周建飛

（1.河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì)；2.河北省礦山生態(tài)修復(fù)與資源綜合利用研究中心）

地?zé)豳Y源是一種可再生的清潔環(huán)保能源，地?zé)崴梢酝ㄟ^(guò)回灌進(jìn)行重復(fù)利用［1］，在現(xiàn)有技術(shù)的控制下，地?zé)嵩诶眠^(guò)程中對(duì)環(huán)境影響十分輕微［2］。實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，對(duì)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)意義重大，但地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用必須建立在對(duì)其資源量的科學(xué)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之上［3］。

地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)是地?zé)峥沙掷m(xù)開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)，其評(píng)價(jià)方法較多，常用的方法有熱儲(chǔ)法、水熱均衡法和數(shù)值法等［3］。在地質(zhì)、水文地質(zhì)和淺層地?zé)崮芸辈橘Y料具備的區(qū)域可采用數(shù)值法進(jìn)行淺層地?zé)崮艿脑u(píng)價(jià)；在具有長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域，適合用水熱均衡法［4］來(lái)評(píng)價(jià)淺層地溫能取熱量的保證程度，在調(diào)查中須定量查明在天然狀態(tài)和開(kāi)發(fā)狀態(tài)下淺層地溫能各均衡項(xiàng)的情況［3］。

從含水層中抽水時(shí)，會(huì)引起弱透水層彈性釋水補(bǔ)給抽水含水層，當(dāng)弱透水層厚度較大時(shí)這種補(bǔ)給相當(dāng)大，因而不能忽略，而熱儲(chǔ)法不僅適用于松散巖層分布區(qū)的地?zé)崮軆?chǔ)存量評(píng)價(jià)，而且同樣適用于基巖地區(qū)的地?zé)崮軆?chǔ)存量評(píng)價(jià)，此方法應(yīng)用較廣且比較成熟，故采用熱儲(chǔ)法對(duì)研究區(qū)熱儲(chǔ)層中的地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量評(píng)價(jià)［3-8］。

蔚縣盆地地處冀西北山區(qū)，根據(jù)現(xiàn)有地?zé)峥辈橘Y料可知，蔚縣盆地內(nèi)可供開(kāi)發(fā)利用的地?zé)豳Y源極為豐富，但目前對(duì)盆地內(nèi)的地?zé)豳Y源研究程度較低，缺少對(duì)地?zé)豳Y源量的科學(xué)性評(píng)價(jià)，嚴(yán)重影響地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用。以卜南堡地?zé)崽餅槔?，在?duì)地?zé)岬刭|(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，初步圈定計(jì)算范圍，初步評(píng)估區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源量，為研究區(qū)下一步地?zé)豳Y源勘查、開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于蔚縣斷陷盆地中部，大地構(gòu)造上處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ2）燕山臺(tái)褶帶（）冀西陷褶斷束（）蔚縣復(fù)向斜（）蔚縣開(kāi)闊向斜（）構(gòu)造單元內(nèi)。蔚縣開(kāi)闊向斜被4條區(qū)域性斷裂所控制，其東部為北西向的松枝口—右所堡斷裂，西部為北西向的大灣—暖泉斷裂，南部為北東向的蔚縣—延慶斷裂，北部為陽(yáng)原南山斷裂，這4條大斷層在控制地下水系統(tǒng)方面發(fā)揮了重要作用，不僅阻隔了盆地內(nèi)、外地下水的水力聯(lián)系，也為地下熱水的儲(chǔ)存和上升提供了空間和通道［9］。據(jù)區(qū)內(nèi)以往煤田勘探及鉆孔揭露情況來(lái)看，區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較齊全，由老至新依次為太古界桑干群，元古界長(zhǎng)城系、薊縣系，古生界寒武系、奧陶系，中生界侏羅系，新生界古近系、新近系、第四系。其中，長(zhǎng)城系和薊縣系為主要熱儲(chǔ)層，下伏新太古界桑干群為結(jié)晶基底，其他為蓋層［9］。

2 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 地層巖性

區(qū)內(nèi)地?zé)徙@孔揭露的地層及巖性由老至新為元古界霧迷山組，巖性主要為白云巖、隱晶質(zhì)白云巖、燧石角礫白云巖等，厚度為500～700 m，區(qū)內(nèi)鉆孔未揭穿；寒武系，巖性主要為含泥灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、泥巖等，鉆孔揭露厚度為430 m；奧陶系，巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖與泥質(zhì)灰?guī)r互層，鉆孔揭露厚度為179.9 m；侏羅系，巖性主要為砂巖、泥巖互層，夾煤層，鉆孔揭露厚度為48.2 m；第四系，砂質(zhì)黏土、砂礫石互層，鉆孔揭露厚度為373 m。

