0 引言

地?zé)豳Y源是一種清潔和可再生能源,具有可循環(huán)、無污染、可直接利用等優(yōu)點(diǎn),已成為全球能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。我國作為地?zé)豳Y源大國,開展地?zé)豳Y源評價(jià)及開發(fā),逐步減少對煤炭、石油等化石燃料的依賴,是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),向發(fā)展清潔、綠色、低碳能源轉(zhuǎn)型的重要方式。

山東省地?zé)釤醿?chǔ)類型多、分布廣,地?zé)?/a>資源儲(chǔ)量豐富,開采條件好,是我國的地?zé)?/a>資源大省,全省 1 6地市均已成功鉆獲地?zé)峋?/a>,發(fā)現(xiàn)了大中型地?zé)崽?/a>。劉詠明等以地質(zhì)背景條件、控?zé)針?gòu)造、地?zé)岬刭|(zhì)條件等為依據(jù),將山東省地?zé)豳Y源劃分為魯東隆起地?zé)?/a>區(qū)、沂沭斷裂帶地?zé)?/a>區(qū)、魯西隆起地?zé)釁^(qū)和魯西北地?zé)釁^(qū)4個(gè)大的地?zé)釁^(qū),康鳳新等則從熱儲(chǔ)類型、開放程度、熱源水源及其運(yùn)移和可更新能力等方面論述了4個(gè)地?zé)釁^(qū)的地?zé)豳Y源賦存規(guī)律及富集機(jī)制。丁朋朋等采用資料收集和實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方法對魯西北平原砂巖熱儲(chǔ)層、地溫場、水化學(xué)和水位動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行了研究,獲得了該地區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)特征和成因模式。前人的研究提供了一定的基礎(chǔ)資料,但多側(cè)重于魯西北地?zé)?a href="http://www.syzhfj.com/t/資源.html" >資源特征的整體描述,對以地?zé)崽?/a>為單元的地?zé)岬刭|(zhì)特征及資源量評價(jià)未作深入分析。碣石山地區(qū)位于魯西北地?zé)釁^(qū),第四系咸水覆蓋、斷裂構(gòu)造復(fù)雜,具有地?zé)岢傻V地質(zhì)條件好,資源分布廣,儲(chǔ)量大,易開采的特征,具備良好的勘探開發(fā)前景。

地下熱水不僅能滿足人們對能源的需求,還具有洗浴、療養(yǎng)、養(yǎng)殖、采暖、農(nóng)業(yè)溫室種植等方面的功效,具有較顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。碣石山所處的無棣縣碣石山鎮(zhèn)具有十分豐富的礦產(chǎn)資源、漁業(yè)資源和旅游資源,且有多處村民集中居住小區(qū),在該區(qū)塊開展地?zé)豳Y源開發(fā)利用工作,對促進(jìn)當(dāng)?shù)?a href="http://www.syzhfj.com/t/旅游.html" >旅游事業(yè),帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,助力鄉(xiāng)村振興有著重要意義。

本文以無棣縣碣石山地?zé)釁^(qū)塊為研究對象,通過資料收集、地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、物探勘查等手段,查明了研究區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)條件和地層結(jié)構(gòu)、熱儲(chǔ)蓋層和熱儲(chǔ)層巖性、埋深、空間分布規(guī)律及地?zé)崴?/a>的賦存條件,建立了熱儲(chǔ)概念模型,分區(qū)計(jì)算了新近紀(jì)館陶組和古近紀(jì)東營組熱儲(chǔ)層的地?zé)豳Y源量和地?zé)崴?/a>可采量,為無棣縣碣石山地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)利用、地?zé)豳Y源規(guī)劃管理提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

碣石山地區(qū)位于黃河泛濫沖積平原,地貌以濱海海積平原為主,地形平坦開闊略有起伏,自西南向東北傾斜。行政區(qū)劃屬濱州市無棣縣,年平均氣溫 1 2℃左右,四季分明,屬北溫帶大陸性半干旱半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。降水量年內(nèi)分配不均,年平均降水量為6 7 6.8 mm,年蒸發(fā)量是年降水量的1.90倍,區(qū)內(nèi)淡水資源匱乏,黃河水是最主要的淡水資源。

