中國沉積盆地型地熱資源特征
張薇，王貴玲，劉峰，邢林嘯，李曼
作者簡介：張薇，碩士生，高級工程師，主要從事地熱地質調查評價工作。
通訊作者：王貴玲，博士，研究員，主要從事熱資源評價、深部地熱開發(fā)等方面工作。
導讀：
勘查開發(fā)地熱資源利國利民，需求突出。哪里有地熱投資者最關心，哪些地層有熱水資源賦存勘查者最關注。
目前，我國開發(fā)利用的地熱資源絕大部分為水熱型地熱資源，其主要類型為中低溫沉積盆地型地熱資源，具有儲量大（約占水熱型地熱資源問題近9成）、分布廣和可利用程度高等特點。張薇、王貴玲等在中國地質調查局項目、中國地質科學院基本科研業(yè)務費項目和國家自然科學基金青年基金項目聯(lián)合資助下，總結分析了中國沉積盆地型地熱資源特點，論述了我國主要熱儲層分布規(guī)律和水化學特征，評價了我國主要沉積盆地型地熱資源潛力，本文研究成果為廣大沉積巖分布區(qū)地熱資源勘查開發(fā)指明了方向。
地熱資源是可再生能源家族的重要成員，具有豐富的資源潛力，利用系數(shù)高，生命周期二氧化碳排放低，潛在的低成本優(yōu)勢。地熱資源對于未來能源供應與節(jié)能減排的巨大潛力，受到了世界各國高度認同與重視。世界上許多國家完成了地熱資源調查評價工作，日本自1957—1977年曾4次對本國的中低溫熱水資源和超深度高溫熱流體資源作了勘查評價；美國在1975年和1978年公布了“726”和'790'通報，詳細介紹了美國地熱資源評價成果，1982年又公布了“892”通報，專門介紹低溫地熱資源評價報告。美國地質調查局評價了已探明的241個中高溫地熱區(qū)所在的美國西部13個州的地熱潛力；韓國通過1560個熱特性數(shù)據(jù)，353個熱流數(shù)據(jù)，54個地表溫度數(shù)據(jù)和180個產(chǎn)熱數(shù)據(jù)分析了韓國的地熱能和等溫線圖；薩爾瓦多在1988年就對本國的溫泉、地熱井等地熱資源進行了初步評估，鑒定和描述了70個地熱活動區(qū)；波蘭在2015年繪制出版了地熱水和能源資源圖集，展現(xiàn)了地熱資源現(xiàn)狀。中國在20世紀70年代完成了20多個省區(qū)地熱資源普查工作；近年來，又先后開展了寧夏銀川平原、北京市城區(qū)、陜西關中盆地、魯北等地區(qū)地熱資源勘查評價工作；并于2015年全面完成了31個?。ㄊ校┑牡責豳Y源調查評價工作，并針對京津冀等重點地區(qū)完成了地熱資源成因模式和潛力研究。中國地熱能資源分布具有明顯的規(guī)律性和地帶性，但受構造、巖漿活動、地層巖性、水文地質條件等因素的控制，總體分布不均勻。分布在山地斷裂帶上的地熱資源一般規(guī)模較小，主要分布于中國的東南沿海、臺灣、藏南、川西、滇西和膠遼半島等地區(qū)，包括中低溫地熱資源和高溫地熱資源。分布在盆地特別是大型沉積盆地的地熱資源儲量大，是地熱資源開發(fā)潛力最大的地區(qū)，約占我國目前可開發(fā)利用水熱型地熱資源的89%。主要分布于我國的東部華北平原、河淮平原、松遼盆地和環(huán)鄂爾多斯斷陷盆地等地區(qū)，均為中低溫地熱資源。中國有盆地392個，總面積400萬km2。其中大型盆地（面積大于5萬km2）有9個，中型（1~5萬km2）盆地有39個，其余多為小型的山間盆地。主要的沉積盆地有華北平原、河淮平原、松嫩平原、四川盆地、鄂爾多斯盆地、蘇北盆地、江漢盆地、準噶爾盆地與塔里木盆地等（圖1），盆地地熱資源存在東西差異，分布受大地構造環(huán)境的控制。沉積盆地區(qū)有利于地下熱水的形成與賦存，大型、特大型沉積盆地的沉積層厚度大，其中既有由粗碎屑物質組成的高孔隙、高滲透性的儲集層，又有由細粒物質組成的隔熱、隔水層，起著積熱保溫的作用。大型沉積盆地是區(qū)域水的匯集區(qū)，具有利于熱水集存的水動力環(huán)境，使進入盆地的地下水流可完全吸收巖層的熱量而增溫，在盆地的地下水徑流滯緩帶，成為地熱水賦存的理想環(huán)境，也是開發(fā)利用地熱水資源的有利地段，尤其是在沉積物厚度大、深部又有粗碎屑沉積層分布的地區(qū)，如華北、松遼等大型沉積盆地的中部。沉積盆地上部一般分布著孔隙型熱儲，巖性一般為第四系松散巖類、新近系和古近系砂巖以及中生界沉積巖。