中国首个干热岩试验发电场——唐山马头营地热地质与地球物理特征

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河北唐山马头营干热岩地热田地质与地球物理特征标志

导读：众所周知，干热岩发电属于清洁环保能源，我国干热岩资源潜力巨大，分布范围广泛（参见图1），然而建设干热岩发电场选址是一个科学难题。

图1  中国干热岩资源分布图（王贵玲，2020年）

2021年6月2日，我国首次在河北省唐山马头营，实现了干热岩试验性发电，为潜力巨大的干热岩清洁能源开发利用奠定坚实基础。

2019年，河北省煤田地质局组织实施的干热岩勘查项目，在唐山海港经济开发区3965米深度钻获了京津冀地区埋藏最浅的干热岩（M-1井），实现了我国中东部地区干热岩勘查的重大突破。估算4500米以浅，195平方公里范围内，远景资源量折合标准煤为78亿吨。

成功选址马头营凸起区开发干热岩资源，无数地质科学家作出了贡献！

河北省煤田地质局第二地质队（河北省干热岩研究中心）在马头营凸起区勘查开发干热岩资源过程中贡献突出。本文主要依据该队一批技术专家公开发表的论文成果和央广网报导资料为依据结合编者的体会，整理了马头营干热岩地热田地热地质和地球物理特征标志各4条，供读者参考。

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1  地热地质特征标志

2  地球物理特征标志

3  地质模型

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1  地热地质特征标志

马头营地热田位于河北省东部唐山市曹妃甸区境内，属于平原地形，地势平坦，南部多盐碱地，紧邻渤海湾海域（图2）。勘查区内沉积盆地水热型地热井分布较多，温度较高，热流量大。据研究，马头营地热田具有较高的大地热流值，是河北省干热岩资源开发的有利前景区。

图2  马头营地热勘查区交通位置图（齐晓飞等，2020）

1.1  凸起构造标志

马头营干热岩勘查区位于河北省乐亭县马头营镇一带，参见图3。据《中国区域地质志河北志》显示，区内大地构造位置处于华北地台的华北断坳的北缘。Ⅱ级构造单元以宁河—昌黎断裂为界，北部为燕山台褶带马兰峪复背斜，南部为华北坳陷区。勘查区主要Ⅳ级构造单元有南堡凹陷、马头营凸起、乐亭凹陷及石臼坨凹陷。干热岩开发井位于马头营凸起构造区。

图3  马头营干热岩勘查区大地构造位置（齐晓飞等，2020）

Ⅲ₂^７—马兰峪复式背斜；Ⅲ₂⁸—山海关台拱；Ⅳ_２²⁴—宽城凹褶束；Ⅳ_２²⁵—遵化穹褶束；Ⅳ_２²⁷—蓟县凹褶束；Ⅳ_２²⁸—开滦台凹；Ⅳ_２³⁶—大厂凹陷；Ⅳ_２⁴³—潘庄凸起；Ⅳ_２⁴⁴—大城凸起；Ⅳ_２⁵²—南堡凹陷；Ⅳ_２⁵³—马头营凸起；Ⅳ_２⁵⁴—柏各庄凸起；Ⅳ_２⁵⁵—北塘凹陷。

1.2  双层地质结构标志

马头营干热岩勘查区地表为第四系覆盖，新生界覆盖层下，太古宇地层在马头营凸起内隐伏分布，中生界地层主要分布在西部曹妃甸一带，古生界、元古宇地层分布在东部及北部地区（图4）。

图4 马头营干热岩勘查区及外围地质简图（齐晓飞等，2020）

 双层地质结构是其主要标志。M-1井是京津冀地区第一口温度大于150℃的干热岩井。位于唐山市曹妃甸区大庄河村南。该井揭露了双层地质结构。上部盖层为第四系（Q）、新近系明化镇（N₂m）和馆陶组（N₁g），下部储层为太古界白庙组（Arb）。1376m进入太古界，主要岩性和厚度参见表1。

