广西北部湾沿岸地热资源及其利用
——以合浦地热田为例

黄荣华 宋荣彩 张 超 王迎春 柳贵康 李 涛 吴勇君

成都理工大学能源学院

0 引言

随着我国经济飞速发展，对能源的需求越来越旺盛，而传统能源的使用带来的环境问题也日益凸显。地热能作为新能源，指赋存在地球内部岩土体、流体和岩浆体中，满足现阶段经济要求，可被人类开发和利用的热能[1],包括浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩型地热资源三种类型[2]。它通过火山爆发、温泉、间隙温泉及岩石的热传导等形式不断地向地表传送和散失热量，是21世纪能源发展重要的可再生清洁能源，也是最现实最具有竞争力的资源之一[3]。具有储量大、分布广、清洁环保、可靠稳定等特点[4]。我国地热资源十分丰富，地热资源总量约占全球地热资源总量的7.9%[5]，水热型地热资源每年可开采量折合标准煤18.65×108t，336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7×108t[6]。因此，合理开发地热能将丰富我国能源结构，为建设环境友好型社会提供充分的保障。

广西的煤炭、石油等一次能源十分匮乏[7]，煤炭资源保有量居全国第20位，主要集中于桂中、桂北、桂西，品种少、煤质差，属劣质煤区[8]；石油储量较少，且主要分布于百色盆地和南海北部盆地，能源资源分布极不平衡，是资源匮乏地区，绝大部分能源资源供应由外部输入，近年来地热能的利用在全国范围内广泛兴起，广西地热资源勘探也越来越受到重视，故发展新型能源对于广西具有十分重要的意义。

合浦盆地位于广西壮族自治区北海市合浦县、钦州市浦北县一带，是一个在华南褶皱系上发育起来、受扭动断裂控制的中新生代断坳型复合盆地[9]。盆地呈NE向展布，形态狭长，长75 km，宽5～25 km，面积950 km²[10-11]。盆地内部断层十分发育，第四纪以来活动十分强烈，地震时常发生，深大断裂深切至硅铝层，有利于深部热流向地表传递。

盆地内部无温泉出露，但浅井水温普遍较高，为26～29 ℃，有的达32 ℃[11]。盆地内地热资源以中低温水热型地热资源为主，以传导的形式传热。盆地热储主要以孔隙热储为主。孔隙热储有新近系上新统—中新统南康组、古近系渐新统沙岗组、古近系始新统酒席坑组[12]；盖层由白垩系、古近系—新近系和第四系组成。基底为古生界志留系、泥盆系砂泥 （页）岩、碳酸盐岩以及华力西期、燕山期花岗岩[13], 结晶基底埋深较浅，基底埋深最大约4 000 m[14]。在深度600～2 400 m范围内，古近系—新近系热储单井出水量16.1～152.5 m3/h[15]，地热资源储量为568.74×1012m3，可利用资源量达44.426×1017J[13,16]合理地开发地热资源将为当地带来可观的经济效益和环境效益。本文结合大量资料，分析了合浦地热田地热资源形成的过程，并根据地热田的特点，对该地区地热资源开发利用前景进行评价，为北部湾城市群能源发展规划提供参考。

1 地热地质背景

1.1 广西区域地质概况

广西地处大陆性地壳向大洋性地壳过渡的变异地带[13]。扬子板块、华南板块和华夏板块碰撞、拼贴，经历了加里东、华力西、印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动，地壳几度升降，海陆交替，形成了如今大地构造基本格局。印支运动结束了桂南地区海侵[17]。区内发育有早古生代志留系，晚古生代泥盆系、石炭系，中生代侏罗系、白垩系，新生代古近系、新近系、第四系。中生代以来，由于印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动的影响，先后形成了钦州、合浦、白沙南康等陆相断陷盆地[18]。区内深大断裂发育，包含巴马—博白断裂、百色—合浦断裂、靖西—崇左断裂、合浦—北流断裂、防城—灵山断裂和南宁—桂林断裂等[19]，这些断裂构成了广西X型断裂体系[20]（图1），其具有较强的活动性，地震活动频繁，1936年在防城—灵山断裂带上发生6.8级地震，为广西有记录以来地震强度最高的地震[21]。广西温泉已知有34处，主要分布在广西东部（图1），皆为中、低温热水[22]。温泉是地热最直接显示，它的形成与分布与深大断裂、岩浆活动、侵入体等密切相关。

图1 广西温泉、地热井分布及简要构造图（改编自康志强等，2020；聂冠军等，2019）

现有资料表明，广西地壳自西北向东南逐渐减薄，莫氏面、结晶基底面的趋势基本相似，总体从西北向东南埋深逐渐减小，在广西东南部两者最薄处仅为29 km和9 km[23-24]，有利于地幔热流向地表传递，表明广西具有良好的热源基础。

1.2 合浦盆地地质概况

合浦盆地主体位于广西壮族自治区北海市合浦县境内（图1），大地构造位置上处于华南褶皱带，长轴呈北东向展布，面积950 km²，是一个晚白垩纪开始发育的断陷盆地[25]。合浦盆地并无温泉出露，根据重力、地震和钻井资料，盆地自南西至北东分为西场凹陷、上洋凸起、常乐凹陷、新圩凸起和石埇凹陷5个次一级构造单元[11]（图2）。合浦盆地岩石圈厚度薄，结晶基底埋深较浅，为4.0～5.5 km[26]，深大断裂深切至硅铝层，有利于地幔热流与深部热流向地表传递。盆地及周围出露古生界志留系、泥盆系和石炭系,中生界白垩系，新生界古近系、新近系及第四系[26]。盆地基底为下古生界志留系、泥盆系砂泥岩、碳酸盐岩以及华力西期、燕山期花岗岩，盖层为白垩系、古近系—新近系和第四系