裂隙型熱儲主要分布于沉積盆地下部，一般為沉積巖、變質巖、花崗巖和火山巖。盆地基底隱伏有碳酸鹽巖的地區(qū)，分布有巖溶型熱儲。我國中、新元古代和早古生代碳酸鹽巖地層沉積厚度大，層位穩(wěn)定、分布廣泛，巖溶裂隙發(fā)育，水的連通性較好，盆地內(nèi)的隱伏碳酸鹽巖與盆地周邊的同類巖層有構造上聯(lián)系和一定的水力聯(lián)系，是周邊碳酸鹽巖裂隙巖溶水的匯流排泄地段或滯流區(qū)。沉積盆地型地熱資源，特別是大型沉積盆地的熱儲溫度隨深度增加，地熱資源儲量大。中國水熱型地熱資源儲存量折合標準煤1.25萬億t，可開采量折合標準煤19億t，其中主要沉積盆地地熱資源儲存量折合標準煤1.06萬億t，占全國總量的85%，可開采量折合標準煤17億t，占全國總量的89%。大地熱流是沉積盆地熱儲層的供熱源，區(qū)域熱流背景值的大小，對盆地地熱水的聚存有重要的、決定性的作用。中國主要沉積盆地的大地熱流背景值，盡管有所差別，但均屬正常值范圍，介于40~75mW/m2，這就決定了在有限的深度內(nèi)（3000m），不具有高溫地熱資源形成的條件。低溫背景值，決定了盆地一般只賦存低溫地熱水（小于90℃），部分為中溫（90~150℃）的地熱水資源。中低溫熱水在全國正以強勁勢頭向規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化方向健康發(fā)展，中國的地熱直接利用水平已居世界之首。沉積盆地地熱資源資源利用方式多樣，如地熱供暖、醫(yī)療保健、溫泉洗浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)灌溉等。已開發(fā)利用的地熱田中，全部或部分用于洗浴的估計占熱田總數(shù)的60%以上，占地熱資源直接利用的18%；隨著全球環(huán)境保護意識的增強，加大了以地熱供暖為主的開發(fā)力度，到2014年底地熱供暖比例為19%，首次超過溫泉洗浴。大地熱流是一個綜合參數(shù)，是地球內(nèi)熱在地表可直接測得唯一的物理量，它比其他地熱單項參數(shù)（溫度、地溫梯度）更能反映一個地區(qū)地熱場的基本特點。一般來說，構造活動越強烈或構造-熱事件年齡越小的地區(qū)，大地熱流值越高；構造穩(wěn)定的古老塊體大地熱流值較低。沉積盆地基巖面的起伏形成基底隆起和凹陷格局，對區(qū)域地溫場和地表熱流的分布起著控制作用，使得基底隆起區(qū)的大地熱流值大于凹陷區(qū)的大地熱流值。中國沉積盆地大地熱值分布很不均勻，總體分布格局表現(xiàn)為東高、中低，西南高、西北低。具體來看，西藏南部分地區(qū)、廈門部分地區(qū)熱流值最高，平均值為100~150mW/m2。其次為西藏北部、鄂爾多斯盆地、四川盆地、南方沿海盆地，東部的華北南部、松遼盆地北部、蘇北等地，平均值在55~80mW/m2，其次為新疆的塔里木盆地、準噶爾盆地、四川盆地北部以及北部松遼盆地北部與等，其平均值為30~50mW/m2。中國大陸地區(qū)熱流圖（來源：熊盛青等，2016）根據(jù)大地熱流值分布，將小于50mW/m2的沉積盆地劃為冷盆，50~65mW/m2的為溫盆，大于65mW/m2的為熱盆。熱盆主要位于中國東部地區(qū)，如松遼盆地、下遼河盆地、華北平原、蘇北盆地、江淮盆地和汾渭盆地，大地熱流值相對較高，大部分在65~75mW/m2，最高值均高于75mW/m2，其中汾渭盆地的中部，即山西和陜西的交界處大地熱流值最高，而松遼盆地北部小部分地區(qū)、汾渭盆地北部小部分地區(qū)以及江淮盆地西部大地熱流值小于65mW/m2。溫盆主要位于中國中部地區(qū)，如江漢盆地、河套平原、銀川平原、鄂爾多斯盆地、四川盆地及西寧盆地，這些盆地大地熱流值變化幅度較小，一般在50~65mW/m2，僅在鄂爾多斯盆地東南部的小范圍內(nèi)出現(xiàn)了65~70mW/m2的大地熱流值，在江漢盆地東部小范圍和四川盆地西北部小范圍地區(qū)出現(xiàn)45~50mW/m2的大地熱流值；準噶爾盆地、塔里木盆地和柴達木盆地等冷盆位于我國西部，大地熱流值較小，大部分位于35~50mW/m2，僅在塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠中部和柴達木盆地西部出現(xiàn)50~60mW/m2的大地熱流值。