109MJ。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)鏡泊鄉(xiāng)地?zé)崽餅槭軜?gòu)造控制的斷陷沉積盆地層狀孔隙型熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)層為新近系土門(mén)子組沉積巖，累計(jì)厚度157.20 m。熱礦水礦化度為922 mg/L，平均水溫48℃，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Na型水，氟含量為12.0 mg/L，屬氟化物淡溫泉水。

(2)鏡泊鄉(xiāng)地區(qū)熱儲(chǔ)層中儲(chǔ)存的熱量(QR)為3.35×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1.14×108t；可開(kāi)采出的熱量(Qwh)為3.35×1017J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1.14×107t；熱流體可開(kāi)采量(Q總)為275.04 L/s；熱功率(Wt)為5.113×104kW；年產(chǎn)能(∑Wt)為2.687×109MJ。

(3)黑龍江省東部區(qū)域敦密斷裂帶上的其他沉積盆地(如海林、林口和雞西等)是熱儲(chǔ)形成的潛力地段，可作為下一步地?zé)豳Y源勘查的遠(yuǎn)景規(guī)劃區(qū)。