苗書雷,張映錢

(1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽 550016;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南 鄭州 450046)

根據(jù)載熱介質(zhì)所賦存空間的差異,巖層熱儲劃分為層狀熱儲及帶狀熱儲[1]。層狀熱儲為具有有效空隙度和滲透性的巖層、巖體所構(gòu)成的熱能儲層,其地層或巖體分布面積較大,地層傾角比較緩,地層沉積厚度大,供熱源為大地熱流,分布在沉積盆地;而帶狀熱儲為具有有效空隙和滲透性的構(gòu)造帶,比如斷裂破碎帶或者裂隙帶構(gòu)成的熱儲,一般傾角陡,平面上呈條帶狀延伸,常常表現(xiàn)為地溫異常,分布在隆起山地或者山前地帶[1,2]。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

永城市位于永城斷陷褶皺帶內(nèi),屬于華北地臺魯西臺隆次級構(gòu)造單元,構(gòu)造以北東—北北東向為主[3](圖1)。研究區(qū)位于永城北部芒山鎮(zhèn)、薛湖鎮(zhèn)及灤湖鄉(xiāng)境內(nèi),隱伏復背斜軸部北端,軸部地層抬升,為寒武奧陶系的灰?guī)r組成,有酸性及基性巖漿巖侵入,兩側(cè)為煤系地層,形成于石炭及二疊紀,背斜東部建成有車集、劉河煤礦,西翼建成有城郊、陳四樓及新橋煤礦[4]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造均為隱伏斷層,且比較發(fā)育,走向與永城背斜走向均基本一致,主要為北北東向斷層,次為北西西向斷層。區(qū)內(nèi)熱能儲層主要為奧陶系馬家溝組以及寒武系張夏組,其巖性主要為灰?guī)r,熱儲類型為層狀熱儲[4]。

2 研究區(qū)淺層地下水地溫分布

研究區(qū)內(nèi)第四系全新統(tǒng)厚度30～60 m左右,為近代黃河沖積層。底部為薄層狀褐黃色粉砂巖,中上部以淺黃色粉土與粉砂巖為主,結(jié)構(gòu)比較松散,并夾有黃褐色粘土及粉質(zhì)粘土,分布較廣,頂部主要為粉土及粉質(zhì)粘土,局部存在灰黃色、黑色淤泥質(zhì)粘土。

通過采用北京海創(chuàng)高科科技有限公司生產(chǎn)的TH-212型測溫儀,對研究區(qū)內(nèi)9眼機(民)井不同位置及深度的淺層地下水進行了垂向水溫測量,間距為1m/點,測量結(jié)果見圖2及表1。結(jié)果顯示位于太平集斷層北部的W4井、W5井和太平集斷層南部的W7井的淺層地溫明顯高于其它淺井的溫度,灤湖斷層組以西淺層地溫略高于斷層以東淺層地溫,因此推測研究區(qū)以灤湖斷層為界存在地溫差異。

表1 淺層地下水水溫測量記錄表

圖2 淺層地下水水溫測量點布置圖

3 研究區(qū)地溫特征

3.1 地溫場特征

3.1.1 地溫場

地球表面熱量的主要來源為兩個方面:首先為太陽輻射熱量,其次為地球內(nèi)部巨大內(nèi)熱向上傳遞的熱量。由于地球表層只在一定深度范圍內(nèi)接受太陽的輻射,因此在不同地區(qū)或不同部位將會導致反向傳輸?shù)膬煞N熱源的熱量的平衡關(guān)系存在差異,而這種差異化的平衡關(guān)系就導致了各個地區(qū)地殼淺部溫度場特征的差異化,致使地表向下依次形成了三個溫度帶,分別為變溫帶、恒溫帶以及增溫帶[5,6]。

據(jù)永城市氣象站資料及有關(guān)地溫觀測資料可知,永城地區(qū)變溫帶深度達23 m,其下為恒溫帶,恒溫帶的平均溫度為16.4℃,恒溫帶下部為增溫帶,其地溫隨深度的增加而逐漸增高。

3.1.2 地溫梯度

地熱來源于深部地殼的高溫巖體,而地層地熱向上的傳遞運移主要依靠巖體本身的熱能傳導性,由于各部位的巖性不同,其熱傳導系數(shù)亦不同,因此,地層內(nèi)地熱增溫量也有明顯差異[7]。

研究區(qū)松散層內(nèi)的粘性土占大部層位,其熱傳導系數(shù)小,地熱增溫率相對較高;淺部基巖為泥巖、砂巖,熱傳導系數(shù)較粘土大,地熱增溫率較粘土低;深部基巖為灰?guī)r、頁巖,熱傳導系數(shù)較砂巖、泥巖大,地熱增溫率較砂巖、泥巖低。