地溫場是反映盆地熱動力系統(tǒng)的重要標志，地溫場空間分布的不均一性，是中國沉積盆地復雜性的特征之一。地溫場的形成受各種復雜的地質與水文地質條件控制，主要控制因素為地質構造、基地起伏、巖漿活動、巖性、蓋層褶皺、斷層、地下水活動及烴類聚焦等。地溫梯度是指一定深度地層地溫之差與深度之比，是反映該地區(qū)地層地熱特性的重要參數(shù)之一。在水平方向，我國主要沉積盆地中，地溫梯度值多在1.5~4.0℃/100m，地溫梯度最高值主要分布在華北平原（南部）、河淮盆地西部、蘇北盆地、松遼盆地中部、下遼河盆地靠近遼東丘陵地區(qū)、汾渭盆地大部、江漢盆地和河套平原，其值多在3.0~4.5℃/100m，最高可達6.0~7.0℃/100m；最低值位于塔里木盆地、準噶爾盆地部分地區(qū)、四川盆地西北地區(qū)和銀川平原西南部盆地邊緣，其值低于2.0℃/100m。一般盆地在發(fā)育的主要時期，地溫梯度總體較高，都大于3.5~4.0℃/100m，但多數(shù)沉積盆地現(xiàn)今的地熱場較低，地溫梯度均小于4.0℃/100m，多數(shù)盆地小于3.0℃/100m。在垂直方向，地溫的垂向變化除受地層巖性控制外，還受基底構造的控制，中、新生界的蓋層，在隆起區(qū)其垂向增溫較快、溫度較高，在臺陷、斷凹區(qū)則增溫較慢、地溫也相對較低。此外，垂向上的蓋層地溫梯度、基巖熱儲溫度還與基巖埋深有關。蓋層地溫梯度值隨著基巖頂面埋深的加大而逐漸減小，而基巖熱儲溫度隨基巖頂面埋深加大而逐漸增大。我國主要沉積盆地地溫垂向變化可看出熱盆各層深度上的地溫普遍高于其他盆地。沉積盆地熱儲層主要可分為砂巖孔隙型熱儲與基巖巖溶裂隙熱儲兩大類型。砂巖孔隙型熱儲多為新生界沉積層沉積而來，一般埋藏較淺、溫度較低，多形成大面積的地熱賦存區(qū)。基巖熱儲被新生界沉積層掩蓋，有利于儲集層的聚熱和保溫，溫度相對較高。盆地地熱資源存在東西差異。東部地區(qū)的華北、蘇北，軟流圈上拱地殼變薄，沉積巨厚，發(fā)育多層疊置的熱儲系統(tǒng)，主要熱儲層是新生界砂巖孔隙型熱儲和古生界與中新元古界碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲。中部四川、鄂爾多斯等盆地，地殼總體較厚，主要熱儲層是中生界砂巖孔隙型熱儲和古生界碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲，一般為低溫熱水，深凹陷地帶賦存中溫熱鹵水。西部包括塔里木、柴達木、準噶爾等盆地，地殼厚，盆地熱流值低，主要熱儲層是古近系砂礫孔隙型熱儲和古生界碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲，一般礦化度較高，常為鹵水。北部主要為松遼盆地、下遼河盆地，地殼較厚，發(fā)育多層熱儲系統(tǒng)，主要的熱儲層為中新生界砂巖孔隙型熱儲。在不同盆地中分布的同類型熱儲的空間分布存在差異，其補給、徑流、排泄條件也不同，導致其儲水能力及地下熱水的水化學特征等存在顯著差異。不同盆地熱儲分布見表1。新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營組等地層的熱儲在華北、河淮及下遼河盆地均有分布，是中國華北平原及河淮盆地地熱區(qū)的代表性熱儲層，均屬于孔隙型層狀熱儲。除上述3個跨區(qū)分布的典型熱儲層之外，新近系的鹽城組、廣化寺組、張家坡組、藍田灞河組、冷水溝—寇家村組、紅河組、干河溝組、紅柳溝組、油砂山組、干柴溝組等地層的熱儲，以及古近系的沙河街組、三垛組、戴南組、沙市組、新溝嘴組、荊沙組、潛江組、荊河鎮(zhèn)組、白鹿塬組、清水營組、路樂河組、紅溝組、馬哈拉溝組、祁家川組等地層熱儲只在單一盆地中分布。其中除銀川平原的新近系干河溝組、紅柳溝組熱儲，古近系清水營組為裂隙型層狀熱儲，西寧盆地古近系紅溝組、馬哈拉溝組、祁家川組熱儲為裂隙孔隙型熱儲，其余均為孔隙型層狀熱儲，具體見表2。表2 主要盆地新近系—古近系熱儲分布
