2. 通辽市水土保持局, 内蒙古 通辽 028000
2. Soil and Water Conservation Bureau of Tongliao, Tongliao 028000, Inner Mongolia, China
0 引言
随着全球社会的发展，传统能源储量逐渐减少，新型清洁能源越来越受到人们的重视；其中，地热能以其储量巨大、分布广泛和可再生的优势更受到人们的青睐。地热能是指储藏在地壳中能够为人类经济开发利用的热资源。目前，地热资源在世界上的开采和利用形式以水热型为主，其占已探明地热资源的1/10左右[1]。干热岩是指温度为150~650 ℃、埋藏于地下3~10 km深处、不包含水或蒸汽的各种变质岩或结晶岩体[2-3]，来源于放射性物质衰变和熔融岩浆。增强型地热系统 (enhanced geothermal systems, EGS) 是对干热岩热能进行提取的技术，是指在地温适宜的区域内，通过人工压裂对井或多井建立水力联系，形成地热储层，再通过注采将地热能从地壳深处携带到地表加以利用。
松辽盆地是我国五大地热资源分布区之一，按面积计算是我国最大的地热区。本文提出了松辽盆地增强型地热系统开发选区适宜性评价方法，综合评价筛选出适宜选区范围，尝试探索盆地型干热岩勘查开发选区理论与技术方法，以期为今后松辽盆地干热岩开发工作提供一定指导。
1 研究区概况松辽盆地位于我国辽河平原北段、松嫩平原南段，总面积约26万km2，是一个大中型中新生代陆相沉积的菱形盆地[4]；平均地温梯度在中国大型盆地中较高，约为3.7 ℃/hm[5]; 可分为北部倾没区、东北隆起区、东南隆起区、西部斜坡区、西南隆起区和中部凹陷区6个一级构造单元[6]。松辽盆地基底具有双层结构特征：下部构造层包含前寒武纪 (Pt3) 中深变质岩系和片麻状花岗岩，它是松辽盆地中部结晶基底；上部构造层包括古生代浅变质岩系和花岗岩[7]。研究[8-13]表明：松辽盆地地壳厚度较薄，居里面埋深较浅；盆地基底以华力西期花岗岩和燕山期花岗岩这两类花岗岩为主，花岗岩所含的高放射性元素在衰变过程中可释放出大量热量；松辽盆地基底裂隙较发育，天然裂隙有助于EGS的开发，并且单位体积裂隙密度与EGS储层提热性能正相关。
2 研究方法 2.1 数据来源本次增强型地热系统适宜性选区评价资料主要来源于松辽盆地构造基底岩性分布图[14]、松辽盆地基底断裂分布图、松辽盆地居里面埋深分布图[15]、松辽盆地地震烈度分布图、松辽盆地白垩系上统泥岩厚度分布、松辽盆地北部地温梯度等值线图、松辽盆地岩石导热率等值线[16]，以及部分来自中国地质馆的资料。研究基于ArcGis 10.2平台对相应的空间和属性数据进行处理与分析。
2.2 评价因子松辽盆地增强型地热系统开发适宜性选区评价从热源、资源量、导热、聚热、地震活动5个方面考虑，共选择8项评价因子，分别为居里面埋深、基底岩石生热率、裂隙密度、热导率、褶皱、泥岩厚度、干热岩地热资源密度和地震烈度。
热源主要受居里面埋深和基底岩性影响：居里面与大地热流起伏分布具有一定相关性，能够反映地壳深部热状态，即居里面的埋深越浅，开采难度越小，故干热岩勘察开发选区优先选择居里面埋深浅的地区；盆地基底发育的华力西期和燕山期花岗岩，在单位时间内衰变产生的放射性成因热量大，故干热岩勘察开发选区优先选择基底花岗岩发育相对良好的区域。资源量指干热岩地热资源量：干热岩地热资源量受地层温度、地层岩性、岩石体积等因素影响，直接影响着最大可开采量，故干热岩勘察开发选区优先选择地热资源量大的地区。导热受断裂和岩石自身热导率影响：天然裂隙有助于增强型地热系统的建立，并且裂隙发育密度越大，水热型干热岩热量传递效率越高，故干热岩勘察开发选区应优先选择裂隙密集的区域[17-18]；除裂隙构造外，岩性会影响岩石热导率，从而影响地热资源的向上传导，故应选择岩石热导率高的地区作为干热岩开发选区。聚热主要受浅层岩性和褶皱构造影响：盆地内分布湖侵形成的大面积具有良好聚热和隔热性能的厚层泥岩，由于干热岩普遍埋藏于距地表 3~10km深处，在松辽盆地一般是从白垩系下统开始至基底，故干热岩勘察开发选区选择白垩系上统的泥岩，且泥岩厚度越厚越好；除泥岩盖层外，褶皱也会影响到聚散热——背斜构造有聚热效应，向斜构造有散热效应，所以干热岩勘查开发选区应该优先考虑有背斜构造的区域。地震活动具有明显的分区和分带性，它对区域稳定性和工程建筑等有一定影响，总体来说，地震烈度越小的地区越适合干热岩勘察开发。
