阳原盆地半圈闭型热储成热机理研究

牛 飞， 齐俊启

(河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056200)

0 引言

地热资源是具有巨大开发利用价值的可再生清洁能源，地热资源的合理开发及利用需要建立在对地热田成热机理充分研究的基础上[1-4]，其主要研究对象是热储，地热储(简称热储)，是指埋藏于地下且具有有效空隙和渗透性的地层、岩体或者构造带，其中储存的地热流体可供开发利用。

河北省热储类型一般分为开放型热储、半圈闭型热储和圈闭型热储3类[5]，平原区热储均属于圈闭型热储，山区具备以上3类热储，因此山区热储类型在成热机理更为复杂。

阳原盆地位于张家口市西南，属冀西北浅山盆地，呈东北向条带状，东西长约82km，南北宽约27km。地势西南高、东北低。盆地内现有地热田一处，为三马坊地热田，该地热田开发利用历史久远。然而除区内三马坊地热田外的其他地区地热勘查程度较低且地热田成因类型相关研究较少，严重制约了区内地热资源的开发利用，因此通过开展工作查明阳原盆地内控热因素及成热机理对于区内地热资源的合理开发及利用具有重要意义[6]。

本文基于地热地质调查、大地电磁勘探、采样测试、测井等工作手段，在查明阳原盆地地热地质条件的基础上，系统分析了地热异常区热源、构造控(导)热、地热流体成因，为今后评价山区半圈闭型热储提供科学依据。

1 地热地质概况

阳原盆地属山间盆地，南北两侧由恒山余脉双条岭与熊耳山山前组成的洪积平原，中部为桑干河发育的冲积河谷平原。研究区内出露地层由老至新主要有：太古界迁西群、元古界长城系、寒武奥陶系、侏罗系、新近系、第四系[7]。

1.1 构造演化

阳原盆地结晶基底为太古宙片麻岩系。太古宙基底形成后，进入元古宙和古生代盖层发育期，沉积元古宙高于庄组、雾迷山组以及古生代张夏、馒头组，缺失元古宙铁岭洪水庄组和古生代中寒武世以后的地层。中生代开始研究区进入强烈活化阶段，盆地抬升缺失三叠纪、早侏罗世地层，中-晚侏罗世时受燕山运动的影响，断裂活动加剧，发生大规模火山岩喷发，特别研究区内南山山前大的断层活动，为后期阳原盆地形成确定了构造格架[8]。随着喜马拉雅运动的影响，南北山体迅速抬升，南山北山之间形成阳原断陷盆地，阳原盆地构造演化过程中经历的燕山运动以及喜马拉雅运动以及拉张运动引起的断陷活动[9]，为深部热源向上运移提供了条件，为地热资源在山前盆地内富集形成地热异常区奠定了地质基础。

1.2 构造

据《河北省北京市天津市区域地质志》对构造单元的划分，本区处于中朝准地台(华北板块)Ⅰ级构造单元，山西断隆Ⅱ级构造单元，五台台拱Ⅲ级构造单元，天镇台穹Ⅳ级构造单元内。阳原盆地内断裂构造发育，主要断裂方向有NE-NEE、NNW、NW和近EW向4组，其中以NE-NEE和NNW向断裂规模较大。根据断层切割关系判断，NE-NEE、EW向断裂形成较早，其次是NNW向，NW向断裂形成最晚。区内断层性质均以正断层为主，其中以南山、北山山前断裂规模最大，控热及控水作用明显，区内三马坊地热田、金家庄地热异常区、西城镇地热异常区均发育在南北山前断裂与次一级构造断裂的交汇处。

1.3 热储层

根据热储成因模式、储层时代、分布及储水介质特征，阳原盆地内0～2 000m深度范围内共发育有两大热储层系即第四系孔隙热储和蓟县—长城系岩溶裂隙热储。不同于河北平原区内层状分布的孔隙型热储和基岩裂隙型热储，区内热储层与非热储层边界多以地温梯度划分或构造裂隙带边界划分且区内热储平面上呈带状分布(图1)。

