戴明剛 雷海飛 凌安航 毛 翔 王嗣敏 向才富

1.中國石化集團(tuán)新星石油有限責(zé)任公司 2.國家地?zé)崮茉撮_發(fā)利用研究及應(yīng)用技術(shù)推廣中心3.中石化綠源地?zé)崮荛_發(fā)有限公司 4.中國石油大學(xué)（北京）

0 引言

山西太原地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，開發(fā)利用前景廣闊?？碧介_發(fā)實(shí)踐已證實(shí)，該區(qū)主要熱儲(chǔ)是奧陶系碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層。目前，國內(nèi)針對(duì)碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是相關(guān)研究要么著重于水文特征[1-6]，要么局限于某一層段或區(qū)塊[7-8]，要么是華北地區(qū)這種大尺度或其域外[9-21]，而對(duì)于聚焦于太原地區(qū)的奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)特征、成因及控制因素的認(rèn)識(shí)程度仍然有限。為此，筆者基于前人的研究成果，利用現(xiàn)有的鉆井、測(cè)井及取心等資料，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，系統(tǒng)分析了該區(qū)奧陶系巖溶熱儲(chǔ)的特征、成因和發(fā)育控制因素，進(jìn)而根據(jù)地?zé)嵯到y(tǒng)要素，預(yù)測(cè)了奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)勘探的有利區(qū)，以期提高該區(qū)地?zé)峋@井的成功率。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)以狹義太原盆地為主體，即廣義太原盆地（也稱晉中盆地、晉中斷陷）田莊斷裂以北及其周邊部分區(qū)域（圖1）。太原盆地是一個(gè)新生代形成的斷陷盆地[1,22-25]，主要受西邊大留—晉祠斷層、中部汾河斷裂和東部東邊山斷層控制，這3組斷層將太原盆地劃分為3個(gè)近南北向的條塊。近EW向和NE向的斷層將3個(gè)條塊劃分為多個(gè)斷壘、斷陷和斷塊構(gòu)造單元，總體表現(xiàn)出東西分帶，南北分塊的構(gòu)造格局[1]。按太原地區(qū)地?zé)衢_采傳統(tǒng)，每個(gè)地?zé)崽镆运跇?gòu)造單元命名（圖1）。

圖1 太原地區(qū)主要構(gòu)造單元及地?zé)崽锓植紙D

研究區(qū)地層自下而上主要為前寒武系變質(zhì)巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、石炭系—二疊系煤系地層、三疊系紅色碎屑巖，新近系—第四系碎屑巖。

研究區(qū)熱儲(chǔ)主力是奧陶系碳酸鹽巖，層位主要包括峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組、亮甲山組和冶里組，中上奧陶統(tǒng)在全區(qū)普遍發(fā)育?？紤]傳統(tǒng)劃分方案的使用習(xí)慣，結(jié)合新[26-27]老資料的使用，對(duì)研究區(qū)的中、上奧陶統(tǒng)仍舊劃分為下馬家溝組、上馬家溝組和峰峰組，每組各劃分為兩段，中上奧陶統(tǒng)各巖石地層單位與年代地層關(guān)系及和鄰區(qū)的對(duì)比關(guān)系見圖2。

圖2 太原地區(qū)奧陶系主要巖性層位與沉積相圖

2 巖溶熱儲(chǔ)特征

2.1 巖石學(xué)特征

該區(qū)奧陶系巖性主要為石灰?guī)r類和白云巖類。

2.1.1 石灰?guī)r類

石灰?guī)r類巖性主要分為泥晶灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、顆?；?guī)r和泥質(zhì)條帶灰?guī)r等。

1）泥晶灰?guī)r：灰色—深灰色，泥晶方解石含量約90%，泥晶結(jié)構(gòu)、瓷狀斷口，發(fā)育多期裂縫，方解石脈充填且縫合線發(fā)育，為靜水環(huán)境下原生沉積的產(chǎn)物，主要分布于峰峰組、上馬家溝組、下馬家溝組（圖3-a）。

2）云質(zhì)灰?guī)r：灰色—深灰色，泥晶方解石含量大于50%，白云巖含量介于10%～50%，白云石為半自形—自形微晶結(jié)構(gòu)，常呈斑塊狀分布于縫合線附近，是白云巖化的結(jié)果，主要發(fā)育于峰峰組、上馬家溝組（圖3-b）。

3）顆粒灰?guī)r：主要為砂屑灰?guī)r和含礫屑砂屑灰?guī)r，灰色—深灰色，泥晶方解石含量大于50%，碳酸鹽粒屑含量介于10%～50%。顆粒成分主要為內(nèi)碎屑和生物碎屑，其中前者含量較多，后者含量較少。生物碎屑主要為介形蟲、棘皮類、三葉蟲碎片等。該類巖石是在較弱的水動(dòng)力作用下沉積的結(jié)果，主要見于上馬家溝組（圖3-c）。

