模糊综合评价在武汉市中深层地热勘探风险评价中的应用

2018-12-19江越潇牛俊强

资源环境与工程 2018年4期

关键词：碳酸盐岩断裂带武汉市

江越潇, 牛俊强, 于瑶, 范威, 苏呈

(湖北省地质环境总站,湖北武汉 430034)

1 武汉市地热地质条件

1.1 地质背景

1.2 地热地质条件

武汉市莫霍面埋深28～31 km[1],居里面埋深25.5～26.8 km,与湖北省其他地区相比,上地幔埋深最浅、地壳最薄,具备较好的热源条件。武汉市经历多期构造运动,形成一系列的褶皱和深大断裂,这些断裂深切基底,有利于沟通深部热源,具备地热田的形成条件。目前,武汉市有三门湖地热田和多处地热异常,但尚未开发出水温超过45 ℃以上的地热田,近年,在武汉西部汉川市开采一口地热井,于井深2 000多米处开采出54 ℃热水,由此井推测武汉市深部具有地热资源开发潜力。

武汉市热储分为三类,分别为碳酸盐岩热储、碎屑岩热储和变质岩热储。碳酸盐岩热储又可分为石炭系—二叠系碳酸盐岩热储和寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储,二者之间为巨厚的志留系。地热流体主要赋存于岩溶裂隙和断裂带中。石炭系—二叠系碳酸盐岩热储零星分布于襄(樊)—广(济)断裂以南的向斜带、官家畈向斜与五通口—汤逊湖断裂交会带、梁子湖凹陷带,寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储埋藏于巨厚的志留系之下,襄(樊)—广(济)断裂以南地区多有分布,埋深一般>500 m,局部地区>2 000 m,基本与地表褶皱相对应,向斜区埋深大,背斜区埋深小。碎屑岩热储岩性为白垩系—古近系公安寨组砾岩、砂岩,主要分布于襄(樊)—广(济)断裂以北的新洲凹陷,埋藏深度由北向南逐渐增大,南部深度>2 000 m,地热流体主要赋存于碎屑岩孔隙、裂隙和断裂破碎带中。变质岩热储岩性为元古界片岩、片麻岩,局部为大理岩。分布于襄(樊)—广(济)断裂以北的变质岩山区,多裸露于地表。地热流体主要赋存于构造裂隙带中,大理岩裂隙岩溶带也是地热流体储存运移的场所。

图1 武汉市大地构造图Fig.1 Geotectonic map of Wuhan1.一级单元界线;2.二级单元界线;3.三级单元界线;4.四级单元界线;5.构造单元编号。

热储盖层是覆于热储层之上不透水或弱透水的岩层,起隔水隔热的封闭作用。区内热储盖层主要有志留系、白垩系—古近系、上二叠统—侏罗系。志留系由页岩、粉砂质泥岩、粉质页岩等组成,沉积厚度大,分布稳定,是一套良好的隔水保温盖层,对寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储中的地热流体形成起着保温作用。白垩系—古近系为一套中—厚层状粉砂质泥岩、粉砂岩、砂岩、砾岩,上部粉砂质泥岩、粉砂岩对深部的砂岩、砾岩热储形成一定的保温作用;上二叠统—侏罗系主要为硅质岩、砂岩、灰岩、页岩,对梁子湖凹陷带的石炭系—二叠系碳酸盐岩热储具有保温作用。

断裂破碎带往往是地下水循环、运移的主要通道,特别是深大断裂、活动性断裂更是地下水进行深循环的重要通道,区内可能成为导热导水构造的断裂主要有:襄(樊)—广(济)断裂、麻团断裂,五通口—汤逊湖断裂等及其次级断裂。另外碳酸盐岩中的裂隙岩溶系统也是地下热水运移、储存的主要通道。

区内地热流体的补给来源主要为大气降水和少量的古沉积水。石炭系—二叠系碳酸盐岩热储的补给来源于向斜两翼裸露基岩的大气降水,属近源补给。寒武系—奥陶系碳酸盐岩热储的补给来源主要为大洪山区的碳酸盐岩裸露区和位于鄂东南低山丘陵区的碳酸盐岩裸露区,属远源补给;古封存水补给没有持续性,随着时间的延续出水量迅速衰减。碎屑岩热储的补给一部分来源于北部山区的变质岩裂隙水顺层或沿断裂带远源补给,另一部分来源于山前砾岩、砂岩出露区,大气降水通过裂隙、断裂入渗形成地下水,再向南径流形成地热流体的近源补给。变质岩热储层的补给来源于北部的低山区和大别山、桐柏山区,补给区断裂发育,大气降水通过裂隙、断裂入渗并沿断裂带进行深循环形成地热流体,属近源、远源混合型补给。

2 地热勘探风险性的模糊综合评价

2.1 评价模型

模糊数学法是对多种影响因素做出客观真实评价的一种十分有效的决策方法,其步骤为确定因素集U,建立评价集V,建立评价矩阵R,确定权重与综合评价[2]。

设评价指标分别用u1,u2,……um表示,构成评价因素集合为:U={u1,u2,…,um}。设决择评语集合为:V={v1,v2,…,vn},首先对因素U中的单因素ui作评价,确定其对决择等级vj(j=1,2,…,n)的隶属度rij,这样就得出单因素ui的评价集:

ri=(ri1,ri2,…,rin)i= 1,2,…,m

(1)

