三维可视化技术在沈北盆地地热资源开发中的应用

李祎昕，蒋丽丽，王 超，王 营，李伯男，张 媛，赵晓恕，张言珑，刘茂川，张 勇

1.辽宁省物测勘查院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000；2.辽宁省地矿集团生态修复有限责任公司，辽宁 沈阳 110033；2.辽宁省自然资源厅，辽宁 沈阳 110033；4.辽宁省自然资源事务服务中心，辽宁 沈阳 110032

0 引言

综合地球物理方法是地热勘探的有效手段［1-20］.沈北盆地地热为辽宁省典型的盆地传导型地热［21］，具有水质优、位置佳、储量大等特点，是应用综合地球物理方法深部地热找矿的典型成功案例［1］.多年来积累的地质、地球物理、钻孔资料齐全，既有成功的案例，也有失败的案例.盆地传导型地热地热蕴藏深度较深，导致了从前期的调查到勘探和开发都有很大的盲目性和风险性，难度比较大.一口2000 m左右的地热井，钻探成本达500～600万元，成井失败会造成巨大的经济浪费和工期延误.本研究充分收集以往钻孔资料和地球物理资料，建立沈北盆地三维可视化模型，使用布格重力异常模拟盆地形态，试图找到以往失败地热井水温、水量不佳的原因，为本区地热有效开发利用提供一种新思路.

1 研究区地热地质特征

1.1 地质简况

沈北盆地由新城子盆地、道义盆地和蒲河盆地3个盆地组成，位于辽宁中部鼻状幔隆区的抚顺-长兴幔凸之上，属于古近纪大陆裂谷型盆地.其基底为中元古代长城—蓟县期海相沉积岩，地表全部为第四系覆盖.受郯庐断裂系控制，北东向断裂发育，使其基岩相对破碎，利于地下水的储存、富集.

1.2 热储概念模型

沈北地热田热储概念模型由盖层、热储层、热源和地下热水源组成.

1.2.1 盖层

沈北地区热储盖层主要由第四系、新近系、古近系沉积层构成.第四系厚度10～110 m，岩性一般为亚黏土、亚砂土、砂、砂砾石及卵石，未成岩，结构疏松；古近系底板埋深900～1800 m，局部可能超过2000 m，岩性以泥岩、粉质泥岩、砂质泥岩、砂岩及砂砾岩组成，其中以泥岩最为发育.据钻探资料统计，泥岩加权厚度占新近系和古近系总厚度的67%，基本成岩或半成岩，泥质、钙质或硅质胶结.这些地层厚度大，导热性差，起到了很好的隔热保温作用，是本区地热田的较好热储保温层.

1.2.2 热储层

本区热储层主要由中元古界组成，热储层岩性为蓟县系铁岭组（Jxt）、洪水庄组（Jxh）和雾迷山组（Jxw）的白云岩或燧石条带白云质大理岩，埋深在900～1800 m，局部超过2000 m.这类岩石以碳酸盐岩为主，裂隙、溶隙普遍发育，总厚度大于1000 m.岩石密度2.5～2.8 g/cm3，裂隙率3%～7%，热导率一般为1.68～3.36 W/m·K，构成了本区地热田的主要基岩裂隙、岩溶类型热储层，其水温基本上大于45℃，出水量可达1000 m3/d以上.

1.2.3 热源

研究区处于金州-营口-沈阳变异带上，辽河断陷盆地的北端.该变异带位于中部鼻状幔隆区的东侧，呈北北东向展布.受西伯利亚板块向华北板块俯冲影响，岩石圈结构调整.新生代由于地幔沿北北东向局部强烈上隆，岩石圈显著伸展减薄［7-9］，对应产生北北东向断裂体系.由于地幔上拱，拉张作用使本区地壳厚度变薄，沈北盆地的地壳厚度小于34 km.地幔隆起导致熔融软流圈抬高，地壳拉张形成的深部开原-营口断裂可能断至莫氏面，即切割了上地幔凸起，沟通了上地幔的岩桨热源，地幔热流沿深部断裂上涌，为地壳深部热流等热载体上升提供了良好的通道，构成地热异常的热源.

1.2.4 热储范围

沈北盆地的地下热水主要赋存在中元古代蓟县系的断裂破碎带中.新城子盆地和道义盆地规模较大，而蒲河盆地的规模较小、较浅（图1）.根据以往的钻探成果，在1000 m以下的蓟县系中可以找到地下热水资源，因此按－1000 m标高圈定了热储的范围，沈北地热田总面积约190 km2.

