隆化区域地热地质特征及开发利用建议

摘要：近年来，我国对清洁能源需求急剧增加，地热资源作为可再生能源受到社会广泛关注。该研究以隆化区域为例，研究该地区地热地质条件、地温场特征、地热田地热地质条件等，认为地热资源的形成与分布受断裂构造控制明显，以两家—锦山断裂为代表的深断裂构成该区域的主要热源。并结合实际提出地热资源开发利用建议，为隆化区域地热资源下一步开发提供科学依据。

关键词：隆化；地热；特征；开发利用

中图分类号：X8

引言

能源对人类社会的发展进步至关重要，在一定程度上可以说是人类赖以生存的动力[1]。近年来，常规资源枯竭、全球气候变暖、雾霾不断加剧等现象的出现，使得能源供给与环境保护已成为当今社会面临的主要问题[2]。地热资源以其资源储量巨大、分布广泛、开发利用稳定、安全、清洁、高效和可再生的独特优势，成为实现能源生产革命、缓解环境压力的战略性资源[3]。承德市隆化县地热资源丰富，地热水品质优良，具有较高的温度，是华北地区优秀的地热成矿区域，具有广阔的开发利用前景。本文在充分收集分析区域水文地质、地热地质、勘查区已有地热井等资料的基础上，初步查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆（火山）活动情况，地温异常范围，地热流体的天然排放量、温度、物理性质和化学成分等，圈定地热资源有利开发的范围，提出该区域地热资源进一步勘查和开发利用建议，为勘查区地热资源研究与开发提供理论支撑。

1 区域概况

研究区域位于隆化县茅荆坝一带，南距承德市区约80km，西南距隆化县城约60km，承赤公路（S253）、承赤高速公路（G45）自勘查区通过，并在七家镇设高速口，区内县、乡级交通网络四通八达，交通便利。属中温带半干旱季风气候，四季分明，冬长夏短。

大地构造处于华北地台北缘内蒙地轴和燕山沉降带的过渡地区，受晚古生代古亚洲板块碰撞造山带的影响，中生代以来，在继承老构造运动的基础上，又经历了燕山期强烈的造山运动，多期次的火山喷发活动，从而形成了火山喷发岩和岩浆岩的山地地形，并影响着现在地貌形态的分布。境内地貌处于内蒙古高原和燕山山脉之间，西部受阴山山脉控制，南部受燕山山脉影响，东北部受大兴安岭余脉所改造，大地貌类型虽然单一，但中地貌类型复杂。

2 地热地质条件

研究区区域上主要出露早白垩世张家口组，河谷中及阶地上分布有第四系松散堆积物[8]。岩浆岩发育较为广泛，且岩浆活动相对频繁，其中中生代岩浆活动最为强烈。该区地质构造经历了吕梁运动、印支运动、燕山运动和喜山运动等，以燕山运动形成的构造形迹最为瞩目；其中，褶皱构造形迹不发育，断裂、节理和火山构造等最为发育。区内断裂构造发育，主要形成于燕山运动中-晚期，以晚侏罗世-早白垩世为主。依据展布方向可以划分为近南北向和北北东向、北西向、北东向、近东西向四组。

根据区域地质构造、地层岩性、地热地质条件分析，地热资源的形成与分布受断裂构造控制明显，地热水活动与断裂构造交汇复合有关，属于沟通深部热源的中低温对流型地热田。据相关资料研究，认为其形成机理为地势较高处的大气降水、地表水等，向深大断裂汇集后向深部运移，并经热源岩体获得热能后，沿断裂破碎带向下游运移，在遇到阻水断裂或岩体受阻后，在地势相对较低处沿构造裂隙返至地表浅部赋存，或出露地表形成温泉。

2.1 热源条件

该区域位于华北陆块北缘隆起带上，受张三营等北东向区域断裂构造控制，燕山期发育大量的侵入岩和火山岩[7]。在丰宁、围场以南，承德、平泉以北地区发育丰宁—隆化深断裂，同时沿断裂出现一条北东向的上地幔隆起带，地幔隆起带上构成了深部地热能来源的背景区。勘查区以两家—锦山断裂为代表的深断裂，切割深度大，可触及深部热源区，构成该区域的主要热源。