4）泥質(zhì)條帶灰?guī)r：灰色—深灰色，呈條帶狀，發(fā)育構(gòu)造縫。這一巖性在各組地層均有發(fā)育（圖3-d）。

2.1.2 白云巖類

該區(qū)白云巖類主要包括泥晶云巖、粉晶云巖、灰質(zhì)云巖、角礫云巖等。

1）泥晶云巖：灰色—深灰色，泥晶云石含量大于90%，另外含少量泥質(zhì)、灰質(zhì)等，發(fā)育多期裂縫。這類巖石為準(zhǔn)同生白云巖化的產(chǎn)物，主要見于峰峰組、馬家溝組（圖3-e）。

2）粉晶云巖：灰色—深灰色，白云石含量大于90%，主要為晶粒狀白云石組成，呈半自形—自形，具晶粒嵌鑲結(jié)構(gòu)，白云石晶體因包含微小雜基而顯渾濁，發(fā)育裂縫，裂縫部分充填，該類白云巖經(jīng)多種成巖后生作用形成， 主要見于峰峰組、上馬家溝組（圖 3-f）。

3）灰質(zhì)云巖：灰色—深灰色，白云石含量大于50%，方解石含量介于25%～50%。因石灰?guī)r白云石化不徹底或者白云巖去白云石化不徹底而形成，主要見于峰峰組、馬家溝組（圖3-g）。

圖3 太原地區(qū)奧陶系儲(chǔ)層特征圖版

4）角礫云巖：以灰色、淺褐灰色以及黃褐色為主，厚層狀，發(fā)育溶蝕孔洞（圖3-h）。角礫含量大于60%，直徑多介于3～5 cm，含少量砂屑，角礫和砂屑的成分均為泥晶云石，屬于顆粒灘的沉積產(chǎn)物，在各組地層均有分布。

2.2 沉積相

太原地區(qū)奧陶系不同巖石組段沉積相見圖2，主要發(fā)育開闊臺(tái)地、局限臺(tái)地、潮坪等沉積相。

2.3 儲(chǔ)集空間類型

該區(qū)碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的儲(chǔ)集空間類型主要為孔隙、裂縫、溶蝕孔洞3種類型。

2.3.1 孔隙

研究區(qū)碳酸鹽巖孔徑介于10～50 μm，很少見更大的孔隙，并且分布較局限?？紫吨饕獮榱?nèi)溶孔與鑄?？祝▓D3-c、i）、晶間孔與晶間溶孔（圖3-n）。主要分布于含生屑泥晶灰?guī)r、含生屑砂屑灰?guī)r、含生屑粉晶灰?guī)r、粉晶云巖中。

2.3.2 裂縫

研究區(qū)裂縫發(fā)育，主要為網(wǎng)狀裂縫、高角度裂縫和微裂縫。

1）網(wǎng)狀裂縫：由多組斜交裂縫相互交叉構(gòu)成，似網(wǎng)狀，縫寬小于1～3 mm，一般寬度大于1 mm的被充填，而小于1 mm的未被充填或部分充填（圖3-g）。

2）高角度裂縫：由一組或兩組裂縫構(gòu)成，裂縫垂直水平面或近于垂直水平面，裂縫一般較寬（大于2 mm），大部分被方解石等充填（圖3-e、j）。

3）微裂縫：僅在顯微鏡下才能觀察到，寬度介于十至幾百微米，絕大部分被充填，呈樹枝分叉狀或X形（圖3-a）。

2.3.3 溶蝕孔洞

在巖心上可以觀察到溶蝕孔洞，直徑介于1～10 cm，主要發(fā)育于顆?；?guī)r（圖3-c）和含顆粒粉晶灰?guī)r中。

2.4 儲(chǔ)層物性

通過對(duì)太原地區(qū)24口井奧陶系碳酸鹽巖巖心物性樣品（樣品數(shù)424個(gè)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，孔隙度最大值為29.80%、最小值為0.35%，平均孔隙度為6.27%，孔隙度大于1.50%的樣品占87.5%；滲透率最大值為1 386.9 mD、最小值為0.000 1 mD，平均滲透率值為6.077 mD，滲透率大于0.05 mD的樣品占70.3%。其分類統(tǒng)計(jì)的平均孔隙度和滲透率如圖4所示。儲(chǔ)層中孔、洞、縫發(fā)育，但平均滲透率差異較大，石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)云巖的滲透率在10 mD左右，白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)云巖介于2～6 mD，膏質(zhì)灰?guī)r小于1 mD（圖4-a）。

