淮安城市規劃區地熱資源賦存條件及開發利用潛力研究

時國凱，杜建國，范迪富，王寬彪

（江蘇省地質調查研究院，江蘇·南京 210018）

地熱資源是一種低碳、穩定的可再生能源，是傳統化石能源的重要替代品之一。隨著我國碳達峰、碳中和目標的提出，地熱資源受到了社會各界前所未有的廣泛關注，迎來了新的發展機遇。

淮安市位于蘇魯造山帶和揚子板塊的結合部位，地熱資源豐富。21世紀初期以來，淮安市的地熱資源勘查開發活動非常活躍。淮安區溪河鎮、流均鎮先后開展過地熱資源勘查工作，查明了當地地熱地質條件，并初步選定了地熱井位[1-2]；洪澤區老子山鎮、蔣壩鎮、金湖區、盱眙縣天泉湖、漣水縣陳師鎮等地均開展過地熱資源勘查與地熱鉆探工作[3-5]，為區域地熱地質條件的研究積累了資料。

以往工作多集中在局部勘查區或地熱井點上，并未對淮安市的地熱資源開展區域尺度的調查研究，無法滿足“雙碳”背景下淮安市高質量發展的地熱資源需求。本文以淮安城市規劃區為研究區域，采用層次分析法對整個研究區的地熱資源賦存條件進行分區評價，在分區基礎上進行地熱資源量計算和潛力評價，并結合地方發展規劃圈定地熱資源勘查開發靶區，為地熱資源詳查工作的開展和相關規劃的編制提供依據。

1 地熱地質條件概況

1.1 區域地質背景

研究區以淮陰—響水斷裂為界，北側位于蘇魯造山帶泗陽隆起區，南側位于下揚子板塊的蘇北斷陷盆地。蘇魯造山帶是華北陸塊與揚子陸塊碰撞俯沖形成的高壓、超高壓變質帶[6-7]，擁有復雜的韌性剪切結構，基底為新太古界—新元古界變質巖，并伴有中生代以來的巖漿侵入；蘇北盆地為中新生代斷陷型沉積盆地，呈現“二坳一隆”的構造格局[8]，在NE、NNE和NW向斷裂活動的影響下隆起和坳陷內部進一步發育了許多次級構造單元，如淮安凸起、阜寧凹陷、漣水凹陷等（圖1）。

圖1 研究區構造分區圖Fig.1 Structural division of the study area

1.2 熱源條件

據區域研究資料，本區莫霍面埋深在30~32 km之間，其中蘇北盆地莫霍面埋深一般小于蘇魯造山帶和蘇南隆起，這有可能是造成蘇北盆地大地熱流偏高的因素之一[9]。區內地熱資源類型可分為傳導型地熱資源和對流型地熱資源兩類[10]。其中傳導型地熱資源成因為自然增溫，平均地溫梯度約為2.5 ℃/100m；對流型地熱資源成因為深部地下熱水上涌，局部地溫梯度可達7~30 ℃/100m，主要分布在研究區南部洪澤老子山、揚州寶應等地[11-12]。

1.3 構造條件

研究區涉及的主要構造單元包括泗陽隆起、建湖隆起和鹽阜坳陷，隆、坳構造差異進一步影響了各構造單元的基巖埋深、松散層厚度和地溫場特征。區內隆起與坳陷之間、坳陷內部的凸起與凹陷之間都均受斷裂控制，以走向NE、NNE、NW的正斷層為主（圖2），主要斷裂包括淮陰—響水斷裂（F1）、丁嘴—涇河斷裂（F2）、洪澤—溝墩斷裂（F3）、古河-蔡橋斷裂（F4）等。這些斷裂不僅控制著構造單元的形態和規模，還為地下熱水提供了良好的賦存空間和運移通道，是傳導型和對流型地熱資源形成的重要因素。

圖2 研究區基巖地質略圖Fig.2 Sketch map of bedrock geology in the study area

1.4 地熱儲層與蓋層條件

區內3 000 m以淺主要為第四系、新近系、古近系、白堊系、三疊系、古生界及新元古界。地熱儲層可分為四類，分別為新元古界云臺巖群變質巖、震旦紀—奧陶紀碳酸鹽巖、白堊紀和古近紀砂巖及新近紀砂礫層。碳酸鹽巖地層在裂隙發育部位易形成巖溶，富水性好，是最為理想的熱儲層；白堊紀浦口組砂礫巖泥沙含量少，脆性強，其中灰巖礫石有利于巖溶裂隙的形成，是較好的熱儲層；古近紀砂巖處于半固結狀態，孔隙與裂隙并存，儲層富水性相對較弱。新近紀鹽城組砂礫層覆蓋調查區全區，富水性極強，其上有第四系和鹽城組上段作為蓋層，也可作為熱儲層；變質巖地層地熱井出水量普遍較小，僅灌云縣大伊山地熱井出水量大于1 000 m3/d，熱儲條件一般（表1）。

