地热能是蕴藏在地球内部的热能资源, 包括地表以下一定深度(一般200 m)内的浅层地温能、数千米深度之内且具有较高温度的地热流体或直接出露地表的水热型地热资源, 以及埋藏深度在数千米内的高温岩体中所赋存的干热岩资源等^[1]。作为一种洁洁的可再生能源, 它具有热流密度大、收集和输送容易、参数(流量、温度)稳定和使用方便等优点, 因此, 在供暖、供热、制冷、医疗、洗浴、康乐、水产及温室等行业有着广阔的应用前景^[2]。

我国地热资源分布广泛, 储量丰富^[3]。大力开发利用地热资源, 对于调整能源供应结构、缓解能源供应压力、保障能源供应安全以及促进地区经济发展具有重要的作用。2016年开始实施的“ 全国地热资源调查评价与勘查示范工程” (以下简称工程), 是在“ 十二五” 地热调查工作基础上^{[4, 5, 6, 7]}, 按照区域地热背景调查、重点地区浅层地温能调查、水热型地热资源调查、重点区干热岩资源调查以及地热资源勘查开发示范与关键技术研究5项任务的要求, 力求获得重大成果。针对工程的目标任务与主要工作, 本文总结了工程实施的阶段性成果, 并对工作中出现的相关问题进行了探讨。

在雄安新区通过开展浅层地温能地面调查、工程地质钻探、抽水试验及热响应试验等工作, 初步评价了区域浅层地温能资源的分布特征和潜力, 认为该区普遍适于浅层地温能的开发利用。地下水源热泵方面, 北部地区地下水源热泵系统适宜性较好^[8], 中部及西南部适宜性中等, 南部、东南部小部分区域适宜性较差。地埋管热泵方面, 雄安新区大部分地区适宜性好, 仅西北部、东北部有较小区域适宜性中等。

浅层地温能的开发利用过程中, 与地下水源热泵系统相比, 地埋管热泵系统具有更广泛的适用性, 而且不会对水资源产生影响。冬冷夏热的雄安地区对冬季供热和夏季制冷都有较高的需求, 地埋管热泵系统换热器中全年的冷热负荷比较平衡, 具有推广应用地源热泵技术的理想气候条件。但也要注意到, 埋置地埋管需要占用一定的地下空间, 若地下空间受限, 可考虑采用地下车库下面埋管的技术和在建筑桩基中埋管的技术。空间问题无法解决的情况下, 再考虑利用地下水源热泵。

研究表明, 雄安新区总体适于地下水源和地埋管地源热泵系统开发利用。浅层地温能作为一种分布较广、开发利用相对简便、成本较低的清洁能源, 其开发利用对于减少二氧化碳的排放, 缓解大气污染具有重要的意义。浅层地温能可在水热型地热资源缺乏或无法利用的区域, 作为水热型地热资源的有益补充, 可以发挥节能减排的作用^[6]。考虑到公共建筑物的使用具有时段性, 其制热、制冷系统一般不会全天运行, 有利于地温的恢复及地源热泵系统的长期有效运行。浅层地温能的开发利用也适用于未来在雄安新区大量公共建筑物的供暖、制冷需要, 为建设“ 绿色雄安” 提供有力支撑。

下一步工作中, 雄安新区浅层地温能研究的重点应为加强回灌能力指标的研究, 确定更为符合实际情况的指标。垂向上, 在同一地点进行不同深度的热响应试验, 确定合理的换热深度; 平面上, 加强不同岩性热物理性质参数分布的研究。

馆陶组热储是京津冀地区最主要的热储之一^{[9, 10]}, 一般分布在平原区的断陷部位, 厚度200~900 m, 而在断凸部位大多缺失或厚度较薄, 如雄县、固安、廊坊及沧县台拱的献县和大成一带均缺失馆陶组地层。该热储盖层为第四系及新近系明化镇组地层, 热储内热水温度达56~85 ℃, 多属温热水— 热水型低温地热资源, 单井出水量为100~2 000 m³/d。热水温度较高区主要分布在肃宁、安平、深州及任丘等地。单井涌水量较大的地区主要分布在辛集、南宫、清河以东至故城和黄骅以北等地。这些地区开采条件较好。

