牛驼镇地热田成藏主控因素及过程分析

王宇涵

(中国石化石油工程地球物理公司华东分公司,江苏南京 210000)

牛驼镇地热田地处河北省境内,发育在冀中坳陷牛驼镇断凸内[1],西靠容城凸起,南邻高阳低凸起,周边发育徐水凹陷、保定凹陷等一系列凹陷,面积605.65 km2(图1)。基岩热储温度高、埋深浅、涌水量丰富,地热田内井口水温大部分超过60 ℃,高温地热水商业价值很高[2],为了更深入探索地热资源,实现“地下透明雄安”的目标,以具有典型代表的牛驼镇地热田进行地热成藏过程及成因研究。

图1 牛驼镇及周边地区构造分布

1 成藏演化

中生代之前牛驼镇地区以大面积构造抬升为主,印支-燕山运动挤压隆升使得中生界沉积地层基本剥蚀殆尽[3]。以XA2020-A测线所在地区为例(图2),牛驼镇凸起形成前后构造演化主要划分为3个阶段[4]。

牛驼镇凸起发育前潜山内幕形成期(侏罗纪-白垩纪):晚中生代,蒙古-鄂霍次克洋闭合活动以及古太平洋板块俯冲,华北克拉通盆地由近南北向收缩开始转换为北西西-南东东向伸展。在此背景下,华北克拉通东部岩石圈发生较大程度减薄,软流圈呈蘑菇云状大规模上涌,造成冀中地区元古界地层隆起、甚至出露地表发生盐溶作用。

牛驼镇凸起形成期(古近纪):该时期渤海湾盆地逐渐发育,受太行山山前断层及一系列次级断层作用的影响,牛驼镇地区出现剧烈伸展构造活动,冀中坳陷同时发生断陷活动,这一过程直至古近纪末才结束,并表现出显著的幕式特征。古新世-早始新世时期,太行山山前断层、大兴断层、牛东断层进入活动期,在其上盘相应地发育徐水凹陷、大河镇洼槽和霸县凹陷,凸中有凹、凹中有凸的构造形态逐渐形成;早-中始新世时期,太行山山前断层活动开始减弱,而大兴断层、牛东断层等继续强烈活动,与此同时开始发育部分次级断层,凸起的地层被剥蚀,中元古界地层开始出露地表;晚始新世-渐新世时期,霸县凹陷沉积地层比廊固凹陷厚,沉积-沉降中心迁移至霸县凹陷,断陷活动多发于徐水凹陷、霸县凹陷,而两凹陷中间的大河镇洼槽内未发生沉积,在断层剧烈拉伸作用下,断层下盘开始大规模抬升,进而凸起成型,至此,冀中坳陷凸中有凹、凹中存凸的构造形态得以稳定;东营期末,在小范围抬升作用下,早期地层受到强烈剥蚀,馆陶组底部区域性不整合面得以出现。

牛驼镇凸起埋藏期(新近纪-第四纪):断层活动弱,主要发生热沉降作用,形成馆陶组、明化镇组和平原组地层。

2 牛驼镇地热田成藏要素

牛驼镇地热田地层由老到新分别为太古界、长城系、蓟县系、青白口系、寒武系-奥陶系、古近系、新近系、第四系,第四系和新近系明化镇组地层遍及整个地热田区域内,新近系馆陶组地层仅分布于地热田东侧[5]。其中,地热田中部位置基岩埋深小于1 000 m,属于厚度适中的地层,在牛驼镇凸起两翼,盖层厚度逐渐增厚;同时,古近系地层出现,最大沉积深度约4 000 m,蓟县系白云岩是下伏基岩的主要岩性。总体上,构造演化使得牛驼镇地热田中部基岩埋深浅,盖层较薄,有利于地热传导,是牛驼镇地热田成藏的有利因素,同时断层与裂缝也是地下水及热源的关键路径。

2.1 盖层

盖层位于储层顶部同时可以阻隔热量散发,对于地热沉积系统具有关键作用。Rybach(1978)等人把盖层形容为毛毯,将盖层的保温作用称为毛毯效应[6]。通常盖层的导热系数较低,能够保留大部分基底能量,将大气降水阻隔在储层之外,分布范围大、地层厚、发育稳定的区域性盖层,能够促进盆地和坳陷的热能赋存。

牛驼镇凸起区盖层发育于始新世末喜山运动II幕,由于大兴断裂和牛东断层的活动,凸起逐渐出露地表,新近系明化镇组和第四系地层作为牛驼镇地区的盖层,沉积岩性主要包括黏土、砂岩、含砾砂岩,岩石热导率较低、导热性很弱,为基岩热储形成了优良盖层[1]。

牛驼镇基岩热储产生的热量通过裂缝向上运移,在盖层良好的隔水隔热及保温性能下,促进地热田生成的热能保存良好,盖层厚度为在800～1 400 m,地幔深处的热量经过盖层向地表散发,传热速率明显小于下伏基岩,对牛驼镇地区地热资源的富集与成藏具有关键作用。

