模糊綜合評(píng)價(jià)在武漢市中深層地?zé)峥碧斤L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

江越瀟, 牛俊強(qiáng), 于 瑤, 范 威, 蘇 呈

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

1 武漢市地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地質(zhì)背景

1.2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

武漢市莫霍面埋深28～31 km[1],居里面埋深25.5～26.8 km,與湖北省其他地區(qū)相比,上地幔埋深最淺、地殼最薄,具備較好的熱源條件。武漢市經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成一系列的褶皺和深大斷裂,這些斷裂深切基底,有利于溝通深部熱源,具備地?zé)崽锏男纬蓷l件。目前,武漢市有三門湖地?zé)崽锖投嗵幍責(zé)岙惓?但尚未開發(fā)出水溫超過45 ℃以上的地?zé)崽?近年,在武漢西部漢川市開采一口地?zé)峋?于井深2 000多米處開采出54 ℃熱水,由此井推測武漢市深部具有地?zé)豳Y源開發(fā)潛力。

武漢市熱儲(chǔ)分為三類,分別為碳酸鹽巖熱儲(chǔ)、碎屑巖熱儲(chǔ)和變質(zhì)巖熱儲(chǔ)。碳酸鹽巖熱儲(chǔ)又可分為石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)和寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ),二者之間為巨厚的志留系。地?zé)崃黧w主要賦存于巖溶裂隙和斷裂帶中。石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)零星分布于襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂以南的向斜帶、官家畈向斜與五通口—湯遜湖斷裂交會(huì)帶、梁子湖凹陷帶,寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)埋藏于巨厚的志留系之下,襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂以南地區(qū)多有分布,埋深一般>500 m,局部地區(qū)>2 000 m,基本與地表褶皺相對(duì)應(yīng),向斜區(qū)埋深大,背斜區(qū)埋深小。碎屑巖熱儲(chǔ)巖性為白堊系—古近系公安寨組礫巖、砂巖,主要分布于襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂以北的新洲凹陷,埋藏深度由北向南逐漸增大,南部深度>2 000 m,地?zé)崃黧w主要賦存于碎屑巖孔隙、裂隙和斷裂破碎帶中。變質(zhì)巖熱儲(chǔ)巖性為元古界片巖、片麻巖,局部為大理巖。分布于襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂以北的變質(zhì)巖山區(qū),多裸露于地表。地?zé)崃黧w主要賦存于構(gòu)造裂隙帶中,大理巖裂隙巖溶帶也是地?zé)崃黧w儲(chǔ)存運(yùn)移的場所。

圖1 武漢市大地構(gòu)造圖Fig.1 Geotectonic map of Wuhan1.一級(jí)單元界線;2.二級(jí)單元界線;3.三級(jí)單元界線;4.四級(jí)單元界線;5.構(gòu)造單元編號(hào)。

熱儲(chǔ)蓋層是覆于熱儲(chǔ)層之上不透水或弱透水的巖層,起隔水隔熱的封閉作用。區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)蓋層主要有志留系、白堊系—古近系、上二疊統(tǒng)—侏羅系。志留系由頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)頁巖等組成,沉積厚度大,分布穩(wěn)定,是一套良好的隔水保溫蓋層,對(duì)寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)中的地?zé)崃黧w形成起著保溫作用。白堊系—古近系為一套中—厚層狀粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖、礫巖,上部粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖對(duì)深部的砂巖、礫巖熱儲(chǔ)形成一定的保溫作用;上二疊統(tǒng)—侏羅系主要為硅質(zhì)巖、砂巖、灰?guī)r、頁巖,對(duì)梁子湖凹陷帶的石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)具有保溫作用。

斷裂破碎帶往往是地下水循環(huán)、運(yùn)移的主要通道,特別是深大斷裂、活動(dòng)性斷裂更是地下水進(jìn)行深循環(huán)的重要通道,區(qū)內(nèi)可能成為導(dǎo)熱導(dǎo)水構(gòu)造的斷裂主要有:襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂、麻團(tuán)斷裂,五通口—湯遜湖斷裂等及其次級(jí)斷裂。另外碳酸鹽巖中的裂隙巖溶系統(tǒng)也是地下熱水運(yùn)移、儲(chǔ)存的主要通道。

