基于ArcGIS的江苏泰州地区中深层地热勘查适宜性评价

2021-04-28左丽琼王彩会邹鹏飞杜建国

地质学刊 2021年1期

左丽琼，王彩会，邹鹏飞,3，杜建国，荆慧，邱杨

(1. 江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018； 2. 江苏华东基础地质勘查有限公司，江苏南京 210007； 3. 南京大学地球科学与工程学院，江苏南京 210023)

0 引言

江苏地区地热资源勘查工作已取得较大进展，中深层地热成果尤为显著，但仅限于局部地段的地热资源勘探，缺乏对全区地热勘查潜力状况的了解(王彩会等，2015；王琦等，2017)。另外，中深层地热资源开采风险大、造价高，盲目打井必定会带来损失，需要科学合理地指导勘查和开发，分析影响地热开发的多种因素(汪集暘，2015；于慧明等，2016；周红卫等，2016)。因此，进行区域中深层地热资源适宜性分区显得尤为重要。

目前，小范围内的地热地质条件分析多以定性描述为主，大区域的中深层地热资源适宜性定量分析较少。综合指数法是一种定性和定量相结合的统计分析方法，广泛应用于经济、医学、教育、地质环境、浅层地温能适宜性评价以及生态环境评价等多因素综合评价领域(杨绪忠等，2007；黄杏元等，2008；梅芹芹等，2018)。以江苏泰州地区为例，基于ArcGIS软件，采用综合指数法对中深层地热资源勘查适宜性分区进行评价。结果表明，该方法在地热资源勘查适宜性分区研究中应用效果显著，可以快速准确获得分区效果，直观性、适用性较强。

1 泰州地区地热资源概况

泰州地处江苏中部，南部濒临长江，北部毗邻盐城，东临南通，西接扬州(图1)。泰州地区有扬州—南通隆起区(苏南隆起)和金湖—东台坳陷区(苏北盆地)两大构造单元：扬州—南通隆起区可细分为2个凸起次级构造单元，主要分布中生代和古生代地层；金湖—东台坳陷在区内由多个凸起和凹陷组成，总体呈北东向展布，区域内3 km以浅主要分布新生代地层。泰州地热资源勘查较早，资源丰富，目前有12眼地热深井，水温较高，出水温度为30～69 ℃；水量大，9眼地热井出水量均>600 m3/d；水质优良，含有偏硅酸、锶、偏硼酸、氟等多种微量元素和矿物质，具有较高的开发利用价值，目前多用于温泉理疗等(江苏省地质调查研究院，2015)。

图1 研究区地理位置图

1.1 地温场特征

根据区域研究资料，泰州位于苏北盆地南部，该区域莫霍面深度小，尤其是泰州中部—兴化地区，深度<31 km，南部泰兴、靖江地区为31～33 km。泰州居里面深度在28～32 km之间，中部深度稍浅，为28～30 km，其他地区多为30～32 km。收集的泰州大地热流值有6个，均位于苏北盆地的泰州低凸起、秦潼凹陷、吴堡低凸上，最高值为83 mW/m2，最低值为68 mW/m2，平均值为76.15 mW/m2，高于全省平均值63.7 mW/m2。泰州地区近年来的地热勘查深井揭示，地温梯度最大为4.09 ℃/km，最小为2.06 ℃/km。

泰州地区地温梯度呈北高南低的趋势(图2)：高港—蒋垛一线以北地区的地温梯度>3.0×10-2℃/m，南部泰兴、靖江地区的地温梯度<3.0×10-2℃/m；兴化地区的陈堡、周庄、沈伦等地的地温梯度>4.0×10-2℃/m，海陵、苏陈、沈高一线地温梯度普遍>3.5×10-2℃/m，最高值达4.88×10-2℃/m。垂向上，地热井不同深度的地温分布曲线呈线性特征，即地温随深度的增加而增高。综上，该区具有良好的地温条件。

1.2 地热储层与盖层

研究区3 km以浅主要分布新近系、古近系松散岩类和碳酸盐岩类两大地热储层类型。

新近系盐城组在全区分布广泛(图3)，热储厚度以泰州—张甸—蒋垛为界，该线以南厚度偏小，介于0～200 m之间；以北厚度较大，最大厚度>1 300 m，位于秦潼凹陷内。