表1 研究區及周邊地熱井概況Table 1 Geothermal wells in the study area and surrounding areas

地熱蓋層主要為第四系和新近系，以黏土及砂礫層為主，熱導率較低，隔熱保溫性能良好，厚度100~600 m，自西向東逐漸增厚。

2 地熱資源賦存條件分區評價

2.1 評價方法和主要步驟

本文采用的評價方法為層次分析法。該方法是一種定性分析與定量分析相結合的分析方法[13]，在淺層地熱能適宜性評價中應用廣泛[14-16]，在中深層地熱資源評價中的應用較少[17]。具體評價步驟是先構建評價體系將原本復雜的問題分解成多個要素，然后對各要素的重要性兩兩評分比較，構建判斷矩陣并進行一致性檢驗以確定各要素重要程度的權重[18]。對研究區進行網格剖分和分區賦值，賦值范圍為0~5分。將剖分網格節點上的各要素分值與權重相乘后求和作為該節點綜合分值，最后根據綜合分值對地熱資源賦存條件進行分區評價。

2.2 評價指標選取與權重確定

地熱資源賦存主要影響因素包括熱源、熱儲、構造、蓋層四個方面。在熱源方面，選擇地溫梯度作為評價指標，反映地溫場特征和地熱資源類型；在熱儲方面，把區內熱儲進行分類整合，設置砂層熱儲分布和基巖熱儲分布兩個評價指標，反映各類熱儲層的儲水、儲熱能力；在構造方面，以地質構造條件作為評價指標，表述不同地質構造的控水、控熱的能力；在蓋層方面，由于蓋層厚度與前述地溫梯度、砂層熱儲分布指標相關性較強，因此不另設為評價指標。據此構建出地熱資源賦存條件評價體系，并通過構建判斷矩陣計算了各指標權重（表2）。4個評價指標中，地質構造條件權重最大，達到0.4434；其次為基巖熱儲分布，權重為0.2582；其他要素所占權重較小，與實際工作經驗相符。

表2 評價體系及指標權重Table 2 Evaluation system and index weight

2.3 評價指標分區賦值

（1）地溫梯度

研究區內僅有一眼地熱井，難以繪制地溫梯度等值線圖。考慮到地溫梯度主要受基底起伏程度和地層巖性的影響，故按照構造單元分區，地溫梯度參照同構造單元內的地熱井實測數據（表3）。其中：建湖隆起區地溫梯度較高且對流型地熱系統發育，熱源條件最優；鹽阜坳陷與東臺坳陷熱源條件類似，在坳陷內的低凸區域地溫梯度較高；蘇魯隆起為淺覆蓋變質巖區，儲層導熱性好、蓋層保溫性差，地溫梯度偏低，熱源條件最差。

表3 評價指標分區賦值表Table 3 Regional assignment of evaluation indicators

（2）砂礫層熱儲分布

按照區域平均地溫梯度2.5 ℃/100m進行計算，當新近紀砂礫層埋深大于360 m時溫度高于25 ℃，可作為地熱儲層。因此把松散層厚度大于360 m的區域劃分為砂礫層熱儲分布區，松散層厚度小于360 m的區域無砂礫層熱儲分布（圖3a）。考慮到研究區松散層最大厚度僅在520 m左右，砂礫層熱儲埋溫度普遍偏低，熱儲條件一般，總體賦值較小。

（3）基巖熱儲分布

將全區基巖熱儲按照巖性分為碳酸鹽巖熱儲、碎屑巖熱儲和變質巖熱儲。各類基巖熱儲層中，碳酸鹽巖地層是最為理想的熱儲層，當3 000 m以淺存在多類熱儲層時，若有碳酸鹽巖熱儲則劃分為該類型熱儲層分布區。對于建湖隆起和鹽阜坳陷過渡帶，碳酸鹽巖熱儲范圍向構造斷裂帶傾斜方向適當外擴（圖3b）。

