北川地熱田成因、流體特征及產能分析

屈澤偉，楊曉東，吳軍濤，馮麒蓉，陳怡西

(1.四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川 成都 610000；2.中國石油集團安全環保技術研究院，北京 100000)

1 研究背景

地熱資源作為清潔、安全、可再生能源，在我國未來能源結構調整中發揮著重要作用，地熱流體多富含對人體有益的礦物成分及微量元素，開發利用潛力巨大[1]。四川省地熱資源儲量巨大，川西地區多為高中溫地熱資源，四川盆地及盆周山地多為中低溫地熱資源，其中不乏存在資源規模、流體品質各異的隱伏型地熱資源，如北川地熱田。查清隱伏型地熱資源的地熱地質條件、地溫場特征、成因模式、流體質量等，對其地熱資源的科學開發利用和保護意義重大。

北川地熱田位于四川盆地西北部，地處盆地山前平原區，為亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16.0℃，年平均降雨量1 302.1 mm。該地熱田地熱資源類型屬沉積盆地傳導型，為低溫隱伏型地熱資源，地表無熱異常，現有地熱井1口(BJ01)，井深1 800 m，流體具承壓性，閉井靜壓力0.44 M pa，井口地熱流體溫度39.0 ℃，穩定產能(自流狀態)185.18 m3/d。

1.1 地層巖性

根據北川地熱田地熱井(BJ01)揭露地層實際情況(表1)，1 800 m以淺地層由老至新，依次為三疊系、侏羅系及第四系。下伏三疊系雷口坡組、嘉陵江組碳酸鹽巖地層，古巖溶、溶蝕裂隙較發育，為地下水的儲集和運移提供了有力的通道條件；上覆三疊系須家河組碎屑巖與侏羅系紅色地層，以低孔低滲為基本特征，具良好的隔水保溫作用。因此，從地層巖性角度分析，該地熱田具備形成沉積盆地型地熱資源的必要條件，即熱儲與蓋層。

表1 北川地熱井(BJ01)揭露地層情況

1.2 地質構造

北川地熱田在大地構造上屬揚子準地臺一級構造單元，四川臺坳二級構造單元，川北臺陷三級構造單元(圖1)。川北臺陷為中生代陸相多旋回拗陷，至今仍顯示沉降特點，南東以巴中基底斷裂與川中臺拱相鄰；從構造行跡上看，屬盆地舒緩褶皺區，北西與龍門山前山褶皺逆沖斷裂帶以江油—灌縣大斷裂為界，區內構造行跡以北東向平緩褶皺(榮華寺背斜)為特征；從沉積建造角度上劃分，上覆侏羅系地層屬燕山—喜馬拉雅構造層，下伏屬華力西—印支構造層，二者呈角度不整合接觸；從基底巖性和構造條件上分析，因基底屬中生代淺變質巖，固結程度低，塑性較大[2-3]，而喜馬拉雅晚期主要表現重力均衡作用，在川中軟流圈上隆的同時，造成川西北軟流圈下凹，基底相對拗陷，地殼增厚，不利于地幔軟流體熱流向上傳導、積聚、供熱。因此，從構造角度分析，北川地熱田所處部位為大地熱流值低背景區，地殼淺部平均地溫梯度不高，在經濟的成井深度內(3000m為標準)不具備形成中高溫(≥90 ℃)地熱資源的條件。

圖1 構造綱要圖

(1)江油—灌縣大斷裂：為龍門山前山主干大斷裂，發育在古生界至三疊系中，為一系列近平行的斷層束，走向NE40°～50°，傾向北西，傾角70°左右。其西側未見磨拉石建造，東側出現磨拉石，最初形成正斷層，印支末期發生反轉成為逆斷層，于燕山運動時重復活動。

(2)榮華寺背斜：東起玉皇觀，經八角廟、爛田壩、譚家壩繼續向南西方延伸，長約20 km，寬0.5～1.0 km。核部為侏羅系遂寧組，兩翼為侏羅系蓮花口組，軸線走線北東50°～65°，北西翼傾角7°～12°，南東翼傾角10°～16°，軸面近于直立。

