王 偉,申小龍,2,劉 軍,2,賈志剛,宋一民

(1.陜西煤田地質(zhì)勘查研究院有限公司,陜西 西安 710021;2.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021)

0 引言

隨著煤炭、石油等化石能源的緊缺和社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源能有效緩解能源緊缺、環(huán)境污染問(wèn)題[1-3]。地?zé)崮苁且环N清潔低碳、分布廣泛、資源豐富、完全穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)可再生能源。大力開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮?對(duì)深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想,落實(shí)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)具有重要意義。由于地?zé)岱植嫉囊?guī)律復(fù)雜,盲目開(kāi)采將導(dǎo)致地下水的浪費(fèi)和地?zé)豳Y源的污染[4]。地?zé)崴堑責(zé)豳Y源的主要載體,合理開(kāi)發(fā)利用地?zé)崴Y源必須加強(qiáng)對(duì)其賦存特征的研究。為此,在前人對(duì)關(guān)中盆地地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用相關(guān)研究的大量成果指導(dǎo)下,結(jié)合眉縣城區(qū)地?zé)豳Y源勘查取得的資料,分析和研究了眉縣城區(qū)地?zé)崴x存特征,以期為眉縣城區(qū)地?zé)峋こ滩贾锰峁┮罁?jù)。

1 構(gòu)造特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

眉縣處于關(guān)中盆地寶雞凸起的次級(jí)構(gòu)造單元眉縣淺凹,營(yíng)頭鎮(zhèn)和湯峪鎮(zhèn)南部處于北秦嶺褶皺帶內(nèi)?？h城區(qū)緊臨渭河斷裂,東部約10 km有啞柏?cái)嗔?。南部約5 km發(fā)育余下斷裂,約10 km發(fā)育秦嶺山前斷裂。深大斷裂斷距大,為高角度正斷層,具有導(dǎo)水導(dǎo)熱特征,如圖1所示。

圖1 眉縣區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)Fig.1 Local structural geology of Meixian

1.2 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

眉縣城區(qū)主要發(fā)育MF1斷層,其南側(cè)約700～1 000 m發(fā)育MF2斷層,MF1、MF2斷層均傾向北東,傾角約60°～80°,屬于高角度正斷層。MF1、MF2這2個(gè)斷層近乎平行展布,斷裂發(fā)育深度至寬坪群深部,斷層之間推斷為裂隙較為發(fā)育的破碎帶,富含地?zé)崴?。在縣城西南側(cè)發(fā)育MF3斷層,傾向北東,傾角約60°～80°,為隱伏正斷層,如圖2所示。眉縣城區(qū)斷層特征與周邊發(fā)育的區(qū)域深大斷裂具有相似性,分析認(rèn)為MF1、MF2斷層為區(qū)域深大斷裂形成時(shí)產(chǎn)生的伴生斷層,具有導(dǎo)水、導(dǎo)熱性質(zhì)。

圖2 眉縣城區(qū)構(gòu)造示意Fig.2 Structure of Meixian urban area

鉆井中,有泥漿漏失、跳鉆等異?，F(xiàn)象,漏失和跳鉆井段鉆時(shí)加快,這表明異常井段具有明顯斷裂帶特征。在MF1斷層上盤(pán),9#地?zé)峋┕ぶ?00 m時(shí),跳鉆明顯隨后出現(xiàn)泥漿大量漏失(只進(jìn)不出),采用鋸末、麻繩頭等材料堵漏仍無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn),8#地?zé)峋┕ぶ?50 m時(shí),泥漿漏失量較大,頂漏施工漏失量達(dá)400 m3,在MF2斷層上盤(pán),2#地?zé)峋┕ぶ?57 m時(shí),泥漿漏失量約100 m3,3#地?zé)峋┕ぶ? 330 m時(shí),泥漿漏失量約132 m3,其它地?zé)峋┕r(shí)也出現(xiàn)了不同程度的漏失,地?zé)峋删笞粤?最大自流量150 m3/h。從熱水自流的情況分析可知,物探成果所確定的MF1、MF2、MF3斷層帶是存在的,它們很好地導(dǎo)通了地下深部的熱源和水源,獲得了理想的地?zé)崴Y源。

2 地層及熱儲(chǔ)層特征

2.1 地層特征

2.1.1 地層柱狀圖

研究區(qū)地層屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)汾渭地層分區(qū)渭河地層小區(qū)。由新到老依次為第四系,新近系藍(lán)田灞河組以及中元古界寬坪群,如圖3所示。

圖3 眉縣城區(qū)地層柱狀圖Fig.3 Formation histogram of Meixian urban area

2.1.2 新生界第四系(Q)