圖3 研究區砂巖熱儲(a)與基巖熱儲(b)分布圖Fig.3 Distribution of sandstone thermal reservoirs (a)and bedrock thermal reservoir (b)

（4）地質構造條件

通常情況下，盆地內的隆起區和坳陷內部的凸起區大地熱流值較高。此外，構造單元邊界的斷裂帶切割深、巖性破碎、富水性強，是地下熱水的賦存和上涌的有利部位。本文將建湖隆起及其北緣斷裂帶劃為地質構造條件最優區；鹽阜坳陷內的淮安凸起、蘇家嘴凸起及其邊緣斷裂帶次之；坳陷內的深凹區及斷裂破碎帶不發育的變質巖區地質構造條件最差。

2.4 分區評價結果

將研究區剖分為41 942個網格，把每個網格節點上的4個指標的分值進行加權求和，即可得到每個網格的地熱資源賦存條件總評分值。研究區地熱資源賦存條件可以根據總評分值劃分為三個等級：分值小于2.5分的為一般區，2.5~3.5分為較好區，大于3.5分為良好區。分區結果如圖4所示，淮安城市規劃區地熱地質條件優越，地熱資源賦存條件良好區和較好區面積約2 062.0 km2，占總面積的64.7%。

圖4 研究區地熱資源賦存條件分區圖Fig.4 Division of geothermal resources storage condition

（1）良好區

主要分布在淮陰區的東部和淮安區南部，具體為陳師鎮—棉花莊鎮一帶及鹽河鎮—朱橋鎮—博里鎮以南的地區，面積約1 216.8 km2，占總面積的38.2%。這些區域位于隆起區或坳陷的凸起區，地溫梯度較高，斷裂構造發育，砂層、碎屑巖、碳酸鹽巖熱儲層均有分布，熱儲類型豐富，綜合地熱地質條件最優，適宜進行地熱資源的勘查開發。

（2）較好區

主要分布在淮安區的北部和清江浦區的大部分區域，面積約845.4 km2，占總面積的26.5%。這些區域大部分位于坳陷內部的凸起區，大地熱流值較高，且斷裂構造較為發育，熱儲類型以砂礫層熱儲和碎屑巖熱儲為主，缺少碳酸鹽巖熱儲。綜合地熱地質條件較好，可選擇合理區域開展地熱資源的勘查工作。

（3）一般區

主要分布在淮陰區的西部大部分區域及淮安區的東北部，面積約1 123.9 km2，占總面積的35.3%。這些區域大部分位于蘇魯造山帶變質巖區或鹽阜坳陷的深凹區域，斷裂構造發育程度較低、地溫梯度低、地層富水性差、熱儲類型單一，雖然也可以進行地熱資源的勘查與開發，但地下熱水的溫度和水量難以得到保證，需要大量實物工作量提供支撐，勘查開發的成本較高，風險較大。

3 地熱資源潛力評價與靶區圈定

3.1 地熱資源量計算

本文僅對賦存條件良好區和較好區的各熱儲層地熱資源量進行計算，計算內容包括地熱資源量、地熱流體儲層量、地熱資源可開采量、地熱流體可開采量和地熱流體可開采熱量，根據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615-2010）附錄C.2.2的熱儲法進行計算。計算參數選擇參考已有地熱井資料和《江蘇省地熱資源現狀調查評價與區劃報告》中淮安地區相關數據[19]（表4）。

表4 地熱資源量計算參數Table 4 Calculation parameters of geothermal resources

根據地熱資源量計算結果，工作區內地熱資源賦存條件較好區、良好區內各類型熱儲層地熱資源總量為6.95×1016kJ；地熱流體的總儲量為1.69×1011m3；可開采的地熱流體量為4.13×105m3/d，流體中可開采的熱量為5.96×1010kJ。各類熱儲層地熱資源量見表5。

表5 良好區與較好區各儲層資源量計算結果Table 5 Resources of each thermal reservoir

3.2 開發利用潛力評價

（1）新近紀砂礫層熱儲

熱儲層面積約1 294 km2，平均厚度195 m，平均熱儲溫度28 ℃，該熱儲層地熱流體可開采量為1.19×105m3/d，目前僅有一眼漣水縣陳師鎮地熱井，出水溫度48℃，核定可開采量296 m3/d，僅占砂礫層熱儲可開采量的0.25%，目前尚未開發利用。新近紀砂礫層熱儲溫度較低，在生活供熱、溫泉理療方面效果不佳；但該儲層埋藏淺、厚度大、開發利用成本低，在農業溫室種植和水產養殖等方面的開發利用潛力較大。

