蔣 林，季建清，徐芹芹

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871;2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

0 引言

隨著世界能源供需日趨緊張，傳統(tǒng)化石能源面臨資源短缺和高碳排放的問題，開發(fā)利用新能源成為科技發(fā)展的熱點(diǎn)。不同于化石能源、水力、風(fēng)能等基于太陽(yáng)能量的外部能源，地?zé)崮軄碜缘厍騼?nèi)能，是地球深部殘熱和地殼放射性核素衰變熱的釋放，能流穩(wěn)定，蘊(yùn)藏巨大，因此，其作為獨(dú)特的清潔能源日益受到關(guān)注。目前發(fā)達(dá)國(guó)家地?zé)嵫芯恐饕杏趦蓚€(gè)主題(Gupta，2007等)，一為深源高溫的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced geothermal system)，一為淺源低溫的地源熱泵(Geothermal heat pump)技術(shù)。前者通過地殼深部干熱巖體采熱實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定潔凈的基荷供電，后者實(shí)現(xiàn)小尺度的建筑冷暖空調(diào)，并可以通過微電網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)電網(wǎng)提供靈活的峰荷供電。由于采熱深度大，增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的勘探開發(fā)與地殼乃至巖石圈尺度的地質(zhì)構(gòu)造和熱結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

我國(guó)大地構(gòu)造環(huán)境處于太平洋、菲律賓、印度幾大板塊的擠壓環(huán)境中，東部盆地具有巖石圈減薄、軟流圈上涌的特征(汪洋，1999;孫愛群等，2000;邵濟(jì)安等，2003)，大地?zé)崃髦禍y(cè)點(diǎn)顯示出高于大陸平均水平的熱流趨勢(shì)，地?zé)豳Y源豐富。東部的渤海灣盆地等一系列盆地基底具有典型的盆－嶺式基底構(gòu)造形態(tài)，與美國(guó)、歐洲、澳大利亞正在開發(fā)的EGS熱田(MIT，2006;Cloetingh et al.，2011 等)具有相似的構(gòu)造環(huán)境或熱背景;同時(shí)盆地沉積蓋層發(fā)育良好，大部分地區(qū)基底埋深在5 km以內(nèi)，為基底散熱提供了良好的保溫條件，經(jīng)地溫場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn)深部熱巖體具有很好的開發(fā)條件。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)研究很少，只有零星的討論(楊吉龍等，2001;Wan，et al.，2005;康玲等，2009)。本研究結(jié)合前人在我國(guó)華北區(qū)域的研究成果和近年地?zé)峒夹g(shù)取得的新進(jìn)展，以渤海灣盆地為例分析了開發(fā)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)所需的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)條件，對(duì)基于地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)資源及數(shù)學(xué)模擬有一定參考意義。

1 世界地?zé)岚l(fā)電與增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)應(yīng)用現(xiàn)狀

地?zé)崮馨l(fā)電實(shí)現(xiàn)了地?zé)崮芰康谋憬輧?chǔ)運(yùn)，相比于直接利用更便于大規(guī)模高效率的應(yīng)用。圖1顯示了截至2010世界各國(guó)地?zé)岚l(fā)電的裝機(jī)容量(Bertani，2012)。其中中國(guó)只有西藏羊八井一處地?zé)犭姀S，總裝機(jī)功率24 MW，地?zé)岚l(fā)電量低于環(huán)太平洋地?zé)釒У娜毡?、菲律賓、印度尼西亞等國(guó)家。

1.1 增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的概念

國(guó)際地?zé)峒夹g(shù)合作組織IPGT將增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS，Enhanced Geothermal System)定義為“通過向地下打鉆并向鉆井內(nèi)注入高壓流體，從而增強(qiáng)巖石中原有裂隙，形成與天然地?zé)豳Y源相似的人工熱儲(chǔ)，隨后向裂隙中施工生產(chǎn)井，抽取被巖石熱量加熱至過熱的流體至地表，通過汽輪機(jī)等裝置發(fā)電”。美國(guó)能源部定義其為“在低滲低孔隙度地?zé)豳Y源賦存巖體中，人工建立儲(chǔ)層，回采有經(jīng)濟(jì)意義的地?zé)豳Y源的技術(shù)”。綜合考慮熱儲(chǔ)溫度對(duì)發(fā)電效率和設(shè)備要求的影響，MIT(2006)在其關(guān)于EGS的權(quán)威展望報(bào)告中，明確地將EGS的經(jīng)濟(jì)成儲(chǔ)溫度定在150℃，最佳開采溫度為200℃左右。

類似技術(shù)在1970年代剛興起時(shí)稱為HDR(Hot Dry Rock)，中譯干熱巖，其后亦有文獻(xiàn)使用Engineered Geothermal System(EGS)和Hot Fractured Rock(HFR)。近年普遍使用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)這一術(shù)語(yǔ)，一方面強(qiáng)調(diào)了其工程技術(shù)的屬性，另一方面體現(xiàn)了從局部巖體圈定熱儲(chǔ)向普遍的地?zé)豳Y源潛力評(píng)價(jià)的勘探思路的轉(zhuǎn)變。

作者結(jié)合大量的EGS和傳統(tǒng)水熱地?zé)豳Y源相關(guān)文獻(xiàn)，概括對(duì)比了EGS資源的特點(diǎn)(表1):EGS最大的優(yōu)勢(shì)在于其熱儲(chǔ)的溫度一般在150℃以上，與回灌溫度(abandon temperature)之間溫差一般在100℃以上，而傳統(tǒng)水熱資源可利用溫差一般低于50℃，兩者相差2～3倍。對(duì)于地?zé)岚l(fā)電體系，供熱流體溫度每升高10℃，總發(fā)電效率可增加0.8%(MIT，2006;Kreuter and Kapp，2008)，高溫?zé)嵩磿?huì)大大提高地?zé)岚l(fā)電經(jīng)濟(jì)性，這也是整個(gè)EGS技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)。

