2. 浙江省地质调查院, 浙江 杭州 311203;
3. 浙江省国土整治中心, 浙江 杭州 310012
2. Zhejiang Institute of Geological Survey, Hangzhou 311203, China;
3. Zhejiang Land Consolidation and Rehabilitation Center, Hangzhou 310012, China
地热能在我国分布广泛,种类繁多,开发利用潜力巨大[1-3]. 杭嘉湖平原位于浙江北部,地理范围大致包括太湖以南、钱塘江和杭州湾以北、天目山以东、东海以西的广大地区,行政范围包括嘉兴市全境、湖州市大部、杭州市的东北部. 该区地热资源较为丰富,前人已进行了多方面的研究. 张健等[4]、朱戈等[5]对包括该区在内的我国东部与长江中下游地区的深部地热资源分布特征、地温场特征等进行了研究;张萌等[6]通过研究浙江省区域地质背景,探讨了该区的地热资源赋存特征;冯一维[7]、林清龙[8]研究了该区地热水的水文地球化学特征;胡宁等[9-10]通过钻探验证、物探勘查等,分析了该区地热资源的“源、通、盖、储”等关键技术问题;朱华雄[11]、蔡旭梅等[12]、严金叙等[13]对湖州太湖南岸地热田的成因模式、热储概念模型、勘查开发方向等进行了研究. 本文在现有研究成果与地热勘查成果的基础上,开展前人未涉及的地热资源综合评价工作,为今后的开发利用提供科学建议.
1 区域地热地质概况杭嘉湖平原属于浙西北扬子准地台地区,地层发育较全,从新元古代—新生代各时期地层均有出露,大部分地区地表为第四系覆盖. 该区固结程度低,地壳活动性大,在各次地壳运动中以褶皱变形为主,伴随褶皱形成的区域性深大断裂切割深、延长远,并显示多期活动性,以北东向、东西向和北西向3组断裂构成主体框架. 主要有北东向的马金–乌镇深断裂(F2)、学川–湖州大断裂(F4)、萧山–球川深大断裂(F3),北西向的长兴–奉化深大断裂(F14)和东西向的湖州–嘉善深大断裂(F13)(图 1). 这些断裂纵向切割深,部分甚至延伸到壳幔深处,对次级构造单元及沉积作用具有较大的控制作用,并对地热资源的赋存与运移形成深刻的影响.
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图 1 杭嘉湖平原地热资源分布图 Fig.1 Distribution of geothermal resources in Hangjiahu Plain 1—研究区范围(study area);2—地热分区(geothermal zonation);3—盖层地温梯度等值线(geothermal gradient contour of caprock,℃/hm);4—断裂(fault);5—地热井(geothermal well,25≤t<40 ℃);6—地热井(geothermal well,40≤t<60 ℃);7—地热井(geothermal well,60≤t<90 ℃);F1—江山–绍兴深大断裂(Jiangshan-Shaoxing deep fault);F2—马金–乌镇深断裂(Majin-Wuzhen deep fault);F3—萧山–球川深大断裂(Xiaoshan-Qiuchuan deep fault);F4—学川–湖州大断裂(Xuechuan-Huzhou major fault);F6—常山–漓渚大断裂(Changshan-Lizhu major fault);F7—昌化–普陀大断裂(Changhua-Putuo major fault);F13—湖州–嘉善深大断裂(Huzhou-Jiashan deep fault);F14—长兴–奉化深大断裂(Changxing-Fenghua major fault);Ⅲ2–1—桐乡–平湖凹陷地热区(Tongxiang-Pinghu sag geothermal area);Ⅲ2–2—王店凸起地热区(Wangdian uplift geothermal area);Ⅲ2–3—胥山凸起地热区(Xushan bulge geothermal area);Ⅲ2–4—湖州盆地地热区(Huzhou basin geothermal area) |
杭嘉湖平原位于幔隆区,莫霍面埋深相对较浅,大地热流值较高,具有较好的热生成条件,断裂构造的发育又为深部岩层的富水及导热创造了良好的条件[6]. 已有地热区主要分布于学川–湖州大断裂和湖州–嘉善深大断裂交汇的湖州太湖南岸沉积断陷区,以及萧山–球川深大断裂、湖州–嘉善深大断裂、马金–乌镇深断裂交汇的桐乡–平湖凹陷(Ⅲ2-1)、王店凸起(Ⅲ2-2)和胥山凸起(Ⅲ2-3). 热储层构造部位多以背斜为主体,并与断裂构造交错. 热储层有一定埋深,盖层多为泥岩、泥质砂岩、砂岩等. 盖层地温梯度为3~3.5 ℃/hm,大于地壳的近似平均地温梯度,表现为地温梯度热异常,有利于热量的存储.
