Characteristics and development potential of geothermal resources in northern Cangxian uplift
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摘要:研究目的
地热资源特征研究及开发潜力分析是开发区域地热资源的重要依据。
研究方法本文将前人研究成果与最新钻井资料相结合，通过对沧县隆起北部地区地热地质背景、热储分布、地温场特征、水化学资源类型等主要因素进行剖析，建立了该区的地热成藏模式。
研究结果沧县隆起北部地区是在渤海湾伸展型沉积盆地高大地热流值背景下，由北部燕山裸露区基岩接受的大气降水作为近源补给水源，进入基岩的冷水在深层循环过程中受到深部热源加热增温，沿断裂破碎带和不整合面向上运移富集，形成的以传导型传热机制为主的地热系统。
结论本区地热资源特点为热储类型多、盖层地温梯度高、补给速度快、资源量巨大。主要表现为：区内分布馆陶组砂岩热储，奥陶系、蓟县系雾迷山组岩溶热储三套主力热水储集层；地温场分布主要受基底构造形态控制，基岩凸起区的平均地温梯度为45℃/km；地下水类型随着埋深的增加由HCO3-Na、HCO3·SO4-Na型水向成熟的Cl-Na型水过渡；本区内三套热储的可采地热资源量为1.67×1010GJ，折合标煤5.72×108t，年可开采地热资源量可满足供暖面积2亿m2，若在采灌平衡的条件下，沧县隆起北部地区年可采地热资源量为7.06×107GJ，折合标煤2.41×106t，可满足供暖面积0.85亿m2，具有良好的地热市场开发前景。
创新点：通过地质构造背景、热储分层段特征、地温场平面与垂向分布、水化学运移路径多角度刻画沧县隆起北部地区地热资源特征并建立地热概念模型，在此基础上计算本区年可采地热资源量，对分析采灌平衡的条件下的地热开发潜力具有创新意义。
Abstract:This paper is the result of geothermal geological survey engineering.
ObjectiveThe characteristics and development potential of geothermal resources is an important basis for the development of regional geothermal resources.
MethodsCombined the previous research results with the latest drilling data, the geothermal reservoir model is established based on the analysis of the main factors such as geothermal geological background, thermal reservoir distribution, geothermal field characteristics and hydrochemical resource types in the northern Cangxian uplift.
ResultsUnder the background of high heat flow value in the extensional sedimentary basin of Bohai Bay, the atmospheric precipitation received by the bedrock in the exposed area of Yanshan Mountain in the north is used as the near source water supply. The cold water enters the bedrock, is heated by the deep heat source in the deep circulation process, and migrates and enriches along the fracture zone and unconformity surface, and forms the geothermal heat transfer mechanism dominated by conduction system.
ConclusionsThe geothermal resources in this area are characterized by many types thermal reservoirs, high geothermal gradient of caprock, rapid recharge rate and huge resources. It is mainly shown as follows: Three sets of main hot water reservoir, sandstone thermal reservoir of Guantao Formation, karst thermal reservoir of Ordovician and Jixian Wumishan Formation are distributed in the area; the distribution of geothermal field is mainly controlled by basement structure, and the average geothermal gradient in bedrock uplift area is 45 ℃/km; with the increase of groundwater depth, the groundwater type changes from HCO3-Na, HCO3·SO4-Na to mature Cl-Na; the recoverable geothermal resources in this area is 1.67×1010 GJ, equivalent to 5.72×108t of standard coal. The annual exploitable geothermal resources can meet the heating area of 2×108 m2, considering the balance of exploiting and irrigation, the annual exploitable resource of geothermal fluid in the northern part of Cangxian uplift is 7.06×107 GJ, equivalent to 2.41×106t of standard coal, which can meet the heating area of 8.5×107 m2, which has a good prospect of geothermal market development.