2.2 構(gòu)造

據(jù)壺流河以北的煤田勘探資料，研究區(qū)下部基巖中、小型斷裂十分發(fā)育，斷裂長(zhǎng)度1～5 km，垂直斷距30～100 m，以北西向?yàn)橹?，其次為北東向，但也見(jiàn)有南北向和東西向斷裂，多數(shù)為正斷層，屬?gòu)埮づc張性，部分為逆斷層。研究區(qū)南部外圍有壺流河斷層，是研究區(qū)附近規(guī)模最大的張性斷層，走向北東，傾向南東，斷距200～400 m，為第四系下隱伏斷裂。在斷層北部第四系較南部厚，北部熱儲(chǔ)較南部熱儲(chǔ)埋深淺，控制盆地內(nèi)第四系沉積厚度和熱儲(chǔ)的分布，是本區(qū)主要的控?zé)針?gòu)造之一。

2.3 地溫場(chǎng)特征

本次工作依據(jù)區(qū)內(nèi)已有地?zé)峋疁y(cè)溫資料，確定區(qū)內(nèi)低溫梯度介于1.13～3.02 ℃/（100 m），其中第四系和侏羅系地溫梯度為2.09 ℃/（100 m），奧陶系地溫梯度為1.13 ℃/（100 m），寒武系低溫梯度為2.43 ℃/（100 m），薊縣系霧迷山組低溫梯度為3.02 ℃/（100 m）。據(jù)第四系測(cè)井資料，在深度40m 處地溫變化較為平緩，約為14 ℃，所以確定研究區(qū)恒溫層溫度為14 ℃，埋深為40 m。依據(jù)以往煤田鉆孔、地?zé)峋葴y(cè)溫資料及以往研究成果繪制了研究區(qū)深孔溫度等值線圖（圖1），其中溫度大于25 ℃的等溫線閉合圈定的面積約為50 km2，并以此范圍為本次資源量評(píng)價(jià)范圍。

2.4 熱儲(chǔ)特征

研究區(qū)內(nèi)存在霧迷山組和高于莊組2層熱儲(chǔ)，由于區(qū)內(nèi)鉆孔僅揭露了霧迷山組熱儲(chǔ)，尚未揭露高于莊組熱儲(chǔ)，為使計(jì)算準(zhǔn)確，所以本研究不對(duì)高于莊組熱儲(chǔ)資源量進(jìn)行探討。區(qū)內(nèi)薊縣系霧迷山組在區(qū)內(nèi)均勻分布，巖性主要為角礫狀白云巖、隱晶質(zhì)白云巖等，厚度500～700 m，平均厚度約為600 m。區(qū)內(nèi)地?zé)峋衣鹅F迷山組白云巖厚度為136 m（未揭穿），涌水量為240.0 m3/h（降深20 m），井口水溫38 ℃，為復(fù)合型含鍶、偏硅酸優(yōu)質(zhì)礦泉水，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca·Mg 型，礦化度0.483 mg/L，pH 為7.55，微量元素含鍶0.342 mg/L，偏硅酸含量25.32 mg/L，存在2 段含水層（厚度分別為28 m、23 m），含水層總厚度為51 m，該段熱儲(chǔ)儲(chǔ)厚比為37.5%。結(jié)合區(qū)域地層厚度及區(qū)內(nèi)地?zé)峋畬?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合確定區(qū)內(nèi)霧迷山組頂板埋深1 031 m，底板埋深1 631 m，厚600 m；熱儲(chǔ)溫度為34.40～52.69 ℃，平均溫度為43.55 ℃。

3 地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

3.1 熱儲(chǔ)概念模型

卜南堡地?zé)崽飳儆趥鲗?dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)，熱儲(chǔ)層主要薊縣系高于莊組、霧迷山組白云巖，第四系、侏羅系構(gòu)成區(qū)內(nèi)主要蓋層，地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，熱源主要來(lái)自上地幔傳導(dǎo)熱，深部巖漿巖余熱可能構(gòu)成補(bǔ)充熱源［9］。研究區(qū)熱儲(chǔ)概念模型如圖2所示。

3.2 評(píng)價(jià)方法及原則

地?zé)豳Y源量、可利用地?zé)豳Y源量、地?zé)崴畠?chǔ)存量、地?zé)崴试S開(kāi)發(fā)量是地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容［3］。

