沧县隆起北部地温场特征及其主控因素分析

宿宇驰，毛小平，张 飞，毛 珂，卢鹏羽

(中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083)

0 引 言

进入21世纪以来，环境问题一直困扰着世界各国。地热作为一种清洁能源，具有可再生、可就近利用，不受地域限制的特点，是传统化石能源的理想替代能源[1]。沧县隆起北部地区人口稠密，冬季雾霾高发，对于地热能源有迫切的需求。近些年，在“雄县模式”和环境压力的双重驱动下，我国在中低温地热资源开发利用上有加速发展趋势，在华北地区地热资源开采利用方面取得了重要成果[2]。

陈墨香等1982年通过对钻孔实测温度进行分析，认为热导率的垂向与横向变化是引起华北地区地热异常的主要因素；赵淑珍1982年通过研究天津地区地温场与地电场、地磁场、重力场之间的相关性，认为岩浆侵入的余热是天津地区局部的地热成因机制；周瑞良1987年通过同位素地球化学、水化学、地下水水位标高的方法，认为水动力是造成华北地区地温场差异分布的主要因素；张百鸣等2006年通过对天津地区地热田的勘查，认为天津属于地热正常区，只有在局部水动力和构造因素相结合的情况下才会形成局部地热异常。隋少强2019年通过研究天津地区的构造特征和地层分布，认为蓟县系雾迷山组是主要的热储之一，地下热水主要来源于蓟县山区，热量的运移通道为断裂[3-28]。

前人对于本地区地热成因的研究较少，且数据陈旧，导致对于本地区地热主控因素的认识不一。本文旨在通过现有地质资料的基础上，对实测地热剖面进行正演模拟，与实测温度进行对比研究，并结合井温资料，对沧县隆起北部地区地热成因与地温场特征提出一些新的认识与依据。

1 区域地质概况

渤海湾盆地为中、新生代时期形成的叠合盆地[3]，沧县隆起是渤海湾盆地西部的Ⅲ级构造单元，总体上沧县隆起位于渤海湾盆地基底隆起部位，走向为近NE向，东西部紧邻冀中坳陷与黄骅坳陷。沧东断裂发育于隆起东部，是一条上地壳的拆离断层，它北起宁河，向南延伸至武清附近，途经沧州、南皮、吴桥和山东德州，全长350 km,是一条隐伏断层(图1)。

图1 渤海湾盆地构造单元图(a)(据文献[15]修改)和沧县隆起构造分区图(b)(据文献[7-8,16]修改)

根据钻井及前人资料显示，寒武系、奥陶系为稳定克拉通背景下的陆表海沉积,以海相碳酸盐岩地层为主[1]。奥陶纪到石炭纪早期研究区受加里东运动影响而整体抬升，从而使志留系、泥盆系和下石炭系地层受到剥蚀作用，并导致早古生代遭受了长达120 Ma的风化剥蚀，为热水的储集提供了良好的空隙[3,5-6]。晚石炭世又开始整体下降接受沉积，发育了一套海陆交互相的含煤建造，进入二叠纪转为干旱条件下的河流相沉积[1]。在早、中三叠世，沧县隆起及其东西两侧的广大地区下部地层为河湖、湖沼相含煤建造，晚三叠世的印支运动使该地区隆起遭受剥蚀，进入早、中侏罗世，沧县隆起北区为沉积坳陷区[7-10]。进入晚侏罗世—早白垩世，受燕山运动影响，沧东断裂开始形成，使沧县隆起与黄骅凹陷地区形成断阶构造，沧县隆起位于高台阶地区，并受到剥蚀[4]。从早第三纪一直强烈隆升,直至上新世和第四纪才被覆盖,主体部位普遍缺失古—中新统[10](图2)。

图2 沧县隆起北部构造剖面演化图(剖面位置A-A′位置见图1(b))

根据钻井及前人资料显示，研究区热储层由新到老主要为新近系明化镇组热储、奥陶系热储和蓟县系雾迷山组热储。其中明化镇组热储为孔隙型热储，奥陶系与蓟县系热储为裂隙型热储。明化镇组在全区均有分布，岩相为上粗下细，呈反旋回特征，下段为泥岩，上段为砂岩，该层在C18井、三呼庄—新集一带未见底,在黄骅、冀中、长清地区的叠加厚度可达120～340 m[11-12]。奥陶系热储为一套海相碳酸盐岩，根据WR100、WR96D和WR94D钻井显示，奥陶系岩层以灰色、深灰色灰岩、白云质灰岩为主，夹泥质灰岩，厚度为600～800 m，主要分布于研究区内的双窑凸起区、白塘口凹陷区，潘庄凸起区也有小面积分布。蓟县系雾迷山组热储主要白云岩组成，总厚度可达505～2 624 m，在全区均有分布，埋深为800～2 000 m[13-14]。

2 地温梯度特征

沉积盖层的地温梯度变化是近地表处不同构造带地温场差异的最直接反映[17]。笔者在前人的基础上[15，18-20]，结合搜集的地热开发资料(表1)编制了沧县隆起北部地温梯度分布图(图3)。从图中可以看出研究区内地温梯度具有明显的分段、分带性特征。

