牛駝鎮地熱田成藏主控因素及過程分析

王宇涵

(中國石化石油工程地球物理公司華東分公司,江蘇南京 210000)

牛駝鎮地熱田地處河北省境內,發育在冀中坳陷牛駝鎮斷凸內[1],西靠容城凸起,南鄰高陽低凸起,周邊發育徐水凹陷、保定凹陷等一系列凹陷,面積605.65 km2(圖1)。基巖熱儲溫度高、埋深淺、涌水量豐富,地熱田內井口水溫大部分超過60 ℃,高溫地熱水商業價值很高[2],為了更深入探索地熱資源,實現“地下透明雄安”的目標,以具有典型代表的牛駝鎮地熱田進行地熱成藏過程及成因研究。

圖1 牛駝鎮及周邊地區構造分布

1 成藏演化

中生代之前牛駝鎮地區以大面積構造抬升為主,印支-燕山運動擠壓隆升使得中生界沉積地層基本剝蝕殆盡[3]。以XA2020-A測線所在地區為例(圖2),牛駝鎮凸起形成前后構造演化主要劃分為3個階段[4]。

牛駝鎮凸起發育前潛山內幕形成期(侏羅紀-白堊紀):晚中生代,蒙古-鄂霍次克洋閉合活動以及古太平洋板塊俯沖,華北克拉通盆地由近南北向收縮開始轉換為北西西-南東東向伸展。在此背景下,華北克拉通東部巖石圈發生較大程度減薄,軟流圈呈蘑菇云狀大規模上涌,造成冀中地區元古界地層隆起、甚至出露地表發生鹽溶作用。

牛駝鎮凸起形成期(古近紀):該時期渤海灣盆地逐漸發育,受太行山山前斷層及一系列次級斷層作用的影響,牛駝鎮地區出現劇烈伸展構造活動,冀中坳陷同時發生斷陷活動,這一過程直至古近紀末才結束,并表現出顯著的幕式特征。古新世-早始新世時期,太行山山前斷層、大興斷層、牛東斷層進入活動期,在其上盤相應地發育徐水凹陷、大河鎮洼槽和霸縣凹陷,凸中有凹、凹中有凸的構造形態逐漸形成;早-中始新世時期,太行山山前斷層活動開始減弱,而大興斷層、牛東斷層等繼續強烈活動,與此同時開始發育部分次級斷層,凸起的地層被剝蝕,中元古界地層開始出露地表;晚始新世-漸新世時期,霸縣凹陷沉積地層比廊固凹陷厚,沉積-沉降中心遷移至霸縣凹陷,斷陷活動多發于徐水凹陷、霸縣凹陷,而兩凹陷中間的大河鎮洼槽內未發生沉積,在斷層劇烈拉伸作用下,斷層下盤開始大規模抬升,進而凸起成型,至此,冀中坳陷凸中有凹、凹中存凸的構造形態得以穩定;東營期末,在小范圍抬升作用下,早期地層受到強烈剝蝕,館陶組底部區域性不整合面得以出現。

牛駝鎮凸起埋藏期(新近紀-第四紀):斷層活動弱,主要發生熱沉降作用,形成館陶組、明化鎮組和平原組地層。

2 牛駝鎮地熱田成藏要素

牛駝鎮地熱田地層由老到新分別為太古界、長城系、薊縣系、青白口系、寒武系-奧陶系、古近系、新近系、第四系,第四系和新近系明化鎮組地層遍及整個地熱田區域內,新近系館陶組地層僅分布于地熱田東側[5]。其中,地熱田中部位置基巖埋深小于1 000 m,屬于厚度適中的地層,在牛駝鎮凸起兩翼,蓋層厚度逐漸增厚;同時,古近系地層出現,最大沉積深度約4 000 m,薊縣系白云巖是下伏基巖的主要巖性。總體上,構造演化使得牛駝鎮地熱田中部基巖埋深淺,蓋層較薄,有利于地熱傳導,是牛駝鎮地熱田成藏的有利因素,同時斷層與裂縫也是地下水及熱源的關鍵路徑。

