河北高阳地热田岩溶热储的成因

隋少强

(中国石化新星石油公司 新能源研究院，北京100083)

河北省地热资源丰富，一方面是由于华北盆地相对于其他地区来说地壳相对较薄，断裂比较发育，大地热流值较高，热源充足；另一方面河北省内发育有多套热储，基岩热储主要有蓟县系、奥陶系等碳酸盐岩热储，砂岩热储有新近系馆陶组、明化镇组等热储。其中，蓟县系基岩热储分布最广、开发利用率最高，比如雄安新区的牛驼镇、容城地热田和位于沧县隆起上的献县地热田等，开发的都是蓟县系雾迷山组岩溶热储。相对于砂岩热储来说，基岩热储的温度更高、水量更大[1-4]。这些地热田的开发利用，为环北京经济圈提供了大量的热能，减少了燃煤等污染排放。

高阳地热田位于高阳低凸起上，顶部埋深3 km左右(前面提到已开发的地热田，埋藏较浅，为1 km左右)，是下一步大规模地热开发利用的资源接替区，开发价值较高，意义重大。早些年有若干石油钻井钻遇蓟县系热储，发现热储物性比较好，储集空间比较大[2,4]。近年来，在同一个构造带上的博野县钻凿了一口地热井，水温110℃，水量>70 m3/h，热焓值很高，证明产能有保障。

本文从地质研究成果入手，分析地层、构造和地温场等区域地热地质特征，明确热储形成的基本条件；分析热储的分布、厚度、物性，以及运移通道、水化学等方面因素，归纳热储的成因模式，明确热储的成因机理，为更好地开发利用高阳地热田地热资源提供科学依据。

1 区域地热地质特征

高阳低凸起属于中朝准地台(Ⅰ级)华北盆地(Ⅱ级)冀中拗陷(Ⅲ级)中的一个Ⅳ级构造单元，位于冀中拗陷的中南部。高阳地热田主体位于高阳低凸起和蠡县斜坡，西部是保定凹陷，东部是饶阳凹陷，北侧和东北侧分别为牛驼镇凸起和霸县凹陷，西南为无极-藁城凸起、晋县凹陷(图1)。潜山顶板埋藏较深，主体介于2.8～4 km，面积大约70 km2，以元古界雾迷山组海相碳酸盐岩为主的岩溶热储厚度大，分布广[5]。

燕山运动是本区最为重要的构造运动，发育了一系列NE、NWW、EW向的继承性的张性大断裂。西部的太行和西北部燕山等山地升起，冀中拗陷整体沉降；但冀中拗陷内部凸凹不平，总体上呈北东-南西向展布，并伴生了大量次级断裂和褶皱。白垩纪末期全区挤压隆升，仅部分区域接受沉积[1,5]。

1.1 地层

高阳地热田区域地层从老到新包括太古界，中下元古界长城系(Ch)、蓟县系(Jx)，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系-二叠系，中生界侏罗系-白垩系，以及新生界的古近系、新近系和第四系。受蓟县运动影响，上元古界整体缺失；受加里东运动影响，志留系、泥盆系缺失；受海西运动影响，三叠系缺失。

基底地层从下至上主要发育太古界变质岩、元古界蓟县系雾迷山组(Jxw)白云岩、寒武系和奥陶系灰岩，以及石炭系-二叠系海陆交互地层。碳酸盐岩潜山地层主要是雾迷山组，以及部分寒武系和奥陶系。其中，雾迷山组白云岩发育在地热田整个区域，寒武系、奥陶系灰岩发育在地热田偏南部地区，石炭系-二叠系仅在南部有残留，中生界基本上分布在凹陷中[5](图2、图3)。

基岩热储盖层总体上是古近系、新近系的砂泥岩互层和第四系。处于盆地凹陷期的新近系馆陶组及其以上新生界在全区都有分布，厚度2 km左右，与古近系呈不整合接触。古近纪时期盆地处于断陷期，地层包括东营组(Ed)、沙河街组(Es)和孔店组(Ek)等，处于填平补齐阶段，沉积范围涵盖整个研究区，厚度2 km左右，最厚的地方可达3 km。古近系与蓟县系、寒武系、奥陶系等地层呈角度不整合接触。