地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)常用的方法有熱儲(chǔ)法、比擬法、數(shù)值模型法和地表流量法等。研究區(qū)研究程度較低，地?zé)豳Y源尚未被開(kāi)發(fā)利用，缺少長(zhǎng)期的地下熱水承壓水頭高度、地?zé)崽镩_(kāi)采量等項(xiàng)目的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和資料，對(duì)地?zé)崽锏男纬蓹C(jī)理、熱儲(chǔ)條件也處于推測(cè)和假設(shè)階段，并且從含水層中抽水時(shí)，會(huì)引起弱透水層彈性釋水補(bǔ)給抽水含水層，當(dāng)弱透水層厚度較大時(shí)這種補(bǔ)給相當(dāng)大，不能忽視［3］。鑒于以上原因，本次選用熱儲(chǔ)法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)應(yīng)更為合理。

用熱儲(chǔ)法計(jì)算出的資源量不可能全部被開(kāi)采出來(lái)，只能開(kāi)采出一部分，二者的比值稱為回收率?；厥章实拇笮∪Q于熱儲(chǔ)的巖性、孔隙及裂隙發(fā)育情況。地?zé)崴畠?chǔ)存量是儲(chǔ)存于熱儲(chǔ)層孔隙裂隙中的全部熱水體積，以熱儲(chǔ)體積與平均孔隙裂隙率近似確定［10-11］，因此選用體積法評(píng)價(jià)地?zé)崴畠?chǔ)存量。

地?zé)崴砷_(kāi)采量是最具有使用價(jià)值的資源量，適當(dāng)開(kāi)采地?zé)崴梢钥刂频叵滤?，防止土壤鹽堿化，減少潛水蒸發(fā)損失［12-13］，因此選用開(kāi)采系數(shù)法評(píng)價(jià)地?zé)崴脑试S開(kāi)發(fā)量。研究區(qū)開(kāi)采年限為100 a，計(jì)算深度下限為1 631 m。

3.3 參數(shù)選擇

本文根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010），采用熱儲(chǔ)法、開(kāi)采系數(shù)法等公式計(jì)算研究區(qū)地?zé)豳Y源量、可開(kāi)采地?zé)豳Y源量、地?zé)崴砷_(kāi)采量等［14］。所涉及參數(shù)確定依據(jù)及選取如下：

（1）熱儲(chǔ)面積。根據(jù)《地?zé)岬刭|(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）相關(guān)要求，研究區(qū)勘查程度比較低，對(duì)熱儲(chǔ)溫度分布不清楚，這時(shí)可以采用淺部溫度異常范圍大致圈定地?zé)崽锏姆秶敬尾捎脺\部溫度大于25 ℃等溫線閉合圈定的面積50 km2為熱田面積，同時(shí)區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)產(chǎn)出較為平緩，默認(rèn)其平面投影面積與熱田面積一致，綜合確定研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)面積為50 km2。

（2）熱儲(chǔ)厚度。研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露熱儲(chǔ)厚度136 m，存在2 段含水層（厚度分別為28 m、23 m），含水層總厚度為51 m，該段熱儲(chǔ)儲(chǔ)厚比為37.5%。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料可知，區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層平均厚度約為600 m，綜合推斷儲(chǔ)集層厚度約為225 m。

（3）熱儲(chǔ)、恒溫帶溫度和深度。采用區(qū)內(nèi)地?zé)徙@孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，熱儲(chǔ)頂板埋深1 031 m，溫度為34.4 ℃，利用地溫梯度（3.02 ℃/（100 m））計(jì)算出熱儲(chǔ)中部溫度為43.46 ℃。恒溫帶深度為40 m，溫度為14 ℃。

（4）巖石、熱水密度和比熱。依據(jù)《地?zé)岬刭|(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）附錄表提供的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)及內(nèi)插法得到霧迷山組白云巖密度為2 700 kg/m3，比熱為920 J/（kg·℃）；地?zé)崴芏葹? 000 kg/m3，比熱為4 180 J/（kg·℃）［6］。

（5）熱水、巖石壓縮系數(shù)及熱儲(chǔ)有效孔隙度。依據(jù)熱水和巖石壓縮系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)值，分別為4.85×10-4MPa-1、0.106×10-4MPa-1；有效孔隙率采用鄰區(qū)麥子疃地?zé)崽餆醿?chǔ)實(shí)測(cè)平均值3.3%。

（6）熱儲(chǔ)回收率。回收率根據(jù)工作區(qū)的實(shí)際情況，參考《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》（DZ/T 0331—2020）關(guān)于回收率的有關(guān)規(guī)定確定，巖溶型層狀熱儲(chǔ)可采系數(shù)定為5%（100 a）。

3.4 地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)

（1）采用熱儲(chǔ)法評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源總量。熱儲(chǔ)中的地?zé)豳Y源量主要由兩部分組成，一部分為巖石儲(chǔ)存的熱量，另一部分為熱儲(chǔ)中熱水中儲(chǔ)存的熱量。由式（1），可計(jì)算得熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量。