2.1 蓋層

蓋層位于儲層頂部同時可以阻隔熱量散發,對于地熱沉積系統具有關鍵作用。Rybach(1978)等人把蓋層形容為毛毯,將蓋層的保溫作用稱為毛毯效應[6]。通常蓋層的導熱系數較低,能夠保留大部分基底能量,將大氣降水阻隔在儲層之外,分布范圍大、地層厚、發育穩定的區域性蓋層,能夠促進盆地和坳陷的熱能賦存。

牛駝鎮凸起區蓋層發育于始新世末喜山運動II幕,由于大興斷裂和牛東斷層的活動,凸起逐漸出露地表,新近系明化鎮組和第四系地層作為牛駝鎮地區的蓋層,沉積巖性主要包括黏土、砂巖、含礫砂巖,巖石熱導率較低、導熱性很弱,為基巖熱儲形成了優良蓋層[1]。

牛駝鎮基巖熱儲產生的熱量通過裂縫向上運移,在蓋層良好的隔水隔熱及保溫性能下,促進地熱田生成的熱能保存良好,蓋層厚度為在800～1 400 m,地幔深處的熱量經過蓋層向地表散發,傳熱速率明顯小于下伏基巖,對牛駝鎮地區地熱資源的富集與成藏具有關鍵作用。

2.2 熱儲層

牛駝鎮地熱田經歷了海侵、海退、地殼隆起和下沉等劇烈構造運動后,沉積了海相、陸相、海陸交互相地層[1]。新生代喜馬拉雅運動前,由于經受持續的海侵、海退活動,發育了較厚的海相碳酸鹽巖地層;在凹陷向上發育成陸地并經受大氣降水、沖刷、溶濾后,成為多層疊置的巖溶-裂隙地熱儲集空間,為熱儲層形成奠定了基礎;受喜馬拉雅活動影響,該區域地層逐漸沉降,同時大范圍沉積明化鎮組和第四系地層,其中明化鎮組成為牛駝鎮地區的孔隙型儲層。

牛駝鎮地熱田熱儲層主要為新近系明化鎮組、館陶組、基巖(圖3)。

新近系明化鎮組熱儲分布范圍廣,埋深淺、巖石較粗、膠結疏松、含水層出水能力強且較為均勻;熱儲層巖性主要為細砂巖、中砂巖,厚度150～400 m,凸起中心薄,邊緣逐步增厚;熱儲層中部及中南部溫度高于北部溫度,通常中部區域高于50 ℃,北部熱儲溫度為35～50 ℃(表1)。

表1 地熱田熱儲層熱儲特征

新近系館陶組熱儲位于東面凹陷區域,面積105.53 km2,厚度大多為200～400 m,武清-霸縣斷凹內最厚達500 m,熱儲中部溫度45～65 ℃,平均熱儲溫度為53 ℃,出水能力適中。

基巖熱儲主要包括寒武系-奧陶系裂隙熱儲和薊縣系巖溶裂隙熱儲。其中,寒武系-奧陶系裂隙熱儲位于牛駝鎮地熱田東北部,面積為96.44 km2,巖性由灰巖、白云巖及灰質白云巖組成;儲層厚度適中,奧陶系巖溶裂隙熱儲的儲厚比為32.0%,寒武系熱儲部分占16.5%,平均溫度達78.6 ℃。

薊縣系巖溶裂隙熱儲面積為509.21 km2,大部分為霧迷山組地層,在牛駝鎮凸起頂部埋藏深度為800～1 100 m,東北區域埋藏深度1 200～2 078 m,該熱儲為牛駝鎮地熱田最優熱儲[7];其次,為長城系熱儲,巖性包括灰質白云巖、白云巖,熱儲層溫度高,平均溫度80.5 ℃,平均熱儲厚度51.8 m,儲厚比為30%,儲量豐富,具有較好的開發潛力。