1.2 构造

高阳地热田内主体部位主要发育近NE向的高阳断裂、安国断裂以及其他一些小断裂。高阳断裂是一组走向近似于北东向的反坡向正断层，是高阳低凸起与蠡县斜坡的分界。高阳断裂和安国断裂近于平行，倾向北西，前者规模较大。高阳断裂下面断至长城系、上面断至新近系；而安国断裂比较浅，下面只断至古近系[6](图4)。

区域上，处于NE向展布的高阳地热田，发育的主要断裂有南部近NWW向的衡水断裂，北部近NWW向的出岸断裂以及百尺断裂。衡水断裂倾向北东，与安国断裂相交，止于西北方的徐水-保定-石家庄断裂；百尺断裂、出岸断裂倾向南西，百尺断裂断至雾迷山组[7]。古近系与蓟县系等地层呈角度不整合接触形成不整合面(图2、图4)。上述深大断裂和不整合面构成了流体运移通道。

由图1、图2、图3和图4中地层的平面和剖面展布特征可知，高阳地热田主要热储是雾迷山组白云岩岩溶热储，盖层是古近系、新近系的砂泥岩和第四系。由图1中雾迷山组顶面埋深等值线展布特征可知，在目前的经济技术条件下(一般埋深<3.5 km)，该热储的有效开采部位总体位于高阳低凸起和蠡县斜坡的高部位。

1.3 地温场

高阳地热田新生界盖层比较厚，基岩顶面埋深达到3 km左右。然而，盖层地温梯度均为>35℃/km，这充分说明高阳地热田基岩热储温度比较高[8]。

从高阳地热田潜山热储温度等值线图上(图5)可见，地热温度高区块有2个，分别位于高阳低凸起北部和饶阳凹陷南部的深泽低凸起，最高温度均>120℃，温度等值线疏密程度相近。温度等值线在北东-南西向较北西-南东向疏，说明北西-南东向温度变化较快，由此可以推测水源补给来自于西北部太行山脉。

北部区块地温梯度等值线延伸较均匀，但在南部区块，北东方向地温梯度等值线明显较其他方向稀疏，推测东北方为热水扩散区，这一特点同温度等值线分布一致。

2 岩溶热储成因分析

2.1 热储展布特征

高阳地热田广泛发育了海相碳酸盐岩潜山热储。其中，最主要热储层位是蓟县系雾迷山组，局部发育了寒武系、奥陶系灰岩热储。主力热储层雾迷山组，岩性以白云岩为主，亦发育少许云质灰岩，热储岩相主要是潮下带上部至潮间带亚相，该岩相主要发育了藻礁滩、藻席等。寒武系、奥陶系岩性以灰岩为主，热储主要发育于潮坪亚相，其中尤以灰坪最为发育，其次为云坪，再次为云灰坪[5]。

中部的高阳低凸起埋藏较浅，最高点的深度<3 km，潜山地层由北向南依次为雾迷山组白云岩和寒武系、奥陶系等的灰岩。西部及东部地区的两个凹陷内地势较低，埋深>5 km(图3、图4)。

高阳地热田潜山热储厚度(d)在中部达到最大，最大可达700 m以上；向北、向南热储厚度减小，薄至200 m以下(图6)。

2.2 热储物性特征

雾迷山组白云岩地层，在漫长地质历史时期经历了构造演化以及剥蚀、风化和淋滤等改造作用，产生了构造缝、构造溶蚀缝、粒间溶孔、晶间溶孔、藻架孔、溶孔及溶洞等储集空间。岩石孔隙度(q)主要分布于<6.0%；渗透率(K)分布范围较大，87.8%分布于(0.01～100)×10-3μm2，平均渗透率为(35～40)×10-3μm2。雾迷山组潜山热储孔渗性较好，为高孔高渗热储。这与雾迷山组潜山热储处于渗流带和潜流带利于发育大型溶洞的特征有关。