2.3 评价步骤1) 确定评价单元。松辽盆地内部有26口均匀分布的地温监测钻井，位置如图 1所示，利用ArcGIS 10.2平台，生成泰森多边形，以此划分26个评价单元 (图 2)。
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| 图 1 松辽盆地地温监测钻井分布 Figure 1 Distribution of ground temperature monitoring drilling in Songliao basin |
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| 图 2 松辽盆地26个评价单元 Figure 2 26 evaluation units in Songliao basin |
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2) 评价因子取值。本文共选取8项评价因子，其中：居里面埋深、热导率、褶皱、泥岩厚度和地震烈度通过对资料的量化处理得到；基底岩石生热率为每个分区不同岩性 (松辽盆地花岗岩基底岩性分为4类：新花岗岩、旧花岗岩、变质岩和沉积岩) 岩石体积与对应岩石生热率之积；裂隙密度是评价单元内裂隙长度与相应单元面积的比值；干热岩地热资源密度根据现有地温资料在松辽盆地范围内进行插值，生成若干小栅格元，按栅格元大小将松辽盆地3~10 km地层分为若干棱柱体，盆地内干热岩地热资源量即为区内所有栅格元所在的棱柱体的资源量总和。
3) 评价因子量化分级。常见的分级方法有遗传算法、最优分割、模糊聚类等。本文利用自然断点法 (natural breaks) 分级，所有单因子统一采用五级取值划分，即“适宜、较适宜、一般适宜、较不适宜和不适宜”，分级方案见表 1。之后利用专家打分法，对26个分区的8项评价因子进行打分。单项因子打分值Pi(i=1, 2, 3, …, 8) 按照8＜Pi≤10(适宜)、6＜Pi≤8(较适宜)、4＜Pi≤6(一般适宜)、2＜Pi≤4(较不适宜) 和Pi≤2(不适宜)5级标准得到评分。
| 适宜 | 较适宜 | 一般适宜 | 较不适宜 | 不适宜 | |
| 居里面埋深/km | ＜19.6 | 19.6~19.8 | 19.8~20.0 | 20.0~20.2 | ≥20.2 |
| 基底岩石生热率/(μW/m3) | ＞3.7 | 3.1~3.7 | 2.5~3.1 | 2.0~2.5 | ≤2.0 |
| 裂隙密度/(km/km2) | ＞0.045 | 0.036~0.045 | 0.026~0.036 | 0.017~0.026 | ≤0.017 |
| 热导率/(W/(m·K)) | 2~3 | ||||
| 褶皱 | 1 | 0 | -1 | ||
| 泥岩厚度/m | ＞450 | 350~450 | 250~350 | 150~250 | ≤150 |
| 地热资源密度/(EJ/km2) | ＞2.78 | 2.51~2.78 | 2.24~2.51 | 1.97~2.24 | ≤1.97 |
| 地震烈度 | ＜5 | 5 | 6 | 7 | ＞8 |
| 注：表中空白代表无对应项。褶皱分背斜、向斜和既无背斜也无向斜3种，分别用1，-1和0表示。 | |||||
4) 各因子权重确定。利用层次分析法 (AHP) 求得各评价因子权重。具体求法为：每次取2个因素，分别为xi和xj，且这2个因素对隶属层中指标X的影响比用aij表示；然后依据层次结构模型，分别构造两两比较判断矩阵A＝(aij)k×k，该矩阵满足aij＞0和aij＝1/aji(i≠j)，aij＝1(i＝j＝1，2，3，…，k) 两个条件；再采用1—9及其倒数标度各指标间相对重要性；最后根据各指标间的重要性对比，可以得到判别矩阵，从而求得各指标权重、最大特征值λmax和一致性指标IC[19]。其中，构造判断矩阵时采用19及其倒数标度各指标间相对重要性aij，1—9标度法具体含义见表 2。判断矩阵及指标权重见表 3。
| aij标度 | 定义 (比较要素xi和xj) |
| 1 | xi和xj一样重要 |
| 3 | xi比xj稍微重要 |
| 5 | xi比xj较强重要 |
| 7 | xi比xj强烈重要 |
| 9 | xi比xj极端重要 |
| 2、4、6、8 | 两相邻判断中间值 |
| 倒数 | 当比较xj和xi时 |
| 居里面埋深 | 基底岩石生热率 | 裂隙密度 | 导热率 | 褶皱 | 泥岩厚度 | 地热资源密度 | 地震烈度 | 权重 | |