式中，Q為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量，J；Qr為巖石中儲(chǔ)存的熱量，J；Qw為水中儲(chǔ)存的熱量，J；A為計(jì)算區(qū)面積，m2；d為熱儲(chǔ)厚度，m；ρr為熱儲(chǔ)巖石密度，kg/m3；cr為熱儲(chǔ)巖石比熱，J/kg·℃；φ為熱儲(chǔ)巖石的空隙度，無(wú)量綱；tr為熱儲(chǔ)溫度，℃；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，℃；ρw為地?zé)崴芏?，kg/m3；cw為水的比熱，J/（kg·℃）。

（2）區(qū)內(nèi)可利用的地?zé)豳Y源量。由式（2）可計(jì)算得地?zé)豳Y源可開(kāi)采量。

式中，Qwh為地?zé)豳Y源可開(kāi)采量，J；Re為回收率，%；Q為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量，J。

將選擇的計(jì)算參數(shù)值代入式（1）和式（2）計(jì)算可知，研究區(qū)內(nèi)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源量為8.422×1017J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.874×107t。100 a 內(nèi)，可開(kāi)采地?zé)豳Y源量為4.211×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.437×107t。

3.5 地?zé)崴Y源量評(píng)價(jià)

區(qū)內(nèi)地?zé)崴鎯?chǔ)量包括熱儲(chǔ)空隙中的熱水量和水位降低到目前取水能力極限深度時(shí)熱儲(chǔ)所釋放的水量?jī)刹糠?。由式?）可得熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量。

式中，QL為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量，m3；Q1為截止到計(jì)算時(shí)刻，熱儲(chǔ)孔隙中熱水的靜儲(chǔ)量，m3；Q2為水位降低到目前取水能力極限深度時(shí)熱儲(chǔ)所釋放的水量，m3；S為熱儲(chǔ)彈性釋水系數(shù)；h為熱儲(chǔ)的厚度，m；H為計(jì)算起始點(diǎn)以上高度，m；Cr為熱儲(chǔ)巖石的壓縮系數(shù)，Pa-1。

計(jì)算可知，研究區(qū)內(nèi)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)中儲(chǔ)水量為374.300×106m3，100 a 內(nèi)地?zé)崴砷_(kāi)采量為281.716×106m3。研究區(qū)地?zé)崽锂a(chǎn)能為13.375 MW，屬于中型低溫?zé)崽铩?/p>

4 地?zé)崴_(kāi)發(fā)利用方向研究

根據(jù)河北省煤田地質(zhì)局第四地質(zhì)隊(duì)編制的《河北省蔚縣盆地地?zé)豳Y源賦存規(guī)律和成因模式研究報(bào)告》，按《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）、《食品國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)飲用天然礦泉水》（GB 8537—2018）、《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB/T 11615—2010）、《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—92）、《漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 11607—89）對(duì)區(qū)內(nèi)地下熱水進(jìn)行生活飲用水質(zhì)量、礦泉水質(zhì)量、理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法采用對(duì)比法，即用某項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的實(shí)測(cè)值與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（限值）進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)其是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)地?zé)崴疁啙岫?、鐵含量超標(biāo)，不能作為生活飲用水；水溫為38 ℃，大于35 ℃，不能作為農(nóng)田灌溉水使用；地?zé)崴新然锖看笥? mg/L（超標(biāo)），不能作為漁業(yè)用水使用；偏硅酸含量大于25 mg/L，且溫度大于34 ℃，屬于具有醫(yī)療價(jià)值的理療熱礦泉水，也可作為供暖用水；地?zé)崴懈黜?xiàng)指標(biāo)符合礦泉水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可作為天然礦泉水使用。

所以，區(qū)內(nèi)地?zé)崴荒茏鳛樯铒嬘盟⑥r(nóng)田灌溉水和漁業(yè)用水，適宜作為理療用水、供暖和天然礦泉水使用。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）卜南堡地?zé)崽餅橹行退疅嵝偷蜏責(zé)崽?，屬于傳?dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)，霧迷山組熱儲(chǔ)均勻分布于區(qū)內(nèi)。通過(guò)本次對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源量的評(píng)價(jià)可知，區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源量十分豐富，地?zé)崴|(zhì)較好，水溫較高。區(qū)內(nèi)地?zé)崴荒茏鳛樯铒嬘盟?、農(nóng)田灌溉水和漁業(yè)用水；適宜作為理療用水、供暖和天然礦泉水使用。

（2）地?zé)豳Y源量為8.422×1017J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.874×107t，熱儲(chǔ)中儲(chǔ)水量為374.300×106m3；可開(kāi)采地?zé)豳Y源量為4.211×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.437×107t，地?zé)崴砷_(kāi)采量為281.716×106m3。