2.3 斷層及裂縫

地熱儲層中的斷裂和小型裂縫是地熱水流通的路徑[7]。由于侏羅系-白堊系持續的劇烈構造運動,牛駝鎮凸起分別發育了牛東、牛南、容城、大興等多條斷裂,古近系早期,構造運動更加劇烈,長期發育的生長性斷層開始將結晶基底打斷,成為深部地熱水的有利通道,起到了促進地熱流體聚集、地熱水對流循環的積極作用[8]。

復雜的斷層及裂縫對牛駝鎮巖溶發育分布形態和巖溶古地貌形成的格局產生了一定影響。在持續強烈的構造運動作用下,地層中產生的微裂縫及不同形態的斷裂成為地下熱儲的滲流路徑和儲集空間,使得熱儲的滲流性能得以優化;而成熟的裂縫系統則對孔隙水和地下水流動和孔洞生長起到了積極作用。隨著斷裂運動增強,滲流帶厚度也增大,滲流作用也隨之增強。斷裂構造活動為巖溶作用提供了動力,從而逐步形成完整的孔洞縫系統,使得深部熱源能夠更加快速、便捷地抵達淺層地層,從而淺部地層溫度隨之升高[9]。

因此,地熱系統中的斷裂及次生斷裂、細小裂縫構成了地熱水的重要運移滲流系統,來源于地幔深處的地熱能量,順著斷裂及裂縫向地表上移,為儲層供給能量。

2.4 地溫梯度

牛駝鎮地熱田中上元古界基底隆起作用讓地熱田周邊凹陷區地溫比新生界的地溫梯度低,蓋層地溫梯度范圍為4.86～7.64 ℃/100 m,平均值5.6 ℃/100 m,屬于傳導型地溫場;霧迷山組巖溶熱儲的地溫梯度平均值為0.62 ℃/100 m,表現出強對流傳熱特性,屬于對流-傳導復合型地熱系統[10]。

研究區地熱井的水位埋深為90～110 m,位于常溫層以上,地溫受控于氣溫的高低變化而有規律的增減。在900 m以淺地層,第四系、新近系明化鎮組作為蓋層,其溫度-深度曲線基本為線性趨勢,以傳導方式進行傳熱;在900 m以深地層,溫度-深度曲線走向變陡,地溫梯度值變小,平均值僅0.62 ℃/100 m,以對流形式進行傳熱(圖4)。巖性大部分為薊縣系霧迷山組白云巖,熱導率高于上覆地層巖性,因此地溫梯度變小。總體上,新近系、第四系蓋層為傳導型傳熱,下伏基巖儲層為對流傳熱形式,整個系統則為對流和傳導相結合的地熱系統。

圖4 中國陸域典型地區地溫曲線

牛駝鎮及周邊地溫梯度高低相間且呈帶狀分布(圖5),溫度隨地層的凸起與凹陷而改變,凸起地區地溫梯度普遍高于凹陷地區。雄安地區西部沿太行山東側地區,地溫梯度均低于2.5 ℃/100 m,而由牛駝鎮-高陽-寧晉凸起構成的中央隆起帶,地溫梯度高于前者區域,為3.2～6.0 ℃/100 m;其中,牛駝鎮凸起、容城凸起,頂面構造埋深分布范圍在700～1 000 m,底界埋深分布于2 000～2 500 m,熱儲溫度為60～85 ℃[11]。

圖5 雄安新區及周邊古潛山地溫梯度等值線

由表2所示,在熱儲層900 m以深地層,地溫梯度小于上覆蓋層。從縱向來看,蓋層的地溫梯度為5.1 ℃/100 m,儲層的地溫梯度為0.62 ℃/100 m,地熱田儲層呈現劇烈的對流活動,是熱能賦存和地熱水自然下滲的基本條件[7],也為地下水加熱及流通提供了強有力的支撐;蓋層保溫性能好,是地下熱能得以保存富集的重要因素。

