新商斷裂(永城段)地熱地質特征分析

苗書雷,張映錢

(1.貴州省煤層氣頁巖氣工程技術研究中心,貴州 貴陽 550016;2.河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院,河南 鄭州 450046)

根據載熱介質所賦存空間的差異,巖層熱儲劃分為層狀熱儲及帶狀熱儲[1]。層狀熱儲為具有有效空隙度和滲透性的巖層、巖體所構成的熱能儲層,其地層或巖體分布面積較大,地層傾角比較緩,地層沉積厚度大,供熱源為大地熱流,分布在沉積盆地;而帶狀熱儲為具有有效空隙和滲透性的構造帶,比如斷裂破碎帶或者裂隙帶構成的熱儲,一般傾角陡,平面上呈條帶狀延伸,常常表現為地溫異常,分布在隆起山地或者山前地帶[1,2]。

1 研究區地質概況

永城市位于永城斷陷褶皺帶內,屬于華北地臺魯西臺隆次級構造單元,構造以北東—北北東向為主[3](圖1)。研究區位于永城北部芒山鎮、薛湖鎮及灤湖鄉境內,隱伏復背斜軸部北端,軸部地層抬升,為寒武奧陶系的灰巖組成,有酸性及基性巖漿巖侵入,兩側為煤系地層,形成于石炭及二疊紀,背斜東部建成有車集、劉河煤礦,西翼建成有城郊、陳四樓及新橋煤礦[4]。

圖1 研究區地質構造簡圖

研究區內斷裂構造均為隱伏斷層,且比較發育,走向與永城背斜走向均基本一致,主要為北北東向斷層,次為北西西向斷層。區內熱能儲層主要為奧陶系馬家溝組以及寒武系張夏組,其巖性主要為灰巖,熱儲類型為層狀熱儲[4]。

2 研究區淺層地下水地溫分布

研究區內第四系全新統厚度30～60 m左右,為近代黃河沖積層。底部為薄層狀褐黃色粉砂巖,中上部以淺黃色粉土與粉砂巖為主,結構比較松散,并夾有黃褐色粘土及粉質粘土,分布較廣,頂部主要為粉土及粉質粘土,局部存在灰黃色、黑色淤泥質粘土。

通過采用北京海創高科科技有限公司生產的TH-212型測溫儀,對研究區內9眼機(民)井不同位置及深度的淺層地下水進行了垂向水溫測量,間距為1m/點,測量結果見圖2及表1。結果顯示位于太平集斷層北部的W4井、W5井和太平集斷層南部的W7井的淺層地溫明顯高于其它淺井的溫度,灤湖斷層組以西淺層地溫略高于斷層以東淺層地溫,因此推測研究區以灤湖斷層為界存在地溫差異。

表1 淺層地下水水溫測量記錄表

圖2 淺層地下水水溫測量點布置圖

3 研究區地溫特征

3.1 地溫場特征

3.1.1 地溫場

地球表面熱量的主要來源為兩個方面:首先為太陽輻射熱量,其次為地球內部巨大內熱向上傳遞的熱量。由于地球表層只在一定深度范圍內接受太陽的輻射,因此在不同地區或不同部位將會導致反向傳輸的兩種熱源的熱量的平衡關系存在差異,而這種差異化的平衡關系就導致了各個地區地殼淺部溫度場特征的差異化,致使地表向下依次形成了三個溫度帶,分別為變溫帶、恒溫帶以及增溫帶[5,6]。

據永城市氣象站資料及有關地溫觀測資料可知,永城地區變溫帶深度達23 m,其下為恒溫帶,恒溫帶的平均溫度為16.4℃,恒溫帶下部為增溫帶,其地溫隨深度的增加而逐漸增高。

3.1.2 地溫梯度

地熱來源于深部地殼的高溫巖體,而地層地熱向上的傳遞運移主要依靠巖體本身的熱能傳導性,由于各部位的巖性不同,其熱傳導系數亦不同,因此,地層內地熱增溫量也有明顯差異[7]。

研究區松散層內的粘性土占大部層位,其熱傳導系數小,地熱增溫率相對較高;淺部基巖為泥巖、砂巖,熱傳導系數較粘土大,地熱增溫率較粘土低;深部基巖為灰巖、頁巖,熱傳導系數較砂巖、泥巖大,地熱增溫率較砂巖、泥巖低。