表1 沧县隆起北部典型11口地热钻孔和试油温度钻孔地温梯度数据

从平面上来看，地温梯度的分带性主要体现在地温梯度的分布与下伏的基岩起伏基本一致，地温梯度等值线的长轴方向与断裂走向大致相同。在大城凸起处，盖层地温梯度主体介于30～40 ℃/km之间；潘庄凸起和王草庄凸起介于30～50 ℃/km之间；兴济凸起地温梯度介于30～45 ℃/km之间；小韩庄凸起与双窑凸起是研究区盖层地温梯度最高的两个区域，最高可达60 ℃/km，主体介于40～60 ℃/km之间。而在研究区的里坦凹陷与白塘口凹陷处地温梯度降至20～30 ℃/km。

地温梯度的分段性主要体现在地温梯度随着深度的增加，在不同层段，其地温梯度也不同。图4是白塘口凹陷WR63井和潘庄凸起WR73井温度—地温梯度—深度曲线，WR63井1 100 m以上岩性主要为砂泥岩，地温梯度为40 ℃/km，温度分布在32～54 ℃之间，1 100～1 250 m为明化镇组地层，地温梯度出现波动，波动范围在10～40 ℃/km之间，1 250～2 715 m为寒武系、奥陶系碳酸盐岩热储，地温梯度在10～38 ℃/km之间，平均值在30 ℃/km左右，2 715～3 140 m为蓟县系雾迷山组白云岩热储，地温梯度迅速减小；WR73井1 650 m之上为碳酸盐岩热储，1 650 m以下为雾迷山组白云岩热储，其中1 500～2 700 m，地温梯度紊乱，甚至出现了负值，但其温度几乎没有发生变化，2 700 m以下温度梯度变化幅度趋于平缓。

图4 白塘口凹陷WR63井(a)和潘庄凸起WR73井(b)温度—地温梯度—深度曲线图(测温曲线引用自文献[22-23])

从上述两口井的温度—地温梯度—深度曲线上可以看出，地温梯度值随深度的变化具有明显的阶段性[21]。相较于热储层，沉积盖层具有较高的地温梯度，这主要是因为沉积盖层主要为砂泥岩，具有较高的孔隙度和渗透率和较低的热导率，热传递方式主要以热传导为主；寒武系、奥陶系热储由于加里东运动遭受了严重的风化剥蚀作用，形成了各种孔、洞、缝，同时部分地区由于断裂处地下水流的影响，造成地温曲线出现较大幅度的波动，热导率较高，造成该层热传递方式以热传导与热对流相互叠加，但以热对流为主的现象；蓟县系雾迷山组热储，以高效的热对流的方式进行热传递，使地层内部温度分布相对均一，地温梯度变化趋于平缓。

3 地温场模拟

3.1 地温场模型模拟

研究区内的地温场分布显示出与基岩构造、热导率有明显的关系，本文在不考虑热流折射的情况下设计了一个古隆起(图5)。该模型深度为4 km，宽度为7 km，K1与K2分别代表了围岩热导率与基岩热导率，H代表了基岩的埋藏深度。为研究地温场分布与围岩热导率和基岩埋深之间的关系，本文设置了Ⅰ、Ⅱ两次模拟:Ⅰ模拟设置K2=3.0 W/(m·℃)，K1分别为2.0W/(m·℃)、1.5 W/(m·℃)、0.5 W/(m·℃)，H=2 000 m;Ⅱ模拟设置K2=3.0 W/(m·℃)，K1=0.5 W/(m·℃)，H分别为2 000 m、1 000 m和0。两次模拟的时间都为40万年，地幔热流取陆区的平均值45 mW/m2。通过模拟结果可以看出，地温场的分布与基岩的埋深、上覆盖层的热导率具有明显的相关性。具体如下。

图5 地温数值模拟模型

(1)当基岩的埋深与热导率一定时，凸起区上部会形成局部高温，等温线呈上凸型，而下部呈现为下凹型，在上凸与下凹等温线之间会存在一条热流平衡线。随着盖层热导率的降低，凸起区地温异常的现象变得十分明显，当盖层热导率为0.5 W/(m·℃)时，在2 000 m深度，基岩凸起区的温度相较于凹陷处可高出20 ℃(图6)。

图6 不同围岩热导率下的地温场分布模拟结果图

(2)当上覆盖层于与基岩的热导率一定时，随着基岩的埋深逐渐变浅，凸起处的高温异常逐渐消失，当基岩的埋深深度变为0时，凸起区的地温等值线将变为下凹型，而凹陷处的地温等值线变为上凸型。

因此，要形成区域地温异常，首先要具有一定厚度的盖层，其次基岩埋深相对要浅。关于一定深度内温度的高低，可把基岩与盖层视为一个整体，若整体的平均热导率较高，则其整体的温度较低。基岩凸起处形成的地热异常实质为热导率的分布不均。