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1. 引言
地热资源作为一种储量大、分布广、可再生的清洁能源在国际能源领域取得了广泛关注，按温度分级可分为高温地热资源(≥150℃)，中温地热资源(＜150℃且≥90℃)和低温地热资源(＜90℃)三级(蔺文静等，2013；张薇等，2019)。渤海湾盆地沧县隆起内部地热资源主要为中低温地热资源，整体地热资源表现为水温高、水量大、易开采、勘探潜力巨大。该区域内的中低温地热资源的合理利用可以有效缓解京津冀地区冬季供暖引起的能源紧张及大气污染问题，对加快能源结构改革和经济增长起到了正向促进作用(Giggenbach, 1988；Armienta et al., 2014)。
本文的研究区域行政区划主要包含天津市宁河汉沽地区、宝坻区、芦台地区及滨海新区北部，面积2780.8 km2，构造区划上涉及王草庄凸起、宁河凸起、潘庄凸起和北塘凹陷4个三级构造单元(图 1，表 1)。沧县隆起区中低温地热资源的勘探开发已有60余年的历史，第一眼地热井钻于1936年天津老西，井深800 m，主要开发的为浅部孔隙型热水。20世纪70年代开始该地区的地热资源开始规模化勘探，先后圈定了山岭子地热田、滨海地热田、宁河—汉沽地热田、潘庄—芦台地热田等10个地热异常区(高知云，1995)。如今，沧县隆起地区的开采深度已由浅入深，由南至北，由小范围勘探至规模性开发阶段，2017年北部区域包括王草庄凸起、宁河凸起、潘庄凸起共完钻地热井6口，井口温度70~90℃，水量90~140 m3/h。
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图 1 沧县隆起北部剥新生代地质图1—中生界；2—石炭系—二叠系；3—奥陶系；4—寒武系；5—青白口系；6—蓟县系；7—元古界；8—断层；9—剖面；10—县市；11—地热井Figure 1. Stripping Cenozoic geological map in northern Cangxian uplift1-Mesozoic; 2-Carboniferous-Permian; 3-Ordovician; 4-Cambrian; 5-Qingbaikou System; 6-Jixian System; 7-Proterozoic; 8-Fault; 9-Profile; 10-City; 11-Geothermal well表 1 研究区构造单元一览表Table 1. List of tectonic units in the study area
针对沧县隆起北区的地热资源分布特征，前人已经有了一定的研究成果，段忠丰(2007)认为区内地层岩性及富水程度的差异较大，明确了蓟县系雾迷山组是本区的主要热储层位；天津地热勘探开发设计院(2002)对天津地区的地下热水成因进行了研究，认为宁河—宝坻断裂以北的基岩裸露区为大气降水的入渗提供了开放的水文地质环境；赵苏民等(2007)总结沧东断裂(天津段)的导水导热特征，认为沧东断裂在上地壳浅部能将下部热储层高位热能以热对流的形式传递到浅部。通过总结前人的研究成果，可以发现本区内受断裂影响下的砂岩热储与岩溶热储的特征差异较大，不同岩性的聚热与传热机制尚不明确，不同类型地热系统的“源、储、通、盖”存在明显差别。故本文拟在总结前人研究成果的基础上，结合最新钻井数据剖析沧县隆起北部地区地热资源的主控构造、热源条件、热储特征及开发潜力，为津唐地区的地热资源开发提供理论依据。
2. 地热地质条件
2.1 构造条件
渤海湾盆地是华北克拉通内陆中心的中、新生代盆地，经历印支—燕山构造运动伴生一系列北北东、北东向断裂，形成多凹多凸、凹凸相间的构造格局(李三忠等，2010)。华北克拉通破坏所造成的岩石圈减薄、地壳变形、地震及岩浆活动为本地区深部热能进入地层浅部，形成地热资源创造了良好的条件(王贵玲等，2017)。本区大地热流值(62.5±5) mW/m2，高于中国大陆地区平均大地热流值60 mW/m2(刘琼颖和何丽娟，2019)。
现今沧县隆起构造位置位于冀中坳陷东侧，北抵宝坻—宁河断裂与燕山褶皱带相接，东以沧东断裂为界与黄骅坳陷相邻(江国胜，2014)。古沧津复向斜的构造-沉积演化为现今沧县隆起北部地区地热系统的形成创造了地质条件，主要表现为：(1)中元古代—早古生代浅水地台相沉积，发育蓟县系雾迷山组和寒武系—奥陶系海相碳酸盐岩(图 2a)；(2) 晚古生代石炭系—二叠系接受海陆交互相煤系地层沉积，发育热储直接盖层(图 2b)；(3)白垩纪晚期沧津复向斜隆升，基本没有接受沉积并有一定程度的剥蚀，潜山岩溶逐渐发育(图 2c)；(4)古近纪伸展断块差异升降，向斜中北部沿沧东断裂解体，上盘沉降形成黄骅坳陷，西侧逐渐上升形成现今的正向构造沧县隆起，遭受强烈剥蚀并发育与断层相关的岩溶热储(图 2d，刘池洋，1986)；(5)新近系华北断坳整体下沉，沧县隆起沉积了新生界地层作为本区的热储区域盖层，沉积厚度800~1600 m(图 2e，段忠丰，2007；鲁庆伟等，2018)。
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图 2 研究区构造及地层演化图(修编自汪新伟，2018)1—新近系；2—古近系；3—侏罗系—白垩系；4—石炭系—二叠系；5—奥陶系；6—寒武系；7—中—晚元古界；8—基底；9—断裂；10—推测断裂Figure 2. Structural and stratigraphic evolution map of the study area (modified from Wang Xinwei et al., 2018)1-Neogene; 2-Paleogene; 3-Jurassic-Cretaceous; 4-Carboniferous-Permian; 5-Ordovician; 6-Cambrian; 7-Middle-Late Proterozoic; 8-Basement; 9-Fault; 10-Inferred fault沧县隆起北部地区构造主体为基岩凸起区，深大断裂控制全区的构造演化及地层分布(Chu et al., 2014)，如沧东断裂切穿整个区域上地壳，影响了本区地热田及热储分布，对区内深部地热的向上传导与地热资源形成起到重要的控制作用。
