淺談水文地質測量在地熱勘查中的作用

地熱資源作為一種清潔、可循環利用的可再生能源,具有儲量大、分布廣、環保、穩定等特征,使用其代替部分傳統能源不僅對調整能源結構、節能減排、優化生態環境具有重要意義,而且還可以促進培育新興產業、加速新型城鎮化建設、豐富地方旅游資源、增加地方就業率。近年來,為滿足中國生態文明建設的現實需求,地熱資源的需求越來越大、應用領域越來越廣,其勘查、開發和利用必將迎來一個快速發展期。

湖北省地熱資源勘查工作始于20世紀60、70年代,經過近60年的探索及實踐,目前已形成一套相對成熟的勘查方法,主要勘查手段包括水文地質測量、淺層地溫測量、地球化學勘查、地球物理勘查及地熱地質鉆探。水文地質測量作為地熱勘查中的基礎性、先行性地質工作,在水熱型地熱資源勘查(尤其是中深層地熱勘查,深度1～3 km)中起到了至關重要的作用,甚至直接成為勘查成敗與否的關鍵因素。

1 水熱型地熱資源類型及水文地質測量

湖北省水熱型地熱資源較為豐富,現已在39個縣(市)發現有地熱田(或溫泉)68處,多形成溫泉出露于地表,由鉆孔、開礦發現的有15處。地熱資源溫度由26～110 ℃不等,按地熱資源地質勘查規范,可將其歸為地溫地熱資源—中溫地熱資源。按地熱資源的成因模式劃分,可將其分為隆起斷裂型和沉降盆地型,其中隆起斷裂型地熱資源按熱儲巖石性質及其賦存空間劃分,可劃分為裂隙亞型和巖溶亞型。

水文地質測量工作貫穿地熱資源勘查全過程,研究的對象主要是地下熱水和與其有關的地質現象,工作手段主要是實地觀測和地質填圖,其主要調查內容包括含水巖組(層)和隔水巖組(層)的分布、性質、厚度和變化規律及斷裂的水文地質特征;著重了解地下熱水與地質構造、地形地貌、自然地理現象的關系及其補給、逕流和排泄條件;含水層的水量、水質及其動態變化規律等。由于地熱資源成因類型的差異,水文地質測量的工作重點亦有所差別。

2 不同類型地熱資源的特征

2.1 隆起斷裂型裂隙亞型地熱資源

隆起斷裂型裂隙亞型地熱資源地熱地質特征主要有下列五點。

(1) 地熱田多位于地殼隆起或褶皺山地,沿區域深大斷裂帶及其次級斷裂產出,尤以喜山期張性斷裂或其影響帶出露溫泉數量較多,在兩組走向近垂直斷裂交匯部位,地質應力疊加釋放,給予地下熱水向上運移的通道,往往在這些部位形成相對較大規模的地熱田。受構造活動影響,原先不含水的地層(巖體)產生了斷裂及其破碎帶、影響帶,給予了地熱流體賦存空間以及運移通道,這使得該類型地熱資源往往呈現條帶狀產出,屬于條帶狀熱儲裂隙型地熱田,斷裂破碎帶的孔隙、裂隙是地下水補給、徑流、排泄的唯一途徑。

(2) 地下熱水多出露地表,形成溫泉,大氣降水通過斷裂破碎帶和裂隙帶入滲,在相對較高的大地熱流值背景條件下,經遠源補給、深循環并與圍巖達到水熱化學平衡,在合適的地形地貌及地質構造條件下,于地勢低洼或構造復合部位出露地表。地熱田中心地溫梯度5.12～13.24 ℃/100 m不等,明顯高于當地平均的地溫增溫率。

(3) 該類型的地熱流體溫度由33.6～77 ℃不等,較巖溶亞型地熱資源流體溫度更高,主要是由于其具有更高的地熱背景。

(4) 地熱水的水化學類型一般為SO2?442--HCO?33--Na型或SO2?442--Na型水,pH值7.2～8.2,屬中性—弱堿性水,礦化度一般<1 g/L,屬淡水,且基本呈現出SO2?442-含量越高,地熱流體溫度相對更高的特點。