該類型熱儲中，具有代表性的為華北平原新近系明化鎮(zhèn)組、新近系館陶組與古近系東營組熱儲。華北平原明化鎮(zhèn)組熱儲地層巖性以河流-淺湖相砂巖、泥巖互層為主。熱儲層由中細砂巖與含礫砂巖構成，一般單層厚度1~5m，最厚可達數(shù)十米，砂層占地層厚度比例一般在30%左右，有效孔隙度為23%~31%。地熱井單井涌水量一般1000~1500m3/d，熱水溫度35~50℃，最高可達60℃。館陶組巖性顆粒較粗，為河流-淺湖相含礫砂巖，底部普遍發(fā)育一層礫巖，該層底礫巖是館陶組底部的標志層。館陶組熱儲層單層厚度為3~13m，砂巖占地層厚度比例為40%~50%（黃驊臺陷北部地區(qū)可達60%）。有效孔隙度為24%~33%，熱水溫度56~85℃。東營組熱儲巖性主要為砂巖，砂巖呈反旋回序列，單位涌水量0.33m3/h·m，穩(wěn)定流溫90~93℃，孔隙率23.11%~32.57%。白堊系熱儲層主要分布于松遼盆地、鄂爾多斯盆地的中部及西部大片地區(qū)、江漢平原的北部與中部局部地區(qū)以及西寧盆地的部分地區(qū)。該熱儲層巖性多為砂巖、泥巖、頁巖，熱儲埋藏深度變化較大。該類型熱儲中，具有代表性的為鄂爾多斯盆地洛河組熱儲層。該熱儲巖性以砂巖、砂礫巖為主。洛河組也是鄂爾多斯盆地內(nèi)分布最廣的含水層。巖層滲透性好，水量較豐富，在盆地中部可自流。在300~1200m的深度內(nèi)，砂巖孔隙熱水儲層的厚度為100~300m，該儲層在盆地東部埋藏較淺，厚度較薄，在西部埋藏較深，厚度較大，從整個盆地來看，儲層溫度多在25~55℃。二疊—三疊系熱儲層分布較少，主要分布于四川盆地，在汾渭盆地的清交凹陷、曲亭等地有一定范圍分布，準噶爾盆地也有分布。該熱儲層巖性在四川盆地多為石灰?guī)r，其熱儲類型屬于巖溶型層狀熱儲；汾渭盆地多為砂巖，熱儲埋藏深度變化較大，屬于孔隙型層狀熱儲；準噶爾盆地內(nèi)的該層熱儲則屬于裂隙型層狀熱儲。本層地熱水循環(huán)能力相對較差。該類型熱儲中，具有代表性的為四川盆地三疊系雷口坡組、嘉陵江組與二疊系茅口組熱儲層。茅口組熱儲巖性主要為含煤的碎屑巖夾鋁土巖，上部為石灰?guī)r夾燧石結核，厚約千余米，中部整體熱儲層溫度較高，均大于60℃，熱儲溫度變化由周邊向盆地中心溫度逐漸增加。雷口坡組、嘉陵江組熱儲由海陸交互相、淺海相砂泥巖、碳酸鹽巖組成；中部溫度變化范圍為40~180℃，大致呈西高東低、中間高四周低的由東南向西部逐漸遞增的趨勢變化。寒武—奧陶系熱儲層分布范圍較廣，是常見的巖溶熱儲層，主要分布范圍包括華北平原的構造凸起區(qū)、河淮平原的湯陰斷陷地區(qū)、汾渭盆地的部分地區(qū)、鄂爾多斯盆地北部與銀川平原中部。該熱儲層巖性多為碳酸鹽巖，為巖溶型熱儲。熱儲埋藏深度變化較大。該類型熱儲中，具有代表性的為河淮平原寒武—奧陶系熱儲。寒武系為一套濱海氧化還原環(huán)境中的沉積產(chǎn)物，下統(tǒng)為含磷砂巖、含膏白云巖、云斑灰?guī)r、泥質白云巖，中統(tǒng)為含云母頁巖、海綠石砂巖夾石灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r，上統(tǒng)為泥質白云巖、白云巖。奧陶系為一套灰色厚層—巨厚層灰?guī)r夾白云巖、角礫狀灰?guī)r、角礫狀白云巖的巖石組合。底部含砂礫。由于受構造控制，熱儲裂隙、溶隙、溶洞發(fā)育程度不同，富水性不均，在構造帶附近，巖溶、裂隙發(fā)育，富水性較好。元古宇—太古宇熱儲層分布范圍相對較小，多分布于元古宙—太古宙地層有出露或埋藏較淺的地區(qū)，包括華北平原中部與北部、汾渭盆地的大同盆地、忻州盆地與關中盆地西部、河套平原的呼和浩特地區(qū)。該熱儲層為巖溶熱儲，巖性在華北平原為碳酸鹽巖，在汾渭盆地和河套平原則為變質巖。熱儲埋藏深度變化較大。該類型熱儲中，具有代表性的為華北平原中新元古界熱儲，包括薊縣系霧迷山組熱儲與長城系高于莊組熱儲。霧迷山組熱儲是一套淺海相沉積，巖性為白云巖、中部夾泥質白云巖，經(jīng)歷了漫長的地質時期剝蝕風化和淋濾作用，風化殼厚度較大，一般為20~30m，大者70m，巖溶裂隙發(fā)育，連通性好，熱儲層厚度占地層厚度的25%~64.2%，熱儲層平均有效孔隙度3%~6%。單井涌水量400~1500m3/d，井口水溫達到60~80℃，最高可達104℃。該熱儲層是本區(qū)最好的基巖熱儲層。