河北省沧县台拱带干热岩资源潜力评估

李文彬

（河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056200）

河北省沧县台拱带干热岩资源潜力评估

李文彬

（河北省煤田地质局水文地质队，河北邯郸 056200）

沧县台拱带位于华北断陷盆地，处在凸凹相间配置的构造格局，新生界厚度适中，属于沉积盆地干热岩资源。经预测，区内5 km以浅干热岩资源量为2405×1018J，相当于8.21×1010t标准煤产生的热量，赋存潜力巨大，开发利用这一洁净能源对缓解我省日益严重的环境污染形势具有重要的现实意义。

沧县台拱带；干热岩；特征；潜力评估

0　概况

干热岩资源是指埋藏于距地表数公里处、温度为大于150℃、含少量裂隙及流体的热岩体。干热岩技术就是开发利用干热岩来抽取地下热能的技术，其原理是从地表往干热岩中施工钻孔，注入温度较低的水，注入的水沿着裂隙运动并与周边的岩石发生热交换，产生高温高压超临界水或水汽混合物，然后从生产井中提取高温蒸气，用于地热发电和综合利用。干热岩资源是地热资源的最重要的组成部分，也是未来中高温地热资源开发利用的发展方向。

1　国内外发展现状

国际上最早提出利用地下热水及其干热岩体发电的设想是美国人莫顿和史密斯。迄今在干热岩发电技术方面迈出最大一步的试验是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和能源部在新墨西哥州芬顿山进行的试验。受到芬顿山项目成果的鼓舞，英国于1977年启动了Rosemanows项目，该项目得出了水力压裂的裂隙与最终人工裂隙系统几乎毫不相干，天然裂隙决定了EGS（增强型地热系统）裂隙系统。

目前，国际上干热岩发电技术正在向第二代过渡。美国、法国、英国等国家都建立了专门研发干热岩发电技术的机构，并投入巨资。美、德、法、澳、瑞等国还建设了一批试验性增强型地热系统，甚至将其纳入国家开发计划。

我国干热岩资源开发及其技术研究尚属起步阶段，许多能源专家和地质工作者认识到此领域的重要性并为此做出了努力。我国大陆地区已定期进行了6次热流汇编，如今热流数据总数已达921个，根据浅部测温资料向地壳深部外推的方法，对我国陆区不同深度温度进行了估算，在此基础上利用体积法对我国陆区3.0～10.0 km深处的干热岩资源量进行了估算，总资源量为2.52×1025J，折合85.6×105亿t标准煤。

目前，国内多个省份（青海、山东利津、福建漳州、河南郑州）已经开始了干热岩钻探施工，取得了较好的效果，河北省已开始了干热岩资源的研究，河北省沧县台拱带已完成了资源研究与潜力评估，秦皇岛西部干热岩资源研究与潜力评估正在进行，河北省沧县台拱带干热岩资源调查项目已获省厅审批，即将实施。

2　研究区概况

河北省沧县台拱带位于河北省平原区中东部，沧州市西部。东部以沧州-吴桥一线为界，西部以武邑-献县-大城县一线为界，北部以天津市与河北省分界线为界，南部大体以衡德高速一线为界，面积约5390 km2。

工作区位于华北冲积平原中下部，由冲积平原向滨海平原的过渡地带，整个地形西南高，东北低，西南武邑县较高，海拨+21 m，东北较低，海拨+4 m，高差17 m。工作区内地表水系发育，主要河流有：子牙河、子牙新河、南运河等。

3　地热地质条件

3.1地质条件

高热阻层厚度的大小对于干热岩资源的赋存及开发有着很重要的作用。覆盖层太薄，热量容易散失；覆盖层太厚，干热岩岩体埋藏就会变深，不利于干热岩资源的开发利用。因此，厚层、热导率低的覆盖层是沉积盆地中赋存干热岩资源的必要条件。

本区为新生界全覆盖区，基岩顶界面埋深绝大部分为800～1 200 m，埋深适中，良好的盖层为本区高温的形成提供必要的地质背景。详见图1。

图1　基岩顶界面埋深等值线图Figure 1 Isogram of basement buried depths

3.2基岩的起伏形态

华北断陷盆地中形成了一系列的断陷与隆起。可划分出冀中凹陷、沧县隆起、黄骅凹陷、临清凹陷、埕宁隆起等构造单元。在拗陷区和隆起区内部，受断裂控制，又有次一级的构造—凸起和凹陷，形成了一种凸凹相间配置的构造格局（图2）。

大量的资料表明，在新生界一定的深度范围内，正向构造的地温高，地温梯度大，负向构造地温低，地温梯度小，地壳浅部地温分布与基岩面的起伏呈正相关的关系（图3）。在高凸深凹相间的地质构造格局下，较高热阻的盖层和较高热导率的基岩相配置，使得来自地球内部的较均一的热流在传导过程中，于地壳表部再分配，局部由负向构造区向正向构造区集中，在基岩隆起区的浅部形成高温和高地温梯度。

从热源上分析，由岩浆岩、变质岩构成的结晶基底，其放射性元素储量一般高于上覆沉积盖层，基底抬高处可提供更多的附加热源，另外，古老的结晶基底致密岩石的导热性能优于低密度的沉积盖层，这就促使更多的热流集中于基底抬高部位，反映至地面则形成地热异常区。