表1 M-1井地层划分及岩性特征表（张云等，2022）

上部盖层连续性好，分布广泛。新近系明化镇（N₂m）和馆陶组（N₁g）区域底界埋深和分布情况参见图5和图6。

图5  马头营凸起及外围明化镇组底界埋深等值线图（田勇等，2020）

图6  马头营凸起及外围馆陶组底界埋深等值线图（田勇等，2020）

1.3  大地热流高异常标志

大地热流值是地球内热在地球表部最直接的标志，是地温场最直接的表征，对评定地温场和圈定地热异常均具有重要意义。研究发现，唐山市热流值46.47-100.06mw/m²，而在东南部的滦县、唐海、乐亭等地区，其热流值大于75mW/m²，高于全球平均热流值（61.5mw/m²），马头营干热岩勘查区存在明显的大地热流高异常，参见图7、图8。

图7  中国大陆地区热流分布图

（GuangzhengJiang;ShengbiaoHu;YizuoShi;ChaoZhang;ZhutingWang;DiHu.Terrestrialheatflowofcontinentalchina：updateddatasetandtectonicimplications[J].Tectonophyics，2019，753:36-48.）

图8  河北省大地热流图（王贵玲等，2017）

1.4  地壳减薄标志

维持地热场的热量主要来自地幔，因此地壳的厚度变化是影响地热的重要因素。从华北北部及渤海地区地壳厚度等值线（图9）可以看出，华北西部和北部山区地壳增厚，莫霍面埋深增大；向东部平原区地壳减薄，莫霍面埋深减少 。莫霍面埋深从西部的张家口地区的43km减少到东部唐山环渤海地区31km，莫霍面埋深减少了12km以上，有利于来自地幔的热量向浅部传导扩散。地壳减薄减薄是马头营干热岩勘查区重要标志。

图9  华北北部及渤海地区地壳厚度等值线（上官拴通，2017）

2  地球物理特征标志

2.1  重力高异常标志

重力场的分布与区域大地构造特征有着明显的对应关系，重力异常值常反映地区的构造活动性和稳定性，同时也反映了中国地温的分布规律。从马头营地区布格重力异常上可以看出，布格重力异常高与重力异常低在南北向相间分布，重力高、重力低异常非常明显，反映了该区基底的起伏情况，区域内东西重力高值异常区分别为马头营凸起和柏各庄凸起的反映，其中马头营凸起Δg值达到25.3X10^-5m/s²，北部与南部的重力低值分别是乐亭凹陷与南堡凹陷的反映 （图10）。

图10  马头营工作区重力异常平面图（上官拴通，2017）

2.2  高背景局部低磁异常标志

根据区域内的航磁资料，该区航磁正负异常分布范围清晰，磁场强度在+300~-200nT，整体为高背景航磁异常区，反映具有一定磁性的变质基底相对隆起，有利于地幔热量向地表传导扩散。同时全区磁异常又可分为4个局部异常区，其中东部黑崖子附近磁异常在100~250nT，异常范围较大，幅值较高，推断主体由太古界变质岩引起。勘查区条带状磁异常可能为磁性较强的角闪岩、斜长角闪片麻岩类变质岩或条带状磁铁矿层引起。马头营及M-1为相对低值异常区（图11），反映了该异常区变质基底存在磁性较弱的中酸性花岗质变质岩，即可能是由古中酸性花岗质侵入岩引起，是干热岩热储有利岩性。

图11  唐山沿海地区航磁异常平面（上官拴通，2017）

1.3  大地电磁高阻异常标志

大地电磁测深表明，该区深部存在高阻体，视电阻率250-15848Q・m，早期曾推断应为燕山期花岗岩（图12）。

图12  电磁测深剖面二维反演地电模型（上官拴通，2017）

大地电磁高阻异常很好的反映了马头营凸起构造的形态，是干热岩储层标志。M-1钻孔于1376m揭穿新近系，进入太古界白庙组（Arb），直至终孔4502.11ｍ岩性均为变质花岗岩或变质岩系（图13）。主要岩性为变质花岗岩、变质英云闪长岩、变质角闪二长花岗岩和黑云斜长片麻岩类，混合岩化明显。岩心照片显示，钻探揭露的变质花岗岩与早期推断的燕山期花岗岩无明显物性差异。变质花岗质岩体为干热岩储层，导热性好。储层凸起是引起上部地热异常的主要原因。