長城系高于莊組熱儲層巖性為灰色白云巖、角礫巖、泥質白云巖，單井涌水量400~1500m3/d，井口水溫達到50~80℃。中國大面積分布的中、新生代陸相沉積盆地，但由于盆地的沉積環(huán)境、發(fā)展歷史和基底構造的不同，其中地下熱水的水化學成分比較復雜，沉積盆地型熱水資源的形成與儲存需要較大規(guī)模的儲集層與隔水蓋層。地下熱水總體徑流途徑較長，埋藏較深，儲存環(huán)境較封閉，礦化度相對較高，水質相對較差。同時由于地下熱水溫度相對較高，與圍巖反應更加強烈，溶解的化學物質總量較大，成分也比普通盆地地下水復雜，多含有多種微量元素。對地熱水的水化學特征研究可以揭示地熱流體的來源、成因、年齡、運移儲存狀態(tài)、儲層溫度等特征。受補給、徑流、排泄條件及地質構造的控制，從山前到盆地中部由淺層熱儲到深部熱儲，沉積盆地型地下熱水水化學類型一般由HCO3-Na型、HCO3·Cl-Na型等低礦化水，逐漸過渡為Cl·HCO3-Na型，最終到排泄區(qū)或封閉狀態(tài)下變?yōu)?/span>Cl-Na型等高礦化水，礦化度從淺到深也逐步增大。從區(qū)域地球化學特征來看，沉積盆地地下熱水總的徑流方向是由山前向盆地中心、或由地勢較高處向排泄區(qū)兩個徑流方向，沉積盆地水化學的基本特征可以反映地下熱水的補給條件。熱盆由于地熱水賦存條件較好，熱儲層一般分布面積較大，從山前至盆地中心都有分布，有足夠的規(guī)模使水動力環(huán)境出現(xiàn)明顯分帶的特點。盆地山前地帶為地熱水的補給區(qū)，也是地表水和大氣降水滲濾的交替區(qū)域，地熱水常為低礦化度的HCO3型熱水。向盆地中心的徑流過渡地區(qū)，地熱水徑流交替強度逐漸變小，礦化度逐漸增大，水中Cl-、SO42-廣等離子逐漸成為主要離子。至盆地中心的地下水排泄區(qū)，化學類型基本變?yōu)?/span>Cl-Na型、Cl-Ca型，礦化度一般＞1g/L。溫盆、冷盆地熱發(fā)育條件限制，熱儲層一般埋藏較深，徑流循環(huán)條件較差，具有密閉的成巖背景，表現(xiàn)出典型的深層地下水特征，多水油同層，多鹽鹵水。江漢盆地、四川盆地、柴達木盆地，由于地層中分布有鹽巖層，地下熱水礦化度極高，并出現(xiàn)熱鹵水，礦化度大于100g/L，多為Cl-Na-Ca型水。鄂爾多斯等盆地地下熱水的礦化度較高，一般在50g/L，最高可達70-80g/L，多為Cl-Na型水。越靠近凹陷或鹽巖地層，礦化度越高，所富含的微量元素含量越高。中國沉積盆地地熱資源分布廣泛，熱儲層多樣。不同熱儲層由于其補給、徑流、排泄條件的不同，地熱水化學特征也有很大不同。新近系熱儲層主要分布在地熱資源賦存條件較好、地溫梯度較高的熱盆中。該熱儲層一般埋藏較淺，多為盆地內(nèi)多層熱儲的第一個熱儲層，熱儲溫度相對較低。熱儲層巖性多為松散的砂、礫巖和砂巖，透水性較好，地熱水流通能力較強。地熱水一般礦化度較小、水質較好，具有淺層地下水的性質。該類型熱儲中，具有代表性的為華北平原新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、古近系東營組熱儲。華北平原明化鎮(zhèn)組熱儲大面積分布，為半開啟的封閉環(huán)境，地下水廣泛接受現(xiàn)代降水和古降水的淋濾，地下水交替強烈，因此賦存其中的地熱水為低溫承壓水，除局部地區(qū)小于1g/L或大于7g/L之外，大部分地區(qū)礦化度基本在1.0?4.0g/L，水化學類型為HCO3-Na型水，個別地區(qū)水化學類型為Cl-Na型和Cl·HCO3-Na型水（圖2），pH大部分在7.22-8.98，呈弱堿性。館陶組熱儲巖性以河流相的粉細砂巖、砂礫巖為主，為半封閉的水文地質環(huán)境，館陶組熱儲水化學類型以Cl·HCO3-Na和Cl-Na型為主大部分地區(qū)礦化度在2-6g/L，分布廣泛，pH在7.1-8.75，呈弱堿性。東營組熱儲分布面積較小，環(huán)境較為封閉，地熱水的水化學類型以Cl-Na·Ca型為主，其次為Cl-Na型，礦化度相對較高（表3）。圖2 主要沉積盆地地熱資源儲存量和可開采量按溫度對比圖
表3 華北平原新近系—古近系熱儲水化學特征