2 地热资源赋存特征杭嘉湖平原地区地热资源行政分布范围主要为嘉兴地区的嘉兴市、嘉善县、桐乡市、海宁市、平湖市和湖州市吴兴区. 地热资源类型为沉积盆地型,热储类型多样,有带状、层状及层状兼带状热储等多种类型,如表 1所示. 热储受构造控制,横向分布不连续,纵向厚度变化较大.
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表 1 研究区热储类型及概况 Table 1 Types and basic information of geothermal reservoirs in the study area |
分布于桐乡–平湖凹陷,基底为古生界石炭–二叠系碳酸盐岩,上部直接覆盖白垩系碎屑岩,缺失中生代沉积,为白垩系与石炭–二叠系双层热储结构. 运热1井1 400 m钻透白垩系底部砾岩后,直接见及石炭系黄龙组灰岩,岩溶裂隙发育,水量丰富,控制可开采量2 592 m3/d,水温64 ℃.
2.2 单一热储(1)碳酸盐岩热储
寒武系碳酸盐岩单一热储分布于嘉兴王店凸起,盖层由第四系松散沉积物和新近系碎屑岩组成,厚约400 m;热储由寒武系超峰组、大陈岭组碳酸盐岩组成,热储层厚数百米至千米不等,单井涌水量可达500 m3/d以上. 石炭–二叠系碳酸盐岩单一热储分布于湖州太湖南岸地区,盖层由第四系松散沉积物和白垩系碎屑岩组成,由山前向东部平原逐渐加厚,最厚处超过1 000 m;热储由二叠系栖霞组、石炭系船山组和黄龙组碳酸盐岩热储组成,厚数十米至数百米不等,单井涌水量差别较大,最高可达1 000 m3/d以上.
(2)其他岩类构造裂隙型热储
分布于嘉兴胥山凸起,上覆盖层为第四系松散沉积物、白垩系碎屑岩和侏罗系火山碎屑岩. 嘉热2井储水层为上奥陶统长坞组中粒砂岩,水量330 m3/d. 嘉热4井储水层为志留系唐家坞组砂岩,水量294 m3/d.
3 地热资源综合评价 3.1 评价内容与方法地热资源综合评价分为地热资源评价和地热流体不同用途评价,综合参照《地热资源评价方法及估算规程》(DZ/T 0331—2020)[14]、《地热资源地质勘查规范》(GB11615—2010)[15]、《全国地热资源调查评价与区划技术要求(试行)》[16]进行.
地热资源评价深度为4 000 m以浅,分25~40 ℃、40~60 ℃、60~90 ℃、90~150 ℃四个不同热储温度范围,如图 2所示. 评价内容包括地热储量、地热流体储存量、地热流体可开采量、地热流体可开采热量,计算公式及各参数的物理意义、单位、取值方法详见文献[14–16]. 热储面积以深大断裂为界,并结合区域物探和地层岩性资料,以及地热钻孔揭露的热储层的分布范围计算. 热储厚度以地热井揭露的该热储层的绝对厚度的平均值作为热储层厚度. 其余参数优先采用已有勘查成果资料的内容,对于资料较少或没有资料的地区,采用区域经验值. 对于现有地热勘查资料已基本查清区域热储特征的地热区,地热流体可开采量采用最大允许降深法,如桐乡–平湖凹陷石炭–二叠系热储层(Ⅲ2–1b)和湖州盆地石炭–二叠系热储层(Ⅲ2–4),其他热储层采用开采系数法.