區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的補(bǔ)給來源主要為大氣降水和少量的古沉積水。石炭系—二疊系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的補(bǔ)給來源于向斜兩翼裸露基巖的大氣降水,屬近源補(bǔ)給。寒武系—奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)的補(bǔ)給來源主要為大洪山區(qū)的碳酸鹽巖裸露區(qū)和位于鄂東南低山丘陵區(qū)的碳酸鹽巖裸露區(qū),屬遠(yuǎn)源補(bǔ)給;古封存水補(bǔ)給沒有持續(xù)性,隨著時(shí)間的延續(xù)出水量迅速衰減。碎屑巖熱儲(chǔ)的補(bǔ)給一部分來源于北部山區(qū)的變質(zhì)巖裂隙水順層或沿?cái)嗔褞нh(yuǎn)源補(bǔ)給,另一部分來源于山前礫巖、砂巖出露區(qū),大氣降水通過裂隙、斷裂入滲形成地下水,再向南徑流形成地?zé)崃黧w的近源補(bǔ)給。變質(zhì)巖熱儲(chǔ)層的補(bǔ)給來源于北部的低山區(qū)和大別山、桐柏山區(qū),補(bǔ)給區(qū)斷裂發(fā)育,大氣降水通過裂隙、斷裂入滲并沿?cái)嗔褞нM(jìn)行深循環(huán)形成地?zé)崃黧w,屬近源、遠(yuǎn)源混合型補(bǔ)給。

2 地?zé)峥碧斤L(fēng)險(xiǎn)性的模糊綜合評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)模型

模糊數(shù)學(xué)法是對(duì)多種影響因素做出客觀真實(shí)評(píng)價(jià)的一種十分有效的決策方法,其步驟為確定因素集U,建立評(píng)價(jià)集V,建立評(píng)價(jià)矩陣R,確定權(quán)重與綜合評(píng)價(jià)[2]。

設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別用u1,u2,……um表示,構(gòu)成評(píng)價(jià)因素集合為:U={u1,u2,…,um}。設(shè)決擇評(píng)語集合為:V={v1,v2,…,vn},首先對(duì)因素U中的單因素ui作評(píng)價(jià),確定其對(duì)決擇等級(jí)vj(j=1,2,…,n)的隸屬度rij,這樣就得出單因素ui的評(píng)價(jià)集:

ri=(ri1,ri2,…,rin)i= 1,2,…,m

(1)

由m個(gè)ui的評(píng)價(jià)集構(gòu)造出總的模糊評(píng)價(jià)矩陣Ri,

(2)

設(shè)A為評(píng)價(jià)因素ui對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象影響程度的模糊權(quán)重集合,記作:

其中A為因素U的重要程度模糊子集,ai(0≤ai≤1)為因素ui的重要程度系數(shù)。則模糊綜合評(píng)判模型為:

(3)

式中:B為因素U的模糊評(píng)價(jià)向量。

(4)

若bj=max{b1,b2,…,bn},則被評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)判結(jié)果為決擇評(píng)語vj[3]。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因素

地?zé)峥碧斤L(fēng)險(xiǎn)主要取決于地?zé)岬刭|(zhì)條件、資源量和勘查成本。地?zé)岬刭|(zhì)條件又包含熱儲(chǔ)厚度、熱儲(chǔ)埋深、構(gòu)造、地?zé)岙惓Ｇ闆r、熱儲(chǔ)類型、蓋層六個(gè)因子;資源量又可以細(xì)分為地下水的水量和溫度兩個(gè)因子;勘查成本包括成井深度和熱儲(chǔ)形態(tài)兩個(gè)因子。本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)地?zé)峥碧斤L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步研究,以期達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)、提高地?zé)豳Y源勘探成功率的目的,為地?zé)豳Y源勘探風(fēng)險(xiǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 地?zé)岱謪^(qū)評(píng)價(jià)

依據(jù)武漢市構(gòu)造背景、地?zé)岬刭|(zhì)條件、水文地質(zhì)條件,將武漢市的地?zé)豳Y源分為以下六個(gè)區(qū)分別為:西部盆山結(jié)合帶、中部低丘區(qū)、南部凹陷帶、北部山區(qū)、襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂帶、東部麻團(tuán)斷裂帶(圖2)。