白堊系熱儲層多為的砂巖、泥巖、頁巖，熱儲埋藏深度變化較大，地熱水礦化度相對不高，基本小于10g/L、水質相對較好，在大型盆地內(nèi)的熱儲層水化學性質表現(xiàn)出強烈的分帶性。該類型熱儲中，具有代表性的為鄂爾多斯盆地白堊系洛河組熱儲。該熱儲在鄂爾多斯盆地廣泛分布，受地下水徑流條件控制，以盆地中部的分水嶺為界，向各個方向水化學特征的變化具有典型的水平分帶性。分水嶺兩側以低礦化度的HCO3型水為主，隨著徑流路徑的增長逐步變?yōu)?/span>HCO3·Cl型水、HCO3·SO4型水和SO4·Cl型水。部分地區(qū)白堊系洛河組巖層裸露或埋藏較淺的地區(qū)，礦化度較低。二疊—三疊系熱儲層分布較少，熱儲層巖性在四川盆地多為石灰?guī)r，汾渭盆地多為砂巖，熱儲埋藏深度變化較大。本層地熱水循環(huán)能力相對較差，礦化度相對較高，在四川盆地多為鹽水、鹵水，在汾渭盆地多為咸水，礦化度基本都為幾十甚至上百g/L、水質相對較差。該類型熱儲中，具有代表性的為四川盆地三疊系雷口坡組、嘉陵江組與二疊系茅口組熱儲層。該熱儲層埋藏較深，地下水所處環(huán)境較為封閉，在長距離徑流后，由徑流路徑至盆地的排泄區(qū)地下熱水從SO4-Ca型水和SO4-Ca·Mg型水逐步變?yōu)橐愿叩V化度的Na-Cl型水為主礦化度最高達200g/L，為鹽鹵水。鹽鹵水同海相沉積關系密切，Mg2+的含量較海水蒸發(fā)同期低，Ca2+的含量較海水蒸發(fā)同期高，說明在鹵水演化過程中發(fā)生了白云巖化作用和陽離子交換作用，SO42-廣含量較海水蒸發(fā)同期低，這是由于厭氧細菌通過生物化學作用將SO42-廣分解成為H2S所致。寒武—奧陶系熱儲層分布范圍較廣，是常見的巖溶熱儲層，儲層巖性多為碳酸鹽巖，為巖溶型熱儲。熱儲埋藏深度變化較大。由于巖溶含水層地下水流通性較高，地熱水水質相對較好，礦化度不大，多為淡水與微咸水。該類型熱儲中，具有代表性的為河淮平原寒武—奧陶系熱儲。自補給到排泄區(qū)的水化學特征具有分帶性規(guī)律：自南向北，隨著巖溶含水層埋深的加大，徑流途徑加長，水巖作用時間增加，巖溶地下水的交替條件由快變慢，TDS、SO42-含量由小變大，Ca2+濃度則由大變小，水化學類型由補給區(qū)的HCO3型轉變?yōu)榕判箙^(qū)的HCO3·SO4型和SO4·HCO3型。水化學分析充分說明巖溶水水化學特征可指示巖溶水的補給徑流條件。本區(qū)部分寒武—奧陶系巖層出露，巖溶地下水主要接受大氣降水的入滲補給，徑流過程中，形成的一些區(qū)域巖溶水系統(tǒng)內(nèi)的一些局部流動系統(tǒng)，地下水徑流途徑較短，補給交替強烈，地下水礦化度較??；而在大區(qū)域的巖溶熱儲層中，排泄區(qū)地下水礦化度變大，最大約4g/L。元古宇—太古宇熱儲層分布范圍相對較小，多分布于元古宇—太古宇地層有出露或埋藏較淺的地區(qū)，為巖溶熱儲，巖性在華北平原為碳酸鹽巖，在汾渭盆地則為變質巖。熱儲埋藏深度變化較大。由于巖溶含水層地下水流通性較高，地熱水水質相對較好，礦化度不大，多為淡水與微咸水。該類型熱儲中，具有代表性的為華北平原中新元古界熱儲，包括薊縣系霧迷山組熱儲與長城系高于莊組熱儲。該熱儲裂隙、孔洞發(fā)育，地下水循環(huán)條件較好。地熱水礦化度一般為0.6~7g/L，水化學類型以Cl-Na、Cl·HCO3·SO4-Na型水為主，pH多在8左右。熱儲陽離子均以Na+為主，陰離子受補給源遠近、熱儲埋深、構造位置及上覆地層等多種因素影響，表現(xiàn)為垂直及水平方向的分帶性。水平上，自山前向平原中部回流，礦化度逐步由1g/L升為數(shù)十克，反映了地下水補給—循環(huán)交替—滯留—排泄的變化規(guī)律。垂向上，主要受所在熱儲層與構造位置的影響，一般凸起區(qū)水質優(yōu)于凹陷區(qū)，高凸起區(qū)優(yōu)于低凸起或潛山區(qū)。在華北平原中（表4），霧迷山組熱儲是一套淺海相沉積，巖性為白云巖、中部夾泥質白云巖，經(jīng)歷了漫長的地質時期剝蝕風化和淋濾作用，風化殼厚度較大，一般為20~30m，大者70m，巖溶裂隙發(fā)育，連通性好，熱儲層厚度占地層厚度的25%~64.2%，熱儲層平均有效孔隙度3%~6%。單井涌水量400~1500m3/d，井口水溫達到60~80℃，最高可達104℃。該熱儲層是本區(qū)最好的基巖熱儲層。長城系高于莊組熱儲層巖性為灰色白云巖、角礫巖、泥質白云巖，單井涌水量400~1500m3/d，井口水溫達到50~80℃。表4 主要盆地元古界—太古界熱儲水化學特征
