0 引言

地熱資源是一種清潔和可再生能源,具有可循環、無污染、可直接利用等優點,已成為全球能源領域的研究熱點。我國作為地熱資源大國,開展地熱資源評價及開發,逐步減少對煤炭、石油等化石燃料的依賴,是實現“雙碳”目標,向發展清潔、綠色、低碳能源轉型的重要方式。

山東省地熱熱儲類型多、分布廣,地熱資源儲量豐富,開采條件好,是我國的地熱資源大省,全省 1 6地市均已成功鉆獲地熱井,發現了大中型地熱田。劉詠明等以地質背景條件、控熱構造、地熱地質條件等為依據,將山東省地熱資源劃分為魯東隆起地熱區、沂沭斷裂帶地熱區、魯西隆起地熱區和魯西北地熱區4個大的地熱區,康鳳新等則從熱儲類型、開放程度、熱源水源及其運移和可更新能力等方面論述了4個地熱區的地熱資源賦存規律及富集機制。丁朋朋等采用資料收集和實驗測試相結合的方法對魯西北平原砂巖熱儲層、地溫場、水化學和水位動態變化特征進行了研究,獲得了該地區的地熱地質特征和成因模式。前人的研究提供了一定的基礎資料,但多側重于魯西北地熱資源特征的整體描述,對以地熱田為單元的地熱地質特征及資源量評價未作深入分析。碣石山地區位于魯西北地熱區,第四系咸水覆蓋、斷裂構造復雜,具有地熱成礦地質條件好,資源分布廣,儲量大,易開采的特征,具備良好的勘探開發前景。

地下熱水不僅能滿足人們對能源的需求,還具有洗浴、療養、養殖、采暖、農業溫室種植等方面的功效,具有較顯著的生態效益和經濟效益。碣石山所處的無棣縣碣石山鎮具有十分豐富的礦產資源、漁業資源和旅游資源,且有多處村民集中居住小區,在該區塊開展地熱資源開發利用工作,對促進當地旅游事業,帶動當地經濟發展,助力鄉村振興有著重要意義。

本文以無棣縣碣石山地熱區塊為研究對象,通過資料收集、地熱地質調查、物探勘查等手段,查明了研究區的地熱地質條件和地層結構、熱儲蓋層和熱儲層巖性、埋深、空間分布規律及地熱水的賦存條件,建立了熱儲概念模型,分區計算了新近紀館陶組和古近紀東營組熱儲層的地熱資源量和地熱水可采量,為無棣縣碣石山地區的地熱資源開發利用、地熱資源規劃管理提供依據。

1 區域地質背景

碣石山地區位于黃河泛濫沖積平原,地貌以濱海海積平原為主,地形平坦開闊略有起伏,自西南向東北傾斜。行政區劃屬濱州市無棣縣,年平均氣溫 1 2℃左右,四季分明,屬北溫帶大陸性半干旱半濕潤季風氣候區。降水量年內分配不均,年平均降水量為6 7 6.8 mm,年蒸發量是年降水量的1.90倍,區內淡水資源匱乏,黃河水是最主要的淡水資源。

碣石山地熱區塊在大地構造單元上位于濟陽坳陷區的東北端,車鎮凹陷北部與埕子口凸起的交會地帶(圖1)。埕子口斷裂橫穿研究區南部,為埕子口凸起與車鎮凹陷的分界斷裂。埕子口斷裂北側為斷層下盤,受構造抬升剝蝕,導致古近紀東營組地層缺失,新近紀館陶組部分剝蝕,下古生界發育完整, 即新近系與新太古代泰山巖群直接接觸;斷裂南側為斷層上盤,接收沉積,新近紀館陶組和古近紀東營組發育完整。

研究區地層結構簡單,自下而上依次為新太古代泰山巖群(黑云斜長片麻巖、角閃片麻巖),新生界古近紀孔店組(紅色泥巖、砂礫巖)、沙河街組(細砂巖、灰綠色泥巖)、東營組(砂巖、泥巖交互沉積),新近紀館陶組(礫狀砂巖、細砂巖)、明化鎮組(泥巖、砂質泥巖),及第四紀平原組(砂質黏土、粉砂質黏土)。 其中,明化鎮組、館陶組、東營組沉積層與熱儲關系密切。

2 地熱地質特征

2.1 源、運、儲、蓋特征

研究區地處魯北地區,其在地質構造上是在太古界及古生界基底上發育起來的中、新生代斷陷盆地。受差異性升降運動的影響,沉積了巨厚的中、新生代陸相碎屑巖沉積層。地熱水主要富集在古、新近系層狀砂巖的孔隙裂隙和古生界石灰巖的巖溶裂隙內。