圖1 (a)世界主要地?zé)崂脟?guó)家地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量;(b)各大洲地?zé)崂弥鶢顖D(據(jù)Bertani，2012)Fig.1 (a)Installed capacity of geothermal power plants over the world;(b)Histogram of geothermal utilization in major continents(after Bertani，2012)

表1 EGS地?zé)豳Y源與傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源的比較Table 1 Comparion of EGS geothermal resources with conventional geothermal resources

1.2 國(guó)外研發(fā)現(xiàn)狀及主要方向

世界上第一個(gè)EGS發(fā)電試驗(yàn)項(xiàng)目Fenton Hill項(xiàng)目于1973年誕生在美國(guó)，隨后英、法、日、澳等國(guó)相繼開展試驗(yàn)研究和應(yīng)用。對(duì)比各大洲EGS項(xiàng)目區(qū)的地質(zhì)環(huán)境，可以看到:(1)以肘折(Hijiori)為代表的日本EGS熱田均分布在島弧火山巖帶，即環(huán)太平洋“火環(huán)”上;(2)以Cooper盆地為代表的澳大利亞EGS熱田勘查區(qū)分布在澳大利亞大陸東南緣的擠壓推覆帶中，熱源主要是深部富放射元素的巨型花崗巖體;(3)以Fenton Hill為代表的北美EGS熱田和前景區(qū)主要位于北美西部盆嶺省中、新生代火山巖體相近的裂谷地塹區(qū)，區(qū)域上處于張應(yīng)力場(chǎng)中;(4)歐洲目前的EGS項(xiàng)目多展布于NEE走向縱貫西歐的萊茵河新生代裂谷地塹中(Genter et al.，2003)，具有極高熱流值(＞90 MW/m2)，另外阿爾卑斯造山帶內(nèi)的前陸磨拉石盆地和弧后盆地中也存在與年輕火山巖相關(guān)的地?zé)岙惓^(qū)。

麻省理工學(xué)院(MIT，2006)為美國(guó)聯(lián)邦政府編寫的EGS技術(shù)展望報(bào)告系統(tǒng)論述了EGS的發(fā)展、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)各方面內(nèi)容;Cloetingh et al.(2010)基于歐洲巖石圈與熱結(jié)構(gòu)的地質(zhì)分析對(duì)歐洲EGS勘探開發(fā)提供了藍(lán)本。法國(guó)、德國(guó)、瑞士等國(guó)家在EGS試驗(yàn)研究方面積累了詳盡的資料，如法國(guó)Soultz-Sous-Forêts的EGS項(xiàng)目已發(fā)表了40余篇博士論文(Genter et al.，2010)。而澳大利亞和日本的EGS開發(fā)由于火成巖體熱儲(chǔ)條件好，主要是民間商業(yè)機(jī)構(gòu)在承擔(dān)EGS開發(fā)。

目前EGS研究的熱點(diǎn)主要涉及:(1)深部應(yīng)力與壓裂模擬和實(shí)驗(yàn)(Pruess et al.，1999;Sanyal and Butler，2005;Legarth et al.，2005;Zimmermann et al.，2010;):研究深部應(yīng)力場(chǎng)下裂隙的取向、頻度、連通性及其對(duì)采熱性能的影響;(2)高溫下水巖相互 作 用 (MacDermott et al.，2006;Fritz et al.，2010):探討200℃環(huán)境下巖體成分的溶解、沉淀及其對(duì)流體回路的短路和封堵及對(duì)巖體滲透率的影響;(3)替代流體采熱(Brown，2000;Fouillac et al.，2004;Pruess et al.，2006;Atrens et al.，2010;Fard et al.，2010等):基于超臨界二氧化碳的低粘度、低溶解能力和較大的虹吸浮力效應(yīng)等特征，探討使用超臨界CO2采熱的可行性;(4)誘發(fā)地震(Majer et al.，2007;Evans et al.，2011):基于微震觀測(cè)描述儲(chǔ)層壓裂情況和壓裂誘發(fā)可感地震的矛盾，論證EGS采熱的地震安全性;(5)EGS經(jīng)濟(jì)模型(MIT，2006)等。

2 渤海灣盆地區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)與熱結(jié)構(gòu)

我國(guó)大陸在地殼熱狀態(tài)上存在明顯的分帶，總體體現(xiàn)為大地?zé)崃髦禆|部高、西部低，東部沿海和喜馬拉雅構(gòu)造帶等活動(dòng)構(gòu)造區(qū)熱流值高、中西部穩(wěn)定、陸內(nèi)環(huán)境熱流值低的特點(diǎn)。陳墨香等(1994)提出有“兩帶”(喜馬拉雅帶和東南沿海帶)、“一大片”(黃淮海平原)和“兩小片”(渭河谷地和雷瓊盆地)是我國(guó)開發(fā)地?zé)豳Y源最有利的地帶。

東部盆地區(qū)平均大地?zé)崃髦翟?5 MW/m2以上(汪洋，1999)，高于全球大陸平均值。其中在高熱流區(qū)域如渤海灣盆地已經(jīng)有部分熱田的開采，如冀中熱田、天津塘沽、武清熱田等。但賦存的地?zé)豳Y源屬于中低溫型水熱資源，水溫低于90℃(陳墨香等，1988，1994;汪洋等，2006)。

