張財(cái)華

(河北省煤田地質(zhì)局水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲 056000)

河北省中部平原地區(qū)滄縣臺(tái)拱帶是省內(nèi)重要的地?zé)岣患瘞?，通過(guò)對(duì)獻(xiàn)縣地區(qū)的勘查工作，獲得了優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源，具有很高的地?zé)崮芾们熬?。本次研究以滄縣臺(tái)拱帶為研究區(qū)域，初步了解該地區(qū)地質(zhì)情況、熱儲(chǔ)層特征、深部地溫狀態(tài)等，為該區(qū)域地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)和利用工作提供了重要依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ級(jí))、華北斷坳(Ⅱ級(jí))、滄縣臺(tái)拱(Ⅲ)內(nèi)，其西部為冀中坳陷，東部為黃驊坳陷，南部為臨清臺(tái)陷(圖1)[1]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，以北東及北北東向斷裂構(gòu)造為主，東部邊界構(gòu)造為滄州-大名深斷裂，南部為無(wú)極-衡水大斷裂，西部為次一級(jí)斷裂構(gòu)成了與冀中臺(tái)陷的分界線。研究區(qū)內(nèi)地層由老至新分布有古—中太古界遷西群；新太古界的阜平群、五臺(tái)群；古元古界甘陶河群、東焦群；中元古界的長(zhǎng)城系、薊縣系；新元古界的青白口系；古生界的寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界古近系、新近系、第四系[2]。

區(qū)內(nèi)新生代巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，大致可劃分為古近紀(jì)、新近紀(jì)和第四紀(jì)三個(gè)主活動(dòng)期。河北省平原東部以中更新世的規(guī)模最大，平原西部以早更新世的規(guī)模最大。古近紀(jì)火山巖其巖性主要為漸新世的玄武巖、安山質(zhì)玄武巖、局部夾火山碎屑巖、輝綠巖和輝長(zhǎng)巖，大多數(shù)沿基底斷裂分布，反映活動(dòng)方式以裂隙式寧?kù)o溢流為特征，新近紀(jì)火山巖主要為堿性玄武巖及火山碎屑巖類，其分布多數(shù)沿?cái)嗔蜒由欤砻髌浠顒?dòng)方式以裂隙式噴發(fā)為主。第四紀(jì)火山巖主要為強(qiáng)堿性玄武巖及火山碎屑巖類，在地下多沿?cái)嗔蜒由?，反映沿?cái)嗔岩灾行氖絿姲l(fā)為主。

2 研究區(qū)地?zé)岱植继卣?/h2>

據(jù)研究區(qū)內(nèi)鉆孔揭露資料，主要?jiǎng)澐譃閹r溶裂隙含水層、新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組孔隙含水層。勘查區(qū)熱儲(chǔ)分布見(jiàn)圖1[3]。

圖1 工作區(qū)構(gòu)造及熱儲(chǔ)分布

GRY1號(hào)孔位于獻(xiàn)縣地?zé)崽铮?017年5月20日完成鉆探工作，累計(jì)完成鉆探進(jìn)尺4 025.82m。4 004.93m溫度達(dá)107.56℃,出口水溫103.50℃，水量為70m3/h。根據(jù)《理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》GB11615—2010，鍶、氟、偏硼酸等達(dá)到了礦水濃度標(biāo)準(zhǔn)，因此本井地?zé)崴m宜于供暖、醫(yī)療、農(nóng)田灌溉、養(yǎng)殖等項(xiàng)目開(kāi)發(fā)利用[4]。該孔揭露主要熱儲(chǔ)為薊縣系楊莊組-長(zhǎng)城系高于莊組熱儲(chǔ)、薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)、新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)。

2.1 薊縣系楊莊組-長(zhǎng)城系高于莊組熱儲(chǔ)

高于莊組揭露厚度252.82m(3 767.46～4 025.82m)，根據(jù)鉆井液消耗量觀測(cè)，結(jié)合測(cè)井資料，綜合確定3 800.00～3 843.00m、3 874.00～3 887.00m、3 935.00～3 952.00m為含水層段。熱儲(chǔ)巖性為白云巖，與上覆地層不整合接觸，裂隙發(fā)育，連通性好，形成良好的儲(chǔ)層。據(jù)鉆孔揭露，該熱儲(chǔ)頂板埋深3 767.46m，出口最高水溫達(dá)103.50℃。該熱儲(chǔ)埋藏較深，目前還未開(kāi)采利用。

