引用本文
汪磊, 张海. 贵州西部威水背斜地热赋存规律及靶区预测研究[J].中国地质调查, 2016,3(6): 26-31.
WANG Lei, ZHANG Hai. Geothermal occurrence regularity and target area prediction in Weishui Anticlinein, western Guizhou Province[J].Geological Survey of China, 2016,3(6): 26-31.  
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贵州西部威水背斜地热赋存规律及靶区预测研究
汪磊, 张海
贵州省地矿局一一三地质大队,六盘水 553000
张海(1984—),男,博士,高级工程师,长期从事地质、地球化学勘查与研究工作。Email: zhanghai01504130@163.com。

第一作者简介: 汪磊(1970—),男,学士,工程师,长期从事水文、工程、环境地质研究和勘查工作。Email: 1518480665@qq.com。

收稿日期: 2016-04-08
基金资助: 中国地质调查局“贵州乌蒙山区优势矿产资源综合调查评价(编号: 12120113052700)”项目资助
摘要

威水背斜紧邻六盘水市区,具备形成中低温地热资源的有利地热地质条件,潜在地热资源丰富。但因区内地质构造条件复杂,人们对热储构造、类型、地热资源埋藏条件及空间分布特征等认识不够,以致该地区在地热资源开发利用方面尚未取得实质性突破。为研究威水背斜地热赋存规律并进行靶区预测,以前期的实际勘查工作成果为支撑,在对相关勘查资料综合整理和科学分析的基础上,通过对威水背斜地质背景、热源条件、热储构造特征、地热载体及其运移和补给等分析,明确了研究区地热资源类型属受埋深条件控制的板内中低温型,热源主要来自地层自然增温(即地温梯度),地热载体以地下水为主,热储构造类型主要为层状热储类型; 结合已有地热工程施工情况,分析了该工程未能取得预期效果的关键原因,揭示了研究区热储层为泥盆系上统尧梭组、望城坡组和泥盆系中统独山组,根据热储层顶界深度等值线对威水背斜进行了靶区预测,推算可获得的理论保守水温为44.7~59.7 ℃,稳定地热水涌水量不小于500 m3/d,为下一步地热资源勘查与开发工作提供了依据。

关键词: 威水背斜; 靶区预测; 地热; 赋存规律; 贵州西部
中图分类号:P314;P641 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2016)06-0026-06
Geothermal occurrence regularity and target area prediction in Weishui Anticlinein, western Guizhou Province
WANG Lei, ZHANG Hai
113 Geological Brigode, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources, Liupanshui 553000, China
Abstract

Weishui Anticline is close to the urban area of Liupanshui City, which has favorable geothermal geological conditions with the formation of low and middle temperature geothermal resources. So it is rich in potential geothermal resources. However, the geological structure conditions are complex. And we have not enough recognition on the corresponding structure, type, burial conditions and spatial distribution of geothermal resources, so the region in the development and utilization of geothermal resources has not yet made a substantive breakthrough. The study of Weishui Anticline geothermal occurrence regularity and target prediction, it is supported by the results of the preliminary exploration work. On the basis of the comprehensive analysis and arrangement of relevant exploration data and by analysis of Weishui Anticline geologic background, heating conditions, thermal reservoir structure, geothermal carrier and its migration and recharge, this paper clearly indicated that this area belongs to the low and middle temperature type controlled by buried depth condition. The heat source mainly comes from the natural temperature formation (i.e. geothermal gradient). The geothermal carrier is mainly based on the ground water, and the type of the thermal reservoir is mainly the type of the thermal reservoir. Combined with existing geothermal engineering construction, the key reasons that the project failed to achieve the expected effect were analysed. It reveals that the heat reservoir layers are the Upper Devonian Raoshuo Formation (D3 y) and Wangchengpo Formation (D3 w), and the Middle Devonian Dushan Formation(D2 d). According to the heat reservoir top boundary depth contour of Weishui Anticline, the authors carried out the target prediction. The theoretical conservative water temperature is 44.7-59.7 ℃, and the stable geothermal water inflow is not less than 500 m3/d, which provides a basis for the further exploration and development of geothermal resources.