華北盆地狹義上指渤海灣盆地的陸上部分，為北部燕山、西部太行山、東部郯廬斷裂系和南部揚(yáng)子板塊邊緣所圍限。關(guān)于渤海灣中新生代盆地的成因有多種看法，如俯沖轉(zhuǎn)換成因(陳發(fā)景等，1996)、走滑拉分成因(侯貴廷等，2001)、地幔柱－大陸裂谷成因(邵濟(jì)安等，2003，2008;路鳳香等，2006)等。本區(qū)自晚中生代以來進(jìn)入盆地演化，先后發(fā)育了NE向和NNE向“凹－凸－凹”構(gòu)造，42 Ma以來經(jīng)歷了應(yīng)力場(chǎng)的轉(zhuǎn)向(韓文功等，2005)，“凹－凸”體系相互疊合，形成了典型的“盆－嶺式”基底。

不論何種成因，在現(xiàn)今地表的地?zé)犸@示上，華北盆地兩緣呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的NNE走向帶(圖2)，展布著溫泉、熱流測(cè)點(diǎn)高值、新生代火山巖等。邵濟(jì)安等(2008)對(duì)華北地臺(tái)北緣東西向大剖面的新生代火山巖進(jìn)行年代學(xué)研究以及對(duì)華北北部淺部構(gòu)造的研究，給出了火成巖年齡“中間老，兩側(cè)新”的結(jié)論，并建立了大陸裂谷演化的模型。從這一模型可以看出，晚中生代以來演化的華北裂谷系在第四紀(jì)仍有活動(dòng)，如裂谷帶西翼的大同盆地火山巖年齡報(bào)道最新為0.1～0.15 Ma。徐義剛等(1995)利用地幔橄欖巖包體研究了中國(guó)東部上地幔的熱狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)東部上地幔熱狀態(tài)遠(yuǎn)高于大洋地殼和穩(wěn)定的南非Kaapval大陸地盾，近似于澳大利亞東南部的上地幔等溫線。這反映了新生代裂谷背景下的軟流圈的上凸和深部巖漿活動(dòng)。國(guó)家地震局(1986)匯編的上地幔地球物理探測(cè)成果顯示，華北盆地區(qū)的莫霍面深度(30～35 km)、居里面深度(16～26 km)均低于典型大陸地盾。

圖2 華北地區(qū)地?zé)岙惓５牡乇盹@示Fig.2 Surface demonstrations of geothermal anomalies in North China

3 渤海灣盆地典型剖面的地溫場(chǎng)模擬

3.1 地溫場(chǎng)模擬的理論基礎(chǔ)

在地殼深部若不考慮地下水的影響，不存在物質(zhì)的對(duì)流，熱狀態(tài)近似為穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，熱流值q、巖石熱導(dǎo)率λ與地溫梯度▽t之間滿足傅里葉方程(1)，穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)溫度場(chǎng)可以表述為公式(2):

其中tz為Z深度處的溫度，t0為地質(zhì)體表面溫度，H為地質(zhì)體厚度，λ為巖石熱導(dǎo)率，A為含放射性組分的巖石生熱率?？梢妿r石熱導(dǎo)率對(duì)深部巖石的地溫場(chǎng)分布起決定作用，在上地殼，由于近地表構(gòu)造作用影響，巖石圈在水平方向上有很大的分異，這就將造成熱流的折射與再分配(熊亮萍和張菊明，1988;陳墨香，1988等)，體現(xiàn)在地溫場(chǎng)上即為等溫線的起伏。

熊亮萍(1993)等利用FORTRAN語(yǔ)言編寫的程序基于一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模擬了基底構(gòu)造起伏對(duì)熱流的折射和再分配;Pruess等(2006)使用TOUGH2等對(duì)水熱型地?zé)豳Y源進(jìn)行的模擬也被廣泛應(yīng)用。以往的軟件模塊復(fù)雜，結(jié)果不直觀。增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的資源評(píng)價(jià)，主要考慮的是深部傳導(dǎo)型熱資源的分配，而非近地表的水文地質(zhì)條件，因此適用于有限元熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行模擬。目前有限元分析軟件已有長(zhǎng)足的發(fā)展，包括ANSYS、ADINA、ABAQUS等已廣泛用于工程計(jì)算。其中由Adina R＆D Inc研發(fā)的ADINA軟件，擅于解決復(fù)雜工程有限元問題，并專有Thermal模塊求解熱問題。本文應(yīng)用ADNIA軟件模擬橫切渤海灣盆地的順義－武清剖面和保定－歧口剖面上的熱流分配和溫度場(chǎng)。

對(duì)沉積盆地?zé)崾返难芯勘砻鳎瑤r石圈尺度的熱松弛時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，可達(dá)到幾百個(gè)Ma(胡圣標(biāo)和汪集旸，1995;付明希等，2004)，而華北盆地的構(gòu)造演化史和熱流狀態(tài)反映了目前其熱演化趨于平衡的階段，因而可以認(rèn)為華北大地地溫場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài);則地質(zhì)體的比熱和熱擴(kuò)散率不影響地溫場(chǎng)的分配。參考熊亮萍(1993)對(duì)華北地層層序巖心樣品的熱導(dǎo)率測(cè)試值(見表2)對(duì)區(qū)域典型剖面的層序賦值，通過ADINA－T模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)剖面的有限元模擬。

3.2 建立模型的方法

華北盆地中生代以來的基底樣式經(jīng)歷了42 Ma左右的應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變(韓文功等，2001)，目前主要體現(xiàn)為NNE向“凹－凸－凹”基底形態(tài)疊加于NEE向“凹－凸－凹”形態(tài)之上。因此選取NW和EW走向橫切盆地的順義－武清和保定－歧口兩個(gè)剖面，反映基底和蓋層的埋深和水平變化。

順義－武清剖面采用漆家福等(2004)的文獻(xiàn)資料，保定－歧口剖面采用陳墨香(1988)、張菊明(1993)文獻(xiàn)中引用的原石油工業(yè)部剖面資料。剖面形態(tài)分別如圖3a，4a所示。在Adina軟件中建立剖面模型并求解，過程如下。