另一方面，不同巖性物性條件決定了奧陶系各層的實(shí)際產(chǎn)水效果。從峰峰組—下馬家溝組，石灰?guī)r層產(chǎn)水層數(shù)占絕對(duì)多數(shù)，而在冶里組石灰?guī)r產(chǎn)水層數(shù)為0。白云巖產(chǎn)水層在冶里組是絕對(duì)主力，在亮甲山組也超過1/2（圖4-b）。說明峰峰組—下馬家溝組石灰?guī)r的物性顯著好于冶里組—亮甲山組，而冶里組—亮甲山組白云巖的物性顯著好于峰峰組—下馬家溝組。

圖4 太原地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖平均孔滲條件與含水層數(shù)特征圖

2.5 成巖作用類型

本文的成巖作用是指廣義的成巖后生作用，或叫沉積期后作用，泛指沉積物形成—沉積巖風(fēng)化、變質(zhì)作用前，這一演化階段的所有變化和作用。

太原地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖成巖作用復(fù)雜，主要受沉積環(huán)境和成巖環(huán)境的控制，表現(xiàn)為多期、多種成巖作用的疊加，對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)滲性的影響既有充填和破壞孔隙降低儲(chǔ)滲性的一面，又有改善原有空隙或形成新孔隙提高儲(chǔ)滲性的一面。該區(qū)奧陶系成巖作用主要分為：①破壞性成巖作用。如壓實(shí)、壓溶（圖3-k）、膠結(jié)和充填（圖3-f）、重結(jié)晶作用（圖3-l）等。②建設(shè)性成巖作用。如白云石化（圖3-m）、破裂作用、溶蝕與巖溶作用等。筆者重點(diǎn)討論溶蝕與巖溶作用。

碳酸鹽巖的溶蝕作用可以形成次生溶孔、溶洞和溶蝕縫，其宏觀體現(xiàn)即為巖溶作用。按照碳酸鹽巖發(fā)生巖溶作用所處的成巖階段與成巖環(huán)境，通?？蓪r溶劃分為準(zhǔn)同生巖溶、表生巖溶和埋藏巖溶3種類型。

2.5.1 準(zhǔn)同生巖溶

準(zhǔn)同生巖溶作用常發(fā)生于灘相沉積環(huán)境早期暴露大氣淡水的成巖環(huán)境，主要表現(xiàn)為生物碎屑等的粒內(nèi)溶孔和鑄?？住Ｔ谠搮^(qū)奧陶系碳酸鹽巖中，準(zhǔn)同生巖溶在海平面相對(duì)較低的上馬家溝組下段（三段），常見巖性為含角礫生屑粉晶—細(xì)晶灰?guī)r、含礫屑砂屑灰?guī)r、泥晶云巖。準(zhǔn)同生巖溶控制了早期儲(chǔ)層的形成和分布，由于后期受到成巖作用等的強(qiáng)烈改造，實(shí)際上準(zhǔn)同生巖溶形成的孔隙殘余較少。

2.5.2 表生巖溶

表生巖溶是可溶性巖層在經(jīng)歷了準(zhǔn)同生期海底成巖和暴露成巖、淺—中埋藏期成巖作用后，又抬升出露地表，經(jīng)大氣淡水淋濾改造的過程中所發(fā)生的溶蝕作用。表生巖溶作用是研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲(chǔ)形成的關(guān)鍵作用，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育于與兩個(gè)不整合面有關(guān)的臺(tái)地整體暴露時(shí)期，即上奧陶統(tǒng)峰峰組（六段、五段）以及亮甲山組，局部地區(qū)可波及到上馬家溝組頂部（四段上部），該區(qū)溶蝕作用強(qiáng)，在上馬家溝組頂部形成風(fēng)化殼，淡水溶蝕形成大量的溶孔、溶縫、晶（粒）內(nèi)溶孔、晶（粒）間溶孔及鑄?？祝▓D3-h、j、k、n），部分被后期的膠結(jié)作用所充填。

區(qū)內(nèi)表生巖溶規(guī)模大、溶蝕作用強(qiáng)，受溶蝕作用改造形成良好的儲(chǔ)集空間，且表現(xiàn)出明顯的垂向和橫向分帶性發(fā)育特點(diǎn)。

2.5.2.1 垂向分帶特征

圖5 太原地區(qū)FHJD-1井與TD-2井峰峰組表生巖溶垂向分帶連井剖面分析圖

總體上該區(qū)奧陶系表生巖溶垂向上可以劃分為3個(gè)溶蝕帶（圖5），各帶特征如下：①垂直滲流帶。主要對(duì)應(yīng)于峰峰組上段（六段）石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和亮甲山組頂部的灰質(zhì)云巖。②水平潛流帶。主要對(duì)應(yīng)于峰峰組下段（五段）—上馬家溝組上段（四段頂部）以及亮甲山組中上部，產(chǎn)水層主要發(fā)育在該潛流帶，以低伽馬、低電阻率、低聲波時(shí)差為主要特征。③深部緩流帶。發(fā)育于上馬家溝組中下部泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及以下層位，亮甲山組下部鮞粒云巖及以下層位中。