圖2 武漢市地?zé)峥碧椒謪^(qū)圖Fig.2 Zoning map of geothermal exploration in Wuhan City1.地?zé)岱謪^(qū);2.主要斷裂及隱伏斷裂。①.襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂帶;②.西部盆山結(jié)合帶;③.南部凹陷帶;④.麻城—團(tuán)風(fēng)斷裂帶;⑤.北部山區(qū);⑥.中部低丘區(qū)。

襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂帶北部屬新洲凹陷,地?zé)豳x存模式為層控—深埋型。據(jù)洲參1井資料可知新洲凹陷白堊系公安寨組巖性分為四段,上部巖性較細(xì),為泥巖、粉砂巖,下部較粗為礫巖、砂礫巖,底部未鉆穿,本文將下部砂礫巖劃為熱儲(chǔ)層,埋深約為2 200 m;襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂南部為茅廟集—青山向斜南翼,熱儲(chǔ)層位向斜核部的石炭—二疊系地層,熱儲(chǔ)埋深約為500～1 000 m,北東向斷裂與襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂的交會(huì)處,深部地?zé)崃黧w向上運(yùn)移賦存于淺部并與淺部冷水混合,形成溫度異常的地下水,屬于近源—混合型。

西部盆山結(jié)合帶位于武漢斷褶區(qū)的結(jié)合部位,東以舵落口斷裂為界,北以天門河斷裂為界,南以石首斷裂為界。本區(qū)熱儲(chǔ)層位為寒武—奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ),平均埋深為1 500 m,局部地區(qū)>2 000 m,本區(qū)地?zé)崃黧w主要來源于大洪山地區(qū)的遠(yuǎn)源補(bǔ)給,受深大斷裂和巖溶通道控制,儲(chǔ)層上覆巨厚的志留系為良好保溫層,屬于遠(yuǎn)源—深埋型。

南部凹陷帶位于梁子湖凹陷與中部褶皺山地的交接地帶,北至貓耳洞背斜南翼,南至武漢市界,東與麻團(tuán)斷裂帶相接,西以舵落口斷裂為界。熱儲(chǔ)為石炭—二疊系地層,熱儲(chǔ)埋深>2 000 m,最深處可達(dá)3 000 m。本區(qū)熱水補(bǔ)給來源于梁子湖凹陷北部裸露的石炭—二疊系基巖,屬于近源—深埋型。

麻團(tuán)斷裂帶北以襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂為界,西以北西西向褶皺傾伏端為界,東、南至武漢市界。熱儲(chǔ)層為石炭系—二疊系碳酸鹽巖,埋深約為1 000～2 000 m。補(bǔ)給區(qū)位于向斜兩翼的石炭系—二疊系碳酸鹽巖出露區(qū)或背斜傾伏端的碳酸鹽巖出露區(qū),向巖層傾伏方向徑流,受麻團(tuán)斷裂帶內(nèi)的巖漿巖體阻隔,屬近源—淺埋型。

北部山區(qū)主要指英店斷裂以北的低山區(qū)。地?zé)豳x存模式為混合—斷裂型,地?zé)崃黧w賦存于斷裂破碎帶或局部裂隙交會(huì)破碎帶中,熱儲(chǔ)埋深約為500～1 000 m。補(bǔ)給區(qū)包括近源的低山區(qū)和遠(yuǎn)源的大別山區(qū)及桐柏山區(qū),可稱之為混合源補(bǔ)給。

中部低丘區(qū)北至葛店向斜南翼,南至貓耳洞背斜南翼,西以舵落口斷裂為界,東以麻團(tuán)斷裂帶相接。地?zé)豳x存模式有兩種:淺部為近源—斷裂型,深部為封存—深埋型。近源—斷裂型地?zé)崃黧w賦存于石炭—二疊系碳酸鹽巖的裂隙巖溶中,熱儲(chǔ)埋深500～1 000 m,呈點(diǎn)狀分布于向斜與深大斷裂的交會(huì)部位,地?zé)崃黧w的補(bǔ)給主要為同一向斜內(nèi)的地下水,屬近源補(bǔ)給,循環(huán)深度僅幾百米,因此地?zé)崃黧w溫度不高。封存—深埋型:熱儲(chǔ)層為深埋于志留系之下的寒武系—奧陶系碳酸鹽巖,埋深>760 m,局部地區(qū)>2 000 m。區(qū)外大洪山區(qū)、鄂東南地區(qū)同類型巖溶水很難徑流進(jìn)入本區(qū),或僅有少量進(jìn)入本區(qū),因此,本區(qū)熱儲(chǔ)層內(nèi)多為古封存水。