3.2 实测剖面地温场模拟

为进一步揭示沧县隆起北部地温场分布于基岩凸起之间的关系，本文选择了两条具有实测温度曲线的剖面进行正演模拟[20，24]。

如图7所示，A-A′由西向东分别经过了大城凸起、双窑凸起与白塘口凹陷与小韩庄凸起；B-B′剖面由西向东经过了大城凸起、里坦凹陷和兴济凸起。在双窑凸起、小韩庄凸起和兴济凸起处基岩埋深最浅，约为1 000 m，在双窑凸起处，新近系地层直接覆盖在中元古代地层之上，震4井所测到的新生界地温梯度达64 ℃/km。1 000 m实测地温梯度展现出在基岩凸起处高、凹陷处低的特点。

图7 不同基岩埋深下的地温场分布模拟结果图

本次的正演模拟采用二维热导方程在计算机上实现。一般情况下，各地质构造区新生界盖层热导率的变化可以认为是地区岩性岩相变化特点的一种反映[25]。这是因为凸起区一般是物源区，而边缘地带则临接物源区。与凸起区相比，凹陷区内碎屑沉积物砂的含量要小，且粒度要小，砂质沉积物的分布比例也要小，这就导致了凸起区的盖层热导率相比于凹陷区来说要高。因此，把凸起区平均热导率应用到凹陷区，虽与实际情况存在误差，但总的轮廓和趋势是可信的。如表2所示，本文采用前人在研究区邻区冀中坳陷经过校正后的热导率数据[15]。设置地壳深处无差异的元古界基底热流为q=45 mW/m2。地表温度设为15 ℃，初始地温梯度设为3.5 ℃/100 m。模拟年代为40万年。模拟结果如图8和图9所示，除部分地区外，模拟的1 000 m地温线与实测温度曲线基本拟合。

图8 大城凸起—小韩庄凸起地热地质剖面模拟图(剖面位置A-A′位置见图1(b))

表2 地温场模拟所用热导率数据

沧县隆起北部地区地温场在剖面上的分带性和垂向上的分层性在地热勘探实践中得到了有力的证明。

近NW—SE向的两条实测地热地质剖面揭示，1 000 m处的地温变化、盖层的地温梯度变化与基底起伏具有惊人的一致性(图8和图9)。即基底凸起区的1 000 m处的温度与地温梯度高，凹陷区相对较低低，且基底凸起的幅度愈高，盖层地温梯度与1 000 m处的温度愈高。如大城凸起与邻区里坦凹陷基底埋深的差异达到4 000 m，1 000 m处的温度相差可达20 ℃以上，上覆新生代盖层的地温梯度大于5 ℃/100 m；在白塘口凹陷的两侧的双窑凸起和小韩庄凸起，基底的埋深差异在3 000 m左右，但两侧的1 000 m温度与地温梯度均具有较大的差值。

图9 大城凸起—兴济凸起地热地质剖面模拟图(剖面位置B-B′位置见图1(b))

另外，模拟的温度曲线与实测的温度曲线具有高度的一致型，说明了研究区的地温场分布主要受基岩起伏所控制。在双窑凸起处，模拟的1 000 m温度与实测的温度在总体趋势上具有较高的相似性，但温差较大，周瑞良1987年认为这是由于断裂所造成的地下热水上涌大大提高了双窑凸起热储层的温度，导致了与本文所设计的热传导模型温度相差较大；在里坦凹陷与白塘口凹陷处的模拟温度与实测温度不同，笔者认为是所选用的盖层的岩石热导率与实际情况不同所导致的。故此，研究区内的地温场的分布主要由基底起伏所控制，并受断层所导致的地下水流所影响从模拟的过程与结果来中可以得到以下几点认识:(1)纵向上，基底凸起带的地温场具有镜像的分层结构[26-28]。即以新生界与元古界之间的角度不整合为界，其上覆盖层的温度—深度等值线呈向上凸的弧形展布，而下伏基岩的温度—深度等值线呈向下凹的弧形分布，且盖层的温度—深度等值线密集，地温度梯度高，而基岩的温度—深度等值线较疏松，地温梯度较低，二者形态上形成了不对称的镜像分层结构。其原因在于盖层的热导率较低，起到了良好的保温作用，有利于高地温梯度带的形成；而基岩热导率高，热传递速度快，向深部往往呈现低地温梯度带，这与地温场模型模拟所得到的结果基本一致。(2)横向上，盖层地温场的分带变化特征与基底构造起伏基本一致，且基岩埋深的越浅，其上覆的地温梯度越大。这说明基岩的高低起伏对于地温场的分布具有明显的控制作用。

4 结 论

(1)沧县隆起北部地区地温梯度具有横向上分带、纵向上分段的特点。横向上，沉积盖层的地温梯度与下伏基岩起伏基本一致；同时，由于热传导方式和地下水的因素，纵向上，沉积盖层具有较高的地温梯度以热传导为主，热储层具有较低的地温梯度以热对流为主。

(2)基岩凸起处所形成的地热异常，实质为热导率的分布不均所导致的。想要存在高地热异常要形成区域地温异常，首先要具有一定厚度的盖层，其次基岩埋深相对要浅。

(3)沧县隆起北部地区地温场分布主要受基岩起伏所控制，局部受到地下热水沿断裂上涌所影响。