由m个ui的评价集构造出总的模糊评价矩阵Ri,

(2)

设A为评价因素ui对被评价对象影响程度的模糊权重集合,记作:

其中A为因素U的重要程度模糊子集,ai(0≤ai≤1)为因素ui的重要程度系数。则模糊综合评判模型为:

(3)

式中:B为因素U的模糊评价向量。

(4)

若bj=max{b1,b2,…,bn},则被评价对象的模糊综合评判结果为决择评语vj[3]。

2.2 风险性评价因素

地热勘探风险主要取决于地热地质条件、资源量和勘查成本。地热地质条件又包含热储厚度、热储埋深、构造、地热异常情况、热储类型、盖层六个因子;资源量又可以细分为地下水的水量和温度两个因子;勘查成本包括成井深度和热储形态两个因子。本文采用模糊综合评价法对地热勘探风险进行初步研究,以期达到降低风险、提高地热资源勘探成功率的目的,为地热资源勘探风险决策提供科学依据。

2.3 地热分区评价

依据武汉市构造背景、地热地质条件、水文地质条件,将武汉市的地热资源分为以下六个区分别为:西部盆山结合带、中部低丘区、南部凹陷带、北部山区、襄(樊)—广(济)断裂带、东部麻团断裂带(图2)。

图2 武汉市地热勘探分区图Fig.2 Zoning map of geothermal exploration in Wuhan City1.地热分区;2.主要断裂及隐伏断裂。①.襄(樊)—广(济)断裂带;②.西部盆山结合带;③.南部凹陷带;④.麻城—团风断裂带;⑤.北部山区;⑥.中部低丘区。

襄(樊)—广(济)断裂带北部属新洲凹陷,地热赋存模式为层控—深埋型。据洲参1井资料可知新洲凹陷白垩系公安寨组岩性分为四段,上部岩性较细,为泥岩、粉砂岩,下部较粗为砾岩、砂砾岩,底部未钻穿,本文将下部砂砾岩划为热储层,埋深约为2 200 m;襄(樊)—广(济)断裂南部为茅庙集—青山向斜南翼,热储层位向斜核部的石炭—二叠系地层,热储埋深约为500～1 000 m,北东向断裂与襄(樊)—广(济)断裂的交会处,深部地热流体向上运移赋存于浅部并与浅部冷水混合,形成温度异常的地下水,属于近源—混合型。

西部盆山结合带位于武汉断褶区的结合部位,东以舵落口断裂为界,北以天门河断裂为界,南以石首断裂为界。本区热储层位为寒武—奥陶系碳酸盐岩热储,平均埋深为1 500 m,局部地区>2 000 m,本区地热流体主要来源于大洪山地区的远源补给,受深大断裂和岩溶通道控制,储层上覆巨厚的志留系为良好保温层,属于远源—深埋型。

南部凹陷带位于梁子湖凹陷与中部褶皱山地的交接地带,北至猫耳洞背斜南翼,南至武汉市界,东与麻团断裂带相接,西以舵落口断裂为界。热储为石炭—二叠系地层,热储埋深>2 000 m,最深处可达3 000 m。本区热水补给来源于梁子湖凹陷北部裸露的石炭—二叠系基岩,属于近源—深埋型。

麻团断裂带北以襄(樊)—广(济)断裂为界,西以北西西向褶皱倾伏端为界,东、南至武汉市界。热储层为石炭系—二叠系碳酸盐岩,埋深约为1 000～2 000 m。补给区位于向斜两翼的石炭系—二叠系碳酸盐岩出露区或背斜倾伏端的碳酸盐岩出露区,向岩层倾伏方向径流,受麻团断裂带内的岩浆岩体阻隔,属近源—浅埋型。

北部山区主要指英店断裂以北的低山区。地热赋存模式为混合—断裂型,地热流体赋存于断裂破碎带或局部裂隙交会破碎带中,热储埋深约为500～1 000 m。补给区包括近源的低山区和远源的大别山区及桐柏山区,可称之为混合源补给。

中部低丘区北至葛店向斜南翼,南至猫耳洞背斜南翼,西以舵落口断裂为界,东以麻团断裂带相接。地热赋存模式有两种:浅部为近源—断裂型,深部为封存—深埋型。近源—断裂型地热流体赋存于石炭—二叠系碳酸盐岩的裂隙岩溶中,热储埋深500～1 000 m,呈点状分布于向斜与深大断裂的交会部位,地热流体的补给主要为同一向斜内的地下水,属近源补给,循环深度仅几百米,因此地热流体温度不高。封存—深埋型:热储层为深埋于志留系之下的寒武系—奥陶系碳酸盐岩,埋深>760 m,局部地区>2 000 m。区外大洪山区、鄂东南地区同类型岩溶水很难径流进入本区,或仅有少量进入本区,因此,本区热储层内多为古封存水。

用6个区带作为评语集V={襄(樊)—广(济)断裂带、西部盆山结合带、南部凹陷带、东部麻团断裂带、北部山区、中部低丘区}={v1,v2,v3,v4,v5,v6},以地质条件、资源量、勘查成本三个因素作为一级指标,并以此建立一级指标所包含的二级指标,见图3。