楊德金

(河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州450045)

地?zé)嶙鳛橐环N優(yōu)質(zhì)、清潔、便利和可再生的能源，具有溫度高、用途廣、可直接利用、成本低等優(yōu)點，有較高的經(jīng)濟價值和開采利用價值［1］。開發(fā)利用地?zé)豳Y源有利于補充和緩解當(dāng)前能源緊缺，實現(xiàn)國家節(jié)能減排的治理目標(biāo)，同時也是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要。近年來隨著經(jīng)濟的快速增長、城市規(guī)模的不斷擴大、人口的急劇增加，能源消耗大幅增加，能源和環(huán)境保護問題日益突出，以地?zé)崮茉礊榇淼男滦途G色能源將成為未來社會經(jīng)濟發(fā)展的主要支柱［2］。

地?zé)豳Y源量評價是地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用的重要依據(jù)，但由于評價范圍較大［3］、勘探手段的限制［4］、評價參數(shù)的空間變異性［5］等因素的影響，傳統(tǒng)的地?zé)豳Y源量評價方法并不能夠給出精確的地?zé)豳Y源儲存量，使得地?zé)豳Y源量評價結(jié)果可信度下降。本次研究針對這些問題，選擇新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)為研究區(qū)，為克服參數(shù)的空間變異性和評價區(qū)域較大的缺點，引入基于GIS技術(shù)的單元體熱儲計算法，在查明地?zé)豳Y源分布埋藏特征、地?zé)岬刭|(zhì)背景條件和成因類型的基礎(chǔ)上，精確計算各地?zé)醿拥牡責(zé)豳Y源量，為新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用與保護規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本次研究選取為新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)為典型研究區(qū)，研究區(qū)地處河南省北部，總面積為421.6 km2。從區(qū)域上來看，新鄉(xiāng)地?zé)崽镂挥跍帞嘞莩练e盆地埋藏型地?zé)崽锏哪喜?，是由新生界蓋層、新近系、古近系熱儲層、奧陶系熱儲層構(gòu)成的地?zé)嵯到y(tǒng)。根據(jù)地?zé)嵝纬傻闹饕刭|(zhì)條件，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)熱儲類型以沉積盆地型為主，斷裂深循環(huán)型熱儲僅分布在洪門及鳳泉區(qū)北部一帶，面積較小。

通過野外地?zé)嵴{(diào)查獲取地?zé)醿拥目臻g展布和地?zé)崽卣魇沁M行地?zé)豳Y源量評價的重要基礎(chǔ)工作［6～8］。本次研究在綜合分析新鄉(xiāng)市地?zé)崴畬拥目臻g展布的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前地?zé)峋_采深度和熱儲埋藏深度，以青羊口斷裂為界，將新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)在平面上分為隆起區(qū)地?zé)崽锖桶枷輩^(qū)地?zé)崽铩?/p>

界線西北為隆起區(qū)地?zé)崽?，面積為123.14 km2，主要熱儲層為奧陶系熱儲層，主要分布在新鄉(xiāng)北站青陽口斷裂與盤古寺斷裂交匯部位，其巖性以碳酸鹽為主，主要為灰?guī)r和白云巖，有效含水空間2.37～3.84%，頂板埋深小于1 000 m，自南向北逐漸變薄至出露地表，熱儲層缺乏蓋層或蓋層較薄;由于受構(gòu)造控制，其裂隙、溶隙、溶洞發(fā)育程度不等，富水性不均。熱儲層井口水溫25～35℃左右，屬低溫地?zé)豳Y源。

界線東南為凹陷區(qū)地?zé)崽铮娣e為298.46 km2。主要熱儲層為新近系熱儲層和古近系熱儲層，新近系熱儲層巖性以中砂、細砂及粉細砂為主，單層厚度3～20 m，累計厚度90～170 m，其厚度變化趨勢為，由山前向平原區(qū)厚度逐漸增大。井口水溫45～75℃，該熱儲層是目前的主要開采層段之一;古近系熱儲層分布于1 500～2 000 m之間，根據(jù)鉆孔資料分析，其含水層主要巖性為砂巖、砂礫巖及礫巖，屬高溫地?zé)豳Y源。由于開采條件及成本限制，目前該層水尚未進行開采。