(1)源:區內JS1地熱井的測溫資料表明,地熱水的溫度小于90℃,屬于低溫地熱資源中的溫熱水型地熱資源。按地熱資源的形成條件,區內地熱資源屬于傳導型地熱資源。研究區的主要熱源來自上地幔傳導熱流和地殼深部的傳導熱流,熱儲層中地下水在緩慢側向徑流過程中,接受下部大地熱流而增溫,通過埕子口斷裂向上傳導,亦形成對流型熱源。

(2)運:埕子口斷裂為大山潛凹陷和埕子口凸起構造單元的劃分邊界。該斷裂具有深切割、多期長期活動的特征,其深切特性為深部流體提供了良好的垂向輸導通道;斷裂的長期活動驅動并加劇了深部地下水循環,在深部高溫環境下形成有效的熱對流系統,從而使該斷裂成為區域內主要的導水、導熱構造。

(3)儲:研究區內古近紀東營組上部為灰綠、灰白色砂巖、細砂巖及泥巖;中部為棕紅色泥巖、細礫巖;下部為灰白、灰綠色細礫巖、細砂及泥巖。頂板埋深為1 1 2 7~1 430 m,厚度在1 2~707 m之間,地層沉積厚度呈由西往東增大的趨勢,頂板埋深表現為由北往南逐漸增大。新近紀館陶組上部為灰白色礫狀砂巖、細砂巖、灰綠色細砂巖和棕紅色泥巖的交互沉積,底部為含石英、黑色燧石的礫狀砂巖、砂礫巖。頂板埋深為7 1 2~1 001 m,厚度在301~807 m 之間,厚度呈現由西往東增大的趨勢,頂板埋深表現為由北往南增大的趨勢。新近紀館陶組與古近紀東營組為本研究的主要目的層,二者均為碎屑巖孔隙含水巖組,具有較好的地熱基本條件,砂層厚度較厚,水量較大,是區內較為理想的層狀熱儲,也是最具開發價值的熱儲層。

(4)蓋:新近紀明化鎮組在區內分布穩定,頂板埋深為140~302 m,沉積厚度為528~807 m,其巖性多為泥巖,結構致密,富水性差,巖石熱導率低,隔熱性能良好,加之埋藏淺,溫度低,可將其和第四紀平原組視為下伏熱儲層的保溫蓋層,為該區地熱成藏提供了良好的蓋層條件。

2.2 地溫場特征

根據《地熱資源地質勘查規范》及區域地質資料,砂巖的熱導率(K)為2.596 W/(m·℃),泥巖的熱導率為1.71 W/(m·℃),區內館陶組與東營組地層砂巖厚度占地層厚度的56%左右,據此推算,館陶組與東營組地層的平均熱導率為2.20 W/(m·℃)[1 8]。 以區內現有地熱井(JS1井)綜合物探測井中的溫度測井資料所計算的館陶組與東營組平均地溫梯度為參數,得到館陶組與東營組大地熱流值平均值為1.45 HFU(1 HFU=41.868 mW/m2)[1 9]。由區內鉆孔測溫和恒溫帶地溫資料計算結果可知,平面上,研究區地溫梯度范圍為3.31~3.39℃/100m,由南向北逐漸增大(圖2),全區均呈現較明顯的地熱異常;縱向上,地溫梯度隨深度的增加逐漸降低,受地層巖性影響較大,館陶組、東營組地層地溫梯度分別為 3.57℃/100 m和3.32℃/100 m。

3 地熱資源計算與評價

3.1 熱儲概念模型

在對研究區源、運、儲、蓋特征及地溫場特征進行綜合分析的基礎上,借鑒前人地熱資源評價的方法,將區內形態復雜、分布不規則的地質體簡化為理想化的幾何模型,構建了包含熱儲蓋層、熱儲層及熱儲底板等元素的熱儲概念模型(圖3)。

(1)將第四系松散沉積物及新近紀明化鎮組的砂、泥巖互層序列統視為熱儲蓋層。

(2)將新近紀館陶組和古近紀東營組的砂礫巖層概化為一個均質、各向同性,且在水平方向上連續展布的熱儲層,位于埕子口斷裂北側的新近紀館陶組砂巖層與下伏熱儲底板直接接觸。