(1)建立模型框架。將原始資料投影在坐標(biāo)紙上轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)輸入。Adina只接受三或四個(gè)線單元圍限的平面，因此需對(duì)復(fù)雜面單元的邊長(zhǎng)線進(jìn)行連結(jié)或?qū)γ鎲卧M(jìn)行再分割。

表2 華北盆地地溫場(chǎng)模擬所用巖石熱導(dǎo)率參數(shù)(據(jù)熊亮萍，1993)Table 2 Thermal conductivity parameters of rocks used in geotemperature field simulation of the North China basin(after Xiong，1993)

圖3 順義－武清剖面(a)剖面基底與蓋層形態(tài);(b)傳導(dǎo)地溫場(chǎng)模擬結(jié)果;(c)熱流值模擬結(jié)果;(d)新生界底地溫分布Fig.3 Cross section from Shunyi to Wuqing(a)basement and sedimentary cover;(b)conductive thermal field simulation;(c)heat flow simulation;(d)temperature curve of the Cenozoic bottom

(3)建立材料庫(kù)。為簡(jiǎn)化起見，將不同層序的巖石熱導(dǎo)率按均質(zhì)各向同性材料屬性賦值。根據(jù)模型的尺度和要求結(jié)果的精度確定有限元分割參數(shù)，順義－武清剖面長(zhǎng)90 km，保定－歧口剖面長(zhǎng)190 km，采取10 km深處為底部邊界條件面，據(jù)此定義有限元分割尺度為200 m和250 m。

(4)對(duì)模型施加邊界條件，地表恒溫層取15℃，10 km等溫面處分別根據(jù)汪洋等(2006)繪制的“華北華南10 km深度溫度平面圖”和陳墨香等(1988)使用剖面上24口鉆井的實(shí)測(cè)地溫?cái)?shù)據(jù)迭代檢驗(yàn)得出的地溫值，剖面3a為220℃，4a為240℃，等熱流值根據(jù)剖面上的任23、歧91等井實(shí)測(cè)熱流值迭代檢驗(yàn)得出60 mW/m2。運(yùn)行處理器。

圖4 保定－歧口剖面(a)剖面基底與蓋層形態(tài);(b)傳導(dǎo)地溫場(chǎng)模擬結(jié)果;(c)熱流值模擬結(jié)果;(d)5km深處地溫分布Fig.4 Cross section from Baoding to Qikou(a)basement and sedimentary cover;(b)conductive thermal field simulation;(c)heat flow simulation;(d)temperature curve of the Cenozoic bottom

(5)將模擬結(jié)果用溫度場(chǎng)云圖表示，如圖3b，4b所示;熱流值圖如圖3c，4c所示。分別截取新生界底面和5 km等深面的“模型線”畫溫度曲線。如圖3d，4d 所示。

3.3 結(jié)果分析

通過對(duì)兩個(gè)典型剖面的模擬，可以得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)于復(fù)雜形態(tài)地質(zhì)體熱傳導(dǎo)問題，有限元分析方法能給出直觀準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。其輸入條件包括深剖面的測(cè)制、巖石熱導(dǎo)率、頂?shù)捉缑娴臏囟群蜔崃鬟吔鐥l件等;

(2)基底起伏對(duì)等溫線的影響為“鏡面”式，在基底凸起區(qū)淺部等溫線上凸，深部等溫線下凹。在適宜EGS采熱的地下5 km深度左右，凹陷區(qū)的地溫場(chǎng)更高。

(3)近地表熱流值總體體現(xiàn)為基底凸起區(qū)高、凹陷區(qū)低的趨勢(shì)，最大熱流值出現(xiàn)在基底凸起的兩肩上。但由于地表冷水等復(fù)雜因素影響，近地表熱流值可能與模擬結(jié)果有差異。

青花瓷在我國(guó)無論是文學(xué)藝術(shù)地位，還是經(jīng)濟(jì)地位都是非常之高，這就需要我們?nèi)ダ^承和發(fā)展，讓這一藝術(shù)魂寶佇立于我國(guó)藝術(shù)之林。

(4)熱流值是一個(gè)勢(shì)差概念，能夠大體反映區(qū)域散熱狀態(tài)，但在近地表由于受到巖性水平變化的影響，即使在10 km范圍內(nèi)也可能有幾十mW/m2的差別。測(cè)得的地表高熱流值與深部高地溫不一定有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(5)基于渤海灣盆地典型剖面的地溫場(chǎng)模擬，新生界底部溫度可達(dá)近200℃，凹陷區(qū)5 km深處溫度在150℃以上甚至180℃，適合于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)開采地?zé)?。圖5根據(jù)渤海灣盆地陸上基底構(gòu)造分區(qū)，圈定了有利于開展增強(qiáng)型低熱系統(tǒng)采熱的區(qū)域。

圖5 華北渤海灣盆地基底構(gòu)造分區(qū)與應(yīng)用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的有利區(qū)位Fig.5 Basement structure zoning and regions favorable for EGS development in the Bohai Bay basin

4 渤海灣盆地地?zé)豳x存條件的比較研究

4.1 渤海灣盆地區(qū)與其他EGS試驗(yàn)區(qū)的溫度應(yīng)力場(chǎng)條件對(duì)比

目前增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)研究熱點(diǎn)的地區(qū)主要是歐洲萊茵河裂谷地塹系、北美西部盆嶺省和日本。圖6，7，8顯示了萊茵河裂谷和北美盆嶺省的地溫場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

