浅谈水文地质测量在地热勘查中的作用

地热资源作为一种清洁、可循环利用的可再生能源,具有储量大、分布广、环保、稳定等特征,使用其代替部分传统能源不仅对调整能源结构、节能减排、优化生态环境具有重要意义,而且还可以促进培育新兴产业、加速新型城镇化建设、丰富地方旅游资源、增加地方就业率。近年来,为满足中国生态文明建设的现实需求,地热资源的需求越来越大、应用领域越来越广,其勘查、开发和利用必将迎来一个快速发展期。

湖北省地热资源勘查工作始于20世纪60、70年代,经过近60年的探索及实践,目前已形成一套相对成熟的勘查方法,主要勘查手段包括水文地质测量、浅层地温测量、地球化学勘查、地球物理勘查及地热地质钻探。水文地质测量作为地热勘查中的基础性、先行性地质工作,在水热型地热资源勘查(尤其是中深层地热勘查,深度1～3 km)中起到了至关重要的作用,甚至直接成为勘查成败与否的关键因素。

1 水热型地热资源类型及水文地质测量

湖北省水热型地热资源较为丰富,现已在39个县(市)发现有地热田(或温泉)68处,多形成温泉出露于地表,由钻孔、开矿发现的有15处。地热资源温度由26～110 ℃不等,按地热资源地质勘查规范,可将其归为地温地热资源—中温地热资源。按地热资源的成因模式划分,可将其分为隆起断裂型和沉降盆地型,其中隆起断裂型地热资源按热储岩石性质及其赋存空间划分,可划分为裂隙亚型和岩溶亚型。

水文地质测量工作贯穿地热资源勘查全过程,研究的对象主要是地下热水和与其有关的地质现象,工作手段主要是实地观测和地质填图,其主要调查内容包括含水岩组(层)和隔水岩组(层)的分布、性质、厚度和变化规律及断裂的水文地质特征;着重了解地下热水与地质构造、地形地貌、自然地理现象的关系及其补给、迳流和排泄条件;含水层的水量、水质及其动态变化规律等。由于地热资源成因类型的差异,水文地质测量的工作重点亦有所差别。

2 不同类型地热资源的特征

2.1 隆起断裂型裂隙亚型地热资源

隆起断裂型裂隙亚型地热资源地热地质特征主要有下列五点。

(1) 地热田多位于地壳隆起或褶皱山地,沿区域深大断裂带及其次级断裂产出,尤以喜山期张性断裂或其影响带出露温泉数量较多,在两组走向近垂直断裂交汇部位,地质应力叠加释放,给予地下热水向上运移的通道,往往在这些部位形成相对较大规模的地热田。受构造活动影响,原先不含水的地层(岩体)产生了断裂及其破碎带、影响带,给予了地热流体赋存空间以及运移通道,这使得该类型地热资源往往呈现条带状产出,属于条带状热储裂隙型地热田,断裂破碎带的孔隙、裂隙是地下水补给、径流、排泄的唯一途径。

(2) 地下热水多出露地表,形成温泉,大气降水通过断裂破碎带和裂隙带入渗,在相对较高的大地热流值背景条件下,经远源补给、深循环并与围岩达到水热化学平衡,在合适的地形地貌及地质构造条件下,于地势低洼或构造复合部位出露地表。地热田中心地温梯度5.12～13.24 ℃/100 m不等,明显高于当地平均的地温增温率。

(3) 该类型的地热流体温度由33.6～77 ℃不等,较岩溶亚型地热资源流体温度更高,主要是由于其具有更高的地热背景。

(4) 地热水的水化学类型一般为SO2−442--HCO−33--Na型或SO2−442--Na型水,pH值7.2～8.2,属中性—弱碱性水,矿化度一般<1 g/L,属淡水,且基本呈现出SO2−442-含量越高,地热流体温度相对更高的特点。

(5) 裂隙亚型地热资源热储盖层严格意义上讲由两部分组成,一是第四系全新统松散堆积物;二是弱含冷水的强风化基岩或裂隙不发育的新鲜基岩。上覆松散堆积物及强风化基岩对下伏热储的影响各地不一,部分地段虽保温隔热,但因厚度较小、分布范围有限,其所起的作用不具全局意义。从整体上看,多属于开放型地热田,其上覆的松散堆积层及强风化层并不具严格的保温隔热意义。

2.2 隆起断裂型岩溶亚型地热资源

(1) 受断裂构造影响,岩石发育断层破碎带及裂隙带,经过长时间的溶蚀作用,在碳酸盐岩获得存在易溶于水矿物含量较多的地层形成溶蚀孔、洞、缝,地下热水主要储存于断裂破碎带的裂隙及碳酸盐岩类地层的岩溶孔、洞、缝中,属于条带状热储裂隙型—层状热储岩溶型地热田。

(2) 与裂隙亚型地热资源相比,地热流体温度偏低,多介于26～69 ℃之间,其温度低于裂隙亚型地热资源热储的原因有两点,一是岩溶地区储水空间大,更多的冷水参与了热平衡;二是岩溶地区大地热流值背景一般相对较低。

