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天津滨海地热田北部深部地热资源赋存规律
唐永香1,2，林建旺1，李嫄嫄1，阮传侠1，张雪梅1,2，赵娜1，刘志龙1，张芬娜1，李哲1，栾鹏宇2,3，王世豪2,3，刘文杰2,3
2自然资源部滨海城市地下空间地质安全重点实验室
3青岛地质工程勘察院（青岛地质勘查开发局）
第一作者：唐永香，硕士，高工，水工环地质专业，现从事地热勘查和理论研究工作。
通讯作者：林建旺，硕士，教授级高工，主要从事地热地质、地热成因等相关研究工作。
天津地热资源丰富，是全国著名的地热资源勘查开发示范区。目前已开发的深部地热资源大部分位于“隆中凸”构造区域，而位于“坳中凸”构造区域的地热资源勘查和研究程度基本尚属空白。作者团队通过分析区域地质资料、大地电磁测深（MT）、钻孔测温和物探测井等资料，系统总结了天津滨海地热田北部地区宁河凸起地质构造、地温场和深部地热资源赋存特征，研究表明，区内地质构造条件复杂，断裂构造发育，汉沽断裂为重要的导热、导水通道；热源以壳源热为主、幔源热次之，大气降水为主要热水来源，热传输机制以热传导型为主；地温场呈现“两高夹一低”展布特征与两处背斜构造空间位置相对应；雾迷山组储层的热储温度高（90～120℃），出水量大于100m3/h，埋藏相对较浅（2200～2800m）。研究查明了天津黄骅坳陷宁河凸起的深部地热赋存规律，建立了深部地热资源概念模型，明确了“坳中凸”深部地热找矿新思路，在研究区首次发现了中新元古界浅埋区，并成功探获雾迷山组热储层。研究成果可为滨海新区及京津冀地区寻找深部地热资源及勘探与开发提供重要参考，为类似沉积盆地“坳中凸”地区寻找深部地热资源提供了重要的找矿方向和勘查研究技术方法。基金项目：自然资源部滨海城市地下空间地质安全重点实验室开放基金课题“天津滨海潜凸起地热异常区地热成因机理研究”（BHKF2023Z06）；天津市规划和自然资源局项目“滨海新区深部地热调查评价”（国土房任[2015]5号）
0 引言
1 地质背景
2 深部地热资源赋存特征
2.1 构造特征
2.2 储盖层特征
2.3 热源及热传递
3 地温场特征
3.1 地温场平面分布特征
3.2 地温场垂向分布特征
4 深部地热资源概念模型
5 结论
天津滨海新区是京津冀协同发展战略的核心地区之一。随着经济的快速增长，节能减排的任务日益加重，区内已勘查评价的地热资源储量远不能满足当前社会发展的需求，寻找深部地热资源已成为当务之急。本文研究区在构造上位于黄骅坳陷次级构造单元宁河凸起上，目前为天津滨海新区深部地热资源勘查空白区。前人对该区域的地质、构造和沉积环境等研究较少，认为区内发育形成西断东翘的半地堑构造格局，具有独立沉积体系，距离天然补给区较近。然而有关该区的深部地热资源埋藏条件、热储构造及空间分布特征等方面的研究工作并未开展，深部地热资源也尚未勘查评价。笔者通过综合分析研究区已有区域、油气、地热等地质勘查、地球物理和遥感等资料，在研究区首次发现了中新元古界浅埋区，并成功探获雾迷山组热储层；发现其热储层埋藏浅、出水量大，井口温度高；初步查明研究区深部地热赋存规律，此研究成果可为滨海新区及京津冀地区寻找深部地热资源及勘探与开发提供参考。天津滨海地热田位于华北沉积盆地，地热与石油同盆共存。其构造位置处在华北地台的Ⅱ级构造单元“华北断坳”中，Ⅲ级构造单元“黄骅坳陷”的北部。