3個(gè)垂向巖溶帶中，水平潛流帶厚度大、溶蝕孔洞發(fā)育層數(shù)多、各層泥質(zhì)含量高，可達(dá)40%，單層孔隙度可達(dá)29%，巖溶儲(chǔ)層縱、橫向均表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，是最有利于儲(chǔ)集層發(fā)育的巖溶帶。

2.5.2.2 平面分布特征

根據(jù)古地貌和奧陶系剝蝕程度，太原地區(qū)整體地處巖溶斜坡分布區(qū)，這一地帶表生巖溶作用最為活躍，是水平潛流帶最有利的發(fā)育地帶，也是最有利于古巖溶儲(chǔ)層發(fā)育的地貌單元，巖溶廣泛，溶孔、洞最發(fā)育，儲(chǔ)集性能較好。

2.5.3 埋藏巖溶

埋藏巖溶是深部巖溶，主要與深部各種流體活動(dòng)、構(gòu)造作用形成的裂縫、壓溶作用產(chǎn)生的縫合線有關(guān)。研究區(qū)下馬家溝組、上馬家溝組大部分，亮甲山組下部及冶里組以下層位等表生巖溶作用未波及層段的巖溶孔洞主要與其有關(guān)。

奧陶系埋藏巖溶成因的孔隙以非組構(gòu)選擇型為主，主要包括構(gòu)造溶擴(kuò)縫、縫合線溶擴(kuò)縫（圖3-f）、溶蝕孔洞（圖3-c）和溶擴(kuò)孔洞等。組構(gòu)選擇型主要以粒間溶孔和晶間溶孔為主。埋藏溶蝕作用沿著前期已形成的古巖溶孔洞縫系統(tǒng)發(fā)生，且往往優(yōu)先溶蝕各種孔洞和裂縫充填物（圖3-o），使儲(chǔ)層孔隙表現(xiàn)出對(duì)前期孔隙系統(tǒng)的繼承性。

3 巖溶孔隙發(fā)育規(guī)律與有利分布區(qū)

3.1 巖溶孔隙發(fā)育規(guī)律

3.1.1 垂向上含水層與隔水層的發(fā)育規(guī)律

太原地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖24口探井試水結(jié)果、水層和縫洞層測(cè)井解釋剖面對(duì)比分析結(jié)果表明：主要產(chǎn)水層發(fā)育在峰峰組下段（五段）和亮甲山組，次要產(chǎn)水層為上馬家溝組中段（四段下部）、下馬家溝組下段（二段下部）（表1）。

含水層通常發(fā)育于隔水層之上，巖性上表現(xiàn)為成分不純的白云巖、石灰?guī)r，尤其易出現(xiàn)在含角礫、豹斑、石膏等結(jié)構(gòu)或成分、結(jié)晶程度較高的巖層中。隔水層在巖性上主要表現(xiàn)為兩種類型：①泥質(zhì)含量高的薄層，如泥灰?guī)r、泥質(zhì)云巖；②純石灰?guī)r，尤以致密、厚層、大套石灰?guī)r為主。

3.1.2 平面分布規(guī)律

如前所述，太原地區(qū)整體處于巖溶斜坡地帶，巖溶孔洞、孔隙廣泛發(fā)育，儲(chǔ)集性能較好。巖溶作用是奧陶系碳酸鹽巖次生孔隙形成的主要原因，以表生巖溶和埋藏巖溶為主。

3.2 巖溶孔隙發(fā)育的主控因素

3.2.1 巖性

表1 太原地區(qū)TD-2井測(cè)井解釋對(duì)應(yīng)表

奧陶系碳酸鹽巖由于其巖石成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造復(fù)雜多變，各層組的巖性組合—沉積相不同，其巖溶發(fā)育的形態(tài)、巖溶程度也存在很大的差異。

1）巖石礦物成分。石灰?guī)r類一般比白云巖類巖溶更容易發(fā)育，但該區(qū)角礫狀云巖、結(jié)晶云巖及結(jié)晶灰質(zhì)云巖等白云巖層同樣易出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，巖石成分在很大程度上決定溶蝕作用的方向和強(qiáng)度。另一方面，泥質(zhì)碳酸鹽巖巖溶易發(fā)生孔隙溶蝕，導(dǎo)致泥質(zhì)成分不斷聚集并逐漸堵塞水流通道，使溶蝕作用的強(qiáng)度大大減弱。這也是泥質(zhì)含量高的巖層易成為隔水層的原因。