(3) 地热水的水化学类型一般为HCO−33--Ca2+-Mg2+、HCO−33--Ca2+或SO2−442--Ca型水,pH值7.1～8.3,属中性—弱碱性水,矿化度约1 g/L,属淡水—微咸水。与裂隙亚型地热资源类似,决定水质类型的阴离子成分与温度存在着直接关联,温度越高,SO2−442-含量越高。

(4) 地热田热储盖层以奥陶系上覆志留系的泥质粉砂岩、砂质页岩或泥岩及白垩系紫红色泥质粉砂岩、泥岩等为主,岩层厚度较大,岩石透水性差,具有较好的隔热作用,是良好的地热田盖层。

2.3 沉降盆地型地热资源

(1) 该类地热资源主要分布于中、新生代内陆盆地中,与隆起断裂型相比,地热田的面积更大、埋深更大、温度更高、压力更大,上覆有厚度较大的盖层,其温度可达100 ℃以上,其热源主要为地温梯度增温。

(2) 地下热水的水化学类型主要为Cl--Na+型,矿化度较高,在120～329.5 g/L之间,为地热卤水,含有K、I、Br、Li、B等有用微量元素,有较高的综合开发利用价值。

3 不同类型地热资源勘查中水文地质测量的重点

由于沉降盆地型地热资源均为石油行业勘探或盐矿勘探时所发现,其钻孔深度较大,对此类地热资源的勘查目前是不经济的,现仅对隆起断裂型裂隙亚型、岩溶亚型地热资源勘查中的水文地质测量重点简要介绍。

3.1 隆起断裂型裂隙亚型地热资源勘查

其不具备严格意义上的热储盖层,含水层主要为断裂破碎带孔隙和裂隙,且断裂破碎带孔隙和裂隙是地热流体补给、径流、排泄的唯一途径。在水文地质测量工作中,其重点主要如下:

(1) 详细调查勘查区内井点、泉点的水量、水温、水质及其动态变化,重点分析其与地质构造、地形地貌的关系。

(2) 在充分收集、分析研究区域地质、地热地质成果资料的基础上,调查区内出露的主要地层、岩浆活动情况及地下水赋存条件,依据含水介质空隙性质的差异区别地下水类型。

(3) 调查区内出露的主要构造性质、产状、相互交切关系、断裂破碎带及其影响带的宽度,在第四系覆盖较厚的地区,地质现象露头较差,应重点调查岩石节理裂隙发育情况,统计各类节理裂隙产状并制作玫瑰花图,了解区内占主导地位的构造及其产状。

(4) 调查区内主要断裂构造的水文地质特征,综合分析区域地下水补径排条件,对主要构造含水性及控热、导热性能进行初步评价,明确勘查的目标断裂构造,并在此基础上建立地热找矿模型。

3.2 隆起断裂型岩溶亚型地热资源勘查

其调查内容与裂隙亚型地热资源勘查相似,结合岩溶亚型地热资源地热地质特征,还应注重以下两个方面的调查:

(1) 通过实测地质剖面,详细了解含水层(碳酸盐岩类地层)、隔水层(热储盖层)的分布、产状及其厚度,为地球物理勘查深度及钻孔布置深度提供依据。

(2) 详细调查岩石的蚀变作用,如硅化、方解石化、黄铁矿化等,为进一步优选地热成矿有利地段提供依据。

4 典型勘查案例分析

4.1 温泉出露区水文地质测量

2019—2020年,为配合地热资源可行性勘查工作,在有地热显示的罗田县白庙河地热田和浠水县曹畈地热田开展了详细水文地质测量,上述地热田勘查取得了重大突破,主要勘查成果见表1、表2。

4.1.1 罗田县白庙河地热田

罗田县白庙河地热田在充分收集预可行性勘查成果基础上开展水文地质测量,综合分析判定F1断裂为地热田的主要控热、导热断裂(图1、图2),区内断裂带的不同地段,岩石的破碎程度有别,其破碎带构成地热田热储的主要部分,是控制热水形成、赋存和循环的主要因素。结合地球物理勘查成果,在F1断裂南东侧(上盘)布置了地热勘探井二口(ZK4、ZK5),设计孔深500 m,实际终孔孔深分别为400.8 m 、423.8 m。ZK4出水量1 816 m3/d,水温40.7 ℃;ZK5出水量1 230 m3/d,水温52.7 ℃;地热田范围由预可行性勘查阶段244 416 m2扩大至317 687 m2。

4.1.2 浠水曹畈地热田

经系统水文地质测量,确定浠水曹畈地热田主要存在两条控制性断裂构造F1和F2,F1为北东向深大断裂,F2为北北东向断裂(图3、图4)。结合地球物理勘查成果,在F1断裂南东侧(上盘)布置地热勘探井一口(ZK5),设计孔深600 m,实际终孔孔深514.5 m,出水量919 m3/d,水温59.3 ℃,地热田范围由预可行性勘查阶段170 475 m2扩大至301 034 m2。