2.2 地层条件
沧县隆起北部地区地层以太古宇—古元古界变质岩系为结晶基底，其上不整合地沉积了元古界至新生界的一系列地层。全区除缺失古生界上奥陶统—下石炭统和新生界古近系古新统外，其余地层均有发育，从老至新分别为太古界(Ar)，中—新元古界(Pt2+3)的长城系、蓟县系和青白口系，岩性以滨海、浅海相泥质碳酸岩、页岩为主；下古生界(Pz)的寒武系、奥陶系发育滨海相灰色白云岩、灰岩夹泥质条带，上古生界石炭系—二叠系以海陆交互含煤碎屑岩沉积为主，下部岩性主要为深灰色泥岩、粉细砂岩夹煤层，上部发育紫红色泥岩与灰色细砂岩互层，偶见中酸性火山岩；中生界(Mz)部分缺失，剩余三叠系、侏罗系、白垩系以内陆杂色碎屑岩为主，含暗紫红、棕红、黄绿色砂岩、粉砂岩、泥岩呈不等厚互层。新生界古近系、新近系和第四系以陆相砂岩沉积为主，以砂泥岩互层覆盖全区。这些地层作为地热资源的热储层与沉积盖层，共同构成了本区地热资源的赋存环境。
2.3 储-盖组合
本区受基岩剥蚀程度与盖层沉积厚度差异的双重影响，主要发育两类热储，包括：(1)砂岩孔隙型热储：主要为馆陶组砂岩热储，在沧东断裂上盘成层状分布，岩性稳定，具有埋藏浅、水温较低、出水量大的特点；(2)碳酸盐岩岩溶型热储：包含奥陶系和蓟县系雾迷山组两个层位，成带状分布于剥蚀较强烈的构造高部位，具有水温高、水量大、回灌易、经济性好的特点。
因次级构造单元内的基岩埋深情况不同，在4个Ⅲ级构造单元内存在不同的储/盖组合：黄骅坳陷自新近系全面进入受热沉降控制的裂后沉降期，构造活动弱，馆陶组和明化镇组下段地层在全区稳定发育(祁鹏等，2010；岳保静等，2020)，是一套以陆相河流沉积为主的地层。进入新近系后期至第四系时期沉降速率又一次增大，沉积了较厚的砂泥岩互层，起到了很好的阻止热量散失的盖层作用(刘凯等，2017)。故位于沧东断裂以东的黄骅坳陷上的宁河凸起和北塘凹陷储/盖组合接触关系均为Q+ Nm/Ng。
沧东断裂以西的王草庄凸起和潘庄凸起位于沧县隆起上，由北向南新生界碎屑岩作为直接盖层覆盖在奥陶系和蓟县系雾迷山组热储上，储/盖组合接触关系依次为(Q+N)/O、(Q+N)+ Є +Pt/Pt。就盖层条件相比较而言，在北塘凹陷因新生界地层较厚、岩溶热储埋藏深(＞3000 m)，故地热开发利用经济风险较高；而在其他三个构造单元新生界厚度适中，岩溶热储顶面埋深800~2000 m，地热开采条件较好，目前主要已开发的热储层位为奥陶系和蓟县系雾迷山组。
3. 热储特征
热储特征主要由地层沉积厚度、岩性组合、平面空间展布及裂隙发育程度来决定。为对比不同热储类型的空间展布与物性差异，本文根据前人成果与最新的地热井数据(表 2)、结合区域地质剖面，编制了沧县隆起北部地区砂岩热储底板埋深图和岩溶热储顶板埋深图(图 3a，图 4a，图 5a)。在此基础上，结合钻井所揭示的井口温度和地温梯度，编制了研究区的储层水温度分布图(图 3b，图 4b，图 5b)，本文所表述的热储平均温度分布是指热储层内不同深度储集段中地热水的混合温度(忽略抽水过程中的热量损失)。
表 2 沧县隆起北部地区地热井数据统计表Table 2. Statistical table of geothermal well data in northern Cangxian uplift
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图 3 沧县隆起北部地区馆陶组底板埋深(a)及温度等值线图(b)1—古近系尖灭线；2—剥蚀区；3—断层；4—海岸线；5—县市；6—地热井Figure 3. Floor depth (a) and temperature contour map (b) of Guantao Formation in northern Cangxian uplift1-Paleogene pinch out line; 2-Denudation area; 3-Fault; 4-Coastline; 5-City; 6-Geothermal well![]()
图 4 沧县隆起北部地区奥陶系顶面埋深(a)及温度等值线图(b)1—剥蚀区；2—断层；3—海岸线；4—县市；5—地热井Figure 4. Roof depth (a) and temperature contour map (b) of Ordovician in northern Cangxian uplift1-Denudation area; 2-Fault; 3-Coastline; 4-City; 5-Geothermal well![]()
图 5 沧县隆起北部地区蓟县系雾迷山组顶面埋深(a)及温度等值线图(b)1—剥蚀区；2—断层；3—海岸线；4—县市；5—地热井Figure 5. Roof depth (a) and temperature contour map (b) of Wumishan Formation of Jixian system in northern Cangxian uplift1-Denudation area; 2-Fault; 3-Coastline; 4-City; 5-Geothermal well3.1 砂岩热储
砂岩热储的开发条件主要受岩性垂向和平面展布的影响，相较于明化镇组曲流河沉积特征，馆陶组主要发育的辫状河沉积具有良好的孔渗条件，为更优质的砂岩热储层(岳保静等，2020；杨会峰等，2021)。根据区域地质剖面和已完钻地热井数据，编制了沧县隆起北部地区馆陶组砂岩底板埋深与孔隙水温度图(图 3)。
3.1.1 馆陶组底板埋深
由沧县隆起北部地区馆陶组底板埋深等值线图(图 3a)可以看出，本区馆陶组由北向南埋深逐渐增加，地层受断裂控制明显，沧东断裂附近底板埋深较浅，在1200~1700 m，向东靠近渤海海域馆陶组底板埋深在1900~2200 m，在潘庄凸起大部分地区馆陶组缺失，全区馆陶组厚度范围300~600 m。
3.1.2 馆陶组底板温度
由沧县隆起北部地区馆陶组底板温度等值线图(图 3b)可以看出，全区大部分地区馆陶组底板温度范围40~65℃，凹陷深处温度超过65℃，沧东断裂附近的凸起区虽底板埋深浅，但温度较处于55~60℃范围内，靠近北部燕山裸露区温度较低，在35~45℃范围内。
3.1.3 储集层物性
LT1井测井解释成果显示已开发的馆陶组(未钻穿)共发育37层储集层段，砂岩地层累计厚度308.7 m，孔隙度24%~30%，平均渗透率为200~300 mD，单井出水量80~100 m3/h(图 6，表 2)。从测井曲线判断主力产水层段位于馆陶组下段，自然伽马曲线呈中低值，自然电位存在曲线异常幅度，声波速度与附近岩性对比可能发生突变。