1.3 地溫場特征

地溫場主要受基底凸凹相間的地質構造格局控制[4]，影響因素包括基巖的起伏，構造形態、巖漿活動和地下水活動等[5-6]，其最重要的表征參數為大地熱流值、居里面、莫霍面及地溫梯度。四川盆地基底構造對盆地殼淺部地溫場的分布起著主導作用，川中臺拱區較兩側拗陷區地溫場埋深更淺，有利于地幔軟流圈熱流向隆起部位基底頂部聚集，地殼淺部熱流活動更強烈，同一深度下地熱資源溫度更高。但四川盆地作為一個壓性盆地，大地熱流平均值僅為50.93 mW/m2[7]，整體上較華北、蘇北、蘇南等張性盆地，依然屬于“冷盆”。

(1)莫霍面：莫霍面起伏反映基底形態及地殼厚度[8-10]，由圖2可知，北川地熱田屬川北凹陷區，莫霍面埋深約44 km[11]，地殼厚度較川中臺拱區大，不利于地球內部深部熱流向地表傳導，地幔軟流圈熱流對地殼淺部供熱量有限。

圖2 四川盆地(四川部分)莫霍面埋深 圖3 四川盆地(四川部分)居里面埋深

(2)居里面：居里面可反映地球深部熱狀態[12]，由圖3可知，該地熱田位于四川盆地居里面拗陷區，地溫場埋深較深，地殼淺部溫度低，熱流活動小。

(3)地溫梯度：地溫梯度表征地球內部溫度不均勻分布程度，一般埋深越深處的溫度值越高。由圖4可知，北川地熱田溫度隨深度增加，溫度呈線性增加，平均地溫梯度約15 ℃/km，遠低于全球地殼近似平均值25 ℃/km及中國沉積盆地平均值32 ℃/km[13]，為地溫梯度低背景區。

圖4 地熱井(BJ01)測井成果(地溫梯度) 圖5 四川盆地(四川部分)大地熱流值

(4)大地熱流值：大地熱流值是表征地球內部熱狀態的重要參數，是地球內部熱作用過程在地表最直接的顯示，也是反映地溫場基本特征的綜合參數[14]，由圖5可知，地表大地熱流值僅約45 mW/m2，遠低于中國大陸地區(含渤海海域)平均值61.5±13.9 mW/m2及全球陸區平均值63 mW/m2[15-16]，為大地熱流值低背景區。

綜上分析可知，北川地熱田屬低溫隱伏地熱田，在經濟的成井深度下(3000 m為標準)，北川地熱田不具有形成中高溫地熱資源的條件，屬低溫(25℃～90℃)地熱資源區。

2 數據采集與測試

2.1 水質數據

北川地熱田地熱流體樣品來源于北川地熱井，樣品采集部位為井口，取樣包括水質全分析樣1組，年齡同位素(氚)分析樣1組，氫氧同位素分析樣1組。樣品采集于“平、豐、枯”三期單井降壓試驗結束前，具體時間為2018年5月22日、2018年8月26日及2018年12月29日。

水樣均送至具相關檢測資質的單位進行測試。其中，水質全分析樣送至四川省天晟源環保股份有限公司，測試結果見表2；年齡同位素樣、氫氧同位素樣送至國土資源部地下水與科學重點實驗室(中國地質科學院水文地質環境地質研究所)，測試結果見表3。

表2 北川地熱田地熱流體水質測試結果 mg·L-1

表3 北川地熱田地熱流體同位素測試結果

2.2 產能數據

根據GB/T 11615-2010要求，對北川地熱井進行了“豐、平、枯”三期的單井產能測試，采用3次降壓的穩定流降壓試驗，試驗結果見表4。

表4 北川地熱井產能測試結果表

3 結果與分析

3.1 地熱田成因

根據區域地層巖性與地質構造條件，北川地熱田具備沉積盆地型地熱資源形成的必備條件，即“熱、儲、蓋、通、源”5大基本要素。由圖5地熱井(BJ01)測溫曲線可知，地溫隨深度增加而增大，呈現出較好直線性且無溫度突變段，說明該地熱田熱過程是以傳導為主，其地熱資源類型屬沉積盆地傳導型，為深埋藏—深循環型熱礦水。

3.1.1 基本要素

(1)熱源：主要來自正常地熱增溫[17]；據地質、構造資料顯示，該區域不存在現代巖漿侵入活動，無附加熱源。北川地熱田平均地溫梯度15 ℃/km，熱儲層地溫梯度約20 ℃/km，蓋層地溫梯度約10 ℃/km。

