新商断裂(永城段)地热地质特征分析

2024-03-08苗书雷张映钱

地下水 2024年1期

苗书雷,张映钱

(1.贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心,贵州贵阳 550016;2.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院,河南郑州 450046)

根据载热介质所赋存空间的差异,岩层热储划分为层状热储及带状热储[1]。层状热储为具有有效空隙度和渗透性的岩层、岩体所构成的热能储层,其地层或岩体分布面积较大,地层倾角比较缓,地层沉积厚度大,供热源为大地热流,分布在沉积盆地;而带状热储为具有有效空隙和渗透性的构造带,比如断裂破碎带或者裂隙带构成的热储,一般倾角陡,平面上呈条带状延伸,常常表现为地温异常,分布在隆起山地或者山前地带[1,2]。

1 研究区地质概况

永城市位于永城断陷褶皱带内,属于华北地台鲁西台隆次级构造单元,构造以北东—北北东向为主[3](图1)。研究区位于永城北部芒山镇、薛湖镇及滦湖乡境内,隐伏复背斜轴部北端,轴部地层抬升,为寒武奥陶系的灰岩组成,有酸性及基性岩浆岩侵入,两侧为煤系地层,形成于石炭及二叠纪,背斜东部建成有车集、刘河煤矿,西翼建成有城郊、陈四楼及新桥煤矿[4]。

图1 研究区地质构造简图

研究区内断裂构造均为隐伏断层,且比较发育,走向与永城背斜走向均基本一致,主要为北北东向断层,次为北西西向断层。区内热能储层主要为奥陶系马家沟组以及寒武系张夏组,其岩性主要为灰岩,热储类型为层状热储[4]。

2 研究区浅层地下水地温分布

研究区内第四系全新统厚度30～60 m左右,为近代黄河冲积层。底部为薄层状褐黄色粉砂岩,中上部以浅黄色粉土与粉砂岩为主,结构比较松散,并夹有黄褐色粘土及粉质粘土,分布较广,顶部主要为粉土及粉质粘土,局部存在灰黄色、黑色淤泥质粘土。

通过采用北京海创高科科技有限公司生产的TH-212型测温仪,对研究区内9眼机(民)井不同位置及深度的浅层地下水进行了垂向水温测量,间距为1m/点,测量结果见图2及表1。结果显示位于太平集断层北部的W4井、W5井和太平集断层南部的W7井的浅层地温明显高于其它浅井的温度,滦湖断层组以西浅层地温略高于断层以东浅层地温,因此推测研究区以滦湖断层为界存在地温差异。

表1 浅层地下水水温测量记录表

图2 浅层地下水水温测量点布置图

3 研究区地温特征

3.1 地温场特征

3.1.1 地温场

地球表面热量的主要来源为两个方面:首先为太阳辐射热量,其次为地球内部巨大内热向上传递的热量。由于地球表层只在一定深度范围内接受太阳的辐射,因此在不同地区或不同部位将会导致反向传输的两种热源的热量的平衡关系存在差异,而这种差异化的平衡关系就导致了各个地区地壳浅部温度场特征的差异化,致使地表向下依次形成了三个温度带,分别为变温带、恒温带以及增温带[5,6]。

据永城市气象站资料及有关地温观测资料可知,永城地区变温带深度达23 m,其下为恒温带,恒温带的平均温度为16.4℃,恒温带下部为增温带,其地温随深度的增加而逐渐增高。

3.1.2 地温梯度

地热来源于深部地壳的高温岩体,而地层地热向上的传递运移主要依靠岩体本身的热能传导性,由于各部位的岩性不同,其热传导系数亦不同,因此,地层内地热增温量也有明显差异[7]。

研究区松散层内的粘性土占大部层位,其热传导系数小,地热增温率相对较高;浅部基岩为泥岩、砂岩,热传导系数较粘土大,地热增温率较粘土低;深部基岩为灰岩、页岩,热传导系数较砂岩、泥岩大,地热增温率较砂岩、泥岩低。