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图 2 地热资源温度计算分区 Fig.2 Zonation of geothermal reservoir by temperature 1—地热分区(geothermal zonation);2—热储温度25≤t<40 ℃(temperature 25≤t<40 ℃);3—热储温度40≤t<60 ℃(temperature 40≤t<60 ℃);4—热储温度60≤t<90 ℃(temperature 60≤t<90 ℃);5—热储温度90≤t<150 ℃(temperature 90≤t<150 ℃) |
地热流体不同用途评价包括理疗矿水评价、饮用天然矿泉水评价、生活饮用水评价、农业灌溉用水评价、渔业用水评价、有用矿物组分评价. 各地热区代表性地热水取样分析结果见表 2.
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表 2 研究区地热水水质分析结果 Table 2 Water quality test results of geothermal water in the study area |
(1)地热资源评价
由地热资源评价结果(表 3)可知,嘉兴地区地热储量为417.6×1014 kJ,地热流体储存量为196.91×108 m3,地热流体可开采量为6 018×104 m3/a,地热流体可开采热量为1 073.08×1010 kJ/a;湖州地区地热储量为21.58×1014 kJ,地热流体储存量为15.31×108 m3,地热流体可开采量为10 846.8×104 m3/a,地热流体可开采热量为1 293.8×1010 kJ/a. 研究区地热储量为439.18×1014 kJ,地热流体储存量为212.22×108 m3,地热流体可开采量为16 864.8×104 m3/a,地热流体可开采热量为2 366.88×1010 kJ/a.
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表 3 地热资源评价结果 Table 3 Evaluation results of geothermal resources |
(2)地热流体不同用途评价
根据地热流体不同用途评价结果(表 4),可知研究区地热水水质较好,水中有多项成分符合理疗热矿水水质标准. 嘉兴地区地热水可命名为铁水、氡水、硅酸水等;王店凸起地热水降温后可用于农业灌溉;胥山凸起嘉热4井地热水可作为渔业用水. 湖州地区地热水可命名为硫化氢水、铁水、氡水等,不适用于饮用天然矿泉水、生活饮用水、农业灌溉用水、渔业用水.
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表 4 地热水不同用途评价 Table 4 Evaluation of geothermal water usages |
(1)开发利用方案区划
综合以上评价结果,进行研究区地热资源开发利用方案区划,详见表 5. 由表可知,研究区地热资源均属于低温地热资源,嘉兴地区整体温度高于湖州地区.嘉兴地区多为温热水、热水,湖州地区的地热水温度差异较大,温水、温热水、热水均有. 地热水水质较好,含有多种有益成分,可用于旅游疗养、地热供暖、农业种殖、水产养殖等.
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表 5 地热资源开发利用评价 Table 5 Development and utilization Evaluation of geothermal resources |
(2)节能减排效益评估
以地热流体可开采热量评价结果为基础,参照《地热资源评价方法及估算规程》(DZ/T 0331—2020)附录G[14],进行研究区地热利用节能减排效益评估,结果如表 6、7所示.
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表 6 年减排量评估 Table 6 Evaluation of annual emission reduction |
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表 7 年节省污染治理费评估 Table 7 Evaluation of annual savings in pollution control |
由表 6、7可知,若将地热流体可开采量全部开发利用,研究区内每年可节约标煤134.63×104 t;每年可减少CO2气体排放量321.24×104 t,节约相应治理费32 123.69万元;每年可减少SO2气体排放量2.29×104 t,节约相应治理费2 517.66万元;每年可减少NOX排放量0.81×104 t,节约相应治理费1 938.73万元;每年可减少悬浮质粉尘排放量1.08×104 t,节约相应治理费861.66万元.