用6個(gè)區(qū)帶作為評(píng)語集V={襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂帶、西部盆山結(jié)合帶、南部凹陷帶、東部麻團(tuán)斷裂帶、北部山區(qū)、中部低丘區(qū)}={v1,v2,v3,v4,v5,v6},以地質(zhì)條件、資源量、勘查成本三個(gè)因素作為一級(jí)指標(biāo),并以此建立一級(jí)指標(biāo)所包含的二級(jí)指標(biāo),見圖3。

圖3 地?zé)峥碧斤L(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Index system for risk assessment of geothermal exploration

指標(biāo)評(píng)價(jià)值通過對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象之間的指標(biāo)比較來給定,將風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的等級(jí)區(qū)間分為三級(jí):一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)性很小,評(píng)價(jià)值區(qū)間[80,100];二級(jí)適宜性中等,評(píng)價(jià)值區(qū)間[60,80);三級(jí)適宜性很大,評(píng)價(jià)值區(qū)間[0,60)(表1-表5)。

表1 指標(biāo)體系評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria of indicator system

各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值及權(quán)重系數(shù)用調(diào)查法確定,邀請(qǐng)專家為各指標(biāo)進(jìn)行打分。適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)值及指標(biāo)權(quán)重見表2-表4。

表2 地質(zhì)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重Table 2 Evaluation index and weight of geological conditions

表3 資源量評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重Table 3 Evaluation index and weight of resources

表4 勘查成本評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重Table 4 Evaluation index and weight of exploration cost

依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值生成數(shù)字矩陣，代入評(píng)價(jià)模型公式計(jì)算得出以下結(jié)果：

B1=A1·R1=(0.855 0,0.860 0,0.945 0,0.840 0,0.757 5,0.790 0,0.825 0,0.772 5);

B2=A2·R2=(0.900 0,0.750 0,0.875 0,0.900 0,0.750 0,0.750 0,0.750 0,0.750 0);

B3=A3·R3=(0.850 0,0.750 0,0.750 0,0.810 0,0.810 0,0.710 0,0.750 0,0.810 0);

B=A·R=(0.867 5,0.805 0,0.885 0,0.852 0,0.765 8,0.762 0,0.787 5,0.773 2)。

表5 風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果表Table 5 Risk assessment result table

風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果(表5)表明西部盆山結(jié)合帶遠(yuǎn)源—深埋型、襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂帶近源—混合型、南部凹陷帶近源—深埋型評(píng)分相對(duì)較高,分別為{0.885 0,0.867 5,0.852 0},風(fēng)險(xiǎn)較小,因此應(yīng)將這三個(gè)區(qū)帶作為未來地?zé)峥碧介_發(fā)的重要研究區(qū)。

3 結(jié)論

(1) 評(píng)價(jià)結(jié)果中評(píng)分較高的西部盆山結(jié)合帶、襄(樊)—廣(濟(jì))斷裂帶近源—混合型、南部凹陷帶是地?zé)豳Y源勘探風(fēng)險(xiǎn)較小的重要區(qū)域,建議開展必要的地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查工作,研究區(qū)域內(nèi)地?zé)崃黧w補(bǔ)徑排條件,確定地?zé)崽锓秶?、地?zé)峋?對(duì)地?zé)崽镞M(jìn)行合理開發(fā)利用。

(2) 評(píng)價(jià)結(jié)果中評(píng)分較低的其他區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)較大的地?zé)釂卧?原則上不建議規(guī)劃新的地?zé)豳Y源勘探區(qū)塊,若有新的發(fā)現(xiàn)或新的地質(zhì)認(rèn)識(shí),應(yīng)開展詳細(xì)可行性論證研究,才利于科學(xué)決策。