区内蓟县-长城系岩溶裂隙热储以本次新发现的西城镇地热异常区为典型，该区地下热水主要赋存于长城系系白云岩中，区内有2个钻孔探获该层热储，分别是D-2号孔，556.70m；D-3号孔，549.75m。揭露地层岩性为第四系泥河湾组黏土、砂质黏土、粉土，长城系白云岩、泥岩等。根据物探、钻探成果资料，元古界热储在该异常区内均有分布，热储顶界埋深350～450m，热储厚度250～275m，涌水量60～100m3/h，水温33.2℃，溶解性总固体一般为2.09～2.26g/L，水质类型主要为主要为Cl·SO4-Na型。

图1 阳原盆地构造纲要及区内地热异常区分布Figure 1 Structural outline map of Yangyuan Basin and geothermal abnormal places distribution

区内第四系孔隙型热储以新发现的金家庄地热异常区最为典型，金家庄地热异常区呈带状分布于阳原盆地东部南山断层次一级构造断裂发育处，根据区域地热研究资料、钻探及物探资料推断，区内储热层主要为第四系孔隙热储。热储顶界埋深150～200m，热储厚度200～300m，水温31.6～52.8℃，涌水量60～80m3/h，水质类型主要为主要为Cl·HCO3·SO4-Na型。

2 地温场特征

地温场是地质发展史与地质现状对其影响的综合体现，地温场属非稳定场受地质构造、活动断裂、岩浆活动、地下水运动、地层岩性等多方面因素的影响。阳原盆地内不同构造区位、岩性、深度地温场特征差异明显[10]。

2.1 横向地温场特征

阳原盆地内恒温带温度的确定，采用多年平均地面温度略高于多年平均气温1～3℃的方法，阳原当地多年平均气温为7.7℃，所以确定本区恒温带温度为11℃。

新生界地温梯度的计算，主要通过区内开展的地热地质调查工作对温度大于11℃的机民井、地热井进行调查所得到的各机井的编号、井深及井口温度等数据，根据下列公式计算出该点的地温梯度值。

地温梯度计算公式：

ΔT=(t-t0)÷(H-H0)/100

(1)

式中：ΔT为地温梯度，℃/100m；t为井口稳定水温，℃；t0为恒温层温度，11℃；H0为恒温层埋深，30m；H为利用段中部埋深，m。

本次工作选取阳原盆地内249组机民井及地热井调查数据，并根据地热地质调查获取的井位和地温梯度值，绘制了阳原盆地新生界地温梯度等值线图(图2)。

图2 阳原盆地新生界地温梯度平面图Figure 2 Yangyuan Basin Cenozoic geothermal gradient plan

阳原盆地内非地热异常区新生界地温梯度均值为1.84～2.46℃/100m，地温梯度高值区主要分布在阳原盆地断裂构造带及其交汇部位，地温梯度最高值在达到10.0℃/100m。

2.2 纵向地温场特征

通过测井成果显示阳原盆地内地温场纵向变化主要受地下水活动及地层岩性的影响。

西城镇地热异D-2号孔地热井为中元古界长城系基岩热储地热井，井深556.70m，第四系盖层厚度为460.00m，揭露基岩热储厚度为96.70m。孔底温度33℃，全孔地温梯度为3.5℃/100m，钻孔测温曲线见图3。

图3 D-2孔测温曲线Figure 3 Borehole D-2 measured temperature curve

垂向上可根据测温曲线曲线形态划分为3个阶段，各个阶段对应不同的地温梯度。0～300m地层相对松散，岩性为土层砂层砾石层，地温梯度为2.46℃/100m接近阳原盆地内浅部第四系正常地温梯度背景值，表明此段内无地下水活动，大地热流以热传导为主。300～460m为第四系底部，地层较上部密实，岩性以富水性差的泥层及砂层为主，岩层热导率差，地温梯度为7.5℃/100m，远高于全孔地温梯度值，此阶段曲线形态表现为下凹的低地温梯度的特征，为对流型曲线特征，证明第四系底部存在对流式高温热源；460～556.7m为长城系岩溶裂隙含水热储层，岩层原生孔隙及次生裂隙发育，地温梯度接近于0℃/100m，地热流体依靠构造裂隙带纵向对流活动，使深部热量快速运移值浅部地层，纵向对流区内地温呈均一化，并在浅部出现地温异常区。D-2孔测温曲线特征与同为蓟县—长城系岩溶裂隙热储的三马坊地热田内DK1、DK2、K1、ZK1孔曲线特征相似，证明西城镇地热异常区与三马坊地热田具有相似的地热地质条件及深部热源。