(5) 裂隙亞型地熱資源熱儲蓋層嚴格意義上講由兩部分組成,一是第四系全新統松散堆積物;二是弱含冷水的強風化基巖或裂隙不發育的新鮮基巖。上覆松散堆積物及強風化基巖對下伏熱儲的影響各地不一,部分地段雖保溫隔熱,但因厚度較小、分布范圍有限,其所起的作用不具全局意義。從整體上看,多屬于開放型地熱田,其上覆的松散堆積層及強風化層并不具嚴格的保溫隔熱意義。

2.2 隆起斷裂型巖溶亞型地熱資源

(1) 受斷裂構造影響,巖石發育斷層破碎帶及裂隙帶,經過長時間的溶蝕作用,在碳酸鹽巖獲得存在易溶于水礦物含量較多的地層形成溶蝕孔、洞、縫,地下熱水主要儲存于斷裂破碎帶的裂隙及碳酸鹽巖類地層的巖溶孔、洞、縫中,屬于條帶狀熱儲裂隙型—層狀熱儲巖溶型地熱田。

(2) 與裂隙亞型地熱資源相比,地熱流體溫度偏低,多介于26～69 ℃之間,其溫度低于裂隙亞型地熱資源熱儲的原因有兩點,一是巖溶地區儲水空間大,更多的冷水參與了熱平衡;二是巖溶地區大地熱流值背景一般相對較低。

(3) 地熱水的水化學類型一般為HCO?33--Ca2+-Mg2+、HCO?33--Ca2+或SO2?442--Ca型水,pH值7.1～8.3,屬中性—弱堿性水,礦化度約1 g/L,屬淡水—微咸水。與裂隙亞型地熱資源類似,決定水質類型的陰離子成分與溫度存在著直接關聯,溫度越高,SO2?442-含量越高。

(4) 地熱田熱儲蓋層以奧陶系上覆志留系的泥質粉砂巖、砂質頁巖或泥巖及白堊系紫紅色泥質粉砂巖、泥巖等為主,巖層厚度較大,巖石透水性差,具有較好的隔熱作用,是良好的地熱田蓋層。

2.3 沉降盆地型地熱資源

(1) 該類地熱資源主要分布于中、新生代內陸盆地中,與隆起斷裂型相比,地熱田的面積更大、埋深更大、溫度更高、壓力更大,上覆有厚度較大的蓋層,其溫度可達100 ℃以上,其熱源主要為地溫梯度增溫。

(2) 地下熱水的水化學類型主要為Cl--Na+型,礦化度較高,在120～329.5 g/L之間,為地熱鹵水,含有K、I、Br、Li、B等有用微量元素,有較高的綜合開發利用價值。

3 不同類型地熱資源勘查中水文地質測量的重點

由于沉降盆地型地熱資源均為石油行業勘探或鹽礦勘探時所發現,其鉆孔深度較大,對此類地熱資源的勘查目前是不經濟的,現僅對隆起斷裂型裂隙亞型、巖溶亞型地熱資源勘查中的水文地質測量重點簡要介紹。

3.1 隆起斷裂型裂隙亞型地熱資源勘查

其不具備嚴格意義上的熱儲蓋層,含水層主要為斷裂破碎帶孔隙和裂隙,且斷裂破碎帶孔隙和裂隙是地熱流體補給、徑流、排泄的唯一途徑。在水文地質測量工作中,其重點主要如下:

(1) 詳細調查勘查區內井點、泉點的水量、水溫、水質及其動態變化,重點分析其與地質構造、地形地貌的關系。

(2) 在充分收集、分析研究區域地質、地熱地質成果資料的基礎上,調查區內出露的主要地層、巖漿活動情況及地下水賦存條件,依據含水介質空隙性質的差異區別地下水類型。

(3) 調查區內出露的主要構造性質、產狀、相互交切關系、斷裂破碎帶及其影響帶的寬度,在第四系覆蓋較厚的地區,地質現象露頭較差,應重點調查巖石節理裂隙發育情況,統計各類節理裂隙產狀并制作玫瑰花圖,了解區內占主導地位的構造及其產狀。