2 基于GIS技術(shù)的單元熱儲體積法計算地?zé)豳Y源量

熱儲法是地?zé)豳Y源量計算常用的方法，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)地?zé)釤醿又饕獮樾律缧陆?、古近系熱儲層和下古生界熱儲層，結(jié)合各熱儲層的實際特征，分別給出這兩個熱儲層地?zé)豳Y源量評價的計算公式如下:

(1)新生界熱儲層計算公式

式中:Qre:地?zé)崮軆Υ媪?J);A:計算單元熱儲面積(m2);D:計算單元熱儲層有效厚度(m);Φ:計算單元熱儲層有效孔隙率(%);Pr、Pw:熱儲層介質(zhì)和地?zé)崃黧w的密度(kg/m3);Cr、Cw:熱儲層介質(zhì)和地?zé)崃黧w的比熱(J/kg·℃);T:熱儲層計算單元的平均溫度(℃);T0:基準(zhǔn)溫度(新鄉(xiāng)市年平均氣溫14℃)。

(2)下古生界熱儲層計算公式

式中:EV:計算單元熱儲層系數(shù)(熱水儲層占熱儲體積之比值);Φ:計算單元熱儲層有效裂隙孔隙率(%);其它符號意義同前。

在地?zé)豳Y源量評價過程中，由于上述計算公式中各評價參數(shù)的空間變異性，使得簡單的參數(shù)分區(qū)計算結(jié)果不能夠精確地反映區(qū)域地?zé)崽锏膶嶋H儲量。考慮到GIS技術(shù)能夠快速批處理大量空間數(shù)據(jù)的特征［9］，已經(jīng)在礦產(chǎn)資源［3］、CO2地質(zhì)儲存量和地下水資源量評價中被廣泛應(yīng)用，本次研究為精確刻畫各計算參數(shù)的空間變異性，引入了基于GIS技術(shù)的單元熱儲體積法，其基本原理是:將各儲層進行空間剖分，在分別計算各亞熱儲層單元體的地?zé)醿α恐筮M行加和，由此獲取各亞儲層的地?zé)豳Y源量。

由于研究區(qū)范圍較大，參數(shù)變異性明顯，對各儲層的空間剖分結(jié)果復(fù)雜，因此需要借助GIS技術(shù)中空間分析模塊:對計算區(qū)分割出的單元體進行參數(shù)插值和賦值，獲取不同參數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)庫，利用空間分析中強大的空間計算功能，實現(xiàn)各參數(shù)分區(qū)層之間的疊置分析，利用熱儲體積法計算地?zé)豳Y源量，隨后再應(yīng)用GIS加和技術(shù)對各單元體的地?zé)豳Y源量進行加和，由此可以得到計算區(qū)內(nèi)各亞熱儲層的地?zé)豳Y源量。

3 新鄉(xiāng)市地?zé)豳Y源評價結(jié)果與討論

3.1 新鄉(xiāng)市地?zé)豳Y源評價分區(qū)

新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)地?zé)釤醿又饕獮樾律缧陆?、古近系熱儲層和下古生界熱儲層，本次評價范圍為埋深800～2 000 m之間的熱儲層。

計算中，以大地構(gòu)造單元為依據(jù)，以青羊口斷層為界，將新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)劃分為隆起區(qū)(Ⅰ區(qū))和凹陷區(qū)(Ⅱ區(qū))兩個大區(qū)，結(jié)合區(qū)內(nèi)地?zé)岬刭|(zhì)條件，將隆起區(qū)和凹陷區(qū)進一步劃分為兩個亞區(qū)(圖1)。其中Ⅰ1區(qū)新生界地層埋深小于800 m，不進行評價，下古生界厚度500 m，進行評價;Ⅰ2區(qū)新生界厚度0～200 m，下古生界厚度500 m，均進行評價;Ⅱ1區(qū)新生界埋深小于800 m，下古生界缺失，均不進行評價;Ⅱ2區(qū)新生界厚度800 m～1 200 m，進行評價，下古生界缺失或大于2 000 m，均不進行評價。