二者在大地構(gòu)造和地溫特征上有很多共同點(diǎn):(1)均處于深部地溫和大地?zé)崃鞲咧祬^(qū);(2)處于克拉通破壞(decratonization)，軟流圈上凸的裂谷區(qū);(3)具有裂谷式地塹或盆嶺構(gòu)造，應(yīng)力場(chǎng)主要為走滑和張性正斷性質(zhì);(4)淺部或近地表具有新生代火山巖體;(5)與大型油氣田伴生。相比之下，渤海灣盆地具有其中大部分特點(diǎn)，根據(jù)前文模擬和表3所示一些實(shí)際深鉆井的地溫?cái)?shù)據(jù)可知，渤海灣盆地整體地溫場(chǎng)條件優(yōu)于北美盆嶺省，熱流條件較萊茵河谷地稍低但蓋層保溫條件較好，應(yīng)力場(chǎng)條件與兩者相似;在盆地西緣的大同、錫林浩特和東緣的山東半島北部都出露有新生代火山巖分布，在剖面上，渤海灣盆地的新生代火山巖層序始于古新統(tǒng)孔店組，可一直到上新世或更新世，提供了熱源和儲(chǔ)層條件。此外中國(guó)東部的松遼盆地、蘇北盆地、山西－汾渭地塹系等構(gòu)造單元都具有類似特征，均可以作為深部增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)資源勘查的優(yōu)選區(qū)域。

另外，由于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)需要對(duì)深部巖石實(shí)現(xiàn)壓裂成儲(chǔ)，最適宜的應(yīng)力條件為臨界走滑狀態(tài)(Barton et al.，1995;McClure，2009;Zimmermann et al.，2010)。即巖石在剪破裂方向上靜摩擦很小，只需要很小的應(yīng)力即可發(fā)生破裂。圖9顯示了先存斷裂在走滑體制下形成復(fù)雜裂隙面的機(jī)制，斷裂通過形成“階步式”的裂隙區(qū)消耗走滑分量，最終形成垂直于走滑方向的孔隙或裂隙帶。渤海灣盆地的基底在晚三疊世以前是擠壓應(yīng)力形成的褶皺和NNE－NE向的逆斷層，中新生代以來反復(fù)經(jīng)過“擠壓－引張－擠壓”的循環(huán)，現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)體現(xiàn)為NWW方向的擠壓兼走滑(漆家福等，2004)，這為古老基底斷裂的繼承性發(fā)展提供了較好的應(yīng)力條件，也構(gòu)成了適宜壓裂的臨界走滑應(yīng)力場(chǎng)。

4.2 資源潛力評(píng)價(jià)與儲(chǔ)層管理

本文沿用陳墨香等(1988)的基底區(qū)塊劃分方案，對(duì)渤海灣盆地陸上有蓋層部分區(qū)域的EGS資源潛力進(jìn)行了概算，所用參數(shù)為:(1)巖石比熱容取0.9kJ/kg·K(白云巖和砂巖);比重元古界白云巖取3.0g/cm3，中新生界砂巖取2.5 g/cm3;(2)地溫根據(jù)前文模擬結(jié)果對(duì)凹陷區(qū)取5km深處170～175℃，凸起區(qū)取150℃，以150℃為計(jì)算熱資源量的邊界溫度;(3)Sanyal and Butler(2005)的數(shù)值模擬表明，對(duì)于中等以上規(guī)模的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，按巖體溫度200℃計(jì)算，其熱電轉(zhuǎn)換比值恒定為0.026We/m3，不受井口布置、流體流速等影響，據(jù)此計(jì)算發(fā)電量;(4)基于渤海灣盆地5km深處地溫凸起區(qū)在150℃左右，凹陷區(qū)在170℃左右的情況，其采熱效率應(yīng)低于200℃巖體，因此在計(jì)算發(fā)電容量時(shí)分別乘以熱電轉(zhuǎn)換效率系數(shù)11%/14%和12%/14%(據(jù)MIT，2006)。

表3 中國(guó)東部盆地區(qū)部分深鉆井及實(shí)測(cè)地溫資料Table 3 Drilling holes and measured geotemperature data in eastern China

圖9 先存斷裂走滑作用下連通裂隙網(wǎng)的一種機(jī)制(據(jù)McClure，2009修改)Fig.9 Schematic diagram of connected fracture network formed by existing strike-slip faults(modified from McClure，2009)

表4 華北盆地區(qū)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)可及資源量概算Table 4 Resource estimation of the EGS system in the North China basin

分區(qū)塊資源概算結(jié)果列于表4。由結(jié)果可知渤海灣盆地區(qū)4～6km內(nèi)增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)可及資源量按150℃以上計(jì)算為377500萬kW，相當(dāng)于目前中國(guó)地?zé)崂每傃b機(jī)容量的425倍，或三峽工程總裝機(jī)容量的170倍。

對(duì)于傳統(tǒng)水熱型地?zé)豳Y源，熱能的載體孔隙水開采后的補(bǔ)給和加熱速率很慢，因此資源量概算一般基于留存水層的最大允許沉降量(陳墨香等，1994)。而增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)采熱由于其流體循環(huán)的性質(zhì)，熱消耗速度直接取決于周圍巖體對(duì)壓裂部分的補(bǔ)給速度，因此在實(shí)際開采中通過多井輪采等手段可采資源量將進(jìn)一步提升。但在儲(chǔ)層性質(zhì)上有很多因素影響EGS電站的實(shí)際熱儲(chǔ)量、可采性和開采年限，諸如巖石的熱學(xué)性質(zhì)和流體的短路、漏失，以及儲(chǔ)層穩(wěn)定性等。較早的EGS項(xiàng)目一般都將花崗巖侵入體作為勘探對(duì)象，近年來大量文獻(xiàn)和項(xiàng)目表明在砂巖等沉積蓋層和基底結(jié)晶巖等致密高熱巖石中采熱才代表了 EGS的大部分資源潛力(MIT，2006;Zimmermann et al.，2010)。在華北區(qū)域地層層序中，第三紀(jì)以來的花崗巖、玄武巖，中侏羅統(tǒng)至下白堊統(tǒng)的砂巖、石英砂巖，上元古系底部常州溝組和大紅峪組砂巖、石英巖，以及太古界的變質(zhì)結(jié)晶基底均可作為EGS儲(chǔ)層。但這些地層在露頭上出露厚度變化較大，深部埋藏情況還需要深鉆和深地震剖面的資料解釋。而東部的下遼河凹陷和松遼盆地中部近年補(bǔ)充了大量深鉆井?dāng)?shù)據(jù)，亦可參考渤海灣盆地為例，開展增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的研究試驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)有地震和鉆井資料，華北區(qū)埋深5 km處大部分處于上元古界巨厚的碳酸鹽巖基底中。關(guān)于巖溶裂隙中實(shí)現(xiàn)流體連通性，曾梅香等(2008)已就天津熱田的回灌情況有所討論。如能試驗(yàn)解決巖溶可能導(dǎo)致的流徑短路和鹽沉淀問題，將大大提升華北地區(qū)可采EGS的資源潛力。