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图 6 沧县隆起北部地热井单井测井解释图a—LT1—宁河凸起馆陶组砂岩热储；b—LH1—王草庄凸起奥陶系岩溶热储；c—ZJC1—潘庄凸起蓟县系雾迷山组岩溶热储Figure 6. Logging interpretation of geothermal well in northern Cangxian uplifta-LT1-Sandstone thermal reservoir of Guantao Formation in Ninghe uplift; b-LH1-Karst thermal reservoir of Ordovician in Wangcaozhuang uplift; c-ZJC1-Karst thermal reservoir of Wumishan Formation of Jixian System in Panzhuang uplift录井资料显示馆陶组地层整体呈粗—细—粗的沉积旋回，砂包泥岩性特征明显，上部岩性以灰绿、灰白色砂岩、砂砾岩为主，夹灰绿、棕红色泥岩；中部以浅灰色、棕红色泥岩为主；下部以砂砾岩为主，夹泥岩呈不等厚互层(图 6a)，砂岩颗粒较粗，砂厚比一般大于35%。
3.2 岩溶热储
较于全区稳定沉积的孔隙型砂岩热储，碳酸盐岩岩溶热储的形成主要是海相地层沉积后抬升遭受淋滤剥蚀形成的裂缝结构为地层储水创造了条件(李胜涛等，2022)。所以，此类型热储发育主要受断裂控制，呈带状分布、非均质性强，具有水温高、埋藏浅、易回灌等特点(王迪等，2020)。
3.2.1 奥陶系岩溶热储
研究区内的奥陶系基本连续发育，仅在汉沽断裂、沧东断裂及天津断裂之间的部分地区缺失，顶面埋深在1000~5000 m，结合地热开发的经济性，一般奥陶系顶部埋深大于3000 m的地区不作为此类型热储的主力开发区。
(1) 奥陶系岩溶热储顶板埋深
从沧县隆起北部地区奥陶系顶面埋深等值线图(图 4a)可以看出，区域内王草庄凸起的奥陶系地层顶面埋深1000~2000 m，一般厚度为500~700 m，具备奥陶系热储开发利用条件。潘庄凸起的西南部存在尚未剥蚀的奥陶系，顶板埋深在1200~1600 m。沧东断裂上盘的坳陷区奥陶系顶板埋深大于3000 m，仅在宁河凸起北部靠近山前断裂带地区存在埋深在1200~2400 m范围内的奥陶系。
(2) 奥陶系岩溶水温度
从沧县隆起北部地区奥陶系岩溶水温度等值线图(图 4b)可以看出，全区奥陶系热储温度范围为40~80℃。在可开发区域王草庄凸起和宁河凸起北部地区的奥陶系热储温度在45~75℃，整体奥陶系温度与埋深变化一致。
(3) 储集层物性
LH1井测井曲线显示本区地层取水层段自然伽马曲线明显低值，电阻较高，局部出现孔渗突变特征，推测可能钻遇裂缝、溶洞或溶孔，成为本套主力产水层。结合区域地层剥蚀情况，分析凸起内峰峰组地层可能已经被剥蚀，储层以上、下马家沟组为主，孔隙度变化范围较大，在2.36%~42.6%，渗透率的高值区分布在断层附近，单井出水量80~130 m3/h(图 6b，表 2)。测井曲线上识别出岩溶裂缝层42层，累计厚度122.2 m，其中一类裂缝层在上、下马家沟组发育共发育14层，厚度分别为35.1 m和9.5 m；二类裂缝层主要发育在上马家沟组共发育6层，厚度19.2 m；三类裂缝层奥陶系整段均有分布，发育厚度58.4 m。
录井成果显示奥陶系岩性以灰岩为主，大套灰岩夹少量泥质条带，反映了浅海相碳酸盐岩沉积序列(Wang et al., 2020)。
3.2.2 蓟县系雾迷山组岩溶热储
本区蓟县系地层在全区均有分布，经历了铁岭运动和蓟县运动使地壳上升，区域表现为两次海侵海退，碳酸盐岩受风化剥蚀裂隙发育形成岩溶剥蚀面，目前区内尚未有钻孔揭穿该组，视厚均大于600 m。因此，蓟县系雾迷山组具有分布广、厚度大、储水能力强的特点。
(1) 雾迷山组岩溶热储顶面埋深
从沧县隆起北部地区蓟县系雾迷山组顶面埋深等值线图(图 5a)可以看出，王草庄凸起由北向南埋深从2000 m到4000 m变化，沧东断裂的上盘的坳陷区蓟县系雾迷山组总体埋深大于3000 m。受热储的顶面埋深及上覆盖层不同岩性热导率的影响，研究区内蓟县系雾迷山组的开发位置主要集中在潘庄凸起，顶面埋深范围在2000~3000 m。
(2) 雾迷山组岩溶水温度
从沧县隆起北部地区蓟县系雾迷山组岩溶水温度等值线图(图 5b)可以看出，全区温度变化范围在75~100℃，王草庄凸起和宁河凸起北部地区的雾迷山组热储温度偏低，范围在45~75℃，靠近沧东断裂埋深较深的部位温度可能超过140℃，但受埋深条件影响，不考虑进行地热开采。
(3) 储集层物性
ZJC1井测井曲线显示裂缝在雾迷山组全段均有分布，储水条件优质。取水层段自然伽马曲线明显低值，声波速度增大，测井曲线上识别出岩溶裂缝层51层，累计厚度352 m，一类裂缝层52.3 m/7层、二类裂缝层110.1 m/20层、三类裂缝层191.7 m/24层。一类裂缝层多发育在雾迷山组上段的风化壳顶部，相对产能超过50%，孔隙度范围在2.29%~8%，厚度52.3 m；二类裂缝层电阻略高于一类；三类裂缝层孔隙度范围在0.71%~7.10%。井段内储厚比范围为20%~40%，出单井出水量100~200 m3/h(图 6c，表 2)。
录井资料显示地层岩性以灰白色细晶白云岩为主，含少量燧石条带白云岩、肉红色泥质白云岩，与上覆青白口系呈不整合接触。
4. 地温场特征
地温场特征是深部热源在地壳浅层的直接表示，盆地深部地温场的非对称性分布决定了盆地浅部的地温场展布特征，而决定这种非对称性的主要因素是基岩面的起伏形态、岩石热物理性质及新生界盖层厚度(汪新伟等，2019)。同时，沉积盆地内的断裂规模、岩浆活动和地下水活动对地温场分布也有一定的影响(Pirlo，2004)。本区区域构造背景华北平原属于上地幔隆起区，热源均为上地幔热量和基岩花岗岩壳中的放射性产热，这些热量通过上覆介质向地表传递(毛小平等，2018)，形成可开发利用的地热资源。前人研究成果表明，沧县隆起北区的大地热流值相较于渤海湾盆地并无明显增幅，分析原因是区内无附加热源，岩浆活动对本地区的地热无明显影响(张百鸣等，2006)。
4.1 平面分布
大地热流值和地温梯度是揭示区域现今热状态的重要参数。由前人资料及地热井钻井数据绘制出沧县隆起北部地区大地热流等值线图(图 7a)、地温梯度等值线图(图 7b)、地热地质剖面图(图 8)，从图中可以看出，地热异常主要受两种构造作用控制。