2.2 热储层

牛驼镇地热田经历了海侵、海退、地壳隆起和下沉等剧烈构造运动后,沉积了海相、陆相、海陆交互相地层[1]。新生代喜马拉雅运动前,由于经受持续的海侵、海退活动,发育了较厚的海相碳酸盐岩地层;在凹陷向上发育成陆地并经受大气降水、冲刷、溶滤后,成为多层叠置的岩溶-裂隙地热储集空间,为热储层形成奠定了基础;受喜马拉雅活动影响,该区域地层逐渐沉降,同时大范围沉积明化镇组和第四系地层,其中明化镇组成为牛驼镇地区的孔隙型储层。

牛驼镇地热田热储层主要为新近系明化镇组、馆陶组、基岩(图3)。

新近系明化镇组热储分布范围广,埋深浅、岩石较粗、胶结疏松、含水层出水能力强且较为均匀;热储层岩性主要为细砂岩、中砂岩,厚度150～400 m,凸起中心薄,边缘逐步增厚;热储层中部及中南部温度高于北部温度,通常中部区域高于50 ℃,北部热储温度为35～50 ℃(表1)。

表1 地热田热储层热储特征

新近系馆陶组热储位于东面凹陷区域,面积105.53 km2,厚度大多为200～400 m,武清-霸县断凹内最厚达500 m,热储中部温度45～65 ℃,平均热储温度为53 ℃,出水能力适中。

基岩热储主要包括寒武系-奥陶系裂隙热储和蓟县系岩溶裂隙热储。其中,寒武系-奥陶系裂隙热储位于牛驼镇地热田东北部,面积为96.44 km2,岩性由灰岩、白云岩及灰质白云岩组成;储层厚度适中,奥陶系岩溶裂隙热储的储厚比为32.0%,寒武系热储部分占16.5%,平均温度达78.6 ℃。

蓟县系岩溶裂隙热储面积为509.21 km2,大部分为雾迷山组地层,在牛驼镇凸起顶部埋藏深度为800～1 100 m,东北区域埋藏深度1 200～2 078 m,该热储为牛驼镇地热田最优热储[7];其次,为长城系热储,岩性包括灰质白云岩、白云岩,热储层温度高,平均温度80.5 ℃,平均热储厚度51.8 m,储厚比为30%,储量丰富,具有较好的开发潜力。

2.3 断层及裂缝

地热储层中的断裂和小型裂缝是地热水流通的路径[7]。由于侏罗系-白垩系持续的剧烈构造运动,牛驼镇凸起分别发育了牛东、牛南、容城、大兴等多条断裂,古近系早期,构造运动更加剧烈,长期发育的生长性断层开始将结晶基底打断,成为深部地热水的有利通道,起到了促进地热流体聚集、地热水对流循环的积极作用[8]。

复杂的断层及裂缝对牛驼镇岩溶发育分布形态和岩溶古地貌形成的格局产生了一定影响。在持续强烈的构造运动作用下,地层中产生的微裂缝及不同形态的断裂成为地下热储的渗流路径和储集空间,使得热储的渗流性能得以优化;而成熟的裂缝系统则对孔隙水和地下水流动和孔洞生长起到了积极作用。随着断裂运动增强,渗流带厚度也增大,渗流作用也随之增强。断裂构造活动为岩溶作用提供了动力,从而逐步形成完整的孔洞缝系统,使得深部热源能够更加快速、便捷地抵达浅层地层,从而浅部地层温度随之升高[9]。

因此,地热系统中的断裂及次生断裂、细小裂缝构成了地热水的重要运移渗流系统,来源于地幔深处的地热能量,顺着断裂及裂缝向地表上移,为储层供给能量。

2.4 地温梯度

牛驼镇地热田中上元古界基底隆起作用让地热田周边凹陷区地温比新生界的地温梯度低,盖层地温梯度范围为4.86～7.64 ℃/100 m,平均值5.6 ℃/100 m,属于传导型地温场;雾迷山组岩溶热储的地温梯度平均值为0.62 ℃/100 m,表现出强对流传热特性,属于对流-传导复合型地热系统[10]。

研究区地热井的水位埋深为90～110 m,位于常温层以上,地温受控于气温的高低变化而有规律的增减。在900 m以浅地层,第四系、新近系明化镇组作为盖层,其温度-深度曲线基本为线性趋势,以传导方式进行传热;在900 m以深地层,温度-深度曲线走向变陡,地温梯度值变小,平均值仅0.62 ℃/100 m,以对流形式进行传热(图4)。岩性大部分为蓟县系雾迷山组白云岩,热导率高于上覆地层岩性,因此地温梯度变小。总体上,新近系、第四系盖层为传导型传热,下伏基岩储层为对流传热形式,整个系统则为对流和传导相结合的地热系统。