5 討論與結(jié)論

隨著全球能源日趨緊張和國(guó)家利益角力日益激烈，發(fā)展清潔的地?zé)崮茉匆殉蔀橹袊?guó)面臨的必然選擇。而我國(guó)的地?zé)峄A(chǔ)研究自上世紀(jì)九十年代以來進(jìn)展較慢，雖取得了一些基礎(chǔ)性成果但作為能源戰(zhàn)略基礎(chǔ)的資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。近年由于增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)和地源熱泵技術(shù)的重提和發(fā)展，全球地?zé)嵫芯颗c應(yīng)用進(jìn)入了又一個(gè)高峰，我國(guó)理應(yīng)充分認(rèn)識(shí)前沿進(jìn)展并針對(duì)有利的大地構(gòu)造環(huán)境和地?zé)釛l件開展研發(fā)試驗(yàn)。以渤海灣盆地為代表的東部盆地體系具有應(yīng)用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的廣闊前景，對(duì)華北典型剖面的地溫場(chǎng)模擬及與世界其它主要EGS開發(fā)國(guó)家的地質(zhì)條件對(duì)比能夠得出如下結(jié)論:

(1)中國(guó)東部巖石圈具有典型的克拉通破壞特征，軟流圈上隆，大地?zé)崃髦蹈?，地?zé)豳Y源賦存條件好，渤海灣盆地和東部其他盆地具有EGS開發(fā)的優(yōu)勢(shì)地質(zhì)條件;

(2)渤海灣盆地新生界凹陷對(duì)應(yīng)的5 km深處地溫場(chǎng)在150～180℃，深部地溫場(chǎng)的分布與巖石熱導(dǎo)率的垂向和橫向變化直接相關(guān)，與地表實(shí)測(cè)熱流值沒有必然聯(lián)系?；椎穆裆钭兓瘜?duì)地溫場(chǎng)有“鏡面式”的影響，在5 km處凹陷區(qū)地溫更高;

(3)深剖面的測(cè)制和巖心樣品熱導(dǎo)率的測(cè)定能為研究傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源提供基礎(chǔ)資料。EGS型資源勘探重點(diǎn)應(yīng)放在模擬地溫場(chǎng)較高的深部基底，而非局限于地表的高熱流值區(qū)域。我國(guó)渤海灣、蘇北、松遼盆地積累了大量的油田鉆井資料，可用于對(duì)深部地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)進(jìn)行數(shù)值約束和精化;

(4)我國(guó)華北地區(qū)動(dòng)力能源供需矛盾相當(dāng)緊張，渤海灣盆地發(fā)展增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)不但在地質(zhì)上可行，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益上也具有重要意義?；谀壳耙延腥舾蔁崽镩_采和地?zé)崂?，可以發(fā)展多層次的地?zé)崽菁?jí)利用:高溫?zé)嵩从糜诎l(fā)電，中低溫?zé)嵩从糜谳o助發(fā)電和采暖、空調(diào)等傳統(tǒng)地?zé)崂谩?/p>

Atrens A.，Gurgenci H.，Rudolph V.2010.Electricity generation using a carbon-dioxide thermosiphon［J］.Geothermic，(31):161 －169

Bertani R.2012.Geothermal power generation in the world 2005－2010 update report［J］.Geothermics，(41):1 － 29

Brown，D.2000.Hot Dry Rock geothermal energy concept utilizing supercritical CO2instead of water［A］.Proceedings of the Twenty-FifthWorkshop on Geothermal Reservoir Engineering，Stanford University:233－238

Chen Fa-jing，Wang Xin-wen.1996.The geodynamic models of petroleum-bearing basins［J］.Geological Review，1996(4):304 － 310(in Chinese with English abstract)

Chen Mo-xiang.1988.Geothermics of North China［M］.Ed.1.Beijing:Science Press:3－15(in Chinese)

Chen Mo-xiang，Wang Ji-yang，Wang Ji-an，Deng Xiao，Yang Shu-zhen，Xiong Liang-ping，Zhang Ju-ming.1990.The characteristics of the geothermal field and its formation in the North China down-faulted basin［J］.Acta Geologica Sinica，(1):80 － 90(in Chinese with English abstract)

Chen Mo-xiang，Wang Ji-yang.1994.Geothermal resource in China:characteristics of formation and potential evaluation［M］.Beijing:Science Press:1－38(in Chinese)

China Academy of Earthquake.1986.Geophysical propecting results of crust and upper mantle of China［M］.Ed.1.Beijing:Seismological Press:167－185(in Chinese)

Cloetingh S.，Van Wees J.，Ziegler P.，Lenkey L.，Beekman F.，Tesauro M.，F(xiàn) rster A.，Norden B.，Kaban M.，Hardebol N.，Bonté D.，Genter A.，Guillou-Frottier L.，Ter Voorde M.，Sokoutis D.，Willingshofer E.，Cornu T.，Worum G.2010.Lithosphere tectonics and thermo-mechanical properties:An integrated modeling approach for Enhanced Geothermal Systems exploration in Europe［J］.Earth-Science Reviews，(102):159－206

