淺談水文地質(zhì)測量在地熱勘查中的作用

地熱資源作為一種清潔、可循環(huán)利用的可再生能源,具有儲量大、分布廣、環(huán)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(yōu)化生態(tài)環(huán)境具有重要意義,而且還可以促進(jìn)培育新興產(chǎn)業(yè)、加速新型城鎮化建設、豐富地方旅游資源、增加地方就業(yè)率。近年來(lái),為滿(mǎn)足中國生態(tài)文明建設的現實(shí)需求,地熱資源的需求越來(lái)越大、應用領(lǐng)域越來(lái)越廣,其勘查、開(kāi)發(fā)和利用必將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展期。

湖北省地熱資源勘查工作始于20世紀60、70年代,經(jīng)過(guò)近60年的探索及實(shí)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(zhì)測量、淺層地溫測量、地球化學(xué)勘查、地球物理勘查及地熱地質(zhì)鉆探。水文地質(zhì)測量作為地熱勘查中的基礎性、先行性地質(zhì)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(guān)重要的作用,甚至直接成為勘查成敗與否的關(guān)鍵因素。

1 水熱型地熱資源類(lèi)型及水文地質(zhì)測量

湖北省水熱型地熱資源較為豐富,現已在39個(gè)縣(市)發(fā)現有地熱田(或溫泉)68處,多形成溫泉出露于地表,由鉆孔、開(kāi)礦發(fā)現的有15處。地熱資源溫度由26～110 ℃不等,按地熱資源地質(zhì)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(zhì)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(zhì)測量工作貫穿地熱資源勘查全過(guò)程,研究的對象主要是地下熱水和與其有關(guān)的地質(zhì)現象,工作手段主要是實(shí)地觀(guān)測和地質(zhì)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(zhì)、厚度和變化規律及斷裂的水文地質(zhì)特征;著(zhù)重了解地下熱水與地質(zhì)構造、地形地貌、自然地理現象的關(guān)系及其補給、逕流和排泄條件;含水層的水量、水質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化規律等。由于地熱資源成因類(lèi)型的差異,水文地質(zhì)測量的工作重點(diǎn)亦有所差別。

2 不同類(lèi)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(zhì)特征主要有下列五點(diǎn)。

(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(chǎn)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(zhì)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(dòng)影響,原先不含水的地層(巖體)產(chǎn)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(lèi)型地熱資源往往呈現條帶狀產(chǎn)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(guò)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(jīng)遠源補給、深循環(huán)并與圍巖達到水熱化學(xué)平衡,在合適的地形地貌及地質(zhì)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(lèi)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(xué)類(lèi)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(diǎn)。

(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(fēng)化基巖或裂隙不發(fā)育的新鮮基巖。上覆松散堆積物及強風(fēng)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(kāi)放型地熱田,其上覆的松散堆積層及強風(fēng)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(fā)育斷層破碎帶及裂隙帶,經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)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(lèi)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(diǎn),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(xué)類(lèi)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(lèi)似,決定水質(zhì)類(lèi)型的陰離子成分與溫度存在著(zhù)直接關(guān)聯(lián),溫度越高,SO2?442-含量越高。

(4) 地熱田熱儲蓋層以?shī)W陶系上覆志留系的泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖或泥巖及白堊系紫紅色泥質(zhì)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(lèi)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(xué)類(lèi)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(kāi)發(fā)利用價(jià)值。

3 不同類(lèi)型地熱資源勘查中水文地質(zhì)測量的重點(diǎn)

由于沉降盆地型地熱資源均為石油行業(yè)勘探或鹽礦勘探時(shí)所發(fā)現,其鉆孔深度較大,對此類(lèi)地熱資源的勘查目前是不經(jīng)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(zhì)測量重點(diǎn)簡(jiǎn)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(zhì)測量工作中,其重點(diǎn)主要如下:

(1) 詳細調查勘查區內井點(diǎn)、泉點(diǎn)的水量、水溫、水質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化,重點(diǎn)分析其與地質(zhì)構造、地形地貌的關(guān)系。

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

(3) 調查區內出露的主要構造性質(zhì)、產(chǎn)狀、相互交切關(guān)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(zhì)現象露頭較差,應重點(diǎn)調查巖石節理裂隙發(fā)育情況,統計各類(lèi)節理裂隙產(chǎn)狀并制作玫瑰花圖,了解區內占主導地位的構造及其產(chǎn)狀。