图1 沈北盆地古近系基底等深线图Fig.1 Bathymetric map for Paleogene basement of Shenbei Basin

1.2.5 热储概念模型

本区地热田热储概念模型是：地壳深部供热→深大断裂导热→低热导率岩层聚热隔热保温→侧向地下水径流深循环补给（图2）.区域性的深大断裂除自身会产生一定的摩擦热外，更主要的是沟通深部的热源.呈北北东向展布的开原－营口构造变异带产生的深大断裂可能断至上地幔，将熔融岩浆带至地壳，起导通热能的作用；而区内的一些次级断裂则起导水作用.

图2 沈北地热田热储概念模型Fig.2 Heat reservoir conceptual model of Shenbei geothermal field

2 综合地球物理数据整理

寻找盆地传导型地热的常见综合地球物理方法有地温测量、重力、磁法、可控源、音频大地电磁、电测深、地震、放射性等.

本区应用重、磁面积性测量成果推测地质构造位置、性质和基本特征，确定主控地质构造，并依据重力异常圈定盆地总体轮廓，利用局部变化特征划分次级凹陷和凸起，确定次级凸起部位及其边缘断裂带为寻找地热资源的有利部位.利用可控源音频大地电磁法（CSAMT）剖面测量成果，根据断裂垂向地电断面视电阻率变化特征，推断断裂性质和深部的岩石破碎程度以及含水情况.根据二维地震测量，进一步确定断裂性质，推断出最佳含水部位，最终确定地热井井位.各种地球物理方法的作用和局限性见表1.

表1 地热勘探的地球物理方法及数据用途Table 1 Geophysical methods and uses of geothermal prospecting

3 三维可视化技术的应用

本研究将布格重力异常进行矢量化处理，低异常区对应基底凹陷，高异常区对应基底隆起，因此布格重力异常值由低到高对应地下深度由深到浅.将已知钻孔资料进行矢量化处理，叠加到重力三维模型中.本文采用公式为：盆地底界面=布格异常×200-4400.

与其他地质资料相比，重力可以更好地反映沈北盆地基底起伏情况.根据区内7口地热井情况统计（见表2、3），地热勘探效果比较好的几口井（新南井、颇家2、治安2）都分布在盆地边缘断裂构造部位，在三维模型图中同一重力值范围内（见图3），代表重力推断的某一深度的地层，水温和水量不理想的几口井都不在该范围内.新参1井是盆地内局部凸起，水温较高而水量欠佳，其余井的水温和水量都不理想，是因为盆地中部盖层较厚而未打到含水层位.三维可视化重力资料直观地模拟了盆地基底起伏情况，重力勘探是寻找盆地传导型地热的有效手段.

表2 已建地热井一览表Table 2 List of drilled geothermal wells

4 地热资源开发方向与展望

根据资料汇总分析可以看出，越向盆地内热储深度越大，水温越高；越向盆地边缘，钻遇热储深度越浅，温度越低.但靠近盆地内，容易发生盖层太厚、井太深而打不到目标层位的问题；太靠近盆地边缘，容易产生水温不够的问题.因此，最佳的钻孔位置应该分布在盆地边缘某一深度范围内.结合以往成功和失败的地热井分布情况和本区布格重力异常三维可视化模型，于新城子和道义东部盆地边缘圈定了沈北地热田远景区（如图3）.实际地热井的布设还应结合以下要素：1）依照前人的经验，断陷盆地的边缘和凹陷中的相对凸起区地下热水较好；2）有一定厚度的地热盖层（即保温层）；3）有良好的热源通道（即断裂）；4）地下有一定的储水空间（即储水构造破碎带）.

图3 布格重力异常三维可视化模型Fig.3 3D visual model of Bouguer gravity anomaly

表3 失败地热井一览表Table 3 List of failed geothermal wells

5 结论

通过系统收集研究沈北地热田以往地球物理、地质、钻孔资料，分析以往打钻失败的原因，使用布格重力异常模拟了沈北盆地的三维空间形态.经过与其他资料对比，模拟出的盆地形态可信程度更高.建立了沈北盆地热储概念模型.研究发现在沈北盆地中有些未成功的地热井，其原因是对盆地三维形态了解的不够，井位布设在盆地中心盖层较厚的位置，且不在有利的断裂构造位置，从而导致成井不成功.根据本次研究进一步划分找矿远景区，为科学合理地部署地热勘查工作提供了依据.