2）巖石的原生結(jié)構(gòu)。原生結(jié)構(gòu)控制巖石的孔隙類型，同時(shí)也控制巖石的選擇性溶蝕作用，不同結(jié)構(gòu)碳酸鹽巖具有不同的溶蝕形態(tài)。如該區(qū)結(jié)晶云巖及結(jié)晶灰質(zhì)云巖，具有細(xì)—中細(xì)晶結(jié)構(gòu)，其白云石晶粒較大，粒晶間孔隙發(fā)育均勻，滲透水流能夠緩慢地滲入巖石內(nèi)部進(jìn)行較均勻地滲濾，并沿孔隙擴(kuò)大溶蝕，形成分布比較均勻的順層溶蝕現(xiàn)象。在裂隙溝通的情況下，更有利于溶濾作用的進(jìn)行，形成以均勻溶孔或孔洞為主的巖溶形態(tài)。

3）巖石厚度。野外觀察結(jié)果表明，該區(qū)現(xiàn)今地表巖溶發(fā)育明顯與碳酸鹽巖的厚度相關(guān)：單層厚度越大，對(duì)巖溶發(fā)育越有利，即厚層—塊狀碳酸鹽巖，因其構(gòu)造裂隙較發(fā)育，巖溶化強(qiáng)度高，一般沿裂隙和層面可形成大型溶洞；而薄層碳酸鹽巖層理發(fā)育，但構(gòu)造裂隙短小，巖溶發(fā)育相對(duì)微弱，常沿層面發(fā)育小型溶洞。

4）石膏。該區(qū)中奧陶系統(tǒng)上、下馬家溝組中分布有數(shù)層石膏、含膏巖層。石膏對(duì)于區(qū)域巖溶的發(fā)育具有兩重性：一方面因溶蝕產(chǎn)生的含過飽和CO2的地下酸性水溶解了大量的SO42-，水的酸度增大，反過來加速了巖溶的進(jìn)度；同時(shí)，由于巖溶不斷發(fā)育、規(guī)模不斷擴(kuò)展而造成坍塌現(xiàn)象，坍塌物就地堆積，破壞了巖溶層的原生結(jié)構(gòu)，使本來可以作為巖溶層的部分變?yōu)榭煽康母羲畬樱瑯?gòu)成含水層的底板。

5）沉積相。不同的沉積相溶蝕作用類型與強(qiáng)度存在明顯的差異，該區(qū)奧陶系局限臺(tái)地相、潮坪相是巖溶易發(fā)部位，其次為開闊臺(tái)地相的一些亞相。

3.2.2 構(gòu)造作用

斷裂構(gòu)造作用影響著巖溶發(fā)育的方向和規(guī)模。該區(qū)巖溶作用除了巖性自身的因素之外，很大程度上是由巖層的各種斷層、裂隙、節(jié)理擴(kuò)溶而成，尤其是埋藏巖溶中裂隙擴(kuò)溶孔洞占儲(chǔ)集空間的很大部分。受構(gòu)造作用影響大的巖層，相互連通形成滲透裂隙網(wǎng)絡(luò)，溶蝕速度就會(huì)相對(duì)較快，巖溶更為發(fā)育。故巖溶作用在構(gòu)造裂隙發(fā)育部位更易于發(fā)生，如褶曲軸部、斷層破碎帶及其影響帶處等（圖6）。

圖6 沿構(gòu)造裂縫發(fā)育的奧陶系溶蝕孔洞照片（六家河剖面）

構(gòu)造斷裂不僅控制著巖溶發(fā)育的方向，還影響著巖溶發(fā)育的規(guī)模。溶洞發(fā)育與斷裂構(gòu)造呈正相關(guān)關(guān)系，斷裂越發(fā)育，結(jié)構(gòu)面也就越發(fā)育，巖溶率在斷裂帶上相應(yīng)出現(xiàn)明顯的增高趨勢(shì)?？扇苄允?guī)r被斷裂切割發(fā)生碎裂或破碎，巖石裂隙發(fā)育，增加了地下水與可溶巖的接觸面積，并使地下水水流通暢，水的化學(xué)溶蝕作用增強(qiáng)，因而沿?cái)嗔延绊憥r溶作用強(qiáng)烈，構(gòu)成了地下水補(bǔ)給、徑流、排泄的主要通道，促使巖溶向縱深快速發(fā)展。

該區(qū)斷裂構(gòu)造都呈多期活動(dòng)[22-25]，壓性或是張性都在持續(xù)變化中，主要控?zé)釘嗔褳榕璧貣|西兩側(cè)的兩條邊山斷裂帶（圖1、7）和西銘斷階—三給地壘、田莊斷裂，多期活動(dòng)的斷裂，在某段沉積時(shí)期內(nèi)巖溶化作用可能強(qiáng)些，在其他段沉積時(shí)期可能弱些，從總體上看，斷裂帶附近的巖溶都較非斷裂區(qū)發(fā)育，斷裂帶和斷壘帶都表現(xiàn)出較好的巖溶發(fā)育特性及良好的儲(chǔ)水導(dǎo)水特性。