Keyword: Weishui Anticline; prediction of target area; geothermal; occurrence regularity; western Guizhou Province
0 引言

六盘水市是“ 攀西— 六盘水资源综合开发区” 的重要组成部分, 地处贵州西部, 市区总人口约40万人。随着国民经济的发展, 六盘水市目前正处于产业转型、经济结构调整时期, 合理开发利用地热资源, 创新和培育一批以地热为主导的旅游和养殖(种植)等新型产业, 已成为六盘水市经济发展的迫切需求, 也是跳出能源依赖、走绿色旅游道路的有力支撑。威水背斜紧邻六盘水市区, 地热的地质和地理条件优越, 对其开展地热赋存规律研究及地热靶区预测意义重大。

已有地热地质研究表明, 威水背斜具备形成中低温地热资源的有利地热地质条件[1, 2, 3, 4]。近年来, 贵州省煤田地质局[5]、贵州省地矿局[6]等地勘单位陆续在区内开展了相应工作, 但因区内地质构造条件复杂, 人们对热储构造、类型、地热资源埋藏条件及空间分布特征等认识不够, 以致该地区在地热资源开发利用方面尚未取得实质性突破。本文以前期实际勘查工作成果为支撑, 在对相关资料[5, 6, 7, 8, 9, 10]综合整理和科学分析的基础上, 对威水背斜地质背景、热源条件、热储构造特征、地热载体及其补给和运移等开展分析研究, 对已有地热工程[5]未能取得预期效果的关键原因进行探究, 阐明区内地热资源赋存的一般规律, 圈定地热开发靶区, 以期为该区下一步的地热资源勘查与开发工作提供依据。

1 区域地质背景

研究区位于扬子准地台黔北台隆六盘水断陷、威宁NW向构造变形区西南侧, 区内构造活动强烈, 主要构造体系以NW向为主。其中, 褶皱构造包括威水背斜、水杉背斜、堕脚背斜、许家寨背斜、西牛塘背斜, 格木底向斜和白泥— 滥坝向斜等; 断层构造以NW-SE向为主, 最典型的是水城枢纽断层; NE-SW向的断层主要有营脚断层等[11, 12](图1)。

图1 研究区区域构造略图
1.背斜轴/向斜轴; 2.压性断层; 3.压扭性断层; 4.扭性断层; 5.二次张性断层; 6.张扭性断层; 7.性质不明断层Fig.1 Regional structure sketch map of study area

区内岀露地层主要有石炭系(C)至侏罗系上统(J2), 出露岩石以沉积岩为主, 包括陆源碎屑非可溶岩和碳酸盐岩可溶岩。陆源碎屑非可溶岩以砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩、泥岩和煤为主; 碳酸盐岩可溶岩以灰岩、白云质灰岩和白云岩为主[11, 12]。

威水背斜为倒转背斜, 轴向290° ~310° , 轴长> 32 km, 核部岀露地层为石炭系下统旧司组(C1j)。西南翼岀露最新地层为侏罗系下统沙溪庙组(J1s), 除东南端外, 其余地段均倒转, 倾角70° ~80° ; 东北翼岀露最新地层为石炭系下统上司组(C1s), 在马戛东南倾角为10° ~30° , 马戛西北倾角为50° ~80° 。东南端于白马洞附近形成外倾倒转, 倾角40° ~50° [11]。

2 地热赋存规律
2.1 热源分析

2.1.1 热源类型

地热是地球内部所储存的热量, 它来源于地球内部放射性元素衰变释放的热能。平面上, 从全球地热分布与大地板块构造关系看, 地热资源主要在构造板块边缘一带集中分布[2]; 垂向上, 在常温带以下, 地热的分布由浅至深呈梯度升高趋势[3]。

研究区位于欧亚板块内部地壳隆起区, 不具备形成高温地热场的条件。经分析认为, 研究区内热源主要来自地层自然增温(即地温梯度), 地热资源类型属受埋深条件所控制的板内中低温型。

2.1.2 热源特征

自地表向下, 地温变化呈现一定规律性, 即存在变温带、常温带和增温带[2, 3]。变温带地温随太阳辐射热的强弱而变化。常温带地温相对恒定, 其温度值是地层内热与太阳辐射热相互影响并达到平衡的结果。常温带深度一般在地表以下30 m左右, 温度与地表多年平均温度接近, 本区取值15.1 ℃。

常温带以下某一深度地温可按下式计算, 即

T=t+(h2-h1) k , (1)

式中: T为强含水层地温, ℃; t为恒温带温度, 本区取值15.1 ℃; h1为恒温带深度, 本区取值30 m; h2为含水层深度, m; k为地温梯度, 按贵州省地温增温率等值线图(图2), 取值1.5 ℃/100 m。

图2 贵州省地温梯度等值线图Fig.2 Contour map of geothermal gradient in Guizhou Province

由此可知, 在常温带以下, 地温与地层深度呈正相关关系。从地热资源的勘查与开发角度考虑, 需要对相应深度的地热载体、热储构造特征及地热载体的补给、运移等进行研究。

2.2 地热载体

地热载体包括地热水、地热蒸汽以及少量非凝气体。本区属中低温型地热区, 地热载体以地下水为主, 地热资源的热源获取主要是地下水通过在深部含水层、深大断裂带中的深部循环, 不断被地热加温, 从而成为地热载体。