4.1.3 勘查成果浅析

通过开展详细水文地质测量,进一步查明了地热显示区主要控热、导热构造展布及特征,上述地热田主要控热构造为北东向区域性深大断裂,属于长寿断裂,最近一期构造活动为张扭性;而近东西向、近南北向断裂构造具备一定的导热性能,以走滑性质为主,兼具压扭性,并不具备阻水隔热作用。地下水主要沿北东向断裂破碎带入渗,远源补给地热田,通过深循环获得地温梯度增温后沿主要控热断裂破碎带向上运移,以温泉的形式在地形条件有利且裂隙贯通性较好地段出露地表,断裂破碎带中的构造裂隙是地下热水补给、径流、排泄的唯一途径。

4.2 地热资源空白区水文地质测量

在没有地热资源显示的空白区开展水文地质测量工作显得尤为重要,2018—2019年,在进行麻城市阎家河镇黄土咀地区及武汉市新洲区清风寨一带深部地热资源勘查过程中,水文地质测量成为直接决定勘查项目成败的关键因素。

4.2.1 麻城市阎家河镇黄土咀地热勘查

阎家河镇黄土咀地热勘查在开展一般性水文地质测量后,主要依据地球物理勘查资料布设地热勘探孔,实施的两个钻孔在达到设计孔深后,均未能获取可供开发利用的地热流体,究其原因主要如下:

(1) 水文地质测量过程中未详细分析区域地质、水文地质资料,对勘查区内主要构造麻团断裂、大田铺断裂(图5)的性质了解不够,对地下水赋存、运移条件研究不够深入。

(2) 未对勘查区内地下水补径排条件开展详细的调查,对勘查区内主要断裂构造的水文地质特征及其控热、导热性能了解不够。

(3) 钻孔的布置过度依赖于地球物理勘查对构造的解译,忽略了其解译的多解性和主观性。

4.2.2 新洲区清风寨地热勘查

新洲区清风寨勘查区在水文地质测量过程中,通过对区内地表出露的构造形迹进行详细调查,发现F1在区域上延伸近20 km(图6),经历了至少两期构造活动,其最初形成时为逆断层,切割深度较大,而最近一期构造活动为张扭性,使其备良好的控热、导热条件,地下水自东向西补给勘查区,受断裂构造影响,破碎带及其影响带的岩石节理裂隙发育,具备形成地热流体的良好深循环条件。在此基础上,布置了地球物理勘查工作,并结合水文地质测量成果布设地热勘探井一口(ZK1)。设计井深2 200 m,施工至1 600～1 700 m揭露控热构造,地热流体温度为53 ℃,涌水量约832 m3/d。

4.3 综合分析

综合分析以上项目的勘查成败经验,进一步表明了水文地质测量在地热资源勘查中的重要性,针对隆起断裂型地热资源,尤其在地热资源空白区,应详细查明断裂构造的性质及产状、断裂构造水文地质特征及地下水补径排条件,评价区内主要构造的含、导水性及其控热导热性能,在此基础上建立地热成因模型,指导地球物理勘查工作实施,为钻孔的布置提供详实可靠的依据,提高地热资源找矿成功率。

5 结论

(1) 为满足中国生态文明建设的现实需求,地热资源的需求越来越大、应用领域越来越广,其勘查、开发和利用必将迎来一个快速发展期。水文地质测量作为地热勘查中的基础性、先行性地质工作,在水热型地热资源勘查(尤其是中深层地热勘查,深度1～3 km)中起到了至关重要的作用。

(2) 湖北省水热型地热资源按其成因模式划分,可分为隆起断裂型和沉降盆地型,其中隆起断裂型地热资源按热储岩石性质及其赋存空间划分,可划分为裂隙亚型和岩溶亚型。

(3) 针对隆起断裂型地热资源,尤其在地热资源空白区,应详细了解断裂的性质及产状、断裂水文地质特征及地下水补径排条件,评价区内主要构造的含水性及其控热导热性能,在此基础上建立地热成因模型,指导地球物理勘查工作实施,为钻孔的布置提供详实可靠的依据,提高地热资源找矿成功率。

6 展望

21世纪以来,传统矿物能源大规模开发利用带来的资源枯竭问题和环境污染问题日益严重,当今常态化雾霾天气及极端天气已经严重影响了人民的生活质量和环境,是亟待解决的重大环境地质课题。“双碳”期间,资源与环境和谐发展、低碳环保的理念已逐步被大众接受,在国家能源政策的保障与规划之下,地热资源相关产业获得了蓬勃的发展。在经济高质量发展、人与自然和谐共处的大背景下,勘查、开发、利用清洁能源是中国能源结构革新的必然之选。同时，中深层地热勘查将迎来更广阔的发展前景。水文地质测量作为基础性、先行性地质工作,将发挥更重要的作用,甚至直接成为决定勘查成败的关键因素。