(2)熱儲：屬巖溶層狀熱儲，由分布穩定的三疊系天井山組(T2t)、雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)碳酸鹽巖沉積層組成，巖性主要為白云巖、白云質灰巖、灰質白云巖、灰巖、膏鹽角礫巖等，埋深1 005.0～1 800 m，標高-435.0～-1 230 m，厚度795 m。受地層巖性和深部褶斷構造的影響，該套地層巖石破碎，古巖溶、溶蝕裂隙較發育，為地熱流體提供了良好的運移通道和儲集空間。北川地熱田熱儲溫度為39.6℃(熱儲層中部溫度)，根據GB/T 11615-2010，其屬低溫(25℃～90℃)地熱資源。

(3)蓋層：上覆蓋層由三疊系上統須家河組(T3x)長石石英砂巖、泥巖地層、侏羅系(J)紅色地層共同組成。第一蓋層為須家河組，直接覆蓋于熱儲層之上，厚約325 m；第二蓋層為侏羅系紅層，間接覆蓋于熱儲層之上，厚度大于400 m。四川盆地為壓性盆地，蓋層受水平加壓作用，具有巖石致密、完整性好、低孔低滲的特點，同時蓋層又位于川北拗陷區，沉積厚度大且層位穩定、分布廣、熱導率低，能起到良好的阻水、保溫隔熱作用，有效避免下伏熱儲層內熱量的散失。

下伏隔水層由三疊系下統飛仙關組(T1f)泥頁巖夾泥質灰巖構成，裂隙不發育，厚約490 m。能有效防止熱儲層內熱礦水繼續向下滲透、流失，從而起到保水的作用。

(4)通道：

補給通道：補給區位于北川熱田北部永安鎮一帶碳酸鹽巖裸露區，區內淺部溶蝕裂隙較為發育；因補給區位于龍門山前山褶皺逆沖斷層帶內，構造運動產生了大量的開啟性較好的高傾角構造裂隙，同時也加劇了原有溶蝕裂隙的物理風化深度和速度，使各種裂隙相互貫通，破壞了碳酸鹽巖地層的連續性、完整性，形成了良好的地下水補給通道；

徑流通道：江油—灌縣大斷裂形成的破碎帶及其派生的次級羽狀小斷裂、盆地舒緩褶皺區深部構造層內因地質構造運動形成的構造裂隙、深部巖溶地層自身具有的古巖溶、溶蝕裂隙等，為西北部的巖溶水側向補給東南部自流盆地中的深部熱礦水，提供了良好的橫向徑流通道；

排泄通道：人工鑿井。

(5)水源：本文利用氫氧穩定同位素和氚年齡同位素，分別對北川地熱田熱礦水的補給來源和年齡做分析判斷。該地熱田“豐、平、枯”三期熱礦水水樣測試結果顯示，δD值分別為-61 ‰、-62 ‰、-63 ‰，δ18O值分別為-8.1 ‰、-8.1 ‰、-8.2 ‰，數據變幅微弱，反映該熱礦水處在一個比較封閉的地質構造環境中，與外界環境的水力聯系很弱。由圖6可知，δD和δ18O組成數據均落在了我國西南地區大氣降水線的附近且靠右下，說明熱礦水的補給來源為大氣降水[18-19]，但經歷了蒸發濃縮作用。

圖6 北川地熱田δD-δ18O關系曲線圖

該地熱田“豐、平、枯”三期熱礦水水樣中氚含量極少(<1 TU)，說明該熱礦水年齡較老，其形成時間應在1953年核爆炸之前，為次現代降雨補給形成，水循環交替較弱[20-21]。

3.1.2 成因模式

北川地熱田補給區為碳酸鹽巖裸露區，巖溶地下水接受大氣降水、地表水直接補給后，繼續沿構造裂隙、溶蝕裂隙等由地表向深部做垂向運移；運動至下伏三疊系飛仙關組隔水頂板處遇阻，轉而沿層間裂隙、溶蝕裂隙等做橫向徑流，后通過江油—灌縣大斷裂的破碎帶及其派生的次級羽狀小斷裂補給熱儲層內熱礦水并在此儲存(圖7)，整個地下水深循環系統的驅動力來自地形高差形成的水力壓差，循環深度2 053 m(表5)。在地下水做深循環過程中，受新石橋向斜的“滯水”作用，徑流速度非常緩慢，加之遠離補給區，徑流途徑長，地下水不斷與圍巖發生熱傳導、離子交換、溶濾、吸附、沉淀等復雜的熱物理、化學反應，最終形成具有一定溫度、一定壓力且富含多種有益礦物元素的高礦化度熱礦水。當人工鑿井達到相應深度的熱儲層位時，可開采獲取熱礦水。