前期工作发现地热资源以中低温为主，主要赋存于孔隙型和基岩裂隙型热储层，浅层热储主要以新近系馆陶组为主。滨海地热田北部作为近几年在深部热储取得重要突破地区，构造位置处于黄骅坳陷的次一级构造“宁河凸起”的南部，西以沧东断裂为界（区外），东以滨海新区行政区界线为界，北以宁河-宝坻断裂为界（区外），南以汉沽断裂为界，面积约170km2。区内地质构造复杂，先后经历了：前印支期地台稳定发育—印支期南北向挤压褶皱作用—燕山早期北西、南东向挤压逆冲作用—燕山中晚期断裂、块断活动—古近纪强烈断陷以及新近纪坳陷等一系列构造演化，形成了凸凹相间的构造格局（图1）。图1 研究区构造位置图
受构造演化影响，研究区基岩地层被断裂切割形成一系列不连续北东向展布的褶皱，背斜核部后期遭受剥蚀，使新生界地层直接覆盖于石炭-二叠系或奥陶系之上。区内发现两处基岩浅埋区，分别位于东西两侧，基岩顶板埋深1600～2400m。区内地层分布具有分割性强、受断层控制、岩性变化大等特点。揭露地层自上而下：第四系、新近系（明化镇组和馆陶组）、古近系（沙河街组）、寒武系、青白口系（景儿峪组和龙山组）和蓟县系雾迷山组。其中，寒武系、青白口系、蓟县系雾迷山组在区内普遍分布，埋深大部分超过4000m，蓟县系雾迷山组为研究区新发现的深部热储层。深部地热资源的形成受构造、储盖层、热源、水源等诸多要素控制。构造是深部流体运移的通道，储盖层是热流体赋存和保存的前提，热源提供了流体热量和驱动流体的运移，水源是热流体的源泉。深部地热资源的形成严格受地质构造控制，断裂是深部热流向上运移的重要通道，对区内地热流体的贮存、补给和排泄以及地温场分布具有一定的控制作用。区内断裂发育，主要分布汉沽断裂、大田庄断裂、F1断裂和F2断裂，断裂特征详见表1。其中汉沽断裂总体表现为左旋走滑、兼垂直拉张运动；据大地电磁三维反演汉沽断裂不同深度水平切片（图2）及前人的研究认识，该断裂对热储层的赋存具有重要作用，为该地区地热资源的形成提供了导水导热通道。图2 研究区不同深度MT三维反演水平切片及地质解译热储层是指埋藏于地下、具有足够有效孔隙率和渗透性的地质建造（地层、岩体或构造带），并储存有一定的地热流体可供地热开发生产。盖层是覆盖在热储层之上，具有隔水隔热性能，对热储层起保温作用的岩层。二者的共同作用是形成地热资源储存的主要条件。 研究区的盖层为新近系及第四系沉积层，其中第四系厚度为280～420m。由于第四系粘土和砂土结构疏松，密度小、厚度大、导热性差，使得地壳深部的传导热不易散失，构成了相对隔热层。通过收集该区已有地质资料，并结合新取得的地球物理资料及钻探成果，初步明确了研究区具有丰富的蓟县系雾迷山组-岩溶裂隙型深部地热储层。研究区基岩的构造形态为一背斜构造，主脊走向近南北向，背斜核部奥陶系遭受剥蚀，被新生界覆盖。位于桥沽基岩浅埋区蓟县系雾迷山组的顶板埋深为2200～2800m，位于看财庄基岩浅埋区蓟县系雾迷山组顶板埋深为2500～4000m，分布面积共约102km2（图3）。根据位于桥沽凸起区斜坡带的BST-01勘探井成果，揭露蓟县系雾迷山组热储层顶板埋深2270m，厚度30m（未穿透），出水温度98.5℃，出水量约101m3/h，岩性以厚层状白云岩为主，裂隙较发育；其测井解释结果显示裂隙类型为二类裂隙，裂隙累计厚度为5m，为有效取水层；孔隙裂隙发育段占总揭露厚度的16.67%，热储层孔隙度为0.50%～2.52%，渗透率为0.10～0.35（×10-3um2），泥质含量4.14%～7.19%。该井富水性、水质均较好，其中矿化度为1120mg/L，水质类型为HCO3-Na型。图3 研究区4000m以浅蓟县系雾迷山组热储层分布图