2.2 水源条件

地热流体的主要补给源为大气降水。根据区域的构造、地层岩性、地貌等特征分析，其补给区包括冯家店火山盆地补给、深断裂开启部位补给。

2.3 构造条件

2.3.1 导热、导水断裂

该区域地热田周边断裂、裂隙构造形迹显而易见、多见，起主导地位的是北北东的两家—锦山断裂断裂。该断裂切割深，延伸远，经过多期次活动，其破碎带宽数米至数十米，所形成的构造岩（压碎岩、角砾岩）受构造应力强弱各段不一，岩石破碎程度和胶结状况因地而异。地面调查发现，断裂的不同地段，断裂带发育的宽度，岩石的破碎程度有别。钻孔揭露地热田内断裂带多见角砾岩，靠近断裂破碎带的钻孔涌水量大，远离破碎带方向的钻孔涌水量小，表明两家—锦山断裂为地热田主要储水断裂。

地热田地表热异常区总体沿两家-锦山断裂分布，地热流体通过断裂形成的裂隙运移，当地下径流热水遇阻水断裂，在上游静水压力、深部热源驱使下，遇阻水断裂或岩脉的阻隔，被迫从导水断层一侧的断裂破碎带运移至浅部，往往会出现地热流体的高温中心。同时，根据已有地热井揭露及地表调查的成果，在地热流体的运移过程中，除赋存在主控热断裂破碎带外，还有两种径流途径：一、遇分支导水断裂，分流至其破碎带内，并随运移途径变远，温度降低；二、地热流体溢流至第四系松散层中，与冷水混合形成混合水，使得浅层出现热异常。总之认为两家-锦山断裂为地热田主要储水断裂，是区内的主要导热、导水构造。

2.3.2 阻水控热断裂、侵入岩体

地表调查发现地热异常区的展布形态及串珠状不连续分布，与阻水断裂及岩脉对地热流体运移的控制作用密切相关。根据收集资料及野外调查分析，对地热流体的运移起阻水作用的包括压扭性的断裂和后期侵入的潜流纹岩脉、花岗斑岩脉、细晶花岗岩脉等阻水岩脉等。

3 地温场特征

3.1 恒温带温度与深度

恒温带温度的确定，一般采用多年平均地面温度略高于多年平均气温1-3℃的方法。本区多年平均气温为7.3℃，以此为依据，确定恒温带温度10℃。据以往资料确定本区恒温带深度30m。

3.2 地温梯度

勘查区范围内一般机民井的地温梯度在0.43-5.80℃/100m；地热井地温梯度在1.42-9.25℃/100m不等，与其揭露热储情况相关。

根据统计，勘查区机民井的水温为7-73.1℃，水温大于15℃的有6眼井，均位于锦山-两家断裂主沟范围内。其中茅荆坝镇枫水湾乐府雅居宾馆用井水温为73.1℃。

4 地热田地热地质条件

4.1 地热田特征

勘查区地热田大致沿北东向呈串珠状分布，反应出本区主控热、控水主断裂的大致沿北东方向展布；同时受阻水断裂、阻水岩脉或分支导水断裂的影响，各地热异常点的展布方向又不相同。

勘查区地热田所处的区域岩性、构造非常复杂，地热水通过断裂形成的裂隙运移。当地下径流的热水遇阻水断裂，在上游静水压力、深部热源的驱使下，遇阻水断裂或岩脉的阻隔，被迫从导水断层一侧的断裂破碎带运移至浅部，往往出现地热流体的高温中心。同时，根据钻探揭露及地表调查的成果，在地热流体的运移过程中，除赋存在主控热断裂破碎带外，还有两种径流途径：一、遇分支导水断裂，分流至其破碎带内，并随运移途径变远，温度降低；二、地热流体溢流至第四系松散层中，与冷水混合形成混合水，使得浅层出现热异常。

根据收集资料及本次勘查成果分析，勘查区地热田地热流体的分布、储存、径流和排泄，均受断裂构造的控制，其主要控热、导水断裂为两家—锦山断裂正断层，该断裂总体走向北东约25°，倾向东南，部分地区会有反转现象，如七家至茅荆坝接触带，该断层倾向北西，倾角近直立，破碎带宽10-50m，最宽可达百米，断层破碎带岩性为碎裂岩、断层角砾岩等，局部存在钙化、硅化等现象。

4.2 垂向地温场特征

根据热传递的方式不同，可分为热对流型和热传导型两种。当钻孔揭露水头压力大、温度高、富水性较好的热储含水层时，会产生较强的热对流活动，以热对流为主；当钻孔揭露富水性差、温度低的热储或未揭露热储时，推测在深部存在高温热储，通过岩石的热传导加热下，使得地温、地温梯度均较高，表现为热传导型为主。

