楊亞賓， 張東生， 王秀芹， 劉剛

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院,山東 德州　253015)

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德州市城區(qū)沙河街組熱儲地熱地質(zhì)特征研究

楊亞賓， 張東生， 王秀芹， 劉剛

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院,山東 德州253015)

通過該井地熱鉆探及區(qū)內(nèi)已有石油鉆探研究資料，對德州市城區(qū)古近紀沙河街組地熱資源的地質(zhì)背景、地熱地質(zhì)特征等進行了綜合分析研究，認為沙河街組地熱資源屬于層控型低溫地熱田，在滄東斷裂以東都有分布，熱儲層厚度超過120m，地熱水中碘、鍶、鐵、偏硅酸達命名濃度，具有一定的開發(fā)利用價值。

地熱資源；沙河街組；賦存特征；德州市城區(qū)

引文格式：楊亞賓， 張東生， 王秀芹，等.德州市城區(qū)沙河街組熱儲地熱地質(zhì)特征研究[J].山東國土資源，2015，31(9)：53-56.YANG Yabin, ZHANG Dongsheng, WANG Xiuqin,etc.Geological Characteristics of Shahejie Geothermal Heat in Dezhou City[J].Shandong Land and Resources,2015，31(9)：53-56.

地熱資源集熱能與水資源為一體，由于其溫度適宜且富含多種對人體有益的礦物質(zhì)，在采暖、洗浴、工業(yè)、醫(yī)療、養(yǎng)殖業(yè)等領域有廣泛的應用價值，是繼太陽能和風能之后的一種重要的綠色能源[1]。德州市地熱資源豐富，是區(qū)內(nèi)主要的能源資源之一。2008年，德州市城區(qū)成功實施一眼2318m地熱井，揭露了古近紀沙河街組熱儲層，水溫75℃，涌水量1704m3/d。目前，德州市城區(qū)地熱資源開發(fā)主要集中在館陶組熱儲，且開發(fā)利用程度較高；但這遠遠不能滿足該區(qū)域經(jīng)濟生活對地熱的需求。為保證區(qū)內(nèi)地熱資源可持續(xù)開發(fā)利用，在現(xiàn)有地熱資源開采基礎上，進行沙河街組熱儲地熱資源的研究具有重要的意義。

1　地質(zhì)背景

1.1地質(zhì)構造

德州市城區(qū)在大地構造單元上屬華北板塊、華北拗陷區(qū)、臨清拗陷區(qū)臨清拗陷的次級構造單元德州凹陷(潛)范圍內(nèi)[2]。

區(qū)內(nèi)斷裂活動，主要受新華夏構造體系的影響，斷裂主要發(fā)育方向為NNE，NE向，是一個向西散開的斷裂系，均隱伏于新近紀地層之下。對工作區(qū)有影響的且與地熱密切關系的大型斷裂有滄東斷裂和減河斷裂，影響古近紀地層的沉積。另外，次級構造斷裂，蘆家河-曹村斷裂和F1、F2斷裂都屬于張性小斷裂，可能是構成地下熱流或熱水的良好通道(圖1)。

圖1　德州凹陷地質(zhì)構造單元劃分圖

1.2地層

研究區(qū)屬華北板塊的中、新生代斷陷盆地，中生代以來，受燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，一直緩慢下降，沉積了巨厚的新生代地層。3000m以淺地層自老到新分別為古近紀沙河街組、東營組，新近紀館陶組、明化鎮(zhèn)組，第四紀平原組[3]。

沙河街組：屬于河湖相沉積，自下而上可分為4段，地層巖性以泥巖和細砂、粉細砂巖為主，為上細下粗的正旋回交互沉積。沉降中心位于德城區(qū)中心，向東、向西受滄東斷裂和減河斷裂影響逐漸變薄，滄東斷裂西側(cè)缺失。

東營組：屬盆地斷陷末期弱氧化環(huán)境下的淺湖相和河流相充填沉積，地層巖性以泥巖、砂質(zhì)泥巖與細砂、粉砂巖不等厚互層為主。地層厚度50～300m，局部地段缺失。