图4 中国陆域典型地区地温曲线

牛驼镇及周边地温梯度高低相间且呈带状分布(图5),温度随地层的凸起与凹陷而改变,凸起地区地温梯度普遍高于凹陷地区。雄安地区西部沿太行山东侧地区,地温梯度均低于2.5 ℃/100 m,而由牛驼镇-高阳-宁晋凸起构成的中央隆起带,地温梯度高于前者区域,为3.2～6.0 ℃/100 m;其中,牛驼镇凸起、容城凸起,顶面构造埋深分布范围在700～1 000 m,底界埋深分布于2 000～2 500 m,热储温度为60～85 ℃[11]。

图5 雄安新区及周边古潜山地温梯度等值线

由表2所示,在热储层900 m以深地层,地温梯度小于上覆盖层。从纵向来看,盖层的地温梯度为5.1 ℃/100 m,储层的地温梯度为0.62 ℃/100 m,地热田储层呈现剧烈的对流活动,是热能赋存和地热水自然下渗的基本条件[7],也为地下水加热及流通提供了强有力的支撑;盖层保温性能好,是地下热能得以保存富集的重要因素。

表2 牛驼镇凸起区各井口地温梯度-深度

2.5 莫霍面变化特征

莫霍面埋深规律是热源的重要影响因素。由河北省莫霍面埋深规律图(图6)所示[12],西部和北部埋深大,东部较浅,其中,牛驼镇地热田所在的京津保三角地带莫霍面埋深为35 km,较西北部区域少了10 km。莫霍面埋深的增减与地热能量向上覆地层的传导通道距离呈正向关系,若距离短则所用时间越少,使地热更多、更快地向上凸起区汇聚,从而生成高温异常。

图6 河北省莫霍面等值线

3 地热田成因模式

雄安地区地热的形成主要受控于裂谷盆地型地幔源,在第四系、新近系盖层以传统传热为主,在下部基岩热储以热对流方式为主,属于对流-传导型复合式地热系统,在牛驼镇地区形成了一套成熟的地下水循环系统[10]。基岩热储的热量来源于太行山、燕山地下水山前侧向径流,大气降水沿岩层裂隙和孔隙渗入地下后,经加热后的地热水富集于基岩热储层中。岩溶热储中的地热水往地表运移的路径是构造运动后生成的断裂及次生断裂,而岩溶-裂隙则构成了地热水侧向运移的路径。

以牛驼镇所在的华北盆地为例,其地热成藏主控因素及成藏模式如图7所示,华北盆地属于断陷盆地,由多个丰富的次级坳陷和隆起组成,是在华北地台上逐渐发育起来的。盆地内呈现出凹陷与凸起相间发育的特征,这种“凹中凸”特征促进了地层和古潜山的相互叠加,形成了上部地层为沉积层含水系统、下部地层为基岩对流型水热系统的地热系统。牛驼镇地区呈“洼隆”相间的构造形式[13],北东向的背斜为隆起地区,在核部区域存在多种断裂,古近系地层厚度较薄,下伏基岩基本为碳酸盐岩;新近系沉积地区属于凹陷区,沉积厚度大[14];岩石热导率也不尽相同,基岩的热导率是古近系岩石的2～3倍,基岩属于良好的导热岩层。由于凹陷和凸起基岩彼此起伏和断裂的构造活动,热流从地层深处向上传导时,会发生重新分配并富集成藏,牛驼镇凸起的高热导率地层促使热流更易传导,进而使得热流向凸起部位集中。

图7 华北盆地复合型水热系统成因模式

华北盆地的热源主要为上地幔热量和基岩花岗岩壳中的放射性热量[15]通过热传导的形式向上运移,并在高孔高渗的含水层处生成热储,盖层的保温性能良好,下部基岩热储热对流过程中,在经流中小型裂隙及区域性深大断裂时进行导水导热传输。华北区域位于上地幔隆起区域,热源存在地层较浅部位,具有产生地热资源的有利条件,地热资源主要通过传导的形式来传递、积聚热量,虽然热传导效率不高,但可流通范围广,能够流向大部分区域。

4 结论

1)牛驼镇地热田构造演化分为四个阶段:古新世-早始新世强烈断陷阶段、早中始新世持续断陷阶段、晚始新世-渐新世断陷晚期、新近纪-第四纪稳定沉积期。区内发育较多构造断裂,发育深大断裂为牛东断裂,起到积极控制作用,成为地热田的导水运移通道。

2)牛驼镇地热田的构造特征为地热资源的传导和赋存提供了良好条件。地热田盖层主要为新近系和第四系地层,岩性组成为砂岩和砂泥岩,地温梯度较高、导热性差,有利于地热资源保存;热储主要为白云岩基岩热储,其地温梯度值较小,且热对流性能良好,发育丰富的大断层及次生小断裂。

3)牛驼镇地热田热源主要受到华北地幔热柱的积极作用,来自大地深处的热量经过地幔热柱传递到地层浅处,热量经过断裂通道到达热储层,形成热循环系统,为地热田可持续开发利用提供保障。