(4) 調查區內主要斷裂構造的水文地質(zhì)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(jìn)行初步評價(jià),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(zhì)特征,還應注重以下兩個(gè)方面的調查:

(1) 通過(guò)實(shí)測地質(zhì)剖面,詳細了解含水層(碳酸鹽巖類(lèi)地層)、隔水層(熱儲蓋層)的分布、產(chǎn)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(jìn)一步優(yōu)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(zhì)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(kāi)展了詳細水文地質(zhì)測量,上述地熱田勘查取得了重大突破,主要勘查成果見(jiàn)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(kāi)展水文地質(zhì)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(huán)的主要因素。結合地球物理勘查成果,在F1斷裂南東側(上盤(pán))布置了地熱勘探井二口(ZK4、ZK5),設計孔深500 m,實(shí)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(jīng)系統水文地質(zhì)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(pán))布置地熱勘探井一口(ZK5),設計孔深600 m,實(shí)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(guò)開(kāi)展詳細水文地質(zhì)測量,進(jìn)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(cháng)壽斷裂,最近一期構造活動(dòng)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(zhì)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(guò)深循環(huán)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(zhì)測量

在沒(méi)有地熱資源顯示的空白區開(kāi)展水文地質(zhì)測量工作顯得尤為重要,2018—2019年,在進(jìn)行麻城市閻家河鎮黃土咀地區及武漢市新洲區清風(fēng)寨一帶深部地熱資源勘查過(guò)程中,水文地質(zhì)測量成為直接決定勘查項目成敗的關(guān)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(kāi)展一般性水文地質(zhì)測量后,主要依據地球物理勘查資料布設地熱勘探孔,實(shí)施的兩個(gè)鉆孔在達到設計孔深后,均未能獲取可供開(kāi)發(fā)利用的地熱流體,究其原因主要如下:

(1) 水文地質(zhì)測量過(guò)程中未詳細分析區域地質(zhì)、水文地質(zhì)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(zhì)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(kāi)展詳細的調查,對勘查區內主要斷裂構造的水文地質(zhì)特征及其控熱、導熱性能了解不夠。

(3) 鉆孔的布置過(guò)度依賴(lài)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(guān)性。

4.2.2 新洲區清風(fēng)寨地熱勘查

新洲區清風(fēng)寨勘查區在水文地質(zhì)測量過(guò)程中,通過(guò)對區內地表出露的構造形跡進(jìn)行詳細調查,發(fā)現F1在區域上延伸近20 km(圖6),經(jīng)歷了至少兩期構造活動(dòng),其最初形成時(shí)為逆斷層,切割深度較大,而最近一期構造活動(dòng)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(fā)育,具備形成地熱流體的良好深循環(huán)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(zhì)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(jīng)驗,進(jìn)一步表明了水文地質(zhì)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(zhì)及產(chǎn)狀、斷裂構造水文地質(zhì)特征及地下水補徑排條件,評價(jià)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(shí)施,為鉆孔的布置提供詳實(shí)可靠的依據,提高地熱資源找礦成功率。

5 結論

(1) 為滿(mǎn)足中國生態(tài)文明建設的現實(shí)需求,地熱資源的需求越來(lái)越大、應用領(lǐng)域越來(lái)越廣,其勘查、開(kāi)發(fā)和利用必將迎來(lái)一個(gè)快速發(fā)展期。水文地質(zhì)測量作為地熱勘查中的基礎性、先行性地質(zhì)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(guān)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(zhì)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(zhì)及產(chǎn)狀、斷裂水文地質(zhì)特征及地下水補徑排條件,評價(jià)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(shí)施,為鉆孔的布置提供詳實(shí)可靠的依據,提高地熱資源找礦成功率。

6 展望

21世紀以來(lái),傳統礦物能源大規模開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)的資源枯竭問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴重,當今常態(tài)化霧霾天氣及極端天氣已經(jīng)嚴重影響了人民的生活質(zhì)量和環(huán)境,是亟待解決的重大環(huán)境地質(zhì)課題。“雙碳”期間,資源與環(huán)境和諧發(fā)展、低碳環(huán)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(guān)產(chǎn)業(yè)獲得了蓬勃的發(fā)展。在經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、人與自然和諧共處的大背景下,勘查、開(kāi)發(fā)、利用清潔能源是中國能源結構革新的必然之選。同時(shí)，中深層地熱勘查將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展前景。水文地質(zhì)測量作為基礎性、先行性地質(zhì)工作,將發(fā)揮更重要的作用,甚至直接成為決定勘查成敗的關(guān)鍵因素。