根据薛湖煤矿24-23和24-3钻孔测温资料可知,该钻孔覆盖层约为400 m,在400 m处温度为28.5℃～29℃,恒温带为23 m,温度16.4℃。由此可知松散层地热增温率预计3℃/100m左右。钻孔24-23在深度400～960 m之间为砂岩、泥岩,在400 m处温度为28.5℃,在960 m处温度为37.8℃,因此估算该基岩平均地温梯度为1.66℃/100m;24-3钻孔深度400～1 000 m之间为砂岩、泥岩,在400 m处温度为29℃,在1 000 m处温度为39.9℃,因此估算该基岩平均地温梯度为1.82℃/100m。根据两眼实测钻孔资料推算,研究区基岩地热增温率约(1.82+1.66)/2=1.74℃,即1.74℃/100m。

3.2 地热异常因素分析

新商断裂是研究区内较大的断裂,向上切割新近系,且具有活动性。根据区内地震、重力、磁异常及电测深等资料分析得知新商断裂主干断裂向下切深超过1 000 m,成为联通地下深部热源的通道,深部地下热水得以沿断裂或裂隙面向上运移,并在古近系中进行聚集、扩散,从而影响该区域范围内的地热场特征[3]。

区内地热异常的影响因素除断裂构造外,大地热流也对地热异常产生较大的影响。通过对永城煤田地层中所含铀、钍、钾等放射性元素进行测试计算,将其得出的生热率与岩浆余热比较分析,发现研究区地热场供热源为地幔热流和地壳热流,且以层控热储为主,补给方式为侧向径流[3]。

4 研究区地热储层特征与埋藏条件

4.1 储层特征

新近系的层状热储层是目前国内开采的主要地热资源,同时奥陶系、寒武系灰岩裂隙岩溶所控制的储层热源同等重要。研究区内新近系、奥陶系、寒武系地层分布较广,但由于覆盖层厚度较薄,新近系地层温度较低,不具备地热开采条件,因而考虑奥陶系、寒武系灰岩作为热储层[8]。

根据本次地球物理勘查工作及收集资料分析,区内地热资源主要赋存于奥陶系中统的马家沟组以及寒武系中统的张夏组灰岩岩溶裂隙热储层中,岩性以灰岩、白云质灰岩、鲕状白云岩为主,富水性较好,为较好的储热层,灰岩总厚度为567～846 m,平均706 m,其中寒武系张夏组灰岩厚度85～221 m,奥陶系马家沟组灰岩厚度133～263 m,而热储层的有效厚度为300 m左右[3]。

研究区奥陶系、寒武系灰岩多次经历大的构造运动,造成深大断裂切割地层,形成的灰岩裂隙及风化壳后期经岩溶作用,发育大量溶洞裂隙。根据大王庄铁矿的勘探资料,研究区内岩溶发育特征具有水平分带性和不均一性,在灰岩面以深200 m水平范围内广泛发育,溶洞直径大者达4 m,一般在1 m左右,小溶洞孔呈蜂窝状纵横分布[3]。

4.2 埋藏条件

根据地球物理勘查及收集的钻孔揭示资料分析,如图3所示,研究区内奥陶系灰岩顶板埋深在滦湖断层组以西区域(Ⅰ区)为800～1 350 m,并且由东向西呈逐渐增深趋势,其上覆地层为第四系、新近系、二叠系及石炭系,覆盖层厚度约为400 m,根据地温梯度计算可知,当深度达到1 800 m时,水温达45℃～50℃;

图3 研究区地热条件分区图

而在滦湖断层组以东区域(Ⅱ区)奥陶系灰岩顶板埋深大部在300～800 m,其上覆地层为第四系、新近系、二叠系、石炭系,覆盖层厚度约300 m。部分地区地层缺失二叠系、石炭系,姜松园—吕官庄～赵破楼一线二叠系、石炭系缺失,勘查区北部芒山镇附近二叠系、石炭系、奥陶系全部缺失。局部地区寒武系张夏组底板埋深在1 600 m左右,根据地温梯度计算可知,当深度到达到1 600～1 700 m时,水温小于42℃。