(4) 調查區內主要斷裂構造的水文地質特征,綜合分析區域地下水補徑排條件,對主要構造含水性及控熱、導熱性能進行初步評價,明確勘查的目標斷裂構造,并在此基礎上建立地熱找礦模型。

3.2 隆起斷裂型巖溶亞型地熱資源勘查

其調查內容與裂隙亞型地熱資源勘查相似,結合巖溶亞型地熱資源地熱地質特征,還應注重以下兩個方面的調查:

(1) 通過實測地質剖面,詳細了解含水層(碳酸鹽巖類地層)、隔水層(熱儲蓋層)的分布、產狀及其厚度,為地球物理勘查深度及鉆孔布置深度提供依據。

(2) 詳細調查巖石的蝕變作用,如硅化、方解石化、黃鐵礦化等,為進一步優選地熱成礦有利地段提供依據。

4 典型勘查案例分析

4.1 溫泉出露區水文地質測量

2019—2020年,為配合地熱資源可行性勘查工作,在有地熱顯示的羅田縣白廟河地熱田和浠水縣曹畈地熱田開展了詳細水文地質測量,上述地熱田勘查取得了重大突破,主要勘查成果見表1、表2。

4.1.1 羅田縣白廟河地熱田

羅田縣白廟河地熱田在充分收集預可行性勘查成果基礎上開展水文地質測量,綜合分析判定F1斷裂為地熱田的主要控熱、導熱斷裂(圖1、圖2),區內斷裂帶的不同地段,巖石的破碎程度有別,其破碎帶構成地熱田熱儲的主要部分,是控制熱水形成、賦存和循環的主要因素。結合地球物理勘查成果,在F1斷裂南東側(上盤)布置了地熱勘探井二口(ZK4、ZK5),設計孔深500 m,實際終孔孔深分別為400.8 m 、423.8 m。ZK4出水量1 816 m3/d,水溫40.7 ℃;ZK5出水量1 230 m3/d,水溫52.7 ℃;地熱田范圍由預可行性勘查階段244 416 m2擴大至317 687 m2。

4.1.2 浠水曹畈地熱田

經系統水文地質測量,確定浠水曹畈地熱田主要存在兩條控制性斷裂構造F1和F2,F1為北東向深大斷裂,F2為北北東向斷裂(圖3、圖4)。結合地球物理勘查成果,在F1斷裂南東側(上盤)布置地熱勘探井一口(ZK5),設計孔深600 m,實際終孔孔深514.5 m,出水量919 m3/d,水溫59.3 ℃,地熱田范圍由預可行性勘查階段170 475 m2擴大至301 034 m2。

4.1.3 勘查成果淺析

通過開展詳細水文地質測量,進一步查明了地熱顯示區主要控熱、導熱構造展布及特征,上述地熱田主要控熱構造為北東向區域性深大斷裂,屬于長壽斷裂,最近一期構造活動為張扭性;而近東西向、近南北向斷裂構造具備一定的導熱性能,以走滑性質為主,兼具壓扭性,并不具備阻水隔熱作用。地下水主要沿北東向斷裂破碎帶入滲,遠源補給地熱田,通過深循環獲得地溫梯度增溫后沿主要控熱斷裂破碎帶向上運移,以溫泉的形式在地形條件有利且裂隙貫通性較好地段出露地表,斷裂破碎帶中的構造裂隙是地下熱水補給、徑流、排泄的唯一途徑。

4.2 地熱資源空白區水文地質測量

在沒有地熱資源顯示的空白區開展水文地質測量工作顯得尤為重要,2018—2019年,在進行麻城市閻家河鎮黃土咀地區及武漢市新洲區清風寨一帶深部地熱資源勘查過程中,水文地質測量成為直接決定勘查項目成敗的關鍵因素。