館陶組：主要為細—中砂巖及泥巖不等厚互層；底部灰白色為砂礫巖、礫狀砂巖。

明化鎮(zhèn)組：屬于河湖相沉積，主要為泥巖和砂巖互層為主。

平原組：屬河湖相松散沉積，地層巖性主要由粉質(zhì)粘土、粉土及粉砂、粉細砂組成，與下伏明化鎮(zhèn)組呈不整合接觸。

1.3巖漿活動

德州地區(qū)在早古近紀火成巖較發(fā)育，大體有4期巖漿活動：第一期在始新世早期(相當于孔店組二段)見有近百米厚的火成巖，主要為基性玄武巖-安山巖、凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)砂巖；第二期在始新世末期(相當于孔店組三段)火成巖有10層，累計厚度100m以上，主要巖性為中—基性的安山巖-玄武巖、凝灰?guī)r；第三期在漸新世(相當于沙河街組中部)有7.5m厚的玄武巖；第四期在漸新世后期(相當于沙河街組一段)，見多層玄武巖與生物質(zhì)灰?guī)r互層。

2　地熱資源類型及地熱地質(zhì)特征

2.1地熱資源類型

區(qū)內(nèi)沙河街組熱儲地熱水賦存于沙河街組河湖相沉積砂巖中，屬層狀孔隙-裂隙型熱儲，地表無熱流顯示，地熱資源類型屬熱傳導型。

2.2熱儲層埋藏分布特征

區(qū)內(nèi)沙河街組分布主要受基底起伏和區(qū)域構造的控制。在沉降中心于官屯—小東關一帶其頂板埋深1800m左右，沉積厚度大于1000m，向凹陷邊緣擴展，其沉積厚度逐漸變薄，至大王橋—宋官屯以東地段，其頂板埋深小于1600m，沉積厚度小于900m，而在普查區(qū)陳莊鄉(xiāng)以西即滄東斷裂上升盤地段，沙河街遭受剝蝕完全缺失。熱儲砂層巖性主要為細砂、粉細砂與灰質(zhì)砂巖，泥砂互層，泥質(zhì)膠結，砂層厚度120～150m，占地層厚度的10%～19%，分布規(guī)律與地層分布規(guī)律相似。

2.3熱儲層水文地質(zhì)特征

沙河街組與上覆東營組整合接觸，地層自上而下可分為四段,其中沙四段是主要的富水層,該層段細砂巖發(fā)育，厚度80～100m，單層厚度2～7m，孔隙度14.10%～18.19%，滲透率(26.95～663)×10-3μm2，滲透性較好。

根據(jù)區(qū)內(nèi)DS1井資料，降深20m時單井涌水量560m3/d；地熱水礦化度為30.61g/L，水化學類型為Cl-Na型，井口水溫為75℃，屬低溫地熱資源中的熱水型地熱資源。

2.4熱儲壓力背景特征

根據(jù)油田地質(zhì)研究成果資料，區(qū)內(nèi)沙河街組聲波時差偏離壓實線，呈欠壓實狀態(tài)，具有與其深度不相適應的較高的孔隙度、較高的流體含量和異常高的流體壓力(超壓)。因而，泥巖產(chǎn)生的欠壓實高壓和砂巖間的壓力差，構成沙河街組熱儲地熱流體運移的主動力。

2.5地熱水運動特征

在天然狀態(tài)下，沙河街組熱儲層地熱水基本處于靜止狀態(tài)，人工開采是影響地熱水動態(tài)特征的主要影響因素。根據(jù)DS1井水位動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其最低水位-59.11m，最高水位-6.75m，變幅52.36m，是典型的供暖特征曲線，即在冬季采暖期水位下降明顯，非采暖期水位逐恢復。但是，由于沙河街組熱儲埋藏深度大,開采條件下彈性釋水是其主要補給源，補給過程緩慢(圖2)。