| 居里面埋深 | 1 | 3 | 5 | 7 | 7 | 7 | 1 | 9 | 0.305 8 |
| 基底岩石生热率 | 1/3 | 1 | 3 | 5 | 5 | 5 | 1/3 | 7 | 0.163 4 |
| 裂隙密度 | 1/5 | 1/3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 1/5 | 5 | 0.086 4 |
| 导热率 | 1/7 | 1/5 | 1/3 | 1 | 1 | 1 | 1/7 | 3 | 0.039 4 |
| 褶皱 | 1/7 | 1/5 | 1/3 | 1 | 1 | 1 | 1/7 | 3 | 0.039 4 |
| 泥岩厚度 | 1/7 | 1/5 | 1/3 | 1 | 1 | 1 | 1/7 | 3 | 0.039 4 |
| 地热资源密度 | 1 | 3 | 5 | 7 | 7 | 7 | 1 | 9 | 0.305 8 |
| 地震烈度 | 1/9 | 1/7 | 1/5 | 1/3 | 1/3 | 1/3 | 1/9 | 1 | 0.020 4 |
5) 一致性检验。由层次分析法获得的权重分配的合理性需进行平均随机一致性检验。当一致性比率 (RC) 小于0.1时，认为断矩阵具有满意的一致性。
6) 各因子综合评价。松辽盆地增强型地热系统开发适宜性综合评价采用如下评价公式：
(1) 式中：P为评价单元的EGS开发适宜性综合评分值；n为评价因子的总数，本次评价中取8；Pi为第i个评价指标的打分值；Ai为第i个评价指标的权重，根据层次分析法得出的权重见表 3。
7) 综合评分值分级。对公式 (1) 所得结果，按照适宜 (8＜P≤10)、较适宜 (6＜P≤8)、一般适宜 (4＜P≤6)、较不适宜 (2＜P≤4) 和不适宜 (P≤2) 分成5个等级。
3 评价结果通过ArcGIS 10.2平台对每个分区每项因子进行评估处理，可得松辽盆地26个分区的8项评价因子数据取值 (表 4)。由于研究区岩石热导率仅西南边境稍有变化并且变化梯度很小，故整个研究区岩石热导率取2.64 W/(m·K)。
| 评价 单元 |
居里面埋深/ km |
基底岩石生热率/ (μW/m3) |
裂隙密度/ (km/km2) |
热导率/ (W/(m·K)) |
褶皱 | 泥岩厚度/ m |
干热岩地热资源密度/ (EJ/km2) |
地震烈度 |
| 1 | 19.8 | 2.0 | 0.038 | 2.64 | 0 | 200 | 2.32 | 5 |
| 2 | 20.1 | 3.7 | 0.043 | 2.64 | 0 | 120 | 2.35 | 6 |
| 3 | 19.5 | 3.5 | 0.007 | 2.64 | 1 | 150 | 2.24 | 5 |
| 4 | 19.8 | 3.3 | 0.015 | 2.64 | 1 | 430 | 2.90 | 5 |
| 5 | 20.2 | 4.2 | 0.040 | 2.64 | 1 | 180 | 2.83 | 6 |
| 6 | 20.2 | 2.3 | 0.033 | 2.64 | 0 | 230 | 2.06 | 4 |
| 7 | 20.1 | 2.6 | 0.013 | 2.64 | 0 | 110 | 1.82 | 4 |
| 8 | 19.8 | 1.5 | 0.016 | 2.67 | 0 | 260 | 2.34 | 6 |
| 9 | 20.2 | 1.5 | 0.010 | 2.64 | 0 | 380 | 2.46 | 6 |
| 10 | 19.6 | 1.7 | 0.008 | 2.64 | 0 | 540 | 2.36 | 5 |
| 11 | 19.8 | 2.1 | 0.031 | 2.64 | 0 | 450 | 2.41 | 5 |
| 12 | 20.1 | 2.0 | 0.039 | 2.64 | 0 | 80 | 2.45 | 4 |
| 13 | 19.9 | 3.0 | 0.038 | 2.64 | 0 | 150 | 2.81 | 5 |
| 14 | 19.5 | 2.0 | 0.039 | 2.64 | 0 | 330 | 2.02 | 5 |
| 15 | 19.5 | 3.1 | 0.055 | 2.64 | -1 | 230 | 2.44 | 5 |
| 16 | 19.6 | 2.3 | 0.030 | 2.64 | 0 | 220 | 2.88 | 7 |