4.2.1 麻城市閻家河鎮黃土咀地熱勘查

閻家河鎮黃土咀地熱勘查在開展一般性水文地質測量后,主要依據地球物理勘查資料布設地熱勘探孔,實施的兩個鉆孔在達到設計孔深后,均未能獲取可供開發利用的地熱流體,究其原因主要如下:

(1) 水文地質測量過程中未詳細分析區域地質、水文地質資料,對勘查區內主要構造麻團斷裂、大田鋪斷裂(圖5)的性質了解不夠,對地下水賦存、運移條件研究不夠深入。

(2) 未對勘查區內地下水補徑排條件開展詳細的調查,對勘查區內主要斷裂構造的水文地質特征及其控熱、導熱性能了解不夠。

(3) 鉆孔的布置過度依賴于地球物理勘查對構造的解譯,忽略了其解譯的多解性和主觀性。

4.2.2 新洲區清風寨地熱勘查

新洲區清風寨勘查區在水文地質測量過程中,通過對區內地表出露的構造形跡進行詳細調查,發現F1在區域上延伸近20 km(圖6),經歷了至少兩期構造活動,其最初形成時為逆斷層,切割深度較大,而最近一期構造活動為張扭性,使其備良好的控熱、導熱條件,地下水自東向西補給勘查區,受斷裂構造影響,破碎帶及其影響帶的巖石節理裂隙發育,具備形成地熱流體的良好深循環條件。在此基礎上,布置了地球物理勘查工作,并結合水文地質測量成果布設地熱勘探井一口(ZK1)。設計井深2 200 m,施工至1 600～1 700 m揭露控熱構造,地熱流體溫度為53 ℃,涌水量約832 m3/d。

4.3 綜合分析

綜合分析以上項目的勘查成敗經驗,進一步表明了水文地質測量在地熱資源勘查中的重要性,針對隆起斷裂型地熱資源,尤其在地熱資源空白區,應詳細查明斷裂構造的性質及產狀、斷裂構造水文地質特征及地下水補徑排條件,評價區內主要構造的含、導水性及其控熱導熱性能,在此基礎上建立地熱成因模型,指導地球物理勘查工作實施,為鉆孔的布置提供詳實可靠的依據,提高地熱資源找礦成功率。

5 結論

(1) 為滿足中國生態文明建設的現實需求,地熱資源的需求越來越大、應用領域越來越廣,其勘查、開發和利用必將迎來一個快速發展期。水文地質測量作為地熱勘查中的基礎性、先行性地質工作,在水熱型地熱資源勘查(尤其是中深層地熱勘查,深度1～3 km)中起到了至關重要的作用。

(2) 湖北省水熱型地熱資源按其成因模式劃分,可分為隆起斷裂型和沉降盆地型,其中隆起斷裂型地熱資源按熱儲巖石性質及其賦存空間劃分,可劃分為裂隙亞型和巖溶亞型。

(3) 針對隆起斷裂型地熱資源,尤其在地熱資源空白區,應詳細了解斷裂的性質及產狀、斷裂水文地質特征及地下水補徑排條件,評價區內主要構造的含水性及其控熱導熱性能,在此基礎上建立地熱成因模型,指導地球物理勘查工作實施,為鉆孔的布置提供詳實可靠的依據,提高地熱資源找礦成功率。

6 展望

21世紀以來,傳統礦物能源大規模開發利用帶來的資源枯竭問題和環境污染問題日益嚴重,當今常態化霧霾天氣及極端天氣已經嚴重影響了人民的生活質量和環境,是亟待解決的重大環境地質課題。“雙碳”期間,資源與環境和諧發展、低碳環保的理念已逐步被大眾接受,在國家能源政策的保障與規劃之下,地熱資源相關產業獲得了蓬勃的發展。在經濟高質量發展、人與自然和諧共處的大背景下,勘查、開發、利用清潔能源是中國能源結構革新的必然之選。同時，中深層地熱勘查將迎來更廣闊的發展前景。水文地質測量作為基礎性、先行性地質工作,將發揮更重要的作用,甚至直接成為決定勘查成敗的關鍵因素。