Evans K.，Zappone A.，Kraft T.，Deichmannb N.，Moiac F.2011.A survey of the induced seismic responses to fluid injection in geothermal and CO2reservoirs in Europe［J］.Geothermics，(41):30 － 54

Fard M.，Hooman K.，Chua H.2010.Numerical simulation of a supercritical CO2geothermosiphon［J］.International Communications in Heat and Mass Transfer，(37):1447 －1451

Fritz B.，Jacquot E.，Jacquemont B.，Baldeyrou-Bailly A.，Rosener M.，Vidal O.2010.Geochemical modelling of fluid– rock interactions in the context of the Soultz-sous-Fores ts geothermal system［J］.Comptes Rendus Geoscience，(342):653 －667

Fu Ming-xi，Hu Sheng-biao，Wang Ji-yang.2004.Mesozoic transition of geothermal configuration in North China and its significance［J］.Science in China Ser.D Earth Sciences，34(6):514-250(in Chinese with English abstract)

Genter A.，Guillou-Frottier L.，F(xiàn)eybesse J.，Nicol N.，Dezayes C.，Schwartz S.2003.Typology of potential Hot Fractured Rock resources in Europe［J］.Geothermics，32:701 －710

Genter A.，Evans K.，Cuenot N.，F(xiàn)ritsch D.，Sanjuan B.2010.Contribution of the exploration of deep crystalline fractured reservoir of Soultz to the knowledge of enhanced geothermal systems(EGS)［J］.Comptes Rendus Geoscience，342:502－516

Gupta K.，Roy S.2007.Geothermal energy:An alternative energy for the 21stcentury［M］.Ed.1.Amsterdam:Elsevier，207 －209

Han Wen-gong，Ji Jian-qing，Wang Jin-duo，Yu Jian-guo，Zhang Xinyu，Yu Shao-li.2005.Seismic reflection proofs of the left-lateral strike-slip activities of the Tanlu fault［J］.Progress in Natural Science，15(11):1383－1388

Hou Gui-ting，Qian Xiang-lin，Cai Dong-sheng.2001.The tectonic evolution of Bohai Basin in Mesozoic and Cenozoic time［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，37(6):845 －851(in Chinese with English abstact)

Hu Sheng-biao，Wang Ji-yang.1995.Principles and progresses on thermal regime of sedimentary basins-An overview［J］.Earth Science Frontiers，2(3－4):171－180(in Chinese with English abstract)

Legarth B.，Huenges E.，Zimmermann G.2005.Hydraulic fracturing in a sedimentary geothermal reservoir:Results and implications［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，42(7－8):1028－1041

Lu Feng-xiang，Zheng Jian-ping，Shao Ji-an，Zhang Rui-sheng，Chen Meihua，Yu Chun-mei.2006.Asthenospheric upwelling and lithospheric thinning in late Cretaceous-Cenozoic in eastern North China［J］.Earth Science Frontiers，13(2):86 －92(in Chinese with English abstact)

MacDermott C.，Randriamanjatosoa A.，Tenzer H.，Kolditz O.2006.Simulation of heat extraction from crystalline rocks:The influence of coupled processes on differential reservoir cooling［J］.Geothermics，35:321－344

Majer E.，Baria R.，Stark M.，Oates S.，Bommere J.，Smith B.，Asanumag H.2007.Induced seismicity associated with enhanced geothermal systems［J］.Geothermics，36:185 － 222

McClure M.2009.Fracture stimulation in enhanced geothermal systems［D］.Standford:Standford University:1－59

MIT-led Interdisciplinary Panel.2006.The future of geothermal energy:Impact of enhanced geothermal systems(EGS)on the United States in the 21st Century［M］.Ed.1.Idaho:Idaho National Libarary:1－255

Kang Ling，Wang Shi-long，Li Chuan.2009.Artificial reservoir engineering of Enhanced Geothermal System(EGS)［J］.Geothermal Energy，2:13－16(in Chinese)

Kreuter H.，Kapp B.2008.The concept of hybrid power plants in geothermal applications［J］.GHC Bulletin，1:8 － 9

Pruess K.2006.Enhanced geothermal systems(EGS)using CO2as working fluid－A novel approach for generating renewable energy with simultaneous sequestration of carbon［J］.Geothermics，35:351－367

Sanyal S.，Butler S.2005.An analysis of power generation prospects from enhanced geothermal systems［A］.Proceedings of World Geothermal Congress:2－102

Shao Ji-an，Zhang Chang-hou，Zhang lv-qiao，Zhang Yong-bei.2003.Suggestion of a dynamic model of North China basin-range system［J］.Progress in Natural Science，13(4):311－320

Shao Ji-an，Ji Jian-qing，Lu Feng-xiang，Zhang Lv-qiao.2008.Response of the continental lithosphere to the spreading mechanism:Spacetime distribution of the Meso-Cenozoic volcanic activities in the Liao-Meng geological corridor，China［J］.Geological Bulletin of China，27(9):1431－1440(in Chinese with English abstact)

Sun Ai-qun，Niu Shu-yin.2000.The mantle plume evolution and its geothermal effect:Deep tectonic setting of geothermal anomaly in North China［J］.Acta Geoscientia Sinica，21(2):182 －188(in Chinese with English abstact)

Wan Z.，Zhao Y.，Kang J.2005.Forecast and evaluation of Hot Dry Rock geothermal resource in China［J］.Renewable Energy，30(12):1831－1846

Wang Yang.1999.Distribution in heat flow in China and its adjacent Areas［J］.Acta Geoscientia Sinica，20(Sup.):51 － 53(in Chinese with English abstact)

Wang Yang.2006.Thermal state，rheology characteristics，and crustal composition of lithosphere in North and South China［M］.Ed.1.Beijing:Geology Publishing House:6－21(in Chinese)