下部巖性為礫石層和砂層不等厚互層,具明顯的韻律結(jié)構(gòu)、水平層理或交錯(cuò)層理。上部沉積物主要為淺黃-灰黃粘土、砂層與砂礫層互層。地層厚度420～450 m。地層視電阻率整體較小(5～30 Ω·m),電性自上而下變化無(wú)線性規(guī)律。

2.1.3 新生界新近系藍(lán)田-灞河組(N2l+b)

頂部巖性為棕-暗紅色砂質(zhì)泥巖與灰白色中-細(xì)砂巖不等厚互層;中下部為棕-暗紅色砂質(zhì)泥巖與灰白色、淺灰色細(xì)-粗砂巖及砂礫巖不等厚互層,在該組地層的底部以上150 m范圍內(nèi),半固結(jié)中-粗砂巖分布較多,砂礫巖泥質(zhì)半膠結(jié),孔隙度大,地層視電阻率略有增高(20～60 Ω·m),電阻率變化基本呈線性增高趨勢(shì)。該層縱向連續(xù)性較好,水平方向連續(xù)性一般,含水性較好。

2.1.4 中元古界寬坪群(Pt2kn)

寬坪群沿華北地區(qū)南緣呈近東西向展布,是北秦嶺構(gòu)造帶中元古界以云母石英片巖、綠片巖和石英大理巖為主體的一套中淺變質(zhì)巖系,是一套中元古代俯沖雜巖。平面經(jīng)受了中晚元古期中壓區(qū)域動(dòng)力熱流變質(zhì)作用,在平面上形成自南向北遞增變質(zhì)帶,即低綠片巖相-高綠片巖相-低角閃巖相。在地?zé)徙@探井中巖性主要為絹云母石英片巖、綠泥石石英片巖、云母石英片巖及少量大理巖,厚度大于730 m。地層視電阻率隨深度逐漸升高,明顯有大幅度增高趨勢(shì)(>60 Ω·m),地層含水性較差。

2.2 熱儲(chǔ)層特征

眉縣城區(qū)熱儲(chǔ)層劃分為新近系藍(lán)田-灞河組孔隙型砂巖熱儲(chǔ)、中元古界寬坪群裂隙型基巖熱儲(chǔ)和MF1、MF2斷裂導(dǎo)水熱儲(chǔ)。

2.2.1 新近系藍(lán)田-灞河組孔隙型砂巖熱儲(chǔ)

熱儲(chǔ)層呈水平層狀分布,受基巖面起伏形態(tài)影響,總體上由縣城區(qū)西北部至東南部逐漸變厚,地層厚度250～500 m,埋深400～900 m。該熱儲(chǔ)層砂巖單層厚度0.9～11.9 m,砂巖累計(jì)厚度一般為82.9 m,砂厚比一般為21.28%,砂巖孔隙度為56.03%～47.66%,滲透率58.85～1511.23 mD,該熱儲(chǔ)層局部有裂隙發(fā)育,以孔隙型為主,裂隙型為輔,該熱儲(chǔ)層富水性較好。

2.2.2 中元古界寬坪群裂隙型基巖熱儲(chǔ)

該地層上部和MF1、MF2之間發(fā)育寬坪群裂隙帶,該裂隙的形成是在新近系沉積前,經(jīng)歷多次構(gòu)造疊加運(yùn)動(dòng),同時(shí)遭受了較長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化剝蝕,在熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流共同作用下,形成了寬坪群的裂隙基巖熱儲(chǔ)。斷裂構(gòu)造形成的循環(huán)構(gòu)造裂隙型熱儲(chǔ),地層厚度大于730 m,埋深900 m以上,已有地?zé)峋唇掖?巖性主要為角閃石英片巖和大理巖。該熱儲(chǔ)層孔隙度一般為1.11%～31.21%,滲透率一般為0.01～282.36 mD,裂隙較發(fā)育,裂隙率約20%。該熱儲(chǔ)層主要富集裂隙水,富水性好。

2.2.3 寬坪群基巖斷裂帶熱儲(chǔ)

在斷層MF1、MF2與深部及周邊大斷裂溝通下,斷裂帶的流動(dòng)地?zé)崴敲伎h城區(qū)地?zé)崴奶厥鉄醿?chǔ)空間和通道,從施工的地?zé)峋|(zhì)化驗(yàn)可得到驗(yàn)證,硫化氫含量較高,說(shuō)明是深層還原環(huán)境中的熱水。同時(shí)地?zé)峋褂弥兴^高度下降較少,說(shuō)明地下熱儲(chǔ)的通道非常好。