通过计算, 京津冀地区馆陶组地热流体可采量为6.59× 10⁸ m³/a, 地热水可开采热量为1.11× 10¹⁷ J/a, 相当于3.78× 10⁶ t/a标准煤的热量, 考虑回灌条件, 地热流体可采量为8.61× 10⁹ m³/a, 地热水可开采热量为1.45× 10¹⁸ J/a, 相当于4.94× 10⁷ t/a标准煤的热量, 地热资源储量丰富。

馆陶组热储是京津冀地区目前开发利用最多的热储之一, 根据单位面积内地热资源年开采量, 计算了该热储的地热资源开采模数并进行了分级, 如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 京津冀地区馆陶组热储地热资源开采模数分区Fig.1 Division of geothermal reservoir exploration module of Guantao Formation in Beijing-Tianjian-Hebei Region

可以看出: 天津中部地区开采程度较高, 开采模数最大; 河北省衡水市、保定市、邢台市部分地区有开采; 其他地区开采模数较小, 但也仍有一定的开发利用潜力^[11]。

我国东南沿海福建漳州盆地内的温泉沿NE向平潭— 东山断裂和福安— 南靖断裂出露^{[12, 13, 14, 15, 16]}。通过对盆地内多个温泉进行的温度测量, 显示出NW向漳州— 天宝断裂沿线温度较高, 而洋西— 圆山断裂两侧温度差异很大; 使用石英温标对地下热水进行热储温度估算, 显示出南靖— 厦门断裂以北地区的温泉热储温度明显高于南侧, 说明其对地下热源有明显的阻挡作用(图2)。在设定漳州盆地平均地温梯度条件下, 通过热储温度估算漳州盆地地下热水的循环深度为3 550~5 200 m。

图2

Fig.2

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	图2 福建漳州盆地汤坑— 杏林湾温泉出口温度与热储温度剖面图Fig.2 Outlet temperature vs. geothermal reservoir temperature section of Tangkeng-Xinglinwan Springs in Zhangzhou Basin, Fujian

广东惠州黄沙洞地热田为深部热源沿NE向压扭性断裂带传导至浅部, 遇到NW向张性低阻通道, 以流体为介质将热传递至地表, 形成温泉^[17]。据地球物理勘查显示, 张性低阻通道从SE向NW逐渐变小, 可能断裂(热)传递逐渐减弱, 因此相对靠近NE向压扭性导热断裂带的位置, 张性低阻通道范围更大, 地温相对更高(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 广东惠州黄沙洞地热田物探解译与地质条件对应图(图中T1为张性低阻通道, T2为压扭性断裂带)Fig.3 Geophysical interpretation and geological condition of Huangshadong geothermal field in Huizhou, Guangdong (T1 represents extensional low-resistivity tunnel; T2 represents transpressional fault zone)

利用1∶ 5万高精度航磁测量数据, 结合地热地质、综合地球物理勘查、地球化学与放射性γ 能谱调查, 在青海共和— 贵德地区圈定了18处干热岩体, 总面积达3 092 km²(图4)。

图4

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图4 共和盆地及其外围地区干热岩的分布 1.第四纪地层及成因类型代号; 2.中新世临夏组(N2l); 3.中新世咸水河组(N1x); 4.古新世— 渐新世西宁组(Ex); 5.晚白垩世民和组(K2m); 6.早白垩世河口组(K1h); 7.未分白垩纪多福屯组(Kd); 8.早中侏罗世组窑街组(J1-2y); 9.早中侏罗世羊曲组(J1-2yq); 10.中三叠世古浪堤组(T2g); 11.早中三叠世隆务河组(T1-2l); 12.燕山期侵入岩(Jγ δ -花岗闪长岩); 13.印支期侵入岩(Tδ ο -石英闪长岩; Tη γ -二长花岗岩; Tγ δ -花岗闪长岩; Tζ γ -正长花岗岩; Tδ -闪长岩); 14.前印支期侵入岩(AnT); 15.地质界线; 16.角度不整合界线; 17.平行不整合界线; 18.边界断裂、区域性断裂、一般断裂; 19.平推断层、性质不明断层; 20.推覆构造; 21.航磁重力解释的隐伏断裂; 22.温泉; 23.干热岩勘探井; 24.钻遇隐伏花岗岩体的地热井; 25.隆起山地断裂型干热岩; 26.沉降盆地隐伏型干热岩Fig.4 Distribution of hot dry rock in Gonghe basin and surrounding area