综上所述，研究区蓟县系雾迷山组热储层分布具有从北向南、从主脊向东西两翼深度逐渐增加的趋势，热储层产状受断裂与构造控制明显，有利热储区除了位于背斜主脊外，背斜两翼的有利区受断裂展布影响明显。目前世界上流行的学说认为，地热水的热源主要为放射性热源和岩浆热源两种，另外还包括地震和断裂活动释放的热，化学反应热等，它们也可构成地热异常的热源，但居次要地位。He同位素是判别幔源气体最灵敏的地球化学示踪剂，其比值也是分离大陆地壳和地幔组分的有用参数。通过对研究区勘探井中气体进行He同位素分析，发现He同位素3He/4He比值是2.84×10-7，R/Ra值（相对大气的比值）是0.2。一般认为当R/Ra<0.1时，气体中的氦来自于壳源，当R/Ra>0.1时，幔源氦份额大于1.2%，当R/Ra>1时，氦来自于幔源，幔源氦份额大于12%。因此，可以看出研究区的地热水具有明显的壳源为主，混合了少量幔源物质，由于有深部来源的气体，推断该区域内存在较深断裂或裂隙，结合研究区施工的钻孔在汉沽断裂带附近，易有地下气体补给到地热水中，而深部流体可能通过汉沽断裂带上涌，侵于地壳浅层，说明研究区内地热水的热源可能来源于地壳深部。另外，前人认为京津冀平原花岗岩地壳放射性元素衰变产生热量对大地热流的贡献高达50%～62%。因此，初步认为研究区的热源以地壳深部花岗岩壳中放射性元素蜕变为主，部分来自于上地幔岩熔融体，二者所产生的热共同传导于地壳浅部的结果。热传递主要存在三种方式：对流、传导和辐射。结合研究区构造背景、地质演化及地球物理特征表明该区地热传递以传导方式为主。一般认为一定位置的热流基本不变，地温梯度和热导率则呈负相关性，从区内勘探井的稳态测温曲线形态上看（图4），地层温度是随着埋深的增大逐渐增大，地层呈现成岩性好、致密，热导率高的特征，而不同层段（寒武系、青白口系、蓟县系地层）温度增长的速率由浅至深逐渐减小（图4右红色直线放大标示），地温梯度相对逐渐减小。值得注意的是，地层温度局部还受构造断裂和地下水活动的影响，研究区在2090m左右寒武系地层中钻遇断裂，出现了地层温度的一个局部变化，幅度在1℃左右；但该裂隙段不是含水层，因此地温梯度变化幅度不大。图4 BST-01勘探孔稳态测温与地层深度关系图
a.钻孔不同深度岩性图；b.钻孔不同深度稳态测温图
从地热在地表的显示形式及地热流体的地温可以看出，研究区主要构造断裂具有良好的导热通道，利于深部热能向上传输，地层温度总体上呈现随深度近似直线增加趋势，显示了其热传输机制以热传导型为主，侧向对流的影响较小。地温场是地质构造条件和地质历史的综合反映，是地热研究的重要方面，地温场特征及其形成机制研究也是圈定地热异常区的重要依据。研究区受构造演化和构造格局的影响，地壳深部热流在向上传导过程中，受不同岩层热导率的差异在基岩面上出现再分配，并向基岩浅埋区汇集，使得区内地温和地温梯度整体偏低，除局部地热异常外，地温梯度整体为2.5～3.0℃/100m。地温梯度与大地热流相比，除了受大地构造影响，同时与地层岩性及结构密切相关，导致地温梯度与大地热流呈现不同规律。地温场的平面分布特征主要受区内构造演化、格局和基岩埋藏等方面条件的制约。区内盖层平均地温梯度为2.5～5.0℃/100m，以地温梯度大于3.5℃／100m原则，圈定桥沽和看财庄两个地热异常区（图5）。