碣石山地?zé)釁^(qū)塊在大地構(gòu)造單元上位于濟(jì)陽坳陷區(qū)的東北端,車鎮(zhèn)凹陷北部與埕子口凸起的交會(huì)地帶(圖1)。埕子口斷裂橫穿研究區(qū)南部,為埕子口凸起與車鎮(zhèn)凹陷的分界斷裂。埕子口斷裂北側(cè)為斷層下盤,受構(gòu)造抬升剝蝕,導(dǎo)致古近紀(jì)東營組地層缺失,新近紀(jì)館陶組部分剝蝕,下古生界發(fā)育完整, 即新近系與新太古代泰山巖群直接接觸;斷裂南側(cè)為斷層上盤,接收沉積,新近紀(jì)館陶組和古近紀(jì)東營組發(fā)育完整。

研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡單,自下而上依次為新太古代泰山巖群(黑云斜長片麻巖、角閃片麻巖),新生界古近紀(jì)孔店組(紅色泥巖、砂礫巖)、沙河街組(細(xì)砂巖、灰綠色泥巖)、東營組(砂巖、泥巖交互沉積),新近紀(jì)館陶組(礫狀砂巖、細(xì)砂巖)、明化鎮(zhèn)組(泥巖、砂質(zhì)泥巖),及第四紀(jì)平原組(砂質(zhì)黏土、粉砂質(zhì)黏土)。 其中,明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組沉積層與熱儲(chǔ)關(guān)系密切。

2 地?zé)岬刭|(zhì)特征

2.1 源、運(yùn)、儲(chǔ)、蓋特征

研究區(qū)地處魯北地區(qū),其在地質(zhì)構(gòu)造上是在太古界及古生界基底上發(fā)育起來的中、新生代斷陷盆地。受差異性升降運(yùn)動(dòng)的影響,沉積了巨厚的中、新生代陸相碎屑巖沉積層。地?zé)崴?/a>主要富集在古、新近系層狀砂巖的孔隙裂隙和古生界石灰?guī)r的巖溶裂隙內(nèi)。

(1)源:區(qū)內(nèi)JS1地?zé)峋?/a>的測溫資料表明,地?zé)崴?/a>的溫度小于90℃,屬于低溫地?zé)豳Y源中的溫?zé)崴偷責(zé)豳Y源。按地?zé)豳Y源的形成條件,區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源屬于傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源。研究區(qū)的主要熱源來自上地幔傳導(dǎo)熱流和地殼深部的傳導(dǎo)熱流,熱儲(chǔ)層中地下水在緩慢側(cè)向徑流過程中,接受下部大地熱流而增溫,通過埕子口斷裂向上傳導(dǎo),亦形成對流型熱源。

(2)運(yùn):埕子口斷裂為大山潛凹陷和埕子口凸起構(gòu)造單元的劃分邊界。該斷裂具有深切割、多期長期活動(dòng)的特征,其深切特性為深部流體提供了良好的垂向輸導(dǎo)通道;斷裂的長期活動(dòng)驅(qū)動(dòng)并加劇了深部地下水循環(huán),在深部高溫環(huán)境下形成有效的熱對流系統(tǒng),從而使該斷裂成為區(qū)域內(nèi)主要的導(dǎo)水、導(dǎo)熱構(gòu)造。

(3)儲(chǔ):研究區(qū)內(nèi)古近紀(jì)東營組上部為灰綠、灰白色砂巖、細(xì)砂巖及泥巖;中部為棕紅色泥巖、細(xì)礫巖;下部為灰白、灰綠色細(xì)礫巖、細(xì)砂及泥巖。頂板埋深為1 1 2 7~1 430 m,厚度在1 2~707 m之間,地層沉積厚度呈由西往東增大的趨勢,頂板埋深表現(xiàn)為由北往南逐漸增大。新近紀(jì)館陶組上部為灰白色礫狀砂巖、細(xì)砂巖、灰綠色細(xì)砂巖和棕紅色泥巖的交互沉積,底部為含石英、黑色燧石的礫狀砂巖、砂礫巖。頂板埋深為7 1 2~1 001 m,厚度在301~807 m 之間,厚度呈現(xiàn)由西往東增大的趨勢,頂板埋深表現(xiàn)為由北往南增大的趨勢。新近紀(jì)館陶組與古近紀(jì)東營組為本研究的主要目的層,二者均為碎屑巖孔隙含水巖組,具有較好的地?zé)峄緱l件,砂層厚度較厚,水量較大,是區(qū)內(nèi)較為理想的層狀熱儲(chǔ),也是最具開發(fā)價(jià)值的熱儲(chǔ)層。

(4)蓋:新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組在區(qū)內(nèi)分布穩(wěn)定,頂板埋深為140~302 m,沉積厚度為528~807 m,其巖性多為泥巖,結(jié)構(gòu)致密,富水性差,巖石熱導(dǎo)率低,隔熱性能良好,加之埋藏淺,溫度低,可將其和第四紀(jì)平原組視為下伏熱儲(chǔ)層的保溫蓋層,為該區(qū)地?zé)岢刹靥峁┝肆己玫纳w層條件。