| 17 | 20.2 | 2.4 | 0.042 | 2.64 | -1 | 170 | 2.59 | 7 |
| 18 | 19.8 | 2.5 | 0.034 | 2.64 | 1 | 130 | 2.43 | 6 |
| 19 | 19.7 | 3.9 | 0.022 | 2.64 | 0 | 360 | 2.64 | 6 |
| 20 | 19.8 | 3.7 | 0.030 | 2.64 | -1 | 350 | 3.04 | 5 |
| 21 | 19.6 | 3.5 | 0.024 | 2.64 | 0 | 200 | 2.72 | 5 |
| 22 | 20.1 | 2.1 | 0.040 | 2.64 | 0 | 340 | 2.47 | 4 |
| 23 | 19.8 | 1.9 | 0.034 | 2.64 | 0 | 250 | 2.27 | 5 |
| 24 | 19.9 | 1.8 | 0.026 | 2.64 | 0 | 210 | 1.82 | 5 |
| 25 | 19.8 | 2.3 | 0.016 | 2.64 | 1 | 110 | 2.20 | 6 |
| 26 | 19.8 | 3.2 | 0.009 | 2.64 | 0 | 130 | 1.77 | 5 |
利用专家打分法对表 3数据进行评价打分，结果详见表 5。其中，由于热导率取值唯一，参考全国其他区域热导率资料后，将松辽盆地热导率级别确定为一般适宜，故热导率打分统一取值为5。
| 评价单元 | 居里面埋深 | 基底岩石生热率 | 裂隙密度 | 热导率 | 褶皱 | 泥岩厚度 | 干热岩地热资源密度 | 地震烈度 |
| 1 | 6 | 2 | 7 | 5 | 6 | 4 | 5 | 9 |
| 2 | 3 | 8 | 8 | 5 | 6 | 2 | 5 | 8 |
| 3 | 9 | 7 | 1 | 5 | 7 | 2 | 4 | 9 |
| 4 | 6 | 7 | 2 | 5 | 7 | 8 | 9 | 9 |
| 5 | 2 | 10 | 7 | 5 | 7 | 3 | 9 | 8 |
| 6 | 2 | 3 | 6 | 5 | 6 | 4 | 3 | 10 |
| 7 | 3 | 5 | 2 | 5 | 6 | 2 | 2 | 10 |
| 8 | 6 | 1 | 2 | 5 | 6 | 5 | 5 | 8 |
| 9 | 2 | 1 | 1 | 5 | 6 | 7 | 6 | 8 |
| 10 | 8 | 1 | 1 | 5 | 6 | 9 | 5 | 9 |
| 11 | 6 | 3 | 6 | 5 | 6 | 8 | 6 | 9 |
| 12 | 3 | 2 | 7 | 5 | 6 | 1 | 6 | 10 |
| 13 | 5 | 6 | 7 | 5 | 6 | 2 | 9 | 9 |
| 14 | 9 | 2 | 7 | 5 | 6 | 6 | 3 | 9 |
| 15 | 9 | 6 | 10 | 5 | 4 | 4 | 6 | 9 |
| 16 | 8 | 3 | 5 | 5 | 6 | 4 | 9 | 6 |
| 17 | 2 | 4 | 8 | 5 | 4 | 3 | 7 | 6 |
| 18 | 6 | 4 | 6 | 5 | 7 | 2 | 6 | 8 |
| 19 | 7 | 9 | 3 | 5 | 6 | 7 | 8 | 8 |
| 20 | 6 | 8 | 5 | 5 | 4 | 6 | 10 | 9 |
| 21 | 8 | 7 | 4 | 5 | 6 | 4 | 8 | 9 |
| 22 | 3 | 3 | 7 | 5 | 6 | 6 | 6 | 10 |
| 23 | 6 | 2 | 6 | 5 | 6 | 4 | 5 | 9 |
| 24 | 5 | 1 | 4 | 5 | 6 | 4 | 2 | 9 |
| 25 | 6 | 3 | 2 | 5 | 7 | 2 | 4 | 8 |
| 26 | 6 | 7 | 1 | 5 | 6 | 2 | 1 | 9 |
利用层次分析法得到最大特征值λmax=8.3，一致性指标IC=0.042 8。查阅平均随机一致性指标 (IR) 取值一览表 (表 6) 可知，当矩阵阶数n=8时，IR=1.41，故RC=IC/IR=0.03 < 0.1，则判断矩阵具有满意的一致性，说明8项评价因子权重合理。
| 阶数 | IR |
| 1 | 0.00 |
| 2 | 0.00 |
| 3 | 0.58 |