阳原县金家庄村地热异常区内金家庄D-1钻孔为第四系孔隙热储地热井，井深167m，孔底温度52.8℃，对其进行定深测温分析热储温度垂向变化特征，钻孔测温曲线见图4。

图4 金家庄D1孔测温曲线Figure 4 Jinjiazhuang borehole D-1 measured temperature curve

金家庄D-1钻孔为第四系孔隙热储地热井，井深167m，孔底温度52.8℃，经过计算，该地热井地温梯度为6.88℃/100m。对其测井曲线进行分析获取热储温度垂向变化特征，通过对比不同深度测井曲线变化形态发现从84.19～105.00m以及130.00～167.00m地温梯度较大，达到9.46℃/100m，曲线形态下凹，为对流型温度曲线，表明深部存在高于围岩温度的热源以及地下水对流作用，105.00～130m为富水性较强的第四系砾石层，地温梯度为2.2℃/100m，地下水在该垂向区域内形成次一级对流作用，将深部对流获取的地热能快速传递至富水性较差的上部盖层区底部形成赋存于第四系孔隙热储中的地热异常区。

通过以上分析表明：阳原盆地内垂向地温场表现为缓慢增加，受深部热源、岩性、富水性、导热率等因素影响地温梯度在垂向向存在较大变化，该地区传热模式以对流型为主，并伴随有地下水活动的过程。地下水通过区内山前深大断裂完成深循环，并在富水性较好的热储层完成次一级对流作用，因此地下水成为阳原盆地内良好的传热载体，地下水循环对流活动将深部地热能快速运移至热储顶部。

3 控热因素分析

地球深部地热能向浅部传递的过程中，受到构造、地下水活动、地层岩性等因素的影响，从而导致大地热流传导至地壳浅部各处时分布并不均衡，在一些某些特定空间地热能富集形成地热异常区，进而形成地热田[11]。根据阳原盆地内测井成果以及地温场垂向/平面分布特征，本次研究工作从深部热源、地热流体成因及演变、地下水活动、地质构造等方面分析阳原盆地内控热因素。

3.1 热源分析

大地热流是指地球内热以传导方式传输到地表，而后散发到空中的热量[12]，时地球内热在地球表层的直接反映，是研究地球热场特征和地热资源形成与分布的基础资料。河北省太行山及燕山地区，大地热流值平均为47.7mW/m2，变化范围为25.1～75.4mW/m2，邻区赤城大地热流值为39.4mW/m2，承德为30.1mW/m2，而华北地区大地热流值平均值为51.5mW/m2，通过数据对比可知华北山区大地热流值低于华北平原区大地热流值，阳原盆地大地热流值在低于华北大地热流平均值的条件下说明阳原盆地区内不存在高热地质背景。

在地表观测到的大地热流值由两部分组成，一部分来源于地壳浅部放射性元素(U、Th、K)衰变所产生的热量[13]，另一部分热量来源于地壳深部及上地幔。阳原盆地受南山及北山断层控制构造格架呈NNE向展布，且区内南山、北山山区断层为区域性大断裂。综合前文阐述，阳原盆地内不存在大地热流值的高值背景区，说明阳原盆地内地热异常的形成主要与地壳深部及上地幔热源有关，加之深大断裂构造形成了良好的导热通道，上地幔热源及放射性元素衰变热源以地热流体作为热载体向上运移至浅部热储层。