Xiong Liang-ping.1993.The distribution characteristics of the measured heat flow in a sedimentary basin［J］.Quaternary Sciences，3:250－257(in Chinese with English abstact)

Xiong Liang-ping，Zhang Ju-ming.1988.Relationship between geothermal gradient and the relief of basement rock in North China Plain［J］.Acta Geophysica Sinica，31(2):146 －155(in Chinese with English abstact)

Xu Yi-gang，Lin Chuan-yong，Shi Lan-bin，Mercier J.，Ross J.1995.Isotherm of upper mantle in eastern China and its geologic significance［J］.Science in China Ser.B，25(8):874－881(in Chinese with English abstact)

Yang Ji-long，Hu Ke.2001.A review of Hot Dry Rock(HDR)research and development in the world［J］.World Geology，20(3):43 －51(in Chinese with English abstact)

Zeng Mei-xiang，Ruan Chuan-xia，Zhao Yue-bo，Tian Guang-hui.2008.Connect test between karst cranny reservoir pumping well and injection Well［J］.Geology and Exploration，46(2):105 － 109(in Chinese with English abstact)

Zimmermann G.，Moeck I.，Bl?cher G..2010.Cyclic waterfrac stimulation to develop an Enhanced Geothermal System(EGS)－Conceptual design and experimental results［J］.Geothermics，39:59 －69

［附中文參考文獻(xiàn)］

陳發(fā)景，汪新文.1996.含油氣盆地地球動(dòng)力學(xué)模式［J］.地質(zhì)論評(píng)，(4):304－310

陳墨香主編.1988.華北地?zé)幔跰］.北京:科學(xué)出版社:3－15

陳墨香，汪集旸，汪緝安，鄧孝，楊淑貞，熊亮萍，張菊明.1990.華北斷陷盆地?zé)釄?chǎng)特征及其形成機(jī)制［J］.地質(zhì)學(xué)報(bào)，1:80－90

陳墨香，汪集旸主編.1994.中國(guó)地?zé)豳Y源——形成特點(diǎn)和潛力評(píng)估［M］.第一版.北京:科學(xué)出版社:1－38

付明希，胡圣標(biāo)，汪集旸.2004.華北東部中生代熱體制轉(zhuǎn)換及其構(gòu)造意義［J］.中國(guó)科學(xué)D輯地球科學(xué)，34(6):514－250

國(guó)家地震局《深部物探成果》編寫組.1986.中國(guó)地殼上地幔地球物理探測(cè)成果［M］.第一版.北京:地震出版社，167－185

韓文功，季建清，王金鐸，于建國(guó)，張新鈺，余紹立.2005.鄭廬斷裂帶古新世一早始新世左旋走滑活動(dòng)的反射地震證據(jù)［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，15(11):1383－1388

胡圣標(biāo)，汪集旸.1995.沉積盆地?zé)狍w制研究的基本原理和進(jìn)展［J］.地學(xué)前緣，2(3－4):171－180

漆家福，楊 橋，陸克政，周建勛，王子煜.2004.渤海灣盆地基巖地質(zhì)圖及其所包含的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息［J］.地學(xué)前緣，11(3):299－306

侯貴廷，錢祥麟，蔡?hào)|升.2001.渤海灣盆地中、新生代構(gòu)造演化研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，37(6):845－851

康玲，王時(shí)龍，李 川.2009.增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的人工熱儲(chǔ)技術(shù)［J］.地?zé)崮埽?2):13－16

路鳳香，鄭建平，邵濟(jì)安，張瑞生，陳美華，余淳梅.2006.華北東部中生代晚期—新生代軟流圈上涌與巖石圈減?。跩］.地學(xué)前緣，13(2):86－92

邵濟(jì)安，張長(zhǎng)厚，張履橋，張水北.2003.關(guān)于華北盆山體系動(dòng)力學(xué)模式的思考［J］.自然科學(xué)進(jìn)展，13(2):218－224

邵濟(jì)安，季建清，路鳳香，張履橋.2008.大陸巖石圈對(duì)擴(kuò)張機(jī)制的響應(yīng)——遼蒙地質(zhì)走廊中－新生代火山活動(dòng)的時(shí)空分布［J］.地質(zhì)通報(bào)，27(9):1431－1440

孫愛群，牛樹銀.2000.地幔熱柱演化及其地?zé)嵝?yīng)——華北地?zé)岙惓５纳畈繕?gòu)造背景［J］.地球?qū)W報(bào)，21(2):182－188

汪 洋.1999.中國(guó)及鄰區(qū)大地?zé)崃鞣植继卣鳎跩］.地球?qū)W報(bào)，20(增刊):51－53

汪 洋.2006.華北和華南巖石圈熱狀態(tài)、流變學(xué)特征與地殼成分［M］.北京:地質(zhì)出版社:6－21

熊亮萍.1993.沉積盆地地表實(shí)測(cè)熱流值的分布特點(diǎn)——以華北盆地為例［J］.第四紀(jì)研究，(3):250－257

熊亮萍，張菊明.1988.華北平原區(qū)地溫梯度與基底構(gòu)造形態(tài)的關(guān)系［J］.地球物理學(xué)報(bào)，31(2):146－155

徐義剛，林傳勇，史蘭斌，Mercier J.，Ross J.1995.中國(guó)東部上地慢地溫線及其地質(zhì)意義［J］.中國(guó)科學(xué)B輯，25(8):874－881

楊吉龍，胡 克.2001.干熱巖(HDR)資源研究與開發(fā)技術(shù)綜述［J］.世界地質(zhì)，20(1):43－51

曾梅香，阮傳俠，趙越波，田光輝.2008.巖溶裂隙熱儲(chǔ)層采、灌井井間連通試驗(yàn)研究［J］.地質(zhì)與勘探，46(2):105－109