3.2 基于GIS技術(shù)的地?zé)豳Y源評價

本次計算中，將新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)剖分為1.5 km×1.5 km的單元格(圖1)，各單元格的熱儲層厚度以通過該單元格中心的地層厚度等值線及典型鉆孔柱狀圖上的砂層厚度確定;各單元格的熱儲溫度以該單元格所在區(qū)的地溫梯度計算熱儲層頂、底板溫度后取平均值。

3.3 基于GIS技術(shù)的地?zé)豳Y源評價結(jié)果

根據(jù)以上計算方法計算可得，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)800 m～2 000 m之間的熱儲層地?zé)崮芸們Υ媪繛? 184.13×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.04×108噸，電 328.8×1010度。其中，隆起區(qū)儲存量為 379.16 ×1016J，凹陷區(qū)儲存量為 804.97 ×1016J。

從地?zé)豳Y源儲存量計算結(jié)果可以看出，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)隆起區(qū)(Ⅰ區(qū))地?zé)豳Y源主要儲存在下古生界奧陶系熱儲層中，新生界熱儲地?zé)豳Y源分布面積及熱儲厚度均較小，相應(yīng)的儲存量亦較小，地?zé)豳Y源開發(fā)利用中應(yīng)以下古生界奧陶系熱儲中地下熱水為主;凹陷區(qū)(Ⅱ區(qū))地?zé)豳Y源均儲存于新生界新近系和古近系熱儲層中，且熱儲厚度較大，儲存量亦較大，是地?zé)豳Y源主要開發(fā)利用主要熱儲層，利用中應(yīng)保護利用相結(jié)合，實現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用(見表1)。

圖1 網(wǎng)格剖分及計算分區(qū)圖

表1 儲存地?zé)崮芰坑嬎銋R總表

4 結(jié)論

(1)根據(jù)新鄉(xiāng)市地?zé)崽锏姆植继卣骱蜔醿β癫厣疃?，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)在平面上分為兩個地?zé)崽?西北部的隆起區(qū)和東南部的凹陷區(qū);垂向上分為三個熱儲含水層:新近系與奧陶系雙重結(jié)構(gòu)熱儲層、新近系與古近系雙重結(jié)構(gòu)熱儲層及古近系熱儲層;

(2)地?zé)豳Y源評價結(jié)果表明:新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)800 m ～2 000 m之間的熱儲層地?zé)崮芸們Υ媪繛?184.13×1016J，其中隆起區(qū)地?zé)嶂饕獌Υ嬖谙鹿派鐘W陶系熱儲層中，地?zé)醿α繛?79.16×1016J;凹陷區(qū)地?zé)嶂饕獌Υ嬖谛律缧陆岛凸沤禑醿又?，地?zé)醿α繛?04.97×1016J，該區(qū)域熱儲層開發(fā)潛力大，是新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)未來地?zé)豳Y源開發(fā)利用的主要層位。

［1］文冬光，楊齊青，孫曉明等，中國地?zé)豳Y源管理信息系統(tǒng)［M］.北京:地質(zhì)出版社.2010.

［2］藺文靜，劉志明，王婉麗，王貴玲.中國地?zé)豳Y源及其潛力評估［J］.中國地質(zhì).2013，40(1):312-321.

［3］趙增玉，潘懋，郭艷軍，金毅，屈紅剛.三維礦產(chǎn)資源潛力評價中GIS空間分析的應(yīng)用研究［J］.地質(zhì)學(xué)刊.2012，36(4)，366-372.

［4］周厚芳，劉闖，石昆法.地?zé)豳Y源探測方法研究進展［J］.地球物理進展.2003，18(4):656-661.

［5］王心義，廖資生，韓星霞，王金生.地?zé)豳Y源評價的蒙特卡羅法［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2002，4:10-13.

［6］李蓮花，張建斌，張連勝，郭建偉.濮陽市地?zé)豳Y源分析及水文地質(zhì)參數(shù)計算［J］.河南地質(zhì).2001，19(4):313-316.

［7］李東升，劉東升.重慶地?zé)崴Y源熱儲構(gòu)造與徑流補給［J］.河南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2011，39(4):372-376.

［8］李坷凌，宋麗紅.濮陽市地?zé)豳Y源特征［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2004，6:78-81.

［9］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程［M］.北京:科學(xué)出版社.2006.