圖2　DS1井水位動態(tài)變化曲線圖

2.6熱儲概念模型

2.6.1熱儲層

該區(qū)屬層控低溫地熱田，該次研究熱儲層為古近紀沙河街組孔隙-裂隙型熱儲層，上下均為隔水層，水平方向上無線延伸、均質(zhì)、各向同性(圖3)。

圖3　熱儲概念模型

2.6.2熱儲蓋層

熱儲蓋層為第四紀平原組、新近紀明化鎮(zhèn)組和館陶組、古近紀東營組，厚約1456～1616m，巖性為粘性土、砂性土夾松散砂層以及泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖組成，其密度小，導熱性能差，熱阻大，是天然的良好熱儲保溫層。

2.6.3熱源及水源

正常大地傳導型熱流為該區(qū)地熱資源的主要熱源，局部沿深大斷裂帶也存在對流型。地熱水的補給源為遠近山區(qū)的大氣降水深循環(huán)補給。

3　地熱流體化學特征

3.1水化學特征

含鹽量高是區(qū)內(nèi)古近紀熱水的特征，礦化度30.6g/L，水中陰離子以Cl-為主，含量18.1g/L，毫摩百分數(shù)98.3%；陽離子以Na+為主，含量11g/L，毫摩百分數(shù)90.8%。按舒氏分類法，水化學類型為Cl-Na型。

3.2微量元素

在長時間的地下水溶濾作用和不斷地循環(huán)徑流交替作用下，沙河街組熱儲地熱水中含富含碘、溴、鍶、鋰、鐵、偏硅酸等多種微量元素，其中碘、鍶、鐵含量、偏硅酸達命名濃度，屬于碘·鍶·鐵·偏硅酸，含量達到命名礦水濃度，具有較高的的理療價值。

3.3放射性元素組分特征

地熱水不斷溶解圍巖物質(zhì)成分，使圍巖產(chǎn)生熱蝕變，造成放射性物質(zhì)不斷在熱水中聚集，一般隨著深度的增加，溫度增高，放射性元素的含量增大，所以區(qū)內(nèi)沙河街組地熱水放射性元素含量明顯高于上部地層熱儲。沙河街組地熱水中鐳的含量為0.56Bq/L，經(jīng)換算屬弱放射性水。

3.4地熱流體的年齡及成因分析

地熱流體各組分之間的比例系數(shù)可以用來判斷地熱流體的成因，常用的比例系數(shù)有γCl/γBr，γNa/γCl等。經(jīng)計算沙河街組熱儲地熱流體Cl/Br=897.7，γNa/γCl=0.94，大于海水的相關系數(shù)值(Cl/Br=29.3，γNa/γCl=0.85)，說明具有大陸溶濾水的特征。

據(jù)區(qū)內(nèi)同位素分析結果，區(qū)內(nèi)沙河街組熱儲地熱流體的同位素δD，δ18O關系投影點均在中國大氣降水直線附近(δD=8δ18O+10)，說明區(qū)內(nèi)地熱水源于大氣降水(圖4)[4]。

圖4　德州凹陷地熱水中δD，δ18O同位素關系圖

按J·ch·豐特劃分標準，區(qū)內(nèi)沙河機組儲熱地熱水氚含量(1.6±1.2)TU，反映地下水熱水循環(huán)時間在50年以上。地熱水中14C年齡為1.526萬～2.504萬a，由于現(xiàn)代大氣中的CO2進入所采集的水樣中，使所測年齡要遠小于地熱水的實際形成年齡，由此可見，區(qū)內(nèi)地熱水的形成年代久遠，補給途徑長，徑流速度緩慢。

綜上分析，區(qū)內(nèi)沙河街組地熱水主要由東南部、西部山區(qū)大氣降水匯集成地表徑流后，在漫長的地質(zhì)年代中，在水頭差位能的作用下，沿斷裂帶或巖層的孔隙向深處運移，被圍巖加熱成為地熱水，并與圍巖發(fā)生水鹽反應，溶解了大量的微量元素成分。受熱的地下水由于密度差異引起的自然對流，加上補給區(qū)水頭差的驅(qū)動，使地下水得以緩慢地進行循環(huán)交替運動，將地熱水在孔隙—裂隙中存儲下來，從而形成了地熱水[5]。