圖7 過太原盆地地?zé)崮Ｊ狡拭媸疽鈭D

該區(qū)奧陶系峰峰組與石炭系太原組（本溪組）之間的平行不整合形成間隔時(shí)間長，下伏奧陶系遭受風(fēng)化剝蝕改造的時(shí)間也長，巖溶作用波及的深度更大，表生巖溶作用所影響的規(guī)模、程度也更強(qiáng)，是該區(qū)表生巖溶儲(chǔ)層最重要的發(fā)育層段。

3.2.3 地?zé)崴畡?dòng)力條件

流動(dòng)的地下水是巖溶形成和發(fā)展的一個(gè)很重要的條件。根據(jù)地球化學(xué)資料和實(shí)際鉆井資料，結(jié)合前人的研究成果[1-6]，該區(qū)流體動(dòng)力系統(tǒng)呈東西分帶、南北分塊（圖8）的空間分布格局，與地形和斷裂構(gòu)造分布密切相關(guān)。

東部和西部流體動(dòng)力系統(tǒng)是影響太原盆地流體的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。東部巖溶地?zé)崴到y(tǒng)的邊界表現(xiàn)出明顯的受斷層控制的特征，分別受北部恒山北斷層、南部交城斷層?xùn)|延部分控制；西部動(dòng)力系統(tǒng)的北部和西部是地勢(shì)較高的石灰?guī)r出露區(qū)，其北側(cè)和西側(cè)與火山巖及太古代變質(zhì)巖接觸，構(gòu)成太原地區(qū)巖溶地?zé)崴到y(tǒng)的北部和西部邊界。不存在北部流體動(dòng)力系統(tǒng)，之前有學(xué)者[1,5]所認(rèn)為的北部系統(tǒng)更多地表現(xiàn)為西部動(dòng)力系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其分界線大致沿西部的汾河河谷展布。南部的流體動(dòng)力系統(tǒng)僅對(duì)盆地南部產(chǎn)生局部影響，范圍止于田莊斷層。

斷裂等構(gòu)造作用促使巖溶發(fā)育并形成地下水動(dòng)力系統(tǒng)，系統(tǒng)反過來又使該地帶內(nèi)巖溶更加發(fā)育，甚至成為強(qiáng)徑流帶。巖溶地下水是太原地?zé)崴钪匾难a(bǔ)給來源，地?zé)崴难h(huán)深度自地?zé)崴难a(bǔ)給區(qū)向太原盆地內(nèi)部逐漸加深，顯著地影響了巖溶的發(fā)育。在盆地邊部的補(bǔ)給區(qū)和徑流補(bǔ)給區(qū)，主要受巖溶不整合面發(fā)育的范圍控制，循環(huán)深度在離地表250 m以淺范圍內(nèi)。進(jìn)入太原盆地范圍內(nèi)，受新生代沉積充填的影響，地?zé)崴难h(huán)深度由北部向南部快速增加，北部循環(huán)深度在離地表1 000～1 500 m范圍內(nèi)，向盆地南部快速增加到離地表2 500～3 000 m。在斷陷盆地邊部存在斷層的部位，地?zé)崴难h(huán)深度快速增加，形成了明顯的梯度帶，在該梯度帶，巖溶作用最為強(qiáng)烈。

3.3 巖溶熱儲(chǔ)勘探有利區(qū)

3.3.1 熱源

該區(qū)主要熱源為上地幔熱流向地殼表層傳導(dǎo)的熱量和上地殼中花崗巖的放射性產(chǎn)熱。同一時(shí)間內(nèi)，幔源熱流流向Moho面上拱區(qū)比下彎區(qū)多，這是因?yàn)闊崃髟贛oho面上拱區(qū)和下彎區(qū)共深度面進(jìn)行第一次“熱流再分配[28]”，由于上拱區(qū)熱阻小，其在正常熱流背景下受構(gòu)造影響而成為深部熱流高值區(qū)。

圖 8 太原及周邊地區(qū)地?zé)崴到y(tǒng)與流動(dòng)方向及循環(huán)深度圖

同理，在地殼中部，據(jù)本文參考文獻(xiàn)[29]的研究，該區(qū)存在低速—高導(dǎo)層，其很可能本身就是幔源熱流再分配的產(chǎn)物，在同等深度熱流進(jìn)行第二次再分配，低速—高導(dǎo)層上傳的熱流比正常區(qū)要多。