采用体积法及比拟法等国际通用方法, 对圈定的18处干热岩体进行了资源评价, 结果表明, 共和— 贵德地区干热岩资源总量为1.85× 10¹⁸ J, 折合6 300× 10⁸t标准煤的热量, 以其2%作为可开采资源量计, 折合126× 10⁸ t标准煤的热量, 说明干热岩资源丰富。

结合重磁揭示与地质特征分析, 可以推断出共和盆地恰卜恰地区下伏岩体表现为高磁、低重力特征。根据花岗岩类对深部地壳物质的地球化学示踪与区域对比, 共和盆地具有统一的地壳基底, 主要由印支期花岗岩组成^{[18, 19]}。依据大地电磁测深数据处理后得到的区域电磁与重磁异常特征, 结合导热通道推断, 恰卜恰地区热源主要为深部热源, 通过深大断裂进行传导, 最终形成深部热源供热, 花岗岩储热, 上部碎屑沉积岩二次聚热的干热岩热能聚集模式。与此同时, 花岗岩放射性同位素衰变产热对区域热流也有一定的贡献。

“ 全国地热资源调查评价与勘查示范工程” 自2016年实施以来, 以选定的重点勘查区为勘查对象, 全面开展工作, 获得了如下科研及应用成果。

(1)在浅层地温能方面, 雄安新区浅层地温能初步勘查表明, 新区内大部分地区适用于浅层地温能的开发, 其中地埋管地源热泵与地下水源地源热泵的适应区划不近相同, 在开发利用中需因地制宜, 合理开发。雄安新区浅层地温能资源的开发利用, 将产生巨大的环境效益与社会效益, 为我国未来城市的发展提供新方向。

(2)在水热型地热资源方面, 京津冀水热型地热资源调查表明, 京津冀地区是我国东部地热资源最丰富的地区, 其中馆陶组为当地主要热储之一, 地热资源储量大, 开发利用条件较好。根据现状开采量与资源量数据划分了京津冀地区的开采模数分区, 可为当地地热资源的开发提供借鉴。

(3)在干热岩方面, 漳州盆地的控热构造研究表明, 南靖— 厦门断裂以北地区温泉热储温度明显高于南侧, 说明其对地下热源有明显的阻挡作用。在平均地温梯度一定的条件下, 通过热储温度估算漳州盆地地下热水的循环深度为3 550~5 200 m。广东惠州黄沙洞地热田深部热源沿NE向压扭性断裂带传导至浅部, 遇到NW向张性低阻通道, 以流体为介质将热传递至地表, 形成温泉。青海共和盆地则形成了深部热源供热、花岗岩储热、上部沉积岩二次聚热的干热岩聚集模式。

需要指出的是, 以上地区均有较大的干热岩资源潜力, 但面临着诸多开发技术难题, 因此, 自主掌握干热岩勘查开发技术体系, 是我国干热岩研究的关键需求。2018年, 该工程将在已有工作的基础上, 继续查明京津石地区地热资源赋存特征与可持续开发利用潜力; 完成我国东南沿海高放射性花岗岩分布区以及青海共和盆地沉积盆地区干热岩资源调查, 评价干热岩资源潜力, 优选3~5个干热岩资源靶区; 初步建立地热-干热岩勘查开发综合研究基地1~2处。工程的实施, 将逐步形成干热岩资源科学化勘查开发技术体系、水热型地热资源可持续利用技术以及重点地区浅层地温能开发模式, 推动地热资源规模化的科学开发利用。