4.2 地热资源开发利用建议杭嘉湖平原区是浙江省地热资源最为丰富的地区,现有地热井数量也为省内之最,但开发利用方向与模式较为单一. 传统粗放的开发方式对地热资源的永续利用会造成不良影响,如过度集中开采造成的地热水水位下降[17],若地热水随意排泄,其本身含有的诸多典型组分也会对周边的土壤环境、地表水和地下水环境等带来负面影响[18]. 在当前国家及地方相关政策的积极引领下,水热型地热发展将从单一、粗放利用为主转变为持续发展、梯级开发[19],其开发利用需同时综合考虑所在地区的政策导向、发展规划、市场需求等因素,并且以资源保护为前提,做到开采与保护并重. 基于前文的分析结果,提出以下开发利用建议:
提高地热资源开发的科学性、合理性. 研究区热储类型多样,地热地质条件复杂,应以《浙江省自然资源发展“十四五”规划》《浙江省地质勘查“十四五”规划》为引领,进一步提高地热地质勘查评价研究水平,做到科学规划、合理开发. 同时做好地热资源及其关联的生态环境保护,实现可持续的绿色发展.
湖州盆地地热区与湖州市太湖南岸旅游度假区域存在重叠,嘉兴市则紧临上海和杭州. 两地地理位置优越,自然风光优美,江南水乡、古镇云集,自身旅游资源得天独厚,其地热井单井水温和水量条件在全省处于前列,地热水水质较好,水中有益成分多样,可创造较大的旅游疗养价值.
研究区地热资源还可用于地热供暖. 然而由于其赋存条件复杂多样,热储层出水能力差异较大,部分地热井温度较低或出水量较低(见表 1),单一采用地热水作为热源或难以满足大范围、大面积的建筑群供暖需求. 可结合入旅游业、特色农业、地质文化村等建设,形成综合开发模式. 如开采的地热水可采用间接换热的模式,用于建筑或农业大棚供暖后,再进行温泉洗浴开发. 另外,杭嘉湖平原地区浅层地热能条件优良、资源丰富[20-21],可以与水热型地热资源形成深浅结合的开发利用模式. 此外,地热资源的开发利用还可结合热泵技术、太阳能技术、空气能技术等清洁能源技术[22],形成“地热+”复合开发模式.
5 结论在已有研究成果的基础上,通过对杭嘉湖平原区水热型地热资源的综合评价,得出结论如下:
(1)研究区地热资源储存量为439.18×1014 kJ,地热流体储存量为212.22×108 m3,地热流体可开采量为16 864.8×104 m3/a,地热流体可开采热量为2 366.88×1010 kJ/a,主要分布于嘉兴地区的嘉兴市、嘉善县、桐乡市、海宁市、平湖市和湖州市吴兴区. 区内地热水可命名多项理疗热矿水;王店凸起地热水降温后可用于农业灌溉;胥山凸起地热水可用于水产养殖.
(2)研究区地热资源为低温地热资源,地热水水质较好,含有多种有益成分,可用于旅游疗养、地热供暖、水产养殖等. 若将地热流体可开采量全部开发,每年可节约标煤134.63×104 t,减少CO2气体排放量321.24×104 t,减少SO2气体排放量2.29×104 t,减少NOx排放量0.81×104 t,减少悬浮质粉尘排放量1.08×104 t,节省污染治理费共计3.74亿元.
(3)研究区水热型地热资源水质、水量、水温条件在全省均处于前列,可创造较大的旅游疗养价值,还可以结合入特色农业、地质文化村等建设中,形成梯级综合利用模式. 如结合区内丰富的浅层地热能资源形成深浅结合的利用模式,结合热泵技术、太阳能技术、空气能技术等清洁能源技术形成“地热+”复合开发模式.
(4)地热资源的开发利用应做到开采与保护并重,今后应进一步提高地热地质勘查评价研究水平,做到科学规划、合理开发,同时做好地热资源及其关联的生态环境保护,实现可持续的绿色发展.
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