圖7 北川地熱田成因模式

表5 北川地熱田水循環深度計算表

3.2 流體特征

3.2.1 流體成因

地下水成分組成因其來源和形成條件的不同而各異，以黃海海水成分為標準，利用離子比例系數法可定性判斷地下水的成因特征[22-24]。利用γ(Na)/γ(Cl)、I×106/Cl可判斷地下水的成因，利用Cl/Br可判斷深層水的變質作用強度，利用Br/I可判斷水的形成是否與海相沉積有關，或是否有海相水的組成(殘余海水)。

由表6可知，北川地熱田地熱流體成因為含有機殘骸的、經蒸發濃縮作用的海相沉積+鹽巖溶濾水，地球化學相為硫化氫(強還原)相。

表6 北川地熱田地熱流體各比例系數值 mg·L-1

3.2.2 水化學特征

根據北川地熱田“豐、平、枯”三期地熱流體水質檢測結果及GB/T 11615-2010，地熱流體溫度39℃；溶解性總固體含量16.4～17.5 g/L，屬高礦泉高滲泉；pH值7.20～7.46，屬中性水；總硬度(以CaCO3計)2 036～2 194 mg/L，屬于極硬水；由表4和圖8可知，地熱流體中陽離子以Na+為主，陰離子以Cl-為主，水化學類型為Cl·Na型；按舒卡列夫分類，其水化學類型為C-28。

圖8 水化學類型Piper三線圖

3.2.3 流體質量評價

根據GB/T 13727-2016附錄E，北川地熱田地熱流體成分中達到有醫療價值濃度、礦水濃度的有總硫化氫(167.0～186.0 mg/L)、溴(136.0～147.0 mg/L)、偏硼酸(86.6～91.0 mg/L)、碘(3.59～3.85 mg/L)、偏硅酸(36.2～39.1 mg/L)。其中，達到理療礦泉水命名濃度的有總硫化氫、溴、偏硼酸，地熱流體可命名為含溴、硼酸、硫化氫理療溫礦(泉)水。根據《礦產工業要求參考手冊》，地熱流體中溴元素(含量136.0～147.0 mg/L，限值>50 mg/L)，為可提取工業利用的成分。

3.3 單井產能

由單井產能測試結果可知：北川地熱井單位涌水量0.056 4 L/s·m；在自噴條件下(壓力降0.38 Mpa)，單井穩定產能185.18 m3/d；在最大水位降深96.5 m條件下，單井允許開采量470.22 m3/d；在允許開采量可保證開采100 a的前提下，其熱功率(Wt)為0.77 mW，屬小型規模地熱田，開采100 a累積可利用放熱量為4.03×109MJ，折合成電能為1.12×109kW·h，標準煤為1.37×105萬t。

4 結語

(1)北川地熱田為小規模隱伏型地熱田，地熱資源屬沉積盆地傳導型地熱資源。熱儲為古巖溶、溶蝕裂隙發育的三疊系中下統碳酸鹽巖，蓋層為低滲低透的三疊系上統碎屑巖及侏羅系紅色地層，熱源為正常地溫梯度(15 ℃/km)，水源為次現代降水，水循環深度2 053 m。

(2)莫霍面與居里面埋深大，地溫場埋藏深，地球內部軟流圈熱流量通過熱傳導向淺部地殼貢熱有限。大地熱流值(45 mW/m2)遠低于中國大陸地區(含渤海海域)平均值及全球陸區平均值，為大地熱流低背景區，地熱資源屬低溫(25℃～90℃)地熱資源。

(3)北川地熱田地熱流體成因為含有機殘骸的、經蒸發濃縮作用的海相沉積+鹽巖溶濾水，地球化學相為硫化氫(強還原)相。流體可命名為含溴、硼酸、硫化氫的理療熱礦水，溴元素為可提取工業利用的成分。

(4)在自流條件下，北川地熱井(BJ01)單井穩定產能為185.18 m3/d；在開采性抽水條件下，最大水位降深96.5 m，單井允許開采量為470.22 m3/d。開采100 a累積可利用放熱量為4.03×109MJ，折合成電能為1.12×109kW·h，標準煤為1.37×105萬t。