根據(jù)不同溫度地熱資源開發(fā)利用方向不同，將25~40℃，40~60℃，60~90℃，90~150℃，＞150℃五個不同溫度范圍地熱資源分別進行評價，包括地熱資源量、地熱資源可開采量、地熱流體儲存量、地熱流體可開采量、地熱流體可開采熱量、考慮回灌條件下地熱流體可開采量、考慮回灌條件下地熱流體可開采熱量，其中有井控制的，須同時滿足埋深在4000m以內(nèi)且熱儲層溫度25℃以上和單井出水量大于20m3/h。沒有井控制、資料較少的，遠景評價區(qū)通過蓋層平均地溫梯度大于2.5℃/100m來圈定熱儲面積，地溫梯度、熱儲層厚度、砂厚比根據(jù)以往成果資料獲得，熱儲層溫度采用地溫梯度推算確定，具體計算方法如下：（2）地熱資源可開采量計算，地熱資源可開采量即為可利用地熱資源量，可利用地熱資源量采用回收率法進行計算，計算公式如下：用熱儲法計算出的地熱資源量不可能全部被開采出來，只能開采出一部分，二者的比值稱為回收率。回收率根據(jù)工作區(qū)的實際情況，參考《地熱資源評價方法》DZ40-85關于回收率的有關規(guī)定確定。對于大型沉積盆地的新生代砂巖，當孔隙度大于20%，熱儲回收率定為0.25，碳酸鹽巖裂隙熱儲定為0.15，中生代砂巖和花崗巖等火成巖類熱儲則根據(jù)裂隙發(fā)育情況定為0.05~0.1。（3）地熱流體儲存量計算，包括容積儲存量與彈性儲存量兩部分。計算公式如下：（4）地熱流體可開采量計算，單井地熱流體可開采量采用最大允許降深法或開采系數(shù)法確定：可采地熱流體量采用最大允許降深法，設定一定開采期限內(nèi)（一般為100年），計算區(qū)中心水位降深與單井開采附加水位降深之和不大于100m時，求得的最大開采量，為計算區(qū)地熱流體的可開采量。表達式為：地熱遠景區(qū)采用可采系數(shù)法，開采系數(shù)的大小，取決于熱儲巖性、孔隙裂隙發(fā)育情況以及補給情況，有補給情況下取大值，無補給情況下取小值。對于盆地型地熱田，按回灌條件下開采100年，消耗15%的地熱儲量，根據(jù)熱量平衡計算影響半徑和允許開采量公式如下：
考慮回灌條件下，地熱流體可開采熱量計算公式，見地熱流體可開采熱量計算公式。利用如上評價方法，進行了沉積盆地型地熱資源潛力評價。中國主要沉積盆地地熱資源儲存量為3.11x1019kJ，折合標準煤1.06x1012t，地熱資源可開采量為5.29x1018kJ，折合標準煤1.80x1011t，地熱流體可儲存量為3.87x1013m3，地熱流體可開采量1.44x1010m3/a，地熱流體可開采熱量2.65x1015kJ/a，折合標準煤9.83x107t，考慮回灌條件下地熱流體可開采總量為2.59x1011m3/a，對應可開采流體熱量為4.98x1016kJ/a，折合標準煤1.70x109t(表5)。地熱資源的開發(fā)利用每年可替代9.05x107t標煤，可減少二氧化碳氣體排放3.60x108t，可減少二氧化硫排放2.56x106t，可減少氮氧化物排放9.05x105t，可減少懸浮粉塵1.21x106t，可減少煤灰渣排放量1.513X107t。表5 中國地熱資源潛力
中國主要沉積盆地中地熱資源儲存量較大的是華北平原、河淮平原和四川盆地，其次為汾渭盆地、鄂爾多斯盆地和松遼盆地。其中熱盆包括華北平原、河淮平原、蘇北平原、松遼盆地、下遼河平原和汾渭盆地，熱盆地熱資源儲存量較大，占到主要沉積盆地總儲存量的54%，地熱資源可開采量占到主要沉積盆地總可開采量的59%；溫盆包括鄂爾多斯盆地、四川盆地、江漢盆地、河套盆地、銀川平原和西寧盆地，溫盆地熱資源儲存量占到42%，可開采量占到40%；冷盆包括準噶爾盆地、塔里木盆地和柴達木盆地，地熱資源儲存量僅占到4%，可開采量占到1%。根據(jù)中國主要沉積盆地地熱資源儲存量和可開采量按溫度對比圖(圖2)，我國主要沉積盆地中90-150℃和60-90℃的地熱資源儲存量和可開采量占較大比例。90-150℃地熱資源儲存量占到40%，地熱資源可開采量占36%；60~90℃的地熱資源儲存量占到30%，地熱資源可開采量占30%；40~60℃的地熱資源儲存量占到22%，地熱資源可開采量占24%；25~40℃的地熱資源儲存量占到8%，地熱資源可開采量占10%；高于150℃的地熱資源儲存量很少，低于1%(表6)。表6 主要沉積盆地地熱資源不同溫度資源量及百分比