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图 7 沧县隆起北部盖层大地热流等值线图(a)和地温梯度等值线图(b)(修编自阮传侠等，2018)1—断层；2—海岸线；3—县市；4—地热井Figure 7. Geothermal flow (a) and geothermal gradient contour map (b) of the northern cap rock of Cangxian uplift (modified from Ruan Chuanxia et al., 2018)1-Fault; 2-Coastline; 3-City; 4-Geothermal well![]()
图 8 沧县隆起北部地区地热地质剖面图(A—A'、B—B'剖面位置见图 1)1—第四系；2—古近系—新近系；3—中生界；4—石炭系—二叠系；5—寒武系—奥陶系；6—元古界；7—断层Figure 8. Geothermal geological profile of northern Cangxian uplift (location sections in Fig. 1)1-Quaternary; 2-Neogene-Paleogene; 3-Mesozoic; 4-Carboniferous-Permian; 5-Cambrian-Ordovician; 6-Proterozoic; 7-Fault4.1.1 基岩凸起
本区地温梯度等值线、大地热流值的圈闭形态与凸起构造带的延伸方向一致，间接说明沧县隆起北部地区地温场的分布受基底构造形态控制的特点。沧县隆起高部位地温梯度值较高为40~50℃/km，大地热流值57.5~70 mW/m2，隆起区的平均地温梯度在45℃/km，明显高于两侧的坳陷区地温梯度平均值33℃/km，说明基底凹凸相间的构造格局下产生的热流侧向再分配是造成该地区地热资源差异存在的主要原因。
4.1.2 深断裂
除受基岩凸起的影响，区域内主控断裂对于地温场的分布也有较大影响(Zhang et al., 2020)，沧东断裂带中段附近的地温梯度为全区最高，普遍大于50℃/km。LT1井和LH1井钻遇新生界厚度均在1270 m左右，但靠近断裂的LT1井地温梯度在28℃/km，LH1井相对断裂较远，盖层的地温梯度仅为22℃/km。说明沧东断裂的性质影响了浅部地温场的分布，分析导致这一现象的原因可能是断裂交汇地带热流活动强烈，向浅部地层传热的过程中热流选择断裂破碎带作为快速通道(赵苏民等，2007)，故这一区域的大地热流值和地温梯度相对较高。
4.2 垂向分层
从沧县隆起北部地区的大地热流值与地温梯度等值线图(图 7)可以看出，二者基本成正相关关系，但并不完全一致，说明岩层热导率的不同以及不同类型盖层厚度的差异，也是造成区域地温分布差异的主要因素之一。不同性质的岩石热导率差别较大，地层由老到新，岩石热导率基本呈逐渐减小的趋势。其中，以泥岩、砂岩为主的新生界沉积层平均热导率仅为1.72 W/(m·K)，古生代与元古宙地层以碳酸盐岩为主，热导率一般大于2.8 W/(m·K)。从整体而言，结构松散的新生界热导率小于结构致密的基岩地层，故地温梯度高于基岩地层以阻碍热能自由散失，是地热田的保温盖层。
从单孔连续测温的稳态温度表明(图 9)，沧县隆起北部地区的地下水温度基本上是线性增温，表明整体是传导型地热系统，在古近系—新近系以上的盖层部分地温梯度变化不大，均大于25℃/km。进入基岩后梯度明显减小，一般在10~20℃/km，甚至部分井小于10℃/km，结合测井曲线，发现含水段比非含水段具有更低的地温梯度，这说明在热储的裂隙发育，连通性较好，侧向低温水通过裂缝补给，局部出现水热对流的特征，而水是热的良导体，水的对流与径流加速了热的传递。
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图 9 地热井地层温度-深度关系图(虚线为稳态后温度)1—深度-温度曲线; 2—第四系; 3—明化镇组; 4—馆陶组; 5—奥陶系—寒武系; 6—青白口系; 7—蓟县系雾迷山组Figure 9. Geothermal well formation temperature-depth diagram (dotted line shows post steady state temperature)1-Depth-temperature curve; 2-Quaternary; 3-Minghuazhen Formation; 4-Guantao Formation; 5-Ordovician-Cambrian; 6-Qingbaikou System; 7-Wumishan Formation of Jixian System综上所述，沧县隆起北部地区处于中低温热流背景区，热流在地壳浅部再分配，于地壳浅部基岩凸起区的高热导率碳酸盐岩地层中相对集中，在本区北部由于新生界高热阻盖层发育较差，且地下水径流条件好，影响了地温场的发育，而沧东断裂中段附近，在断裂导热且高热阻盖层的保护下，则形成了热流、温度、地温梯度均较高的地温场。
5. 水化学类型及运移路径
按照本区的热储分类总结本区的两套地下水运移系统，孔隙型砂岩热储和裂隙型岩溶热储在平面和垂向上分带明显：平面上，同层地下水的矿化度由北向南逐渐升高；垂向上，由浅至深逐渐增加(图 10)，且地下水类型随着埋深的增加由HCO3-Na、HCO3 · SO4-Na型水向成熟的Cl-Na型水过渡(表 3)。
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图 10 沧县隆起北部地区地下水Piper图(a)与地层矿化度(g/L)等值线图(b)1—馆陶组矿化度；2—奥陶系矿化度；3—雾迷山组矿化度；4—馆陶组井位；5—奥陶系井位；6—雾迷山组井位；7—断层；8—海岸线；9—县市；10—静水位等值线/mFigure 10. Piper (a) and formation salinity (g/L) contour map (b) of groundwater in northern Cangxian uplift1-Mineralization degree of Guantao Formation; 2-Mineralization degree of Ordovician; 3-Mineralization degree of Wumishan Formation; 4-Guantao Formation well; 5-Ordovician well; 6-Wumishan Formation well; 7-Fault; 8-Coastline; 9-City; 10-Isoline of static water level/m表 3 研究区地下水水化学测试结果(mg/L)Table 3. Chemical compositions of groundwater from the study area(mg/L)