根據薛湖煤礦24-23和24-3鉆孔測溫資料可知,該鉆孔覆蓋層約為400 m,在400 m處溫度為28.5℃～29℃,恒溫帶為23 m,溫度16.4℃。由此可知松散層地熱增溫率預計3℃/100m左右。鉆孔24-23在深度400～960 m之間為砂巖、泥巖,在400 m處溫度為28.5℃,在960 m處溫度為37.8℃,因此估算該基巖平均地溫梯度為1.66℃/100m;24-3鉆孔深度400～1 000 m之間為砂巖、泥巖,在400 m處溫度為29℃,在1 000 m處溫度為39.9℃,因此估算該基巖平均地溫梯度為1.82℃/100m。根據兩眼實測鉆孔資料推算,研究區基巖地熱增溫率約(1.82+1.66)/2=1.74℃,即1.74℃/100m。

3.2 地熱異常因素分析

新商斷裂是研究區內較大的斷裂,向上切割新近系,且具有活動性。根據區內地震、重力、磁異常及電測深等資料分析得知新商斷裂主干斷裂向下切深超過1 000 m,成為聯通地下深部熱源的通道,深部地下熱水得以沿斷裂或裂隙面向上運移,并在古近系中進行聚集、擴散,從而影響該區域范圍內的地熱場特征[3]。

區內地熱異常的影響因素除斷裂構造外,大地熱流也對地熱異常產生較大的影響。通過對永城煤田地層中所含鈾、釷、鉀等放射性元素進行測試計算,將其得出的生熱率與巖漿余熱比較分析,發現研究區地熱場供熱源為地幔熱流和地殼熱流,且以層控熱儲為主,補給方式為側向徑流[3]。

4 研究區地熱儲層特征與埋藏條件

4.1 儲層特征

新近系的層狀熱儲層是目前國內開采的主要地熱資源,同時奧陶系、寒武系灰巖裂隙巖溶所控制的儲層熱源同等重要。研究區內新近系、奧陶系、寒武系地層分布較廣,但由于覆蓋層厚度較薄,新近系地層溫度較低,不具備地熱開采條件,因而考慮奧陶系、寒武系灰巖作為熱儲層[8]。

根據本次地球物理勘查工作及收集資料分析,區內地熱資源主要賦存于奧陶系中統的馬家溝組以及寒武系中統的張夏組灰巖巖溶裂隙熱儲層中,巖性以灰巖、白云質灰巖、鮞狀白云巖為主,富水性較好,為較好的儲熱層,灰巖總厚度為567～846 m,平均706 m,其中寒武系張夏組灰巖厚度85～221 m,奧陶系馬家溝組灰巖厚度133～263 m,而熱儲層的有效厚度為300 m左右[3]。

研究區奧陶系、寒武系灰巖多次經歷大的構造運動,造成深大斷裂切割地層,形成的灰巖裂隙及風化殼后期經巖溶作用,發育大量溶洞裂隙。根據大王莊鐵礦的勘探資料,研究區內巖溶發育特征具有水平分帶性和不均一性,在灰巖面以深200 m水平范圍內廣泛發育,溶洞直徑大者達4 m,一般在1 m左右,小溶洞孔呈蜂窩狀縱橫分布[3]。

4.2 埋藏條件

根據地球物理勘查及收集的鉆孔揭示資料分析,如圖3所示,研究區內奧陶系灰巖頂板埋深在灤湖斷層組以西區域(Ⅰ區)為800～1 350 m,并且由東向西呈逐漸增深趨勢,其上覆地層為第四系、新近系、二疊系及石炭系,覆蓋層厚度約為400 m,根據地溫梯度計算可知,當深度達到1 800 m時,水溫達45℃～50℃;

圖3 研究區地熱條件分區圖

而在灤湖斷層組以東區域(Ⅱ區)奧陶系灰巖頂板埋深大部在300～800 m,其上覆地層為第四系、新近系、二疊系、石炭系,覆蓋層厚度約300 m。部分地區地層缺失二疊系、石炭系,姜松園—呂官莊～趙破樓一線二疊系、石炭系缺失,勘查區北部芒山鎮附近二疊系、石炭系、奧陶系全部缺失。局部地區寒武系張夏組底板埋深在1 600 m左右,根據地溫梯度計算可知,當深度到達到1 600～1 700 m時,水溫小于42℃。

5 結語

(1)新商斷裂(永城段)以灤湖斷層為界存在地溫差異,且存在異常高溫點。

(2)研究區變溫帶深度為23 m,其下為恒溫帶,恒溫帶平均溫度16.4℃,增溫帶松散層部分地熱增溫率預計3℃/100m左右,基巖部分地熱增溫率約1.74℃/100m左右。

(3)研究區地熱異常受其斷裂構造及大地熱流的影響。

(4)研究區主要地熱儲層為奧陶系、寒武系灰巖,且其灰巖頂板埋深由東向西逐漸增大,據地溫梯度計算,Ⅰ區水溫相應比Ⅱ區高。