根據(jù)薛湖煤礦24-23和24-3鉆孔測溫資料可知,該鉆孔覆蓋層約為400 m,在400 m處溫度為28.5℃～29℃,恒溫帶為23 m,溫度16.4℃。由此可知松散層地熱增溫率預計3℃/100m左右。鉆孔24-23在深度400～960 m之間為砂巖、泥巖,在400 m處溫度為28.5℃,在960 m處溫度為37.8℃,因此估算該基巖平均地溫梯度為1.66℃/100m;24-3鉆孔深度400～1 000 m之間為砂巖、泥巖,在400 m處溫度為29℃,在1 000 m處溫度為39.9℃,因此估算該基巖平均地溫梯度為1.82℃/100m。根據(jù)兩眼實測鉆孔資料推算,研究區(qū)基巖地熱增溫率約(1.82+1.66)/2=1.74℃,即1.74℃/100m。

3.2 地熱異常因素分析

新商斷裂是研究區(qū)內(nèi)較大的斷裂,向上切割新近系,且具有活動性。根據(jù)區(qū)內(nèi)地震、重力、磁異常及電測深等資料分析得知新商斷裂主干斷裂向下切深超過1 000 m,成為聯(lián)通地下深部熱源的通道,深部地下熱水得以沿斷裂或裂隙面向上運移,并在古近系中進行聚集、擴散,從而影響該區(qū)域范圍內(nèi)的地熱場特征[3]。

區(qū)內(nèi)地熱異常的影響因素除斷裂構(gòu)造外,大地熱流也對地熱異常產(chǎn)生較大的影響。通過對永城煤田地層中所含鈾、釷、鉀等放射性元素進行測試計算,將其得出的生熱率與巖漿余熱比較分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地熱場供熱源為地幔熱流和地殼熱流,且以層控熱儲為主,補給方式為側(cè)向徑流[3]。

4 研究區(qū)地熱儲層特征與埋藏條件

4.1 儲層特征

新近系的層狀熱儲層是目前國內(nèi)開采的主要地熱資源,同時奧陶系、寒武系灰?guī)r裂隙巖溶所控制的儲層熱源同等重要。研究區(qū)內(nèi)新近系、奧陶系、寒武系地層分布較廣,但由于覆蓋層厚度較薄,新近系地層溫度較低,不具備地熱開采條件,因而考慮奧陶系、寒武系灰?guī)r作為熱儲層[8]。

根據(jù)本次地球物理勘查工作及收集資料分析,區(qū)內(nèi)地熱資源主要賦存于奧陶系中統(tǒng)的馬家溝組以及寒武系中統(tǒng)的張夏組灰?guī)r巖溶裂隙熱儲層中,巖性以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、鮞狀白云巖為主,富水性較好,為較好的儲熱層,灰?guī)r總厚度為567～846 m,平均706 m,其中寒武系張夏組灰?guī)r厚度85～221 m,奧陶系馬家溝組灰?guī)r厚度133～263 m,而熱儲層的有效厚度為300 m左右[3]。

研究區(qū)奧陶系、寒武系灰?guī)r多次經(jīng)歷大的構(gòu)造運動,造成深大斷裂切割地層,形成的灰?guī)r裂隙及風化殼后期經(jīng)巖溶作用,發(fā)育大量溶洞裂隙。根據(jù)大王莊鐵礦的勘探資料,研究區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育特征具有水平分帶性和不均一性,在灰?guī)r面以深200 m水平范圍內(nèi)廣泛發(fā)育,溶洞直徑大者達4 m,一般在1 m左右,小溶洞孔呈蜂窩狀縱橫分布[3]。

4.2 埋藏條件

根據(jù)地球物理勘查及收集的鉆孔揭示資料分析,如圖3所示,研究區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r頂板埋深在灤湖斷層組以西區(qū)域(Ⅰ區(qū))為800～1 350 m,并且由東向西呈逐漸增深趨勢,其上覆地層為第四系、新近系、二疊系及石炭系,覆蓋層厚度約為400 m,根據(jù)地溫梯度計算可知,當深度達到1 800 m時,水溫達45℃～50℃;

圖3 研究區(qū)地熱條件分區(qū)圖

而在灤湖斷層組以東區(qū)域(Ⅱ區(qū))奧陶系灰?guī)r頂板埋深大部在300～800 m,其上覆地層為第四系、新近系、二疊系、石炭系,覆蓋層厚度約300 m。部分地區(qū)地層缺失二疊系、石炭系,姜松園—呂官莊～趙破樓一線二疊系、石炭系缺失,勘查區(qū)北部芒山鎮(zhèn)附近二疊系、石炭系、奧陶系全部缺失。局部地區(qū)寒武系張夏組底板埋深在1 600 m左右,根據(jù)地溫梯度計算可知,當深度到達到1 600～1 700 m時,水溫小于42℃。

5 結(jié)語

(1)新商斷裂(永城段)以灤湖斷層為界存在地溫差異,且存在異常高溫點。

(2)研究區(qū)變溫帶深度為23 m,其下為恒溫帶,恒溫帶平均溫度16.4℃,增溫帶松散層部分地熱增溫率預計3℃/100m左右,基巖部分地熱增溫率約1.74℃/100m左右。

(3)研究區(qū)地熱異常受其斷裂構(gòu)造及大地熱流的影響。

(4)研究區(qū)主要地熱儲層為奧陶系、寒武系灰?guī)r,且其灰?guī)r頂板埋深由東向西逐漸增大,據(jù)地溫梯度計算,Ⅰ區(qū)水溫相應比Ⅱ區(qū)高。