研究区内孔隙型砂岩热储地下水组成以Na+、Ca2+、Mg2+、K+为主，且Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+；阴离子以Cl-、SO42-、HCO3-为主，且HCO3-> SO42-＞Cl-，水化学类型以HCO3-Na型为主，矿度化一般在0.4~2 g/L，pH值>8，属弱碱性水。据已有钻孔资料统计，本区矿化度由北向南逐渐增加，北部因靠近燕山山前积极交替带，受大气降水影响较大，间接证明本区的馆陶组地下水来自燕山补给区沿南西向径流的事实(赵苏民等，2007)，由于馆陶组在本区域内分布不连续，所以矿化度在水平方向上受到地层分布的影响(图 10b)，在地层连续分布的区域，地下水径流条件好，靠近断裂的钻孔(LT1井、LT2井)地下水矿化度明显偏低，研究区内的裂隙型岩溶热储水质类型多为HCO3·SO4-Na和Cl-Na，pH值在7~8，属弱碱性水。由燕山附近的基岩裸露区到沧县隆起的轴部基岩埋深较浅且直接被古近系覆盖，缺失新近系和石炭系—二叠系，矿度化一般在2~4 g/L，而沧东断裂附近基岩地下水矿化度较低仅有1~2 g/L，也说明深大断裂为本区地下水交换运移提供了通道。通过对比得知，本区的奥陶系热储矿化度存在较大差异，层内可能含有石膏和其他盐类，如王草庄凸起西缘的BD-05B井、潘庄凸起西部的潘热1井的矿化度明显高于本区同层其他钻孔的地下水矿化度，分析原因可能是由于本区远离燕山山区补给，且石炭系—二叠系直接覆盖其上，地下水径流受阻，导致其矿化度明显高于靠近燕山山前断裂带地下水。
从静水位等值线可以看出，水流从燕山基岩裸露区由北向南进入盆地补给，沧东断裂北段两盘具有从NE向SW较强的导水能力，远离断裂带的区域水动力较弱。从整体地层的矿化度差异也可以看出，沧东断裂两侧的砂岩孔隙水与岩溶裂隙水矿化度差别不大，水流混合作用使上下热储层矿化度相近，说明沧东断裂其对上下砂岩热储与碳酸盐岩热储具有沟通作用。
6. 概念模型与地热资源量
6.1 地热概念模型
沧县隆起北部地区是在渤海湾伸展型沉积盆地高大地热流值背景下，以传导型传热机制为主的地热系统。北部燕山裸露区基岩接受的大气降水作为近源补给水源，进入基岩的冷水在深层循环过程中受到深部热源加热增温，沿断裂破碎带和不整合面向上运移富集，形成了3套主力热水储集层：馆陶组砂岩热储，顶板埋深1200~2200 m，热储温度40~65℃；奥陶系岩溶热储，开发区域主要为沧县隆起北部地区的低凸起区，顶面埋深1200~2400 m，热储温度45~65℃；蓟县系雾迷山组岩溶热储在全区均有分布，凸起区顶面埋深2000~3000 m，热储温度75~100℃(图 11)。
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图 11 沧县隆起北部地区传导型地热资源概念模式图1—热流；2—冷水流；3—热水流；4—断层；5—第四系；6—新近系；7—古近系；8—中生界；9—古生界；10—元古界Figure 11. Reservoir forming model of conductive geothermal resources in northern Cangxian uplift1-Heat flow; 2-Cold water flow; 3-Hot water flow; 4-Fault; 5-Quaternary; 6-Neogene; 7-Paleogene; 8-Mesozoic; 9-Paleozoic; 10-Proterozoic6.2 地热资源量
沧县隆起北部地区为传导型地热资源，对于这类地热田一般采用“热储体积法”估算其内部的地热资源量。由于沧县隆起北部地区采用的是采灌结合的地热开发方式，根据自然资源部最新颁发的《地热资源评价方法及估算规程(DZ/T 0331-2020)》，在利用“热储体积法”计算了静态地热资源量的基础上，考虑地热回灌对地热流体年开采量的影响，本文也计算了采灌均衡条件下的地热流体年可开采量。据前期研究成果，将沧县隆起北部地区按照砂岩热储和岩溶热储两类分别进行计算后相加作为该地区的地热资源量。根据区内热储分布情况、地热井测井解释结果、可开发利用的经济价值，参考已开发地热田的相关热储层物理参数(王迪等，2020)，本区内馆陶组砂岩热储底板埋深范围在1200~2000 m为经济性可开发利用热储区域；奥陶系岩溶热储顶板埋深1000~2500 m为经济性可开发利用热储区域；蓟县系雾迷山组岩溶热储顶板埋深1200~3500 m为经济性可开发利用热储区域。综合盖层厚度和热储埋深，确定了本区地热资源量计算的参数(表 4)。
表 4 沧县隆起北部地区地热资源评价参数与计算结果汇总表Table 4. Summary of evaluation parameters and calculation results of geothermal resources in Cangxian uplift
根据热储体积法计算公式(1)计算沧县隆起北部地区不同热储地热资源量如表6所示。
(1) 式中：Q—地热资源量，J；A—评价区面积，m2；d—热储有效厚度，m；tr—热储温度，℃；φ—岩石的孔隙度，%；tj—基准温度，℃；Pc、Pw—分别为岩石和水的密度，kg/m3；Cc、Cw—分别为岩石及水的比热容，J/(kg·℃)。
当地年平均气温13.5℃；地热水密度取1000 kg/m3；砂岩密度取2300 kg/m3；灰岩岩石密度取2881 kg/m3；水比热取4180 J/(kg ·℃)；砂岩岩石比热取880 J/(kg·℃)，灰岩岩石比热取940J/(kg·℃)。
可采资源量计算公式(2)：
(2) 式中：QR—地热可采资源量，J；Q—地热资源量，J；RE—回收率，%。
采用地热回灌条件下单井开采权益保护半径计算地热流体可开采量，根据公式(3)、计算采灌均衡条件下的地热流体年可开采量。
(3) 
(4) 式中：Qa—回灌条件下允许开采量，m3；QWR—回灌条件下地热可采资源量，J；α—回灌率，据本区实际回灌值，砂岩热储回灌率取90%，岩溶热储回灌率取100%；β—回灌量与产水量之比；δ—热储温度下降2℃所减少的地热储存量的百分比；其他参数同公式(1)。