2.2.4 熱儲(chǔ)層特征分析

由于斷層的存在,基巖裂隙熱儲(chǔ)層、斷裂熱儲(chǔ)空間與新生界儲(chǔ)層之間會(huì)發(fā)生穿層流動(dòng)現(xiàn)象[5-6]。關(guān)中盆地砂巖熱儲(chǔ)層多賦存于河湖相或河流相沉積巖中,其巖性主要為泥巖、砂礫巖與砂巖互層,其中砂礫巖、砂巖的孔隙裂隙發(fā)育,為地?zé)崃黧w的運(yùn)移及貯存提供了良好的空間,熱傳遞方式為熱傳導(dǎo),斷裂裂隙型熱儲(chǔ)層呈條帶狀分布,熱傳遞方式為熱對(duì)流[7]。藍(lán)田-灞河組孔隙型砂巖熱儲(chǔ)層具有孔隙度大和滲透性好的特征,寬坪群裂隙型基巖熱儲(chǔ)層巖性為變質(zhì)巖,地層本身不含水,在斷層作用下形成帶狀導(dǎo)水通道,在斷層破碎帶內(nèi)發(fā)生上下熱儲(chǔ)層之間水熱交換與對(duì)流作用。針對(duì)眉縣城區(qū)熱儲(chǔ)層兼顧傳導(dǎo)和對(duì)流的“二元聚熱”特征,是孔隙-裂隙復(fù)合型地?zé)嵯到y(tǒng),取水模型為“二元抽采”模型,如圖4所示,能夠滿足分布式能源站對(duì)水溫和水量的要求。

3 地溫場(chǎng)特征

地溫場(chǎng)的分布或展布主要表現(xiàn)在深度平面溫度特征和地溫梯度特征兩方面,地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及水文地質(zhì)條件等諸多因素都會(huì)影響地溫場(chǎng)特征[8]。眉縣城區(qū)地?zé)峋删疃? 500 m左右,據(jù)地?zé)峋畬?shí)測(cè)溫度研究其地溫場(chǎng)特征并分析影響的主要因素。

3.1 水平地溫場(chǎng)變化

繪制了眉縣城區(qū)基巖頂界面等溫線及埋深1 000 m等溫線,如圖5、圖6所示?；鶐r頂界面溫度為37.7～50.4 ℃,溫度大于40 ℃位于縣城東部區(qū)域,如地?zé)峋?#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#。埋深1 000 m溫度為40.8～51.6 ℃,大于40 ℃位于縣城北東區(qū)域,已施工的井埋深1 000 m溫度均大于40 ℃。

3.2 垂直地溫場(chǎng)變化

地溫梯度是研究地溫場(chǎng)的主要參數(shù),反映了一定區(qū)域范圍溫度隨深度的變化率[9]。地溫梯度是地下溫度和埋藏深度的函數(shù),反映地溫隨深度變化的特征,不同地區(qū)同一深度地溫梯度的差異反映彼此地溫場(chǎng)的熱狀態(tài),同一地區(qū)不同深度地溫梯度則反映垂向地溫變化,即深度和地溫增加的速率,是辨別一個(gè)地區(qū)地?zé)岙惓５闹饕笜?biāo)。據(jù)眉縣城區(qū)10眼地?zé)峋牡販靥荻?繪制了眉縣城區(qū)地溫梯度等值線(圖7),采用恒溫帶數(shù)據(jù)參數(shù)為13 ℃/20 m。地溫梯度變化范圍2.36～3.36 ℃/100 m,地溫梯度平均值為2.86 ℃/100 m。針對(duì)地?zé)岙惓^(qū)的劃分規(guī)定,一般將地溫梯度大于3 ℃/100 m的區(qū)域劃分為異常區(qū)[10],地溫梯度大于3 ℃/100 m(異常)位于縣城區(qū)北部,如地?zé)峋?#、9#、11#。

圖7 眉縣城區(qū)地溫梯度等值線Fig.7 Isoline of geothermal gradient in Meixian urban area

綜合分析表明,隨著深度增加,地溫增大,平面上地溫等值線相對(duì)高值區(qū)的展布及垂向上地溫梯度等值線的異常區(qū)域與斷層MF1、MF2走向基本相同,表現(xiàn)為北西向延伸。在溫度相對(duì)較高的區(qū)域,鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)泥漿大量漏失的情況,如地?zé)峋?#、3#、8#、9#,地?zé)峋粤髁髁?100 m3/h,井口溫度>45 ℃,斷層具有明顯的導(dǎo)熱導(dǎo)水作用。