但是在地殼淺部，該區(qū)盆地部分（對(duì)應(yīng)Moho面上拱區(qū)）基底深，兩側(cè)山地部分基底淺（對(duì)應(yīng)Moho面下彎區(qū)），基底深度大體上與Moho面起伏呈鏡像關(guān)系（圖7），熱流第三次進(jìn)行規(guī)模性的“熱流再分配”，此時(shí)的熱流既包括幔源熱流，又包括來自上地殼花崗巖層的放射性熱流。離沉積層（包括熱儲(chǔ)層）最近的、規(guī)模最大的第三次“熱流再分配”決定了沉積層內(nèi)地?zé)豳Y源的分布不均，與居里面埋深關(guān)系不大，且居里面埋深起伏主要是中下地殼熱流傳導(dǎo)分布不均的產(chǎn)物，與中下地殼大地?zé)崃髅芏确植夹螒B(tài)呈正相關(guān)。

3.3.2 水源

該區(qū)碳酸鹽巖巖溶裂隙地?zé)崴饕獊碜杂谖鞑繀瘟荷降貐^(qū)和東部五臺(tái)—太行山地區(qū)以及南部太岳山—沁水盆地地區(qū)的大氣降水[1]，即古今巖溶地下水、徑流補(bǔ)給水和前新生代地層的孔隙水，其中巖溶地下水是太原地?zé)崴钪匾难a(bǔ)給來源。如前所述，東部和西部流體動(dòng)力系統(tǒng)是影響太原盆地流體的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，使研究區(qū)主體位于地?zé)崴袎簠^(qū)，其余位于地?zé)崴潘畢^(qū)，為研究區(qū)提供了不斷的水源。這些地?zé)崴诓煌疃冗M(jìn)行循環(huán)，不僅促進(jìn)了巖溶作用的發(fā)育，改善了熱儲(chǔ)空間條件，且越深越加快深部熱量向淺部的傳遞。

3.3.3 儲(chǔ)層和通道

研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)巖性主要為石灰?guī)r類和白云巖類，有利巖性在峰峰組—下馬家溝組組主要是石灰?guī)r類，包括白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和膏質(zhì)灰?guī)r，而在冶里組和亮甲山組，有利巖性則主要是白云巖類，包括角礫云巖、泥質(zhì)云巖、灰質(zhì)云巖。有利沉積相主要是局限臺(tái)地相、潮坪相，開闊臺(tái)地相的一些亞相也較有利。熱儲(chǔ)厚度據(jù)井統(tǒng)計(jì)基本都超過600 m，主要產(chǎn)水層發(fā)育在峰峰組下段（五段）和亮甲山組，次要產(chǎn)水層為上馬家溝組中段（四段下部）、下馬家溝組下段（二段下部）。儲(chǔ)層空間包括孔隙、裂縫和孔洞，沉積、斷裂和不整合面構(gòu)造，巖溶作用特別是表生巖溶和埋藏巖溶作用共同促進(jìn)了該區(qū)熱儲(chǔ)空間的發(fā)育方向和規(guī)模。斷裂和不整合面以及裂縫系統(tǒng)構(gòu)成了研究區(qū)巖溶熱水通道，如田莊斷裂、汾河斷裂、邊山斷裂等基底斷裂影響帶。

3.3.4 蓋層

研究區(qū)奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)蓋層主要為新生界、石炭系—二疊系和三疊系，其厚度特征是南厚北?。▓D9），南部主要厚1 200～2 000 m，北部主要厚400～700 m。其地溫梯度則呈中南部高、北部低的特征（圖9），最大為4 ℃/100 m，最低僅0.5℃/100 m。

3.3.5 勘探有利區(qū)

太原地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的發(fā)育和分布主要受巖性及沉積相類型、構(gòu)造特征、巖溶水動(dòng)力條件分布等因素控制，結(jié)合區(qū)域地?zé)嵯到y(tǒng)特征，可以明確：該區(qū)碳酸鹽巖地?zé)崽锸且源髿饨邓疄樗?、西部與東部石灰?guī)r裸露區(qū)巖溶水雙向補(bǔ)給，煤系地層為隔水頂板、適當(dāng)厚度的中—新生界為保溫蓋層，在太原新生代盆地覆蓋區(qū)奧陶系儲(chǔ)層中加熱、富集，燕山—喜馬拉雅期斷裂與裂隙對(duì)儲(chǔ)層之間的熱水進(jìn)行溝通，從而形成的巖溶地?zé)崽?。因此，根?jù)上述熱儲(chǔ)控制因素和分布特征，優(yōu)選出目前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下的勘探有利區(qū)（圖9）。

