吉泰盆地地热资源分布规律

0引言

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源,与风能、太阳能相比,不受季节、气候、昼夜变化等外界因素干扰,具有储量大、分布广及开发利用简便等特点,是一种现实并具有竞争力的新能源。吉泰盆地位于江西省中部、赣江中游,面积约为4 550 km2, 为白垩系形成的陆相箕状湖盆,与清江盆地、抚州盆地、赣州盆地等一起构成江西中北部晚燕山—喜马拉雅期盆地群。

21世纪以来,为寻找地热资源,前人已在吉泰盆地开展了一系列研究工作。2010—2011年间,江西省水文地质大队在《江西省地热资源预测及勘查开发研究报告》中,初步分析了吉安盆地的地热地质条件、地热资源类型,并预测了地热资源的赋存规律。2014—2017年间,在吉泰盆地江子头地区进行了物探调查并钻凿了1个地热钻孔,获得水量 330 m3/d、水温37℃的地热水资源。在该项成果的指导下,又在樟山地区施工了4个地热钻孔,获得水量818 m3/d、水温57℃的地热水资源。这些地热勘查研究工作,进一步查明了吉泰盆地地热地质条件,为总结吉泰盆地地热资源的赋存特征及形成机制奠定了基础。

1樟山地热田地质背景

吉泰盆地位于扬子准地台与华南褶皱系接触带,属于华南褶皱系赣西南坳陷之大湖山—芙蓉山隆断束与吉安凹陷的交接部位[4-5],樟山地热田位于吉泰盆地北部。区内经历多期次构造运动,印支运动使其褶皱成陆,形成了一些开阔褶皱及断裂构造;燕山期由于强烈的断裂及断块作用,形成吉安盆地等一系列陆相断陷盆地;喜山期主要表现为抬升作用, 以北东、北西向断裂复活,盆地被抬升为主。区域上, 赣江大断裂从区内通过,同时,受红盆断陷作用,盆地内一般发育盆地同生断裂。 

2樟山地热田地热地质条件

2.1地层

研究区地表出露的地层主要为第四系与白垩系,白垩系红层下伏有二叠系小江边组、马平组与石炭系梓山组地层。白垩系宏冈组大面积分布于研究区北部,岩性上部为砖红色块状含砾不等粒钙质长石岩屑砂岩夹透镜状钙质复成分砾岩;下部为暗紫红色、青灰色块状砾岩,灰白色块状石英质砾岩,花斑状砾质不等粒钙质岩屑砂岩、含砾钙质砂岩夹透镜状砾岩,灰白~浅红色厚层状含砾砂质灰岩,与下伏周田组呈平行不整合接触,在研究区中部与周田组呈断层接触。白垩系周田组大面积分布于研究区中部,岩性上段为紫红色、砖红色粗~中砂岩和中~细粒砾岩;中段为暗红色薄层状钙质粉砂岩与中厚层状粉砂质泥岩互层,沉积构造具水平层理及小型斜层理;下段为紫红色巨厚层状含砾泥质不等粒岩屑杂砂岩与巨厚层状钙质粉砂岩互层。

钻孔揭穿红层后揭露的二叠系马平组地层厚度为95~211 m,岩性为灰白色、浅灰色、灰黑色和深灰色块状生物碎屑微晶灰岩、变质粉砂质细晶灰岩。岩矿鉴定显示为变余含粉砂细晶结构,块状构造,石英砂含量约40%;方解石约59%;白云母约1%,并发育条带状方解石脉,脉宽多为1~5 mm,可见溶蚀、孔洞。

本区隐伏梓山组地层埋深大于1 100 m。岩性主要为灰白色中厚层状含砾石英砂岩、灰白色砂质板岩、灰黑色中薄层状炭质砂岩及浅灰色石英岩,主要矿物组成为长石、石英,含少量灰白色方解石。石英砂岩岩矿鉴定为细粒粒状变晶结构,块状构造,石英含量约90%,长石约5%,碳酸盐约4%,黄铁矿约 1%,白云母及电气石均小于1%。

2.2地质构造

研究区内发育两条北北东向断裂———F1断裂与 F2断裂。F1断裂横穿研究区中南部,长约2.7 km,走向北北东,倾向不明,是宏冈组砾岩与周田组粉砂岩的接触断层。但受地表植被覆盖与风化作用影响,出露条件并不理想,本断裂规模较小,是红盆形成过程的组间断裂,对本地热田找热意义较小。F2断裂位于 F1段以南,长约2.5 km,走向北北东-北东,倾向南东,倾角约为50°。

2.3地温场特征

2.3.1地热流体分布特征

通过本地热田实施的4个钻孔系统测温资料分析,本地热田深部的热量主要通过岩石热传导和载热地下水运动向地表传输。平面上,钻孔穿透红层后,同一深度下4个钻孔的温度差异整体较小;垂向上,则因地热区内的地质、水文地质条件不同而呈现差异。总体上14个钻孔的地温均随钻孔深度的增加而升高,表现出典型的传导式增温特征。当钻孔穿透红层后,孔内温度达到最高值,随后底部出现拐点, 温度降低,呈现从慢增温到近乎不增温的特征,这与该段穿过热储时水岩比热容差异导致的热量单向传递有关,冷水下移,热水上涌,造成上部水温高,下部水温度低的分层现象。水文测井数据显示,该段流体电阻率和自然伽马等参数也存在明显突变。

2.3.2地热增温率

地热增温率常用来评价盆地型地热田的热储温度,钻孔揭穿红层后会出现较大的温度拐点,但对于热储上部的盖层,可用地温梯度来评价其热异常特征,具体方法为选取灰岩以上的红层计算地热田的地热增温率。樟山地热田的地热增温率如表1所示。