3.2 地下水活动对地温场的影响

根据地下水流动方向可将地下水活动分为向上运动和向下运动，当地下水向上运动时就会把深部热量传递到上部地热中，并使其流动地层区间热量均匀，温度值也均一，地温梯度会降低并向下偏离原有数值。当地下水向下运动时，地下水会充当传热载体使得上层的地温增加，地温梯度值变大，下部岩层地温梯度值降低，曲线形态上出现上凸型曲线。阳原地区的温度曲线(图3、图4)为下凹对流型曲线，表明在300～460m埋深是地下水对流活动影响了纵向地温梯度。

3.3 地热流体成因和演变过程对温度场的影响

通过研究阳原盆地内地下热水的同位素组成及其放射性，可用于了解地下热水的来源、形成年代和补给条件等。根据收集到资料和此次水质检测结果，阳原盆地内地下热水同位素分析结果见表1。

稳定同位素氘(D)、氧(18O)在地下水循环过程中，由于同位素的分馏作用，使轻重同位素发生分异[14]。利用地下水重同位素与轻同位素含量的比值与标准平均海水的比值相比较，求出δD、δ18O。

表1 阳原盆地地热井水质同位素分析结果Table 1 Geothermal well water quality isotope analysis resultsin Yangyuan Basin

天然降水中氢、氧稳定同位素δD(‰)和δ18O(‰)之间存在线性关系，其关系方程式δD=8δ18O+10‰，即克雷格降水线，是判断地下水补给来源的依据。各地天然水中凡未经明显蒸发的水样，氢、氧稳定同位素浓度的数据都会落在在克雷格降水线上。经过运移、蒸发的水，其稳定同位素的浓度则将偏离克雷格降水线，一般位于克雷格降水线的右侧。

由表中数据可知，阳原盆地内地热流体中δD=-91‰～-89‰，δ180=-12.1‰～-11.5‰，对其进行分析，地下热水的稳定同位素组成落在克雷格降水线的右侧附近，且漂移距离较短(图5)，证明该地下热水的补给来源是大气降水。

图5 阳原盆地地下热水同位素组成分布Figure 5 Geothermal water isotope components distributionin Yangyuan Basin

从地下热水的水化学特征来看，阳原盆地内地热流体水化学类型为主要为Cl·SO4-Na和C1·SO·HCO3-Na型，含有F-和可溶性偏硅酸 (H2SiO3)。SO42-的出现是深部H2S溶解水所形成，H2SiO3一般认为与迁移的Si02有关。可见地热水是地下水经过深部循环后运移而来。

由表1可知，三马坊地热异常区内K1、ZK1、DR1井的放射性同位素14C测定结果显示其年龄为29 520±1 200a、22 050±820a、29 060±1 650a该地热水的氚含量比较低，而14C年龄比较长，说明地热水形成年龄远低于热储层形成年代，其来源为后期大气降水入渗[15]。综上所述，大气降水经过长周期、深循环后形成储层内地热流体。

3.4 构造控热的影响

阳原盆地内已有三马坊地热异常区以及本次调查发现的西城镇地热异常区、金家庄地热异常区均位于断裂构造带及断裂交汇部位，且地热异常区展布形态受构造控制明显，平面特征与区内构造格架一致。阳原盆地内南山北山断层以及盆地内发育的次一级断裂构造形成的构造破碎带为大气降水的深循环提供了通道。区域上松枝口-马市口大断裂和阳原南山断裂控制着三马坊地热异常区，阳原北山断层的次一级断层和暖泉断层控制着西城镇地热异常区，阳原南山断层的次一级断裂控制金家庄地热异常区。

4 结论

阳原盆地内第四系孔隙热储和蓟县-长城系岩溶裂隙热储属华北地区典型的山前盆地半圈闭型热储。盆地内地热异常区受构造控制明显，南山及北山山区大断裂为区域性控热导热构造，区内地热异常区均发育于导热构造交汇处。大气降水沿深大断裂补给地下水，断裂带中的地下水经深循环加热和水热对流后沿断裂带倒水通道上涌，地下水通过深循环作用将地壳深部及上地幔热能运移至浅部热储中，形成呈带状分布的地热异常区及地热田，阳原盆地地热资源开发利用前景优越，并内有望在盆地浅部发现优质中—低温地热资源。