楊莊組總厚744.39m(3 023.07～3 767.46m)，主要為泥質(zhì)白云巖，泥質(zhì)成分較高，鉆井液消耗量為0.60～108.00m3/h，結(jié)合測(cè)井資料，綜合確定3 746.00～3 761m層段為含水層。

本次對(duì)該層段進(jìn)行兩次抽水試驗(yàn)，最大涌水量69.38m3/h。據(jù)壓裂前抽水試驗(yàn)中采樣結(jié)果，水質(zhì)類型為Cl—Na型，礦化度6 437.06mg/L，富含鍶、偏硼酸，不能作為生活飲用水、漁業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水，為一優(yōu)質(zhì)醫(yī)療熱礦水[5]。

2.2 薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層

與上覆地層不整合接觸，曾長(zhǎng)期裸露地表遭受風(fēng)化剝蝕和溶蝕，孔洞十分發(fā)育，連通性好，形成良好的儲(chǔ)層。該熱儲(chǔ)在獻(xiàn)縣縣城一帶頂板埋深1 300.00～1 500.00m，具有埋藏淺、溫度高、水量大的特點(diǎn)。目前區(qū)內(nèi)的地?zé)峋?，成井時(shí)均自流，水頭高于地表25.00～50.00m，自流量57.88～90.00m3/h,井口水溫91.8～96℃。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，水位、水溫均有不同程度的下降。

主要巖性為白云巖、燧石條帶白云巖，具有可溶性，經(jīng)過(guò)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其表層風(fēng)化殼為該層熱儲(chǔ)的主要儲(chǔ)水空間，在強(qiáng)烈的巖溶作用下形成孔、洞、縫相當(dāng)發(fā)育的溶蝕型碳酸鹽熱儲(chǔ)體，也成為地下熱水儲(chǔ)存的良好空間。根據(jù)目前周邊地?zé)峋_(kāi)采資料，水質(zhì)類型為Cl—Na型，水量70.00～120.00m3/h，礦化度6.00g/L左右，不能作為生活飲用水、漁業(yè)用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水，可直接用于供暖、醫(yī)療和洗浴[6]。

該熱儲(chǔ)是目前獻(xiàn)縣地?zé)崽镏饕_(kāi)采熱儲(chǔ)層，具有水量大、水溫高的特點(diǎn)。根據(jù)鉆孔水文地質(zhì)觀測(cè)：1 344.35～1 613.96m鉆井液消耗量為19.30～108.00m3/h。抽水后測(cè)溫曲線成果顯示：1 326.60～1 956.88m出現(xiàn)地溫梯度負(fù)增長(zhǎng)(地溫梯度為-0.06℃/100m)，因此，綜合確含水層層段為1 326.60～1 956.88m，厚度為630.28m。

距GRY1號(hào)鉆孔南部約50m的XXZK1鉆孔終孔深度為2 500.18m，終孔層位為薊縣系霧迷山組，于2017年4月對(duì)霧迷山含水層(1 337.88～2 500.18m)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，最大涌水量為109.29m3/h，井口水溫為83℃；距本孔北部約80m的XXZK2鉆孔終孔深度為2 004m，終孔層位為薊縣系霧迷山組，于2017年4月對(duì)霧迷山含水層(1 337.88～2 500.18m)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，最大涌水量為104.02m3/h，井口水溫為83℃，水質(zhì)類型均為Cl—Na型，富含鍶、偏硼酸，為優(yōu)質(zhì)醫(yī)療熱礦水。

XXZK1和XXZK2地?zé)峋膶?shí)施，為了解薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)的水文地質(zhì)特征提供了地質(zhì)依據(jù)，為獻(xiàn)縣地?zé)崽锝?jīng)過(guò)多年開(kāi)采的數(shù)據(jù)對(duì)比及地?zé)豳Y源的綜合利用規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。

2.3 新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)