目前完成的全國地熱資源潛力，限于面上調查，地熱勘查程度低，亟需進行整裝勘查，瞄準需求，針對重點經(jīng)濟帶，選擇具有開發(fā)利用遠景、尚未開展詳細地熱調查評價的地熱區(qū)(田)開展地熱資源勘查，建立熱儲模型，評價地下熱儲的資源量及發(fā)電潛力。6.2 積極開展地熱資源回灌，保證可持續(xù)開發(fā)利用地熱資源是在漫長的地質歷史發(fā)展過程中形成的，是含有多種礦物質和豐富熱焓的流體資源，是安全、穩(wěn)定、高效的可再生能源。為保證地熱資源的可持續(xù)利用，在開發(fā)利用過程中必須做到科學、合理、有序。考慮回灌條件下，不同地區(qū)地熱流體可開采量與可開采熱量可增加幾倍到幾十倍。需實行采、灌結合的開發(fā)模式，提高“熱”的利用率，減少廢棄水排放對環(huán)境的污染，保持合理的水頭以改善提取地熱水的條件并降低開采利用的成本。提倡采、灌結合開采模式，保障平原盆地區(qū)中低溫地熱資源可持續(xù)利用。在有供暖、供熱(水)的社會需求的地區(qū)，中低溫地熱資源開發(fā)，則應建立供暖、供熱-溫泉沐浴-溫室種植(養(yǎng)殖)-環(huán)境用水的梯級利用模式。有條件的地區(qū)，則可建立發(fā)電-供熱采暖-生活熱水-溫泉沐浴-環(huán)境用水的綜合利用模式。南方地區(qū)無供暖需求，中低溫地熱資源的開發(fā)，應建立發(fā)電-工業(yè)烘干-生活熱水-溫泉沐浴-環(huán)境用水的綜合利用模式。6.4 建立地熱資源監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)的建立和監(jiān)測點的合理布設，可及時掌握地熱流體質、量變化情況，有效監(jiān)測地熱開發(fā)引起的儲層壓力變化，為資源評價、地熱管理提供基礎資料，有效合理的規(guī)劃地熱資源開發(fā)。(1)我國主要沉積盆地中地溫梯度值多在1.5~4.0℃/100m，多數(shù)盆地小于3.0℃/100m。地溫的垂向變化受基底構造因素控制，隆起區(qū)其垂向增溫較快，在臺陷、斷凹區(qū)則增溫較慢。此外，垂向上的地溫梯度、基巖熱儲溫度還與基巖埋深、地層巖性等有關。(2)我國沉積盆地地熱資源分布廣泛，熱儲層多樣，存在東西差異。東部地區(qū)沉積巨厚，發(fā)育多層疊置的熱儲系統(tǒng)，主要熱儲層是新生界砂巖孔隙型熱儲和古生界與中上元古界碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲。向西區(qū)地殼逐漸增厚，盆地熱流值低，主要熱儲層是古近系砂礫孔隙型熱儲和古生界碳酸鹽巖巖溶裂隙型熱儲。(3)不同熱儲層地熱水化學特征也有很大不同。地熱水的補給區(qū)常為低礦化度的HCO3型熱水；徑流過渡地區(qū)礦化度逐漸增大，水中Cl-、SO42-等離子逐漸成為主要離子；地下水排泄區(qū)化學類型基本變?yōu)?/span>Cl-Na型、Cl-Ca型，礦化度一般＞1g/L。(4)我國主要沉積盆地地熱資源儲存量為3.11x1019kJ，折合標準煤1.06x1012t，回灌條件下地熱流體可開采熱量為4.98x1016kJ/a，折合標準煤1.70x109t。其中主要為90-150℃和60-90℃的中溫熱水，占總儲存量的70%，占總可開采量66%。(5)目前完成的全國地熱資源潛力，地熱勘查程度低，亟需進行整裝勘查。同時為保證地熱資源的可持續(xù)利用，在開發(fā)利用過程中必須做到科學、合理、有序。提倡采、灌結合開采模式，推進地熱資源梯級綜合利用，建立地熱資源監(jiān)測網(wǎng)。原文來源：張薇，王貴玲，劉峰，邢林嘯，李曼.2019.中國沉積盆地型地熱資源特征[J]·中國地質，46(2)：255-268.導讀評論和排版整理等：《覆蓋區(qū)找礦》公眾號.
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