2.2 地溫場特征

根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》及區(qū)域地質(zhì)資料,砂巖的熱導(dǎo)率(K)為2.596 W/(m·℃),泥巖的熱導(dǎo)率為1.71 W/(m·℃),區(qū)內(nèi)館陶組與東營組地層砂巖厚度占地層厚度的56%左右,據(jù)此推算,館陶組與東營組地層的平均熱導(dǎo)率為2.20 W/(m·℃)[1 8]。 以區(qū)內(nèi)現(xiàn)有地?zé)峋?/a>(JS1井)綜合物探測井中的溫度測井資料所計(jì)算的館陶組與東營組平均地溫梯度為參數(shù),得到館陶組與東營組大地熱流值平均值為1.45 HFU(1 HFU=41.868 mW/m2)[1 9]。由區(qū)內(nèi)鉆孔測溫和恒溫帶地溫資料計(jì)算結(jié)果可知,平面上,研究區(qū)地溫梯度范圍為3.31~3.39℃/100m,由南向北逐漸增大(圖2),全區(qū)均呈現(xiàn)較明顯的地?zé)岙惓?縱向上,地溫梯度隨深度的增加逐漸降低,受地層巖性影響較大,館陶組、東營組地層地溫梯度分別為 3.57℃/100 m和3.32℃/100 m。

3 地?zé)豳Y源計(jì)算與評價(jià)

3.1 熱儲(chǔ)概念模型

在對研究區(qū)源、運(yùn)、儲(chǔ)、蓋特征及地溫場特征進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上,借鑒前人地?zé)豳Y源評價(jià)的方法,將區(qū)內(nèi)形態(tài)復(fù)雜、分布不規(guī)則的地質(zhì)體簡化為理想化的幾何模型,構(gòu)建了包含熱儲(chǔ)蓋層、熱儲(chǔ)層及熱儲(chǔ)底板等元素的熱儲(chǔ)概念模型(圖3)。

(1)將第四系松散沉積物及新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組的砂、泥巖互層序列統(tǒng)視為熱儲(chǔ)蓋層。

(2)將新近紀(jì)館陶組和古近紀(jì)東營組的砂礫巖層概化為一個(gè)均質(zhì)、各向同性,且在水平方向上連續(xù)展布的熱儲(chǔ)層,位于埕子口斷裂北側(cè)的新近紀(jì)館陶組砂巖層與下伏熱儲(chǔ)底板直接接觸。

(3)埕子口斷裂南北兩側(cè)的熱儲(chǔ)底板均由新太古代泰山巖群的變質(zhì)巖系構(gòu)成。

(4)地殼深部的傳導(dǎo)熱流是地下熱水的主要熱量來源,也存在沿埕子口斷裂形成的對流型熱源。

圖2 研究區(qū)地溫梯度等值線圖

圖3 研究區(qū)熱儲(chǔ)概念模型圖

3.2 分區(qū)及主要參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)特征及砂巖熱儲(chǔ)層發(fā)育層位,在熱儲(chǔ)資源計(jì)算中可將其劃分為2個(gè)區(qū)域。

Ⅰ區(qū)位于埕子口斷裂南側(cè),地層沉積相對連續(xù)穩(wěn)定,熱儲(chǔ)層主要包括新近紀(jì)館陶組與古近紀(jì)東營組的砂巖層,熱儲(chǔ)面積為0.3 1 5 km2。

Ⅱ區(qū)位于埕子口斷裂北側(cè),受斷裂活動(dòng)影響,地層遭受強(qiáng)烈剝蝕,古近紀(jì)東營組基本缺失,熱儲(chǔ)層僅由殘留的新近紀(jì)館陶組砂巖構(gòu)成,熱儲(chǔ)面積為 3.1 85 km2。

3.3 地?zé)豳Y源開發(fā)利用展望

研究區(qū)地?zé)崴饕N(yùn)藏在砂巖中,但在泥質(zhì)巖 (泥質(zhì)砂巖)中,也有少量的水和熱能存在,本次計(jì)算未考慮泥巖中的熱量和水量,僅對砂巖進(jìn)行計(jì)算。本研究只針對新近系館陶組和古近系東營組2個(gè)2 000 m以淺含水層段進(jìn)行計(jì)算,均為經(jīng)濟(jì)型地?zé)豳Y源。區(qū)內(nèi)地?zé)崴畯搅骶徛?計(jì)算時(shí)未考慮熱水的外來補(bǔ)給量。