表2 牛駝鎮凸起區各井口地溫梯度-深度

2.5 莫霍面變化特征

莫霍面埋深規律是熱源的重要影響因素。由河北省莫霍面埋深規律圖(圖6)所示[12],西部和北部埋深大,東部較淺,其中,牛駝鎮地熱田所在的京津保三角地帶莫霍面埋深為35 km,較西北部區域少了10 km。莫霍面埋深的增減與地熱能量向上覆地層的傳導通道距離呈正向關系,若距離短則所用時間越少,使地熱更多、更快地向上凸起區匯聚,從而生成高溫異常。

圖6 河北省莫霍面等值線

3 地熱田成因模式

雄安地區地熱的形成主要受控于裂谷盆地型地幔源,在第四系、新近系蓋層以傳統傳熱為主,在下部基巖熱儲以熱對流方式為主,屬于對流-傳導型復合式地熱系統,在牛駝鎮地區形成了一套成熟的地下水循環系統[10]。基巖熱儲的熱量來源于太行山、燕山地下水山前側向徑流,大氣降水沿巖層裂隙和孔隙滲入地下后,經加熱后的地熱水富集于基巖熱儲層中。巖溶熱儲中的地熱水往地表運移的路徑是構造運動后生成的斷裂及次生斷裂,而巖溶-裂隙則構成了地熱水側向運移的路徑。

以牛駝鎮所在的華北盆地為例,其地熱成藏主控因素及成藏模式如圖7所示,華北盆地屬于斷陷盆地,由多個豐富的次級坳陷和隆起組成,是在華北地臺上逐漸發育起來的。盆地內呈現出凹陷與凸起相間發育的特征,這種“凹中凸”特征促進了地層和古潛山的相互疊加,形成了上部地層為沉積層含水系統、下部地層為基巖對流型水熱系統的地熱系統。牛駝鎮地區呈“洼隆”相間的構造形式[13],北東向的背斜為隆起地區,在核部區域存在多種斷裂,古近系地層厚度較薄,下伏基巖基本為碳酸鹽巖;新近系沉積地區屬于凹陷區,沉積厚度大[14];巖石熱導率也不盡相同,基巖的熱導率是古近系巖石的2～3倍,基巖屬于良好的導熱巖層。由于凹陷和凸起基巖彼此起伏和斷裂的構造活動,熱流從地層深處向上傳導時,會發生重新分配并富集成藏,牛駝鎮凸起的高熱導率地層促使熱流更易傳導,進而使得熱流向凸起部位集中。

圖7 華北盆地復合型水熱系統成因模式

華北盆地的熱源主要為上地幔熱量和基巖花崗巖殼中的放射性熱量[15]通過熱傳導的形式向上運移,并在高孔高滲的含水層處生成熱儲,蓋層的保溫性能良好,下部基巖熱儲熱對流過程中,在經流中小型裂隙及區域性深大斷裂時進行導水導熱傳輸。華北區域位于上地幔隆起區域,熱源存在地層較淺部位,具有產生地熱資源的有利條件,地熱資源主要通過傳導的形式來傳遞、積聚熱量,雖然熱傳導效率不高,但可流通范圍廣,能夠流向大部分區域。

4 結論

1)牛駝鎮地熱田構造演化分為四個階段:古新世-早始新世強烈斷陷階段、早中始新世持續斷陷階段、晚始新世-漸新世斷陷晚期、新近紀-第四紀穩定沉積期。區內發育較多構造斷裂,發育深大斷裂為牛東斷裂,起到積極控制作用,成為地熱田的導水運移通道。

2)牛駝鎮地熱田的構造特征為地熱資源的傳導和賦存提供了良好條件。地熱田蓋層主要為新近系和第四系地層,巖性組成為砂巖和砂泥巖,地溫梯度較高、導熱性差,有利于地熱資源保存;熱儲主要為白云巖基巖熱儲,其地溫梯度值較小,且熱對流性能良好,發育豐富的大斷層及次生小斷裂。

3)牛駝鎮地熱田熱源主要受到華北地幔熱柱的積極作用,來自大地深處的熱量經過地幔熱柱傳遞到地層淺處,熱量經過斷裂通道到達熱儲層,形成熱循環系統,為地熱田可持續開發利用提供保障。