古近系三垛组下段除在泰州北部柘垛低凸、中部泰州低凸及南部的扬通隆起缺失外，分布遍及坳陷区的大部分地区(图4)，埋藏深度普遍>1 km。在秦潼凹陷、海安凹陷、高邮凹陷内，砂层厚度较大，普遍>300 m，凹陷中心埋深>400 m。戴南组上段分布范围小，仅限于高邮凹陷、秦潼凹陷内，顶板埋藏深度普遍>1 300 m，厚度介于50～350 m之间。

图2 泰州地区地温梯度等值线

图3 新近系盐城组热储厚度分区图

图4 古近系三垛—戴南组热储厚度分区图

碳酸盐岩类地层主要为三叠系青龙组、石炭—二叠系、奥陶—寒武系(图5)。① 三叠纪、石炭—二叠纪灰岩主要分布在泰兴和靖江地区，埋藏深度普遍>1 800 m，呈南浅北深的趋势，赋水空间丰富；② 奥陶—寒武纪碳酸盐岩主要揭示于泰州市海陵区—溱潼一线，钻孔资料显示，顶板埋藏埋深约为1 300 m，富水性强。

图5 碳酸盐岩热储埋深分区图

该区可作为地热盖层的地层有第四系、新近系、古近系、浦口组、龙潭组、孤峰组等，盖层具有热导率低、厚度大、分布广等特征。

1.3 控热、控水构造

热储温度受热储埋深、盖层条件、大地热流、深部水热循环等多种因素制约，最根本的控制因素是地质构造条件。

区域性断裂控制了隆起区和坳陷区的分布及次一级隆起、坳陷、凸起、凹陷的分布(图6)，控制了盆地演化和沉积作用。不同的构造单元影响大地热流值的分布，坳陷区大地热流值略高于隆起区，次一级构造单元大地热流值差异明显。在坳陷区中，凸起高于凹陷，凹陷斜坡带高于深凹；在隆起区中，隆起高于坳陷，背斜高于向斜。

该区规模较大的断裂有靖江—如皋断裂、陈家堡—小海断裂、泰州—安丰断裂、大泗庄—邓庄断裂、孤山—西来断裂等，往往成为地下热水的良好通道，控制着有关地热异常的分布(图6)。

图6 泰州市地质构造图

2 泰州地区地热适宜性分区

2.1 评价模型

2.1.1 模型综合指数法包括简单综合指数和加权综合指数2种类型，本次评价以加权综合指数(杨绪忠等，2007)为主。

将每个网格点上的各项属性赋值与其相对应的权重值相乘，然后求和，即可得出每个点的初步分值(董殿伟等，2010)。地热资源勘查开发利用条件评价模型为：

(1)

式(1)中，R为地热资源勘查条件分级，ri为各因素影响程度分级，wi为各因素对目标的权重。

泰州地区地热资源赋存条件主要影响因素为地热储层分布与厚度、热储层埋藏深度、地质构造发育情况和研究程度等。

2.1.2 分区步骤 ① 分析与地热资源勘查条件相关地质环境因素，提取主要影响因素，衡量重要性，确定各自权重；② 收集整理数据，绘制各因素分区图或等值线图，图层要数字化，将线状要素转换为面状要素，每个要素层均应量化；③ 利用ArcGIS软件将各图层栅格化，主要采用ArcGIS中的ArcMap和ArcToolbox进行地热勘查适宜性分区；④ 利用GIS的空间分析功能，运用综合加权评价模型，将各影响因素专题图层按权重进行多重叠加，进行地热资源勘查开发适宜性分区评价。

2.2 赋值

2.2.1 热储层分布与厚度砂(岩)层厚度决定了含水层的富水性，富水性决定了开采条件的优劣及含水层调蓄能力的高低。根据砂(岩)层厚度进行分级取值，砂(岩)层厚度越大，适宜性分区指标赋值越大，反之越小。目前，区内少有钻孔揭穿整套灰岩地层，厚度数据较少，因此仅对砂(岩)层热储厚度进行区域分级。

松散砂层分布全区，其中厚度<500 m的砂层多分布于大泗—黄桥—分界以南，苏陈镇地区零星分布；500～1 000 m砂层分布于海陵及兴化以北地区；1 000～1 500 m砂层分布较广，多见于兴化以南及姜堰地区；厚度>1 500 m的砂层较少，分布于戴南、兴泰、白米地区。依此分级取值(r)，5分为最高分值，1分为最低分值(表1、图7)。