最有利區(qū)：石灰?guī)r和白云巖熱儲(chǔ)平均孔隙度大于5%、滲透率大于1 mD、有效厚度大于150 m、地?zé)崴蠖嗵幱诔袎簠^(qū)、熱水循環(huán)深度大都超過1 500 m、區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育；蓋層厚度多超過1 400 m、地溫梯度一般不低于4 ℃/100 m、熱儲(chǔ)溫度不低于60℃。滿足該條件的區(qū)塊主要為晉源凹陷西北部和中東部、西溫莊隆起中西部。

次有利區(qū)：石灰?guī)r和白云巖熱儲(chǔ)平均孔隙度大于5%、滲透率大于1 mD、有效厚度大于150 m、處于熱水承壓區(qū)或排水區(qū)、熱水循環(huán)深度大于1 000 m、區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育；蓋層厚度一般大于600 m、地溫梯度一般大于3 ℃/100 m、儲(chǔ)層溫度不低于45 ℃，此外地溫梯度雖不滿足3 ℃/100 m但蓋層厚度大于1 900 m且排除淺層冷水干擾的地區(qū)。符合條件的主要為晉源凹陷除西南部外大部分地區(qū)、西溫莊隆起最有利區(qū)向外擴(kuò)展2～3 km 的區(qū)域、城區(qū)凹陷中南部和親賢地壘西部。

4 結(jié)論

1）太原地區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)主要為兩類：石灰?guī)r類主要分為泥晶灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、顆?；?guī)r和泥質(zhì)條帶灰?guī)r等；白云巖類主要包括泥晶云巖、粉細(xì)晶云巖、灰質(zhì)云巖、角礫云巖等。

圖9 太原地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)勘探有利區(qū)分布圖

2）太原地區(qū)奧陶系熱儲(chǔ)儲(chǔ)集空間形成是多種作用的復(fù)合疊加，主要分為：破壞性的如壓實(shí)、膠結(jié)和充填作用等；建設(shè)性的如溶蝕、巖溶、云化、破裂作用等。其中，巖溶作用和白云石化對(duì)次生孔隙的形成具有決定性影響，巖溶作用是該區(qū)次生孔隙形成的主要原因。巖溶作用以表生巖溶和埋藏巖溶為主，表生巖溶對(duì)儲(chǔ)層的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)作用，其水平緩流帶是最重要的產(chǎn)水帶；埋藏巖溶作用對(duì)儲(chǔ)層的后期溶蝕改造作用顯著，使孔隙度增大。構(gòu)造破裂作用如田莊斷裂、汾河斷裂、邊山斷裂等基底斷裂影響帶，形成斷裂和裂縫，既可作為儲(chǔ)集空間，也可作為巖溶流體運(yùn)移通道，促進(jìn)溶蝕作用。

3）太原地區(qū)東部和西部流體動(dòng)力系統(tǒng)是影響太原地?zé)崽锪黧w的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，使太原地?zé)崽镏黧w位于地?zé)崴袎簠^(qū)，部分位于排水區(qū)，為地?zé)崽锾峁┝瞬粩嗟乃?，這些地?zé)崴诓煌疃冗M(jìn)行循環(huán)，不僅促進(jìn)了巖溶作用發(fā)育進(jìn)而改善熱儲(chǔ)空間條件，而且越深越加快了深部熱量向淺部傳遞。

4）奧陶系熱儲(chǔ)發(fā)育分布主受巖性（巖石成分、結(jié)構(gòu)、厚度等）、構(gòu)造（斷裂和不整合面）、沉積相、地下水動(dòng)力條件等因素控制。垂向上，含水層在巖性上通常表現(xiàn)為成分不純的白云巖、石灰?guī)r，尤其易出現(xiàn)在含角礫、豹斑、石膏等結(jié)構(gòu)或成分及結(jié)晶程度較高的巖層中，主要發(fā)育于峰峰組下段、馬家溝組、亮甲山組內(nèi)，具分布穩(wěn)定、儲(chǔ)集層段多、平均孔隙度及滲透率較好、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)；隔水層在巖性上主要表現(xiàn)為泥質(zhì)含量高的薄層（泥灰?guī)r、泥質(zhì)云巖），或以致密厚層大套石灰?guī)r為主。平面上，熱儲(chǔ)整體處于儲(chǔ)集性能較好的巖溶斜坡地帶，巖溶孔洞、孔隙廣泛發(fā)育。

5）該區(qū)奧陶系巖碳酸鹽巖地?zé)崽锸且粋€(gè)由盆地內(nèi)基底隆起及盆緣隆起和深部Moho面上拱控制地溫場異常、以大氣降水為水源、斷裂和巖溶不整合面為運(yùn)移通道，從西部及北部和東部補(bǔ)給巖溶水，在盆地中—南部富集的傳導(dǎo)型地?zé)崽??？碧阶钣欣麉^(qū)為晉源凹陷西北部和中東部、西溫莊隆起中西部。