桥沽地热异常区盖层平均地温梯度3.5～6.0℃/100m，其中高值区最高达5.8℃/100m，勘探井位于该异常区的核心区，发现该区基岩地层年代较老，新生界地层直接覆盖于中新元古界地层之上，地温梯度值为4.92℃/100m，证实了在基岩浅埋区地温梯度高值区对应的基岩地层年代较老。看财庄地热异常区盖层平均地温梯度3.5～5.5℃/100m，其中高值区最高达5.2℃/100m。两异常区地温特征总体呈现由中心向四周呈辐射状逐渐降低的特征。研究区总体呈现为“两高夹一低”地温梯度特征，与基岩的埋藏特征关系密切，二者呈负相关关系，同时这一现象与大地电磁测深三维反演结果基本吻合（图6）。图6 研究区MT电性特征三维反演示意图
陈墨香等认为华北断陷盆地的地温场主要受基底凸凹相间的地质构造格局控制，具有高低相间的带状分布特点；地温梯度在垂向上的变化主要受地层岩石热导率变化的影响。桥沽和看财庄地热异常区位于凸起背斜构造区，基岩地层年代较老，附近断裂发育，正向构造部位地温梯度明显增高（图7～8）。据区内地层样品热导率统计：新生界热导率为0.52～2.22W/m•K，基岩热导率主要集中在1.5～3.5W/m•K（图9），新生界热导率相对基岩地层小；在热流向上传导过程中，热流容易沿着热导率高的基岩向上传导，向凸起区汇集形成局部热异常。另外基岩之上被厚层砂泥岩覆盖，减缓了热量向地表传导散失的速率，使得热量不容易散失，形成良好的保温效果。因此，局部斜坡带或正向构造部位容易形成高地温梯度现象，这对寻找深部地热资源勘查与开发具有重要价值。图9 热导率值分布
a.新生界样品；b.基岩样品
根据前人对天津地区地热成因的认识，综合研究区内的地热形成条件和聚热规律，本次建立了研究区深部地热资源概念模型（图10）：研究区的幔源热和壳源热以热传导形式源源不断地供热；在华北平原形成过程中，蓟县系雾迷山组成为热水储集的主要场所；构造演化过程中形成的汉沽断裂等是沟通补给源与热储层的良好通道；大气降水入渗后，沿断裂、节理裂隙及地层孔隙等通道运移，在运移过程中，不断与热储介质进行水热交换，经深部循环成为地热流体，为研究区地热资源的形成提供了充足的热水补给。因此，研究区深部地热资源概念模型为中低温-热传导-碳酸盐岩控热-大气降水补给-碳酸盐岩岩溶裂隙型热储。 （1）研究区深大断裂交汇处深部碳酸盐岩热储禀赋好，蓟县系雾迷山组热储顶板埋深2200～4000m，单井涌水量为80～120m3/h，出水温度为88～100℃；物探、钻探综合勘查发现研究区内分布桥沽和看财庄两个中新元古界地热异常浅埋区，空间位置与两处正向构造相对应。（2）研究区地热资源重要的导水导热通道为汉沽断裂；热源为幔源热和壳源热；地下水的主要来源为燕山山脉汇聚的大气降水；热传输方式以热传导型为主。（3）综合分析研究区的地热形成条件，明确了“坳中凸”深部地热找矿新思路，为类似沉积盆地“坳中凸”地区寻找深部地热资源提供了重要的找矿方向。原文来源：唐永香，林建旺，李嫄嫄，阮传侠，张雪梅，赵娜，刘志龙，张芬娜，李哲，栾鹏宇，王世豪，刘文杰.2024.天津滨海地热田北部深部地热资源赋存规律[J].华北地质，47（1）：77-84.
封面标题、导读评论和排版整理等：《覆盖区找矿》公众号.--------往期精彩回顾--------
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