(3)埕子口斷裂南北兩側的熱儲底板均由新太古代泰山巖群的變質巖系構成。

(4)地殼深部的傳導熱流是地下熱水的主要熱量來源,也存在沿埕子口斷裂形成的對流型熱源。

圖2 研究區地溫梯度等值線圖

圖3 研究區熱儲概念模型圖

3.2 分區及主要參數

根據研究區的地熱地質特征及砂巖熱儲層發育層位,在熱儲資源計算中可將其劃分為2個區域。

Ⅰ區位于埕子口斷裂南側,地層沉積相對連續穩定,熱儲層主要包括新近紀館陶組與古近紀東營組的砂巖層,熱儲面積為0.3 1 5 km2。

Ⅱ區位于埕子口斷裂北側,受斷裂活動影響,地層遭受強烈剝蝕,古近紀東營組基本缺失,熱儲層僅由殘留的新近紀館陶組砂巖構成,熱儲面積為 3.1 85 km2。

3.3 地熱資源開發利用展望

研究區地熱水主要蘊藏在砂巖中,但在泥質巖 (泥質砂巖)中,也有少量的水和熱能存在,本次計算未考慮泥巖中的熱量和水量,僅對砂巖進行計算。本研究只針對新近系館陶組和古近系東營組2個2 000 m以淺含水層段進行計算,均為經濟型地熱資源。區內地熱水徑流緩慢,計算時未考慮熱水的外來補給量。

本區總體上是以熱傳導為主的大地熱流作用機制下形成的溫熱水型地熱資源。熱儲類型主要為新近系館陶組與古近系東營組的砂巖熱儲,構成熱儲的源、運、儲、蓋結構完整。

埕子口斷裂以南(Ⅰ區)主要熱儲層為新近系館陶組與古近系東營組砂巖層,熱儲層厚度大,地熱資源總量為1.024×101 6J,折合標準煤為3.50×105t, 地熱水可開采資源量為1 900.93 m3/d;埕子口斷裂以北(Ⅱ區)受斷層抬升影響,地層遭受嚴重剝蝕,東營組缺失,砂巖層厚度薄,但面積較大,地熱資源總量為1.5 7 5×101 6J,折合標準煤為5.38×105t,地熱水可采資源量為4 1 3 1.2 5 m3/d。

全區熱儲的總產能可達9.93 9 MW,按每年冬季供暖1 20 d開采計算,研究區地熱流體年開采累計可利用的熱能量為1.7 1 7×108MJ,折合標準煤 5 85 9.83 t。

本區賦存的低溫地熱資源(溫度<90℃)具有廣闊的開發前景,為實現其經濟與社會價值最大化, 并推動資源的可持續利用,可從以下方面系統規劃其開發利用路徑,并開展后續研究。

(1)大力推進地熱清潔供暖,替代傳統燃煤方式,借鑒“取熱不取水”或“取熱不耗水”等技術, 確保資源開發與環境保護相協調。

(2)若地熱流體水質符合醫療熱礦水標準(如富含鋰、氟、偏硅酸等有益組分),可積極發展溫泉康養、旅游休閑等產業。

(3)拓展農業領域應用范圍,用于溫室種植與水產養殖,并通過“一次取水,梯級利用”的模式[2 6],顯著提升熱能利用效率和項目經濟性。為確保資源的長期可持續利用,后續工作應聚焦于地熱流體質量的精準評價,并建立嚴格的資源保護與動態監測體系,定期監測水位、水溫、水量變化,評估開采對地質環境的影響,為資源的科學規劃與長效管理提供關鍵依據。

4 結論

(1)通過對碣石山地熱區塊的自然概況、地層巖性、地質構造及地熱地質條件進行收集和總結,系統分析了地層巖性分布特征、構造分布、熱儲特征及地溫的分布特征及規律,構建了研究區的熱儲概念模型。研究區內館陶組與東營組熱儲地熱資源豐富, 構成熱儲的源、運、儲、蓋結構完整,屬于傳導型地熱資源,熱儲類型為砂巖熱儲。

(2)利用熱儲法計算得到研究區內館陶組和東營組熱儲中地熱資源總量為2.599×101 6J,折合標準煤 8.88×105t;可利用地熱資源總量為6.496×101 5J,折合標準煤為2.22×105t。區內館陶組及東營組熱儲的產能為9.939 MW。按照每年冬季供暖季120 d開采計算,得到地熱流體年開采累計可利用的熱能量為 1.71 7×108MJ,折合標準煤5 859.83 t。