全區(qū)均有分布，頂板埋深450m左右，底板埋深1 200～1 500m，分為明化組上段、明化組下段。目前，周邊地?zé)峋畠H有兩眼地?zé)峋_(kāi)采利用新生界熱儲(chǔ)，獻(xiàn)熱1井(GRY1號(hào)井西南方向4.90km)、河北省獻(xiàn)縣諾信機(jī)械工程材料有限公司地?zé)峋?GRY1號(hào)井西北方向10.95km)

明化鎮(zhèn)組上段底界平均埋深770.00～890.00m，平均厚度為103m。本孔埋深719.04m，厚度為215.08m。砂層單層最大厚度25m，砂厚比30%～40%，孔隙度約30%，具有良好的富水性及透水性，本次揭露厚度為272.4m，砂厚比76%。本段水量大于50m3/h，井口水溫可達(dá)40℃～50℃；水質(zhì)為Cl—Na型。

明化鎮(zhèn)組下段以半成巖狀的粉砂為主，具有良好的富水性和透水性，底界埋深平均1 000～1 350m，本孔埋深1 326.60m，厚度603.56m，砂層單層厚度3～5m，最大為14m，砂厚比約20%，孔隙度23%～27%，本次揭露含水層厚度為133.20m，砂厚比27%。發(fā)育具有不均一性，單獨(dú)成井水量較小，但水溫較高，所以在明化鎮(zhèn)組成井時(shí)應(yīng)取明化鎮(zhèn)組上段底部及明化鎮(zhèn)組下段上部熱儲(chǔ)綜合成井。水量大于60.00m3/h。井口水溫可達(dá)60℃以上，水位為31.00～35.00m，水質(zhì)為HCO3—Na型，礦化度1.009～1.925g/L。如獻(xiàn)熱1井，成井段931.00～1 090.00m，涌水量64.00m3/h,水溫62℃，目前區(qū)內(nèi)對(duì)該熱儲(chǔ)利用程度較低。

3 研究區(qū)深部溫度估算

本次研究采用地溫梯度法來(lái)推測(cè)巖石的溫度。主要采用按照孔底地溫梯度進(jìn)行估算并采用居里面溫度向淺部推算進(jìn)行驗(yàn)證[7]。

3.1 根據(jù)GRY1號(hào)鉆孔孔底溫度估算

GRY1號(hào)鉆孔終孔深度為4 025.82m，終孔層位為長(zhǎng)城系高于莊組，孔底溫度為107.56℃。按測(cè)溫曲線趨勢(shì)將基巖段分為四段(圖2)：①段1 597.72～2 161.96m，為霧迷山組上部，地溫梯度為0.30℃/100m；②段2 161.96～3 649.78m，為霧迷山組下部-楊莊組中下部，地溫梯度為1.44℃/100m；③段3 649.78～3827.84m，為楊莊組底部-長(zhǎng)城系高于莊組上部，地溫梯度為-1.69℃/100m；④段為GRY1號(hào)鉆孔孔底，高于莊組中上部，地溫梯度為2.45℃/100m[8]。

圖2 GRY1號(hào)鉆孔測(cè)溫曲線

GRY1號(hào)鉆孔預(yù)計(jì)高于莊組底界深度為4 500m，長(zhǎng)城系底界深度為5 400m，5 400m以深為太古界。本次研究按照高于莊組白云巖段、高于莊組以深石英砂巖段進(jìn)行計(jì)算。

1)高于莊組白云巖組段(4 003.98～4 500m)。本段以灰白色、灰色厚層泥晶白云巖、粉砂質(zhì)白云巖為主，含硅質(zhì)。巖性特征與3 827.84～4 003.98m段巖性基本一致，因此利用④段地溫梯度進(jìn)行估算是合理的(圖3)。

圖3 GRY1號(hào)鉆孔3 600～4 003.98m測(cè)溫曲線

根據(jù)圖3曲線特征看出，③段4點(diǎn)→④段1點(diǎn)，出現(xiàn)地溫驟降的現(xiàn)象，105.15℃降至102.32℃，根據(jù)孔內(nèi)水文觀測(cè)情況發(fā)現(xiàn)該段地層裂隙發(fā)育，為Ⅰ類～Ⅱ類裂縫層，引起溫度驟降的原因應(yīng)該為此層段裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，橫向的水力聯(lián)系密切，使該點(diǎn)的巖溫降低。因此，該點(diǎn)的在測(cè)溫曲線的實(shí)測(cè)點(diǎn)并不能真正反映巖溫，僅僅反映了該點(diǎn)水的溫度。2點(diǎn)處也出現(xiàn)了溫度突變，3點(diǎn)～4點(diǎn)曲線反映良好，地溫梯度為1.80℃/100m，可以作為推算長(zhǎng)城系高于莊組底界溫度的依據(jù)，據(jù)前所述，4 500m(高于莊組底界)溫度為115.59℃[9]。