图2　工作区基底构造分区图Figure 2 Working area basement structural partition

图3　热传导示意图Figure 3 A schematic diagram of heat conduction

3.3大地热流值特征

大地热流值是地球内部热能传输至地表综合反应，是地温场最重要的表征，华北平原平均大地热流值为62.8 mw/m2，沧县台拱带的大地热流值超过平均值（图4）。

4　工作区地温场特征

4.1地温梯度

根据前期研究成果，预查区平均地温梯度3.12℃/百米，地温梯度由南向北逐步增高，献县垒头乡附近一带地温梯度达3.82℃/百米（图5）。

4.2工作区深部温度的计算

目前所收集到的地温资料绝大部分局限于2 km以浅，要推算深部的地温，要建立地温场热传导空间模型，（《我国陆区干热岩资源潜力估算》）模型如下：

图4　预查区大地热流分布图Figure 4 Distribution of terrestrial heat flow in reconnaissance area

图5　工作区地温梯度等值线图Figure 5 Isogram of working area geothermal gradient

其中：T（Z）为深度z处的温度（℃）；T0为Z-1处深度的温度（℃）；q为热流值（mw/m2）；A为生热率；k为岩石导热率；z为深度（km）；计算结果如表1，图5。

表1　工作区内地热井4km地温表Table 1 Data sheet of working area geothermal wells depth 4km geotemperature

4.3工作区干热岩资源量估算

采用体积法预测干热岩资源量，体积法公式如下：

其中：Q为干热岩资源量，J；V为岩石体积km3；ρ为岩石密度，kg/km3；CP为岩石比热容，J/（kg·K）；T为所计算深度的岩石的温度，℃；T0为地表温度，℃。

经过资料量预测，工作区内5.5 km以浅共获得资源量2405×1018J，其中，3.5～4.5 km资源量为737×1018J，4.5～5.5 km资源量为1668×1018J，相当于8.21×1010t标准煤产生的热量（表2）。

5　干热岩资源潜力评估

工作区在地质构造上属于沧县隆起，区域上形成了一种凸凹相间配置的构造格局，并且工作区内有一定的新生界覆盖，在高凸深凹相间的地质构造格局下，在基岩隆起区的浅部形成高温和高地温梯度。工作区断裂、褶曲发育，易形成地温异常。

工作区内5.5 km以浅干热岩资源量为2405× 1018J，相当于8.21×1010t标准煤产生的热量，因此，工作区内赋存干热岩资源的潜力巨大。

图6　工作区4km地温等值线图Figure 6 Isogram of working area depth 4km geotemperature

表2　沧县台拱带干热岩资源量汇总表Table 2 Summary statement of hot dry rock resources in Cangxian anticlise zone

6　结论

干热岩资源属于新兴战略性接替能源，清洁可再生。我省环境形势十分严竣，雾霾等大气环境污染已严重影响了人民的生产和生活，同时京津冀协同发展离不开能源支持，减少化石能源的使用，开发利用干热岩资源势在必行。据分析，沧县台拱带在地质地热条件、岩石圈结构等均有热异常反应，属于典型的沉积盆地型干热岩资源。区内5 km以浅干热岩资源量相当于8.21×1010t标准煤产生的热量，赋存潜力巨大，尽早开发利用这一洁净能源对我省的经济发展及环境污染均具有重要的现实意义。

[1]李文彬，王晓军.河北省沧县台拱带干热岩资源研究与潜力评估报告[R].河北邯郸：河北省煤田地质局水文地质队，2015.

[2]蔺文静，王贵玲.我国陆区干热岩资源潜力估算[J].地球学报，2012：807-811.

[3]杨方，李静.中国干热岩勘查开发现状[J].资源环境与工程，2012.

[4]陆川，王贵玲.干热岩研究现状与展望[J].科技导报，2015，33（19）.

[5]甘浩男，王贵玲，蔺文静.中国干热岩资源主要赋存类型与成因模式[J].科技导报，2015，33（19）.

[6]谭现锋，王浩.山东省陈庄潜凸起地区地温场特征与泰山岩群放射性元素[J].科技导报，2015，33（19）.

[7]龙西亭，袁瑞强，等.汝城干热岩地热资源研究[J].科技导报，2015，33（19）.

Hot Dry Rock Resource Potential Assessment in Cangxian Anticlise Zone,Hebei Province

Li Wenbin
(Hydrogeological Exploration Team,Hebei Bureau of Coal Geological Exploration,Handan,Hebei 056000)

Through geothermal geological condition analysis in the Cangxian anticlise zone,North China fault basin depression and up⁃lift alternating structural framework.Cenozoic group thickness is moderate and contained sedimentary basin hot dry rock resources. Through prediction,hot dry rock resources above depth 5km in the area is 2405×1018J,amount to 8.21×1010tons equivalent of coal pro⁃duced caloricity,thus huge hosting potential.Exploitation and utilization of the clean energy source have important practical signifi⁃cance to relieve increasingly serious environmental pollution situation in the province.

Cangxian anticlise zone;hot dry rock;feature;potential assessment

P314

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.11.09

1674-1803(2016)11-0043-06

河北省沧县台供带干热岩资源研究与潜力评估，冀煤地字[2015]21号

李文彬（1965—），毕业于郑州煤田职工地质学院水文与水资源专业，水文地质高级工程师。

2016-06-02

责任编辑：宋博辇