（2）碳酸鹽巖熱儲

熱儲層面積約798 km2，平均厚度50 m，平均熱儲溫度62 ℃。該熱儲層地熱流體可開采量為3.61×104m3/d，目前僅有一眼白馬湖地熱井，出水溫度73℃，核定可開采量2 120 m3/d，僅占碳酸鹽巖熱儲可開采量的5.8%，目前尚未開發利用。碳酸鹽巖熱儲埋藏深、溫度高、水量大，是優質的地熱資源，可用于空間供暖、溫泉理療、種植養殖等方面。在適當條件下可進行地熱資源的梯級利用。

（3）碎屑巖熱儲

熱儲層面積約1 199 km2，平均厚度250 m，平均熱儲溫度57 ℃，地熱流體可開采量為2.59×105m3/d，工作區內目前沒有位于該儲層的地熱井。碎屑巖熱儲層溫度較高，在供暖、溫泉洗浴理療等領域有廣闊的應用前景。

3.3 靶區圈定

地熱資源勘查開發靶區的圈定原則如下：

（1）以地熱地質條件分區為基礎。前章進行了地熱資源賦存條件分區，將研究區劃分為地熱資源賦存條件良好區、較好區和一般區。地熱資源勘查開發靶區的圈定工作主要圍繞良好區開展，兼顧較好區，不考慮一般區。

（2）以野外工作成果為依據。本次工作在棉花莊鎮北部、范集鎮南部布置了可控源地球物理勘查剖面，并收集到了溪河鎮、流均鎮的地熱資源勘查成果和陳師鎮地熱井、白馬湖地熱井及周邊地區地熱井的相關資料，為地熱資源勘查開發靶區的圈定和前景分析提供了有力依據。

（3）結合地方發展規劃。地熱資源用途廣泛，主要以地下熱水為載體，為避免遠距離輸送造成熱量損失和環境風險增加，其勘查與開發利用應當緊密結合地方發展規劃，在重點發展城鎮、休閑旅游業重點發展區、現代農業重點發展區和重要經濟開發區等有地熱資源需求的地區圈定靶區[20]。

遵循上述原則，在工作區共圈定了5處勘查開發靶區（圖5），分別為白馬湖靶區、車橋鎮南部靶區、淮陰經濟開發區靶區、淮安工業園靶區和國家農業科技園靶區。其中白馬湖勘查靶區和車橋鎮南部勘查靶區均位于建湖隆起區北緣，地溫梯度較高、斷裂構造發育、熱儲條件良好，地熱資源賦存條件十分優越，開發利用方式以景區的溫泉洗浴和當地居民住房供暖為主；淮陰經濟開發區勘查靶區位于泗陽隆起區淮陰—響水斷裂北側，構造條件和熱儲條件較好，地熱資源主要利用方式為生態園區的建筑供暖和工業生產；淮安工業園勘查靶區和國家農業科技園勘查靶區條件相似，均位于淮安凸起區丁嘴—涇河斷裂與淮陰—響水斷裂、北東向斷裂交匯的地方，構造條件較好，地熱資源的主要利用方式為工業生產和溫室種植。各靶區均依據附近地熱資源勘查成果和條件相似地熱井資料對熱儲溫度和出水量進行了推測（表6）。

表6 地熱資源勘查靶區概況Table 6 Survey of the prospecting target area

圖5 地熱資源勘查靶區分布圖Fig.5 Distribution of geothermal resources exploration target areas

4 結論

（1）淮安城市規劃區熱源條件良好，斷裂與隆坳構造發育，熱儲類型豐富，地熱地質條件優越。評價結果顯示，地熱資源賦存條件良好區和較好區面積約2 062 km2，占總面積的64.7%。

（2）研究區地熱資源十分豐富。計算結果顯示，地熱資源賦存條件較好區、良好區內各類型熱儲層地熱資源總量為6.95×1016kJ，可開采的地熱流體量為4.13×105m3/d，開發潛力巨大，應用前景廣泛。

（3）在地熱資源賦存條件分區評價的基礎上，結合地方規劃和需求圈定了5處地熱資源勘查靶區，并分析了各靶區地熱資源開發利用前景，為地熱資源詳查工作的開展和開發利用規劃的編制提供了依據。