4 水流場(chǎng)特征

關(guān)中盆地地?zé)崃黧w的埋藏、分布特征及其水頭變化主要受地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)條件的控制,地?zé)崃黧w初始水頭高低變化規(guī)律明顯,總體是盆地西部寶雞地區(qū)水頭標(biāo)高一般在+520～+660 m,且水頭由西向東呈逐漸降低趨勢(shì),地?zé)崃黧w總體上由地形高處(或構(gòu)造凸起)向地形低處(或構(gòu)造凹陷)方向徑流,在西安市的灞河?xùn)|至渭南市臨渭區(qū)下吉鎮(zhèn)—交斜鎮(zhèn)一帶(固市凹陷西部)為地?zé)崃黧w的匯集區(qū)[11]。繪制了眉縣城區(qū)地?zé)崴鲌?chǎng)(圖8),熱儲(chǔ)承壓水水頭高度為502.84～527.16 m,眉縣城區(qū)地?zé)崴饕獜搅鞣较驗(yàn)楸蔽飨?局部為北北西方向。

圖8 眉縣城區(qū)地?zé)崴鲌?chǎng)Fig.8 Geothermal water flow field of Meixian urban area

縣城區(qū)基巖起伏形態(tài)控制了新近系藍(lán)田-灞河組厚度。在縣城區(qū)北西區(qū)域基巖埋深淺,新近系藍(lán)田-灞河組厚度大,由北西向南東方向基巖埋藏加深,新近系藍(lán)田-灞河組厚度增大。同時(shí)斷層MF1、MF2沿北西向發(fā)育,在斷層上盤(pán)形成良好的導(dǎo)水通道,因此,基巖起伏和斷裂構(gòu)造對(duì)地?zé)崴鲌?chǎng)方向具有控制作用。

5 地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征

地?zé)崴牡V化度和離子的含量與地下水所流經(jīng)的巖石成分、在地下滯留的時(shí)間和離補(bǔ)給區(qū)的遠(yuǎn)近等密切相關(guān),因此系統(tǒng)的地層水化學(xué)成分分析能為研究地下水的流動(dòng)方向和過(guò)程提供重要的依據(jù)[12-13]。據(jù)地?zé)崴乃|(zhì)化驗(yàn)資料,對(duì)地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征進(jìn)行了分析。

眉縣城區(qū)地?zé)崴该?個(gè)別水樣略帶臭雞蛋氣味,總體感官特征良好。混合抽水條件下,地?zé)崴|(zhì)特征見(jiàn)表1。

表1 眉縣城區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)基本特征表Table 1 Basic chemical characteristics of geothermal water in Meixian urban area

圖9 眉縣城區(qū)地?zé)峋瘜W(xué)Piper圖Fig.9 Hydrochemical Piper of geothermal well in Meixian urban area

6 結(jié)論

(1)眉縣位于關(guān)中盆地寶雞凸起,較高的大地?zé)崃鳛榈責(zé)崴男纬商峁┝酥饕獰嵩?周邊發(fā)育4條區(qū)域性深大斷裂,控制了次級(jí)斷裂MF1、MF2和MF3的形成,是地?zé)崴a(bǔ)給和上涌的主要通道,熱儲(chǔ)層為藍(lán)田-灞河組孔隙型砂巖熱儲(chǔ)、中元古界寬坪群裂隙型基巖熱儲(chǔ)和寬坪群基巖斷裂帶熱儲(chǔ),是孔隙-裂隙“二元聚熱”類型,較厚的第四系是良好的蓋層。

(2)縣城區(qū)地溫場(chǎng)與斷裂構(gòu)造關(guān)系緊密,斷層破碎帶地溫異常明顯,在斷裂MF1、MF2上盤(pán)施工的地?zé)峋霈F(xiàn)泥漿大量漏失,水溫高水量大,構(gòu)造開(kāi)啟性較好,環(huán)境較開(kāi)放,主要徑流方向?yàn)楸蔽飨?局部為北北西方向。

(3)縣城區(qū)地?zé)崴畬贉責(zé)崴?酸堿度屬于弱堿性范圍,礦化度687.80～1 181.00 mg/L,11#為微咸水其它井為淡水,總硬度20.0～170.6 mg/L,為極軟水-硬水。水化學(xué)類型以HCO3—Na型為主,HCO3—SO4—Na型次之,亦有SO4—Cl—Na型。

(4)眉縣城區(qū)地?zé)豳Y源賦存條件較好,有利于地?zé)豳Y源的規(guī)?；C合開(kāi)發(fā)利用,地?zé)峋こ滩贾脩?yīng)優(yōu)先考慮在斷層上盤(pán)布井,主要開(kāi)采裂隙型基巖熱儲(chǔ)和寬坪群基巖斷裂帶熱儲(chǔ)地?zé)崴?其次在斷層不發(fā)育區(qū)域,應(yīng)在新近系藍(lán)田-灞河組厚度較厚處布井,開(kāi)采孔隙型砂巖熱儲(chǔ)地?zé)崴?/p>