本區(qū)總體上是以熱傳導(dǎo)為主的大地?zé)崃髯饔脵C(jī)制下形成的溫?zé)崴偷責(zé)豳Y源。熱儲(chǔ)類型主要為新近系館陶組與古近系東營組的砂巖熱儲(chǔ),構(gòu)成熱儲(chǔ)的源、運(yùn)、儲(chǔ)、蓋結(jié)構(gòu)完整。

埕子口斷裂以南(Ⅰ區(qū))主要熱儲(chǔ)層為新近系館陶組與古近系東營組砂巖層,熱儲(chǔ)層厚度大,地?zé)豳Y源總量為1.024×101 6J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為3.50×105t, 地?zé)崴?a href="http://www.syzhfj.com/t/開采.html" >開采資源量為1 900.93 m3/d;埕子口斷裂以北(Ⅱ區(qū))受斷層抬升影響,地層遭受嚴(yán)重剝蝕,東營組缺失,砂巖層厚度薄,但面積較大,地?zé)豳Y源總量為1.5 7 5×101 6J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為5.38×105t,地?zé)崴刹少Y源量為4 1 3 1.2 5 m3/d。

全區(qū)熱儲(chǔ)的總產(chǎn)能可達(dá)9.93 9 MW,按每年冬季供暖1 20 d開采計(jì)算,研究區(qū)地?zé)崃黧w年開采累計(jì)可利用的熱能量為1.7 1 7×108MJ,折合標(biāo)準(zhǔn)煤 5 85 9.83 t。

本區(qū)賦存的低溫地?zé)豳Y源(溫度<90℃)具有廣闊的開發(fā)前景,為實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)與社會(huì)價(jià)值最大化, 并推動(dòng)資源的可持續(xù)利用,可從以下方面系統(tǒng)規(guī)劃其開發(fā)利用路徑,并開展后續(xù)研究。

(1)大力推進(jìn)地?zé)崆鍧嵐┡?/a>,替代傳統(tǒng)燃煤方式,借鑒“取熱不取水”或“取熱不耗水”等技術(shù), 確保資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)。

(2)若地?zé)崃黧w水質(zhì)符合醫(yī)療熱礦水標(biāo)準(zhǔn)(如富含鋰、氟、偏硅酸等有益組分),可積極發(fā)展溫泉康養(yǎng)、旅游休閑等產(chǎn)業(yè)。

(3)拓展農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍,用于溫室種植與水產(chǎn)養(yǎng)殖,并通過“一次取水,梯級利用”的模式[2 6],顯著提升熱能利用效率和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。為確保資源的長期可持續(xù)利用,后續(xù)工作應(yīng)聚焦于地?zé)崃黧w質(zhì)量的精準(zhǔn)評價(jià),并建立嚴(yán)格的資源保護(hù)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系,定期監(jiān)測水位、水溫、水量變化,評估開采對地質(zhì)環(huán)境的影響,為資源的科學(xué)規(guī)劃與長效管理提供關(guān)鍵依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)通過對碣石山地?zé)釁^(qū)塊的自然概況、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及地?zé)?a href="http://www.syzhfj.com/t/地質(zhì)條件.html" >地質(zhì)條件進(jìn)行收集和總結(jié),系統(tǒng)分析了地層巖性分布特征、構(gòu)造分布、熱儲(chǔ)特征及地溫的分布特征及規(guī)律,構(gòu)建了研究區(qū)的熱儲(chǔ)概念模型。研究區(qū)內(nèi)館陶組與東營組熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源豐富, 構(gòu)成熱儲(chǔ)的源、運(yùn)、儲(chǔ)、蓋結(jié)構(gòu)完整,屬于傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源,熱儲(chǔ)類型為砂巖熱儲(chǔ)。

(2)利用熱儲(chǔ)法計(jì)算得到研究區(qū)內(nèi)館陶組和東營組熱儲(chǔ)中地?zé)豳Y源總量為2.599×101 6J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤 8.88×105t;可利用地?zé)豳Y源總量為6.496×101 5J,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為2.22×105t。區(qū)內(nèi)館陶組及東營組熱儲(chǔ)的產(chǎn)能為9.939 MW。按照每年冬季供暖季120 d開采計(jì)算,得到地?zé)崃黧w年開采累計(jì)可利用的熱能量為 1.71 7×108MJ,折合標(biāo)準(zhǔn)煤5 859.83 t。