4　可采資源量評價

參照DS1井抽水試驗數(shù)據(jù)，按照單井開采量為560m3/d，開采服務年限為100年，最大允許降深150m，利用水熱均衡法計算沙河街組地熱水可開采量265.7萬m3/a，總放熱量為4.738×1016J。

5　地熱水腐蝕性評價

利用DS1地熱井水質(zhì)化驗資料，沙河街組地熱水對金屬具強腐蝕性，對混凝土無分解性與結晶性侵蝕；屬于水垢很多水，但無碳酸鈣水垢。由于地熱水對金屬具有強腐蝕性，因此在利用此地熱流體時建議用鈦板換熱器換熱后進行間接利用、同時可選用玻璃鋼、PVC等塑料管材。另外，區(qū)內(nèi)地熱水礦化度及主要離子含量較高，不能直接排放[5]。

6　結語

(1)德州市沙河街組熱儲埋藏深度大于1600m，地熱水賦存于沙河街組河湖相沉積砂巖中，屬層狀孔隙-裂隙型熱儲。熱儲厚度80～100m，滲透率(26.95～663)×10-3μm2。降深20m時單井涌水量560m3/d，井口水溫為75℃，屬低溫地熱資源中的熱水型地熱資源。

(2)利用水熱均衡法計算沙河街組地熱水可開采量265.7萬m3/a，總放熱量為4.738×1016J，具有一定的開采價值。

(3)含鹽量高是區(qū)內(nèi)古近紀熱水的特征，礦化度30.6g/L，水化學類型為Cl-Na型。地熱水中含富含碘、溴、鍶、鋰、鐵、偏硅酸等多種微量元素，屬于碘·鍶·鐵·偏硅酸含量達到命名礦水濃度，具有較高的的理療價值。

(4)區(qū)內(nèi)沙河街組地熱水源于大氣降水，由東南部、西部山區(qū)大氣降水在水頭差位能的作用下，沿斷裂帶或巖層的孔隙向深處運移，進行循環(huán)交替運動，在孔隙—裂隙中存儲形成地熱水。

[1]王浩,張震宇,楊建華.禹城市城區(qū)東營組熱儲地熱資源賦存特征研究[J].山東國土資源，2014，30(1):33-36.

[2]楊德平,潘元林,張?zhí)斓?等.山東礦床[M].濟南:山東科學技術出版社，2006：47-50.

[3]張增奇,劉明渭,宋志勇,等.山東省巖石地層[M].北京:中國地質(zhì)大學出版社，1996：269-273.

[4]王奎峰,李文平,韓代成,等.山東省臨清地熱田地熱水化學特征及熱水起源研究[J].地質(zhì)調(diào)查與研究,2014,(3):230-236.

[5]彭文泉,趙海濱,戚樹林,等.聊城市城區(qū)地熱地質(zhì)特征與地熱資源開發(fā)利用[J].城市地質(zhì) 2014,(2)：36-38，23.

Geological Characteristics of Shahejie Geothermal Heat in Dezhou City

YANG Yabin, ZHANG Dongsheng, WANG Xiuqin, LIU Gang

(Lubei Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Dezhou 253015, China)

In this paper, through analysis on geothermal well drilling and oil drilling datas, geological background and geothermal geological characteristics of geothermal resources in Paleogene Shahejie formationin in Dezhou city have been studied comprehensively. It is regarded that Shahejie geothermal resources belongs to stratabound type low temperature geothermal field. It distributes in east of Cangdong fault belt, and the thickness of thermal reservoir is more than 120m. The contents of iodine, strontium, iron and metasilicate in geothermal water have reached the named concentration, and have certain value of development and utilization.

Shahejie formation; geothermal resources; occurrence characteristics; Dezhou city

2014-11-12；

2014-12-09；編輯：曹麗麗

楊亞賓(1981—)，女，陜西蒲城人，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail:echoyabin@163.com

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