图13  M-1变质花岗岩（张云等，2022）

1.4  地温异常标志

马头营勘查内以往往施工了大量地热井，分布情况参见图14。

图14  马头营凸起区钻井分布与连井剖面图（齐晓飞等，2020）

马头营勘查内相关地质勘查钻孔测温资料见表1，区域内新生界盖层地温梯度等值线见图15。由图表可知，该区地温梯度大部分在3.0~5.0℃/hm，其中凸起中部南70-1，柳41-2井地温梯度较高，在7.0℃/hm左右。存在明显地温异常。

表1  马头营勘查区以往钻孔基本情况（上官拴通，2017）

图15  新生界盖层地温梯度等值线

根据地温梯度及新生界底界埋深，计算了新生界底界地温（图16）。

地温梯度和新生界地温等值线均以马头营凸起为中心呈不规则椭圆状分布，向四周地温梯度及新生界底界地温逐渐降低，地温异常强度大，形态好。

图16  新生界底界地温等值线

在高温异常区设计了M-1井位，钻孔测温资料显示（图17），孔底温度达151.25°C（4502.11ｍ），其中，新生界地温梯度为5～7°C /100m；2500m以浅至新生界底界，太古宙地层地温梯度为1.2°C/100m，2500～3500m深度太古宙地层地温梯度为17°C /100m，3500m太古宙地层地温梯度为2.7°C /100m，基岩层段（太古宙）地温梯度总体变化趋势是由浅至深逐渐增大。

图17 河北马头营凸起Ｍ-1孔测温曲线（蔺文静等，2021.）

3  地质模型

3.1  盖层特征

马头营勘查区干热岩热储盖层为新生界地层，岩性主要为砂岩、细砂岩及黏土岩、粉细砂岩等，地层厚度一般为1100-2100m（图18），地层总体特征是沉积松散、密度值小、地层导热性差、热导率低，对地下深部热流起到了隔热保温作用，使得本区盖层下伏岩体处于较高的地温背景环境。

图18  新生界深度等值线（上官拴通，2017）

3.2  热储特征。

该区干热岩热储层为太古界单塔子群白庙组，主要岩性为变质花岗岩、变质英云闪长岩、变质角闪二长花岗岩和黑云斜长片麻岩类，混合岩化明显。该套地层具有低孔隙、低渗透、无流体之特征。

3.3  成因模式

研究表明，地温状况受基底形态及邻区构造特征影响，一般来说，来自地球内部的热流在向上传导的过程中，由于凹陷内部有新生代巨厚沉积盖层的存在导致其热导率较低，而凹陷周围凸起热导率较高，产生“热折射”效应，造成热量向凸起区集中，最终在凸起区形成高热流区，而在凹陷内部形成较低热流区。

马头营凸起是黄骅台陷内部显著的正向次级构造单元，被乐亭凹陷、南堡凹陷、石臼坨凹陷所包围，加之周边的马北断层、红房子断层、柏各庄断层等控边断层的存在，使得高凸深凹的构造格局十分明显，这就为深部热流向上运移、侧向热向凸起区的汇聚提供了重要的地质条件。

马头营凸起构造是由太古界单塔子群白庙组凸起引起，钻探揭露白庙组主要岩性为变质花岗岩、变质英云闪长岩、变质角闪二长花岗岩和黑云斜长片麻岩类。变质花岗岩的原岩应为中酸性岩浆岩体，相对富含放射性生热元素U、Th和K，具有较高的放射性产热特征，可观构成了该区的附加热源。

该区基岩之上分布有良好的新生界热储盖层，来自地壳深部的热流以传导方式在凸起区积聚而得以保存，由此使研究区地温场呈现高异常分布之特征。

该区干热岩矿藏主要属沉积盆地型，可能叠加了少量变质花岗岩体放射性热源成因类型。其成矿模式见图19。

图19  沉积盆地型叠加高温放射型干热岩成矿模式图（齐晓飞等，据WEILuo等修改，2018）

3.4  查区地质模型

根据前文分析，M-1井所在区域馆陶组埋深浅，为1300m～1400ｍ，馆陶组直接覆盖在太古界单塔子群白庙组变质花岗岩和变体岩之上。根据钻孔资料编制的地质剖面参见图20，其剖面位置参见图14。综合研究后获得的勘查区地质模型参见图21，实际验证情况与此相符。

图20  勘查区连井剖面图（齐晓飞等，2020）

图图21   马头营勘查区干热岩地质模型（齐晓飞等，2020）