2)長(zhǎng)城系大紅峪組-常州溝組石英砂巖段(底界深度5 400m)。該段上部由灰白色長(zhǎng)石石英砂巖和石英砂巖組成，夾硅質(zhì)層；下部由灰黃色—紫紅色砂巖組成，巖性致密，裂隙不發(fā)育。據(jù)圖3中②段測(cè)溫曲線特征，在2點(diǎn)處地溫梯度出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，1→2地溫梯度為0.96℃/100m，2→3地溫梯度為2.09℃/100m，增幅為118%。②段巖性1→2裂隙略微發(fā)育過(guò)渡為2→3致密，與高于莊組過(guò)渡到本段地層變化相似，因此以增幅為118%來(lái)計(jì)算，本段地溫梯度為3.92℃/100m，推測(cè)至5 400m溫度為150.87℃。

3.2 由居里面向淺部反算驗(yàn)證

根據(jù)中國(guó)陸域航磁計(jì)算居里面等值線平面圖進(jìn)行深部溫度估算。本次研究區(qū)居里面埋深約22 000m，溫度為580℃。GRY1號(hào)鉆孔4 025.82m溫度為107.56℃，推算4 025.82～22 000m綜合地溫梯度為2.62/100m，推算至150℃，深度約5 600m，與按照孔底地溫梯度進(jìn)行的估算結(jié)果接近，說(shuō)明本次的溫度估計(jì)是正確的，GRY1號(hào)鉆孔150℃的深度約為5 400m。

4 熱儲(chǔ)藏模式

地?zé)崽锏某刹貦C(jī)制包括地?zé)釤嵩础?dǎo)熱通道、熱儲(chǔ)層、熱儲(chǔ)蓋層、地?zé)崃黧w補(bǔ)徑排條件5個(gè)方面。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的熱儲(chǔ)層特征、溫度狀態(tài)、水文狀況等地質(zhì)特征對(duì)熱儲(chǔ)成藏進(jìn)模式進(jìn)行分析。

4.1 熱源條件

熱源條件是熱儲(chǔ)成藏的基本條件，一般包括放射性元素衰變、深部熱傳導(dǎo)、幔源的巖漿熱、變形熱等。研究區(qū)內(nèi)第四紀(jì)發(fā)育大規(guī)模的玄武質(zhì)巖漿活動(dòng)，說(shuō)明本區(qū)在新生代深部地幔處于活躍期?；钴S的地幔會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模的熱流并通過(guò)熱傳導(dǎo)作用于上覆地層。當(dāng)深層熱流進(jìn)入地殼上部以后，由于上覆基巖凸起與凹陷的構(gòu)造格局會(huì)使得熱流重新分配，在正向構(gòu)造與負(fù)向構(gòu)造的交接轉(zhuǎn)換部位，熱流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不再保持垂向轉(zhuǎn)移而是由凹陷區(qū)向凸起區(qū)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致凸起區(qū)熱量的積累(圖4)。

圖4 熱傳導(dǎo)示意

研究區(qū)位于滄縣臺(tái)拱帶內(nèi)，其形態(tài)為北東向凹凸相間分布，基巖凸起部位均有地?zé)岙惓ｏ@示，暗示高地幔大地?zé)崃魇堑責(zé)釁^(qū)高溫地溫場(chǎng)以及深部地?zé)豳Y源豐富的主要原因之一[10]。

此外，由變質(zhì)巖構(gòu)成的結(jié)晶基底，其放射性元素儲(chǔ)量一般高于上覆沉積蓋層，放射性元素衰變生熱可為基底隆起部位提供更多的額外的熱源，另外，古老的結(jié)晶基底致密巖石的導(dǎo)熱性能高于低密度的沉積巖蓋層，這就促使更多的熱流集中于基底抬高部位，直接傳導(dǎo)至地面則形成地?zé)岙惓^(qū)域。研究區(qū)深部具有厚層的變質(zhì)基底，因此放射性元素衰變生熱也是可能的熱源[11-12]。