寒武系、奥陶系岩性以灰岩为主，亦发育少许云质灰岩。经历漫长地质历史时期剥蚀、风化和淋滤，构造缝、构造溶蚀缝、粒间溶孔、晶间溶孔、藻架孔、溶孔及溶洞相当发育。岩石孔隙度较低，少量的达到5%；渗透率变化范围较大，为(0.01～1 000)×10-3μm2，主要分布于(0.01～100)×10-3μm2，平均渗透率为(35～45)×10-3μm2。因此，寒武系、奥陶系岩溶裂隙型热储孔渗性较好，为高孔高渗热储。这与渗流带和潜流带发育大型溶洞和溶孔密不可分，缓流带热储通常不发育。

高阳地热田潜山岩溶热储的孔隙度、渗透率等物性在中部博野地区最大，孔隙度达5%以上，渗透率达30×10-3μm2以上；向西北、西南、东北方向依次减小，在保定、定州地区，孔隙度<2%，渗透率<5×10-3μm2；在饶阳地区，孔隙度<3%，渗透率<10×10-3μm2(图7、图8)。

2.3 运移通道

高阳地热田周边发育衡水断裂、出岸断裂、百尺断裂，地热田内发育安国断裂、高阳断裂，这些都是地热水运移的重要通道。于此同时，太行山山麓的徐水-保定-石家庄断裂也发挥着重要的作用，因为地热田的水来源于太行山脉。高阳地热田新生界直接覆盖在雾迷山组等基岩之上，形成广泛分布的不整合面，也为地热水的流动提供了有效通道。

总之，高阳地热田地热水主要通过断层、不整合面等通道运移[1-4]。

2.4 水化学特征

据前人氢氧同位素和14C年龄研究，高阳地热田地热水来源于北部燕山山脉和西部太行山脉[2,4]。高阳地热田潜山岩溶裂隙水富含Cl-和Na+。根据高阳地热田潜山矿化度等值线图(图9)，雾迷山组总体矿化度5～6 g/L；西北部低，为3 g/L以下；东南部高，最高可达12 g/L。矿化度的分布特征与地热水的运移方向特点一致。

近年来在该区域钻凿的某地热井水化学分析结果显示，pH值：7.85；总硬度：236.35 mg/L；总碱度：549.91 mg/L；总酸度：155.00 mg/L；热水中Na+的质量浓度为1 565.00 mg/L，Cl-的质量浓度为2 251.57 mg/L，属于Cl-Na型水。地热水中锂、偏硼酸、偏硅酸的含量达到了医疗价值的指标。

2.5 岩溶热储成因模式

高阳地热田碳酸盐岩潜山热储主体位于高阳低凸起和蠡县斜坡。在这些区域内，潜山埋藏相对较浅，属于构造高地。燕山期，雾迷山组潜山处于岩溶高地、岩溶斜坡等，较少出露岩溶盆地，易于风化和淋滤而形成优质热储。

根据前人研究，地热水来源于大气降水[2,4]。太行山山前的徐水-保定-石家庄深断裂沟通了地表水与热储，大气降水通过该断裂经衡水断裂、安国断裂、百尺断裂、出岸断裂及不整合面等运移至高阳低凸起、蠡县斜坡、深泽低凸起等，在该圈闭聚集成藏。流体在运移的过程中不断地吸收周围岩石的热量，使冷水变成热水。并且在深大断裂处形成冷热对流，在密度差的作用下，热水不断地沿着断裂、不整合面等通道向上运移。

通过源-通-储-盖等因素分析，建立了高阳地热田岩溶热储的概念模式(图10)。

3 结 论

高阳地热田岩溶热储主要为雾迷山组白云岩，局部为寒武和奥陶系灰岩，沉积相带主要属于潮间-潮下带上部藻礁滩复合体，比较有利，具有形成岩溶热储的优势物质基础。雾迷山组等岩溶热储曾经长期处于岩溶高地、岩溶斜坡等有利部位，易于风化和淋滤而形成优质热储。潜山顶板温度为90～130℃，大地热流值高，热源条件好。上覆盖层主要为第三系泥质岩石，厚度大，隔热好，为热能的富集和保存奠定了良好基础。

地热水自北西向南东方向流动，由太行山山脉水源补给，地热水矿化度由北西向南东方向有递增趋势，主要通过山前深大断层、不整合面、高阳断裂和衡水断裂等运移至高阳低凸起和蠡县斜坡，经过大地热流加热形成温度较高的地热水。