勘查区地热亚区主要以热对流型为主，地热田外围以热传导型为主，钻孔的地温梯度差异明显。钻孔的垂向地温的特征较为复杂，与钻孔揭露的热储深度、温度及静水压力密切相关。

4.3 地温场的主要影响因素

4.3.1 断裂构造对地温的控制作用

从测温结果来看，地热亚区主要沿北北东向-近南北向断裂分布，而各区的高温中心多位于主断裂带上，但受分支阻、导水断裂及阻水岩脉等影响，各区内地温等值线的展布方向不同；从测温的结果来看，不同钻孔，同一深度处的温度截然不同，越靠近主断裂，温度越高，横向差异明显。

钻探揭露的断裂破碎带的岩性、富水性差异有别，但以北北东向-近南北向主断裂的富水性最好、水温最高，为地下水通过热对流传递热能提供了有利的空间。两家—锦山断裂及分支导水构造对本区地温异常的形成及分布起了主导作用。

4.3.2 覆盖层对浅部地温异常的影响

本次所论述的热储覆盖层指上覆的相对完整的基岩，为弱透水岩层，深部的热量以热传导向地表传递，在浅部冷水的散热下，使得局部热异常显示较微弱，但在钻遇深部热储层后，在热对流、热传导的作用下将深部热量传递至浅部，会使得孔内浅部温度显著提高。

4.3.3 地下水对地温异常的影响

根据地热地质钻探资料，地热流体水头压力普遍高于浅层地下水，自基岩破碎带溢流至第四系浅层水后，会出现高温中心，随着远离溢出口，上部浅层水与热水发生混合冷却，减弱了地下热水在地表的热显示。

4.4 热储层及热储岩性特征

热储系指埋藏于地下、具有效空隙和渗透性的地层、岩体或构造带，其中储存的地热流体可供开发利用。勘查区地热田属于构造对流型地热田，热储层为主控热、控水断裂及次级导水断裂的破碎带，可视为高角度倾斜的具有一定厚度的带状含水空间。

经过分析研究，本区域热储层主要为两家—锦山断裂的破碎带，断裂总体近南北，倾向东南，为正断层，破碎带宽10-50m，最宽可达百米，断层破碎带岩性为花岗岩、断层角砾岩等。另次级导水断裂的破碎带也是该区热储层的一部分。

热储层岩性以古元古代、三叠纪、白垩系、中侏罗世石英粗安质角砾凝灰岩、花岗岩为主，该类岩石本身富水性、导水性差，为相对隔水层，在裂隙不发育、岩性完整段具有隔水保温作用。但在构造应力及热液活动的作用下，热储岩芯较破碎、节理裂隙较发育，存在溶蚀、钙质、硅质胶结及绿泥石化等现象，能够构成良好的储热、储水层。

5 地热资源开发利用建议

地热资源的开发利用应做到与资源保护同步进行并注意加强管理，实行统一规划和管理，重视加强地热资源动态监测，严禁超采，提高资源利用率。

首先建议建立巡查制度，严格管理地热资源的勘查施工，严格开采审批制度，严禁无证开采；严格控制开采量和开采强度，实行地热资源有偿使用，依法征缴费用。

其次需要编制科学合理的地热资源勘查与开发利用总体规划，加强对地热资源的整合力度，按照统一规划、统一开发、统一管理、统一保护、的原则，“政府统筹、政企联合”，形成一条“科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染小、多方面受益”的地热资源开发模式，提高对地热资源的保护水平，使地热资源可持续开发。

更要严格控制地热资源开采量与开采强度，合理确定单井开采限额，控制水位下降速率，严格限制新增地热井。根据地热资源开发利用规划，合理确定地热井井位、井距和可采限额；建立健全动态监测系统。通过合理布设自动化监测设备，形成监测网络，准确掌握地热井的用水量、水温、水位动态特征，取得时、日、年的用水量及累计数据，水温、水位的年内、年际动态变化基础数据；另外，应定期检查、维护监测设备，以便保证数据的精度和准确性。发现异常及时检查，避免因监测设备原因对监测数据的精度和准确性造成干扰。每年至少采取2次的地热水水样，并送具有相应资质认证的专业部门进行地热水水质全分析，获取水质的动态变化特征。

推广新技术，提高地热利用率同样重要。推广应用先进的地热利用技术和工艺设备，从热、矿、水三方面实现对地热资源的梯级开发和综合利用，延长产业链和产品链，提高地热资源用途和附加值，以提高资源利用率来减少资源消耗。地热尾水外排温度必须低于25℃，且水质须经处理后达标排放，减少资源浪费，避免对环境造成污染。

参考文献

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作者简介：杜枭（1987—），男，汉族，河北省唐山市，本科，工程师，研究方向：水文地质，地热开发评价等。