2.4热储特征及其埋藏条件

2.4.1热储类型与分布

樟山地热田的地下热储表现出典型的传导式增温特征,其热源深埋于巨厚层的红层之下,以地下水为载体,通过热传导方式吸收岩石骨架中的热能,升温形成层状地热水。以ZK1为例,钻进至1 105.95 m (未揭穿红层)时开展了抽水试验,测得水温为28℃, 而钻进至1 143.20 m揭穿红层后,揭露灰岩地层,继续钻进至1 190.30 m时出现涌水,测得自流量为 0.102 L/s,岩芯显示发育溶隙,1 221.50 m处发育小断层,1 279.40 m发育高0.5 m、部分为黏土填充的溶洞;终孔抽水试验测得地热水水温为42℃,产量为135.60 m3/d。这些特征共同表明,ZK1孔地热水赋存于灰岩岩溶空隙中,岩性为浅灰色灰岩,属盆地层状传导型地热水。ZK4孔的井内测温数据显示, 在1 322 m、1 390 m两处测温曲线拐弯较明显,孔内温度随着深度的增加逐渐升高,岩性为浅灰、灰白灰岩。这些特征进一步证实,灰岩段是地热水的相对富集区。

2.4.2热储埋藏条件

根据本地热田钻探、简易水文、系统测温与抽水资料,本地热田的热储层为马平组灰岩,埋深为 1 143.20~1 440.0 m,研究区热储埋藏深度较稳定,厚度变化较小,4个地热孔的热储上覆地层均为白垩系河口组砖红色厚层状泥质粉砂岩与复杂成分砾岩, 具有较好的隔热保温性能。

2.4.3热储温度

热储温度可通过地球化学温标结合水质分析资料来估算。由于研究区内岩石中的SiO2主要以石英形式存在,热水中的SiO2也来源于石英溶解,加之该区地热水为中低温类型,不存在蒸汽损失,故采用无蒸汽损失的石英温标进行计算。根据水质分析成果, 各钻孔中SiO2平均含量为29.62 mg/L,计算结果表明,研究区内热储温度为63.44~85.41℃,平均热储温度为78.88℃。

3地热流体化学特征

3.1地热水化学组分特征

根据水样矿泉水全分析结果,本区地热水阳离子以钙离子为主,钠离子次之,镁离子再次之,并含微量铝离子;阴离子中以碳酸氢根离子为主,硫酸根离子次之,氯离子、硝酸根离子及氟离子含量极少。 地热水中含有铁、锰、铜、锌、铬、锶、钡等多种微量元素离子,其中铁离子、钡离子、锰离子、锂离子和锶离子含量较高。地热水水化学类型主要为弱碱性硫酸重碳酸钠型水(SO4·HCO3-Na)和弱碱性重碳酸钙钠型水(HCO3-Ca·Na)。地热水中偏硅酸含量为45.0~ 51.4 mg/L,属于含偏硅酸重碳酸钙钠型理疗温矿水, 适合洗浴及医疗用途。

3.2地热水动态特征

通过对地热孔一个水文年的自流量、水温动态监测数据进行分析,结果如表2所示。由表2可知,钻孔自流量、水温动态曲线呈波状起伏状,总体较平稳。

4地热资源成因分析与热储模型

研究区上覆白垩系河口组与周田组红层,结构致密、裂隙不发育,具备导水性差、隔热保温性好的优点。同时,红层厚度稳定在1 143.20~1 250.0 m,厚度适中,为地热田的形成提供了良好的盖层条件。根据钻孔系统测温资料,研究区及其周边地温梯度为 23.9~31.5℃/km,略高于江西省地温梯度平均值(20~ 25℃/km),证实大地热流是研究区的主要热源。钻孔揭穿红层进入马平组后均出现涌水或漏浆现象,并发育不规则溶蚀空隙,抽水水温与红层段存在显著差异,表明二叠系的灰岩地层是本地热田的热储。同时, 基于地热田区域地质构造特征及地热流体场特征,推测地热水补给源位于地热田北西30 km处的吉安盆地北西缘,层状岩溶空隙构成地热水的径流通道。

综合分析,本地热田为层状分布的盆地型地热系统,热储为层状海相碳酸盐岩地层,勘查类型为Ⅱ-1 型,地热水的形成机制可概括为:大气降水在研究区北西30 km处吉安盆地北西缘出露的二叠系灰岩地层中沿岩溶、裂隙等通道下渗,并随着向南东逐步隐伏的灰岩层状热储径流,在受大地热流供热、千米厚红层保温的作用下,在研究区一带赋存地热流体。但由于深部岩溶发育极不均一,本次实施的地热井揭露的均是主岩溶通道末端,获得的地热水数量相对有限。

5结语

樟山地热田深部地热水主要来源于大气降水, 该降水在研究区北西30 km处吉安盆地北西缘出露的二叠系灰岩地层中沿岩溶、裂隙等通道下渗,并随着向南东逐步隐伏的灰岩层状热储径流,沿途通过传导等方式吸收围岩热量及溶滤围岩微量元素,在受大地热流供热、千米厚红层保温的作用下,在深部溶腔(溶孔、溶洞等)中富集赋存形成热水资源。根据樟山地热田地热条件分析,吉泰盆地红层下伏二叠系马平组碳酸盐岩溶裂隙为地热勘查开发主要目标层段,属沉积盆地传导型地热资源,热储岩性比较复杂且局部富水性极好,但分布不均。樟山地热找热成果是吉泰盆地迄今为止发现的找热温度最高、开发价值最大的地热水资源,为吉泰盆地寻找盆地传导型岩溶热储地热水资源和盲区靶区优选提供了研究方向。