2.3 热储构造特征

研究区地层的富水性[13, 14]见表1。

表1 地层富水性分类 Tab.1 Classification of water-rich formation

本区碳酸盐岩类的岩溶含水层以岩溶发育、富含岩溶水为特征, 富水性强至极强[15]。由于地热载体主要为深部地层中的地下水, 热储空间即为地下水的储存、运移空间; 因此, 深部地层中的强含水层为区内热储层, 属层状热储类型。此外, 在深部强含水层被区域性深大断裂切割地带, 受断裂构造所控制, 又具有带状热储特征(图3)。

图3 研究区威水背斜热储构造剖面示意图
1.二叠系; 2.石炭系; 3.石炭系下统祥摆组; 4.泥盆系中统、上统; 5.泥盆系下统丹林组; 6.泥盆系下统苏家坪组; 7.断层; 8.地热流体流向; 9.热储层; 10.热储盖层; 11.热储层底板隔水层; 12.钻孔位置、编号及孔深Fig.3 Sketch map of thermal reservoir structure profile of Weishui Anticline in the study area

按本区地温梯度特征计算分析, 只有当强含水层达到足够埋深时, 其地下水才具备地热开发价值。泥盆系中的强含水岩组(D3y, D3w, D2d)整体埋藏深度普遍介于2 000~3 000 m之间, 其理论保守地温为44.7~59.7 ℃, 该温度值能满足本区地热资源利用的需求。因此, 泥盆系上统尧梭组(D3y)、望城坡组(D3w)及泥盆系中统独山组(D2d)可作为本区的主要热储层, 其岩性主要为白云岩、白云质灰岩和灰岩, 含水性不均一, 总体厚度近500 m; 地热水呈各向异性赋存于岩体溶蚀管道、孔洞及裂隙中, 地下水径流模数大于6.0 L/(s· km2), 富水性强[13]。石炭系下统祥摆组(C1x)覆盖于泥盆系上统尧梭组(D3y)、望城坡组(D3w)和泥盆系中统独山组(D2d)之上, 由薄至中厚层状石英砂岩与页岩、砂质页岩及炭质页岩组成互层结构, 累计厚度200~396 m。这套碎屑岩厚度大, 透水性差, 是良好的热储盖层; 热储层下伏泥盆系下统丹林组(D1d)、苏家坪组(D1s)和中统大河口组(D2d)碎屑岩, 是热储层的重要隔水岩系。

2.4 地热水的补给与运移

由于埋藏深度大, 研究区内热储层不能直接接受大气降水的补给。一般情况下, 热储层主要以侧向径流的方式获得来自上游的地下水补给, 补给源主要位于北部赫章一带山区; 此外, 在局部受深大断裂切割的地带, 以断层破碎带为通道, 上部地层中的地下水也是热储层的重要补给来源。热储层地下水接受补给后, 在地层深处不断得到地热加温, 并在重力和地热压力驱动作用下, 沿含水系统的倾伏方向向西南一带的热储层入渗和径流。

3 地热工程验证
3.1 已有地热工程情况

2007— 2008年, 某社会团体出资, 由贵州省煤田地质局在六盘水市钟山区德坞组织施工了一口地热井[5], 设计孔深1 550 m, 终孔孔径为175 mm, 目的层位为泥盆系上统尧梭组(D3y)含水岩系。钻孔施工至1 513 m时揭露热储层, 1 551 m终孔时按100 m3/d进行定流量抽水试验, 持续时间仅1 d即出现断流, 最终测定最大稳定流量为58 m3/d, 水温51 ℃。

3.2 地热条件分析

(1)热储层岩性为碳酸盐岩, 虽然其含水性强, 但受溶蚀作用影响, 地热水主要赋存于岩体溶蚀管道、孔洞和裂隙之中, 热储层的含水性不均一, 总体上具各向异性。在未充分揭露热储层(仅38 m)的情况下, 地热水缺乏有效途径进入钻孔空间, 导致涌水量不足(图3)。为保证获得稳定的、更大流量的地热水, 地热钻孔应充分揭露热储层, 即钻孔揭露厚度应达到热储层厚度的1/2~2/3。

(2)钻孔最终测定最大稳定流量为58 m3/d, 水温51 ℃, 说明该热储层热源条件充分, 热储结构可靠。研究区内热储层厚度近500 m, 其地下水径流模数大于6.0 L/(s· km2), 富水性强, 可作为该区下一步地热资源勘查与开发的主要目的层位。

3.3 地热开发现状及前景

近年来, 随着国内地热产业的蓬勃发展, 贵州省煤田地质局[5]、贵州省地矿局[6]等地勘单位陆续在区内开展了相应工作。由于区内地质构造条件复杂, 人们对相应的热储构造、类型、地热资源埋藏条件及空间分布特征等认识不够, 导致地热开发工作尚未取得实质性突破。