4.2 蓋層條件

研究區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)蓋層是由新生界第四系構(gòu)成的，厚503.96m，為一套以河流相、湖相為主，兼有湖沼相和海相成因的松散沉積物，其巖性由黏土、亞黏土、亞沙土與粉砂、細(xì)砂組成，不等厚交互沉積，地層結(jié)構(gòu)松散-疏松，孔隙大，底部沉積厚層黏土，導(dǎo)熱性差，具有良好的保溫隔熱作用，是理想的熱儲(chǔ)覆蓋層。

4.3 熱儲(chǔ)條件

通過(guò)上述分析可知研究區(qū)內(nèi)主要熱儲(chǔ)層為薊縣系楊莊組-長(zhǎng)城系高于莊組熱儲(chǔ)、薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)、新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)，包括孔隙型熱儲(chǔ)層及基巖裂隙型熱儲(chǔ)層。這些熱儲(chǔ)層埋深大，上覆厚層蓋層，具有良好的熱隔擋效應(yīng)。熱儲(chǔ)層主要巖性為空隙發(fā)育的碳酸鹽巖以及聯(lián)通性好的碎屑沉積巖，利于傳熱和封閉地水的流動(dòng)和熱交換[13]。

4.4 通道條件

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，以北東及北北東向斷裂構(gòu)造為主，包括滄東斷裂、獻(xiàn)縣斷裂、無(wú)極-衡水大斷裂等，深大斷裂控制著區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格局并連通著地殼地幔處深部熱源與上部各熱儲(chǔ)層，為深部熱能向上運(yùn)移提供了良好的傳遞通道[14]。

4.5 地?zé)崃黧w補(bǔ)徑排條件

根據(jù)GRY1號(hào)鉆孔水樣氘(D)、氧(18O)同位素檢測(cè)結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴疄楣糯髿饨邓?jīng)溶濾作用形成的古埋藏水，基巖熱儲(chǔ)層補(bǔ)給水來(lái)源甚微，為封閉消耗性地下水。地下熱水的徑流與排泄受基地構(gòu)造和古地形地貌及各隔水層的控制，徑流非常緩慢。封閉的深部地下水能夠保持溫度的穩(wěn)定，利于地?zé)崽锏某刹亍?/p>

4.6 成藏機(jī)制

研究區(qū)內(nèi)第四紀(jì)發(fā)育了大規(guī)模的幔源巖漿作用。大量的深部地?；顒?dòng)使得熱源源源不斷傳導(dǎo)至淺部地殼。受上部構(gòu)造格架的控制，導(dǎo)致熱流由深部的穩(wěn)定傳導(dǎo)至淺部重新分配，并向凸起區(qū)集中。楊莊組、高于莊組、霧迷山組、明化鎮(zhèn)組由于空隙發(fā)育，加上受古降水影響積累了大量地下水。在深部熱源持續(xù)加熱的作用下導(dǎo)致溫度逐漸升高成為熱儲(chǔ)層。隨著內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用的減弱，研究區(qū)在第四紀(jì)進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定的階段，并沉積了厚度大、隔熱效果好的沉積物，巨厚蓋層的影響會(huì)減緩深部熱能的散失使得熱能得以保存，對(duì)于深部熱儲(chǔ)層的保持起到了重要的隔熱作用(圖5)[15]。

圖5 熱儲(chǔ)成藏機(jī)制剖面示意

5 結(jié)論

1)研究區(qū)主要熱儲(chǔ)層為薊縣系楊莊組-長(zhǎng)城系高于莊組熱儲(chǔ)、薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)、新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)。

2)研究區(qū)受第四紀(jì)幔源的巖漿熱及老變質(zhì)基底的放射熱供給影響，使得薊縣系楊莊組-長(zhǎng)城系高于莊組、薊縣系霧迷山組、新近系明化鎮(zhèn)組及內(nèi)部的封閉地下水被加熱成為熱儲(chǔ)層，上覆的厚層沉積物起到了重要的隔熱作用。