| 4 | 0.90 |
| 5 | 1.12 |
| 6 | 1.24 |
| 7 | 1.32 |
| 8 | 1.41 |
| 9 | 1.46 |
| 10 | 1.49 |
| 11 | 1.52 |
| 12 | 1.54 |
根据公式 (1) 计算得到的评价单元干热岩勘查开发适宜性综合评分值如表 7所示。为了更直观地表示适宜建立增强型地热系统的选区，利用ArcGIS 10.2将结果制成图 3。由图 3可见，适宜干热岩开发的评价单元为20和4，地理位置位于大庆—大安一带。结果与地温梯度分布图 (图 4) 和地温分布图 (图 5) 基本吻合，说明结果具有一定可靠性。
| 评价单元 | 综合评分值 | 适宜性结果 |
| 1 | 5.170 | 一般适宜 |
| 2 | 4.912 | 一般适宜 |
| 3 | 4.427 | 一般适宜 |
| 4 | 8.248 | 适宜 |
| 5 | 7.668 | 较适宜 |
| 6 | 3.942 | 较不适宜 |
| 7 | 3.092 | 较不适宜 |
| 8 | 5.235 | 一般适宜 |
| 9 | 6.085 | 较适宜 |
| 10 | 5.707 | 一般适宜 |
| 11 | 6.235 | 较适宜 |
| 12 | 5.525 | 一般适宜 |
| 13 | 7.495 | 较适宜 |
| 14 | 4.115 | 一般适宜 |
| 15 | 5.590 | 一般适宜 |
| 16 | 7.583 | 较适宜 |
| 17 | 5.990 | 一般适宜 |
| 18 | 5.655 | 一般适宜 |
| 19 | 7.355 | 较适宜 |
| 20 | 8.345 | 适宜 |
| 21 | 7.075 | 较适宜 |
| 22 | 6.062 | 较适宜 |
| 23 | 5.170 | 一般适宜 |
| 24 | 3.264 | 较不适宜 |
| 25 | 4.385 | 一般适宜 |
| 26 | 2.414 | 较不适宜 |
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| 图 3 松辽盆地干热岩勘查开发选区适宜性评价结果 Figure 3 Hot dry rock exploration and development of the constituency suitability evaluation results in Songliao basin |
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| 图 4 松辽盆地北部地温梯度等值线图 Figure 4 Contour map of geothermal gradient in northern Songliao basin |
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| 图 5 松辽盆地5 km深度地温分布图 Figure 5 Temperature distribution of depth 5 km in Songliao basin |
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本文选取8项评价因子，利用ArcGIS 10.2平台，通过打分法和层次分析法求取每个因子评价打分值和权重，再进行综合评价，最终确定26个分区评分；按照“不适宜—较不适宜—一般适宜—较适宜—适宜”分类标准，评价出干热岩开发适宜区和较适宜区主要位于松辽盆地中部的大庆—大安一带。评价结果可用于指导区域干热岩进一步勘察。层次分析法本身是一种半定量的方法，文中因子选择是否完全合理，方法中打分数值是否科学准确，还需在实践中进一步检验完善。
致谢: 中科院地质与地球物理研究所胡圣标研究员对本研究给予了大力支持，在此表示衷心的感谢！| [1] | 康玲, 王时龙, 李川. 增强型地热系统 (EGS) 的人工热储技术[J]. 地热能, 2009(2): 13-16. Kang Ling, Wang Shilong, Li Chuan. Reservoir Techology in Enhanced Geothermal Systems[J]. Geothermal Energy, 2009(2): 13-16. |
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