根据《地热资源评价方法》(DZ40-85)规定，对大型沉积盆地的新生代砂岩，当孔隙度大于20% 时，砂岩热储回收率定为0.25；碳酸盐岩裂隙热储回收率定为0.15。通过可采资源量公式(2)计算，沧县隆起北部地区地热总资源量9.42×1010 GJ，折合标煤32.2亿t，可采资源量1.67×1010 GJ，折合标煤5.72亿t。按照开发利用年限100年计算，年可采资源量折合标煤为5.72×106t。根据地热供暖项目运行数据，按照每平米每采暖季消耗热量相当于0.0283 t标煤计算，沧县隆起北部地区地热资源量可满足供暖面积2亿m2。根据《地热资源评价方法及估算规程(DZ/T 0331-2020)》，通过公式(3)、公式(4)计算，在采灌均衡的条件下，沧县隆起北部地区地热流体年可开采资源量为7.06×107 GJ，折合标煤2.41×106 t，可满足供暖面积0.85亿m2。
7. 结论
(1) 沧县隆起北部地区共发育3套可供开发的热储：馆陶组砂岩热储有效厚度110~150 m，储厚比33%~52%，水温40~65℃，单井出水量80~100 m3/h，主力产水层段位于馆陶组下段；奥陶系岩溶热储在本区主要开发区域为王草庄凸起，有效厚度110~ 210 m，储厚比24%~30%，水温40~80℃，单井出水量80~130 m3/h；蓟县系雾迷山组岩溶热储主要开发区域为潘庄凸起，有效厚度110~290 m，储厚比14%~40%，温度75~100℃，主力产水层位于雾迷山组中上部，单井出水量100~200 m3/h。
(2) 沧县隆起北部地区的地温场分布主要受基底构造形态控制，隆起区的平均地温梯度为45℃/km，两侧的坳陷区地温梯度平均值约为33℃/km。沧东断裂作为区内主控断裂具有一定的导热性，热量沿断裂破碎带向上快速运移，断裂附近的地温梯度可以达到50℃/km。
(3) 沧县隆起北部地区地下水类型随着埋深的增加由HCO3-Na、HCO3 · SO4-Na型水向成熟的Cl-Na型水过渡。地热水来源为燕山山脉裸露基岩接受大气降水补给，进入基岩的冷水在深层循环过程中受到深部热源加热增温，沿断裂破碎带和不整合面向上运移富集，形成了传导型地热系统。
(4) 沧县隆起北部地区馆陶组砂岩热储、奥陶系、蓟县系雾迷山组岩溶热储地热资源量合计9.42×1010 GJ，折合标煤32.2亿t，可采资源量1.67×1010 GJ，折合标煤5.72亿t，年可开采地热资源量可满足供暖面积2亿m2。若在采灌平衡的条件下，本区的年可采地热资源量为7.06×107 GJ，折合标煤2.41×106t，可满足供暖面积0.85亿m2，具有良好的地热市场开发前景。
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图 1 沧县隆起北部剥新生代地质图
1—中生界；2—石炭系—二叠系；3—奥陶系；4—寒武系；5—青白口系；6—蓟县系；7—元古界；8—断层；9—剖面；10—县市；11—地热井
Figure 1. Stripping Cenozoic geological map in northern Cangxian uplift
1-Mesozoic; 2-Carboniferous-Permian; 3-Ordovician; 4-Cambrian; 5-Qingbaikou System; 6-Jixian System; 7-Proterozoic; 8-Fault; 9-Profile; 10-City; 11-Geothermal well
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图 2 研究区构造及地层演化图(修编自汪新伟，2018)
1—新近系；2—古近系；3—侏罗系—白垩系；4—石炭系—二叠系；5—奥陶系；6—寒武系；7—中—晚元古界；8—基底；9—断裂；10—推测断裂
Figure 2. Structural and stratigraphic evolution map of the study area (modified from Wang Xinwei et al., 2018)
1-Neogene; 2-Paleogene; 3-Jurassic-Cretaceous; 4-Carboniferous-Permian; 5-Ordovician; 6-Cambrian; 7-Middle-Late Proterozoic; 8-Basement; 9-Fault; 10-Inferred fault
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图 3 沧县隆起北部地区馆陶组底板埋深(a)及温度等值线图(b)
1—古近系尖灭线；2—剥蚀区；3—断层；4—海岸线；5—县市；6—地热井
Figure 3. Floor depth (a) and temperature contour map (b) of Guantao Formation in northern Cangxian uplift
1-Paleogene pinch out line; 2-Denudation area; 3-Fault; 4-Coastline; 5-City; 6-Geothermal well
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图 4 沧县隆起北部地区奥陶系顶面埋深(a)及温度等值线图(b)
1—剥蚀区；2—断层；3—海岸线；4—县市；5—地热井
Figure 4. Roof depth (a) and temperature contour map (b) of Ordovician in northern Cangxian uplift
1-Denudation area; 2-Fault; 3-Coastline; 4-City; 5-Geothermal well
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图 5 沧县隆起北部地区蓟县系雾迷山组顶面埋深(a)及温度等值线图(b)
1—剥蚀区；2—断层；3—海岸线；4—县市；5—地热井
Figure 5. Roof depth (a) and temperature contour map (b) of Wumishan Formation of Jixian system in northern Cangxian uplift
1-Denudation area; 2-Fault; 3-Coastline; 4-City; 5-Geothermal well
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图 6 沧县隆起北部地热井单井测井解释图
a—LT1—宁河凸起馆陶组砂岩热储；b—LH1—王草庄凸起奥陶系岩溶热储；c—ZJC1—潘庄凸起蓟县系雾迷山组岩溶热储
Figure 6. Logging interpretation of geothermal well in northern Cangxian uplift
a-LT1-Sandstone thermal reservoir of Guantao Formation in Ninghe uplift; b-LH1-Karst thermal reservoir of Ordovician in Wangcaozhuang uplift; c-ZJC1-Karst thermal reservoir of Wumishan Formation of Jixian System in Panzhuang uplift
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图 7 沧县隆起北部盖层大地热流等值线图(a)和地温梯度等值线图(b)(修编自阮传侠等，2018)
1—断层；2—海岸线；3—县市；4—地热井
Figure 7. Geothermal flow (a) and geothermal gradient contour map (b) of the northern cap rock of Cangxian uplift (modified from Ruan Chuanxia et al., 2018)
1-Fault; 2-Coastline; 3-City; 4-Geothermal well
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图 8 沧县隆起北部地区地热地质剖面图(A—A'、B—B'剖面位置见图 1)
1—第四系；2—古近系—新近系；3—中生界；4—石炭系—二叠系；5—寒武系—奥陶系；6—元古界；7—断层
Figure 8. Geothermal geological profile of northern Cangxian uplift (location sections in Fig. 1)
1-Quaternary; 2-Neogene-Paleogene; 3-Mesozoic; 4-Carboniferous-Permian; 5-Cambrian-Ordovician; 6-Proterozoic; 7-Fault
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图 9 地热井地层温度-深度关系图(虚线为稳态后温度)
1—深度-温度曲线; 2—第四系; 3—明化镇组; 4—馆陶组; 5—奥陶系—寒武系; 6—青白口系; 7—蓟县系雾迷山组
Figure 9. Geothermal well formation temperature-depth diagram (dotted line shows post steady state temperature)
1-Depth-temperature curve; 2-Quaternary; 3-Minghuazhen Formation; 4-Guantao Formation; 5-Ordovician-Cambrian; 6-Qingbaikou System; 7-Wumishan Formation of Jixian System
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图 10 沧县隆起北部地区地下水Piper图(a)与地层矿化度(g/L)等值线图(b)
1—馆陶组矿化度；2—奥陶系矿化度；3—雾迷山组矿化度；4—馆陶组井位；5—奥陶系井位；6—雾迷山组井位；7—断层；8—海岸线；9—县市；10—静水位等值线/m
Figure 10. Piper (a) and formation salinity (g/L) contour map (b) of groundwater in northern Cangxian uplift
1-Mineralization degree of Guantao Formation; 2-Mineralization degree of Ordovician; 3-Mineralization degree of Wumishan Formation; 4-Guantao Formation well; 5-Ordovician well; 6-Wumishan Formation well; 7-Fault; 8-Coastline; 9-City; 10-Isoline of static water level/m
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图 11 沧县隆起北部地区传导型地热资源概念模式图
1—热流；2—冷水流；3—热水流；4—断层；5—第四系；6—新近系；7—古近系；8—中生界；9—古生界；10—元古界
Figure 11. Reservoir forming model of conductive geothermal resources in northern Cangxian uplift
1-Heat flow; 2-Cold water flow; 3-Hot water flow; 4-Fault; 5-Quaternary; 6-Neogene; 7-Paleogene; 8-Mesozoic; 9-Paleozoic; 10-Proterozoic
表 2 沧县隆起北部地区地热井数据统计表
Table 2 Statistical table of geothermal well data in northern Cangxian uplift
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表 3 研究区地下水水化学测试结果(mg/L)
Table 3 Chemical compositions of groundwater from the study area(mg/L)
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表 4 沧县隆起北部地区地热资源评价参数与计算结果汇总表
Table 4 Summary of evaluation parameters and calculation results of geothermal resources in Cangxian uplift
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