如前所述, 研究区具备形成中低温地热资源的有利地热地质条件, 潜在地热资源丰富。在未来开采状态下, 热储层中的地热水在不断被抽取的同时, 能以侧向径流为主的方式得到补给, 并在地层深处得到地热加温。因此, 对地热水进行合理的开发利用, 不会造成地热资源枯竭, 符合经济发展需求, 地热开发前景可观。

4 地热靶区预测
4.1 靶区预测依据

(1)研究区热储构造类型为层状热储类型, 局部具有带状热储特征。

(2)地热资源类型属受埋深条件所控制的板内中低温型。

(3)受地质构造活动影响, 地表各部位热储层埋深存在较大差异, 在热储层总体埋藏深度不变的情况下, 背斜构造部位更有利于开展地热开发工作。

(4)研究区前期地热钻孔成果资料。

(5)热储层厚度近500 m, 为岩溶水强含水层, 地下水径流模数大于6.0 L/(s· km2)。在充分揭露热储层的情况下, 推测可获得的稳定地热水涌水量不小于500 m3/d。

(6)威水背斜热储层最浅埋深约1 500 m, 热储层总体埋藏深度介于2 000~3 000 m之间, 理论保守地温为44.7~59.7℃。

4.2 靶区预测结果

按热储层顶界深度等值线圈定靶区, 靶区范围如图4所示。水杉背斜与威水背斜相邻, 其热储构造特征、热储层埋深及区位等条件与威水背斜相似, 将其与威水背斜合并圈定靶区。

图4 研究区热储层顶界深度等值线及地热靶区预测图Fig.4 Prediction map of geothermal target area and top boundary depth contour of thermal reservoir in the study area

地热靶区范围以背斜轴为中心, 涵盖六盘水市区、城市规划区及红桥新区大部, 面积约为153.22 km2。该靶区热储层总体埋藏深度介于2 000~3 000 m, 理论保守地温为44.7~59.7 ℃。在充分揭露热储层的情况下, 推测可获得的稳定地热水涌水量不小于500 m3/d。

5 结论与讨论
5.1 结论

(1)威水背斜不具备形成高温地热场的地质条件。区内热源主要来自地层自然增温(即地温梯度), 地热资源类型属受埋深条件所控制的板内中低温型。地热载体主要为深部地层中的地下水, 热储构造类型主要为层状热储。

(2)本区地热开发目的层位为泥盆系上统尧梭组(D3y)、望城坡组(D3w)和泥盆系中统独山组(D2d)。热储层地热水的补给以侧向径流补给为主, 补给源主要位于北部赫章一带山区; 此外, 局部受深大断裂切割地带控制, 上部地层中的地下水也是热储层地热水的重要补给来源。

(3)威水背斜热储层最浅埋深约1 500 m, 按热储层总体埋藏深度(2 000~3 000 m)进行计算, 理论保守地温为44.7~59.7 ℃。在充分揭露热储层的情况下, 推测本区可获得的稳定地热水涌水量不小于500 m3/d。

(4)已有地热钻孔工程施工结果说明研究区热储层热源条件充分, 热储结构可靠。但由于未充分揭露热储层, 地热水缺乏有效途径进入钻孔空间, 导致了涌水量不足。

(5)按热储层顶界深度等值线圈定的地热靶区范围涵盖六盘水市市区、城市规划区及红桥新区大部, 面积约为153.22 km2, 区位优势明显, 综合开发条件优越。

5.2 讨论

(1)热储层岩性为碳酸盐岩, 虽然其含水性强, 但受溶蚀作用影响, 地热水主要赋存于岩体溶蚀管道、孔洞和裂隙之中, 热储层的含水性不均一, 总体上具各向异性。为保证获得稳定的、更大流量的地热水, 地热钻孔应充分揭露热储层, 即钻孔揭露厚度应达到热储层厚度的1/2~2/3为宜。

(2)一般来说, 在热储层总体埋藏深度不变的情况下, 背斜构造部位的热储层埋深较浅, 更有利于地热钻孔施工。在未来开采条件下, 随着地热水不断被抽取, 深部热储层中较高温度的地热水将由低向高向上运移形成补给, 使地热水温度呈现升高趋势; 对向斜构造而言, 虽然其储水条件相对较好, 但由于地热水的补给主要来自向斜两翼, 补给区热储层埋深较浅, 温度较低, 随着地热水不断抽取, 将使地热水温度呈现降低趋势。

(3)从满足本区地热资源利用的现阶段需求角度出发, 本文对相应埋藏深度的地热资源赋存规律进行了分析研究和靶区预测。实际上, 根据有关地热地质理论并结合本区地质背景条件分析, 在该热储层之下, 还存在志留系(S)及寒武系( )等含水岩系, 埋藏深度普遍大于3 500 m, 理论地温可达67~85 ℃。随着本区对地热资源利用需求的扩展, 未来技术条件下, 可对其开展相应研究及开发利用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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