表1 砂层厚度分级取值

图7 ArcGIS新近系盐城组砂层厚度分级示意图

古近系砂岩主要分布于泰州—顾高—张甸以北地区，厚度>500 m的古近系三垛—戴南组(Es-d)砂岩地层多分布于戴南—兴泰—俞垛—九龙一带以及陈堡以西地区，100～500 m砂岩地层分布于兴化以南、姜堰以东地区，0～100 m地层分布于兴化以北、姜堰以西地区。

依此分级赋值(表2、图8)。

表2 砂岩厚度分级取值

图8 ArcGIS古近系三垛—戴南组砂岩厚度分级示意图

2.2.2 热储层埋藏深度埋藏深度决定了热储的富水空间，三垛组砂岩热储顶板埋深相当于上述Q-N砂层厚度。根据碳酸盐岩热储埋深进行分级取值，埋深越大，热储温度越高，富水空间越大，但考虑到目前开发技术水平，埋深1～3 km的适宜性分区指标赋值较大，其他情况较小。区内灰岩热储多分布在泰州低凸及扬通隆起地区：泰州低凸的灰岩埋深范围在1～3 km；扬通隆起的灰岩热储分布于泰兴—新街—分界一带至新桥—广陵一带，其中新桥—广陵一带埋深范围为0～1 km，泰兴—新街—分界一带埋深范围为1～3 km(表3、图9)。

表3 碳酸盐岩埋深分级取值

图9 ArcGIS碳酸盐岩热储埋深分级示意图

2.2.3 地质构造区内控热控水构造主要为坳陷区的凸凹构造、区域性断裂及盆地边界断阶带。构造发育程度决定了热储层导热控热及导水控水能力。根据地质构造进行分级取值，构造断裂裂隙越发育，适宜性分区指标赋值越大，反之越小。苏北盆地的大地热流值与地温梯度普遍高于扬通隆起，中低凸地区均高于凹陷区。泰州低凸、黄桥低凸、高邮凹陷、溱潼凹陷地区，尤其是边缘断阶区断裂、北东向断裂如泰州—安丰断裂、大泗庄—邓庄断裂、靖江—如皋断裂裂隙发育。

依此进行分级赋值：泰州低凸赋值最高；吴堡低凸与柘垛低凸对新近系砂层、古近系砂岩地层来说亦是良好的赋存地热资源构造，赋值仅次于泰州低凸地区；黄桥低凸东南地区大地热流值与地温梯度亦较高，且存在一隐伏背斜，受构造影响，断裂裂隙发育，对碳酸盐岩热储层是良好的控热控水构造，赋值与吴堡低凸、柘垛低凸相同(表4、图10)。

2.2.4 研究程度决定了开发热储层的潜力与风险程度，研究程度越高，开发热储层的潜力越大，风险相对越低，适宜性分区指标赋值越大，反之越小。区内研究程度的高低与地层构造分区较一致。

表4 地质构造分级取值

图10 ArcGIS构造分级示意图

溱潼凹陷、泰州凸起存在20多个深部钻孔，研究程度较高，关于灰岩地层的深部钻孔资料多在泰州凸起及靖江孤山背斜地区，扬通隆起地区黄桥低凸、孤山背斜的研究程度较高，吴堡(荻垛)低凸的研究程度一般；高邮凹陷、柘垛低凸、海安凹陷的研究程度相对较低(表5、图11)。

表5 研究程度分级取值

图11 ArcGIS对研究程度分级示意图

2.2.5 叠加分析根据对深层地热资源勘查条件的影响程度赋予各因子权重，影响程度越大，权重越大，总累加值为1。

不同的热储影响因素不同：① 松散岩孔隙、裂隙型热储，其勘查条件的影响因素主要为Es-d厚度、Q-N厚度、构造、研究程度，分别取值0.45、0.35、0.10、0.10；② 碳酸盐岩岩溶裂隙热储，其影响因素主要为灰岩埋藏深度、地质构造、研究程度，分别取值0.45、0.45、0.10。在两类热储分区后，权重均以0.5进行叠加分区。

根据评价结果，确定地热资源勘查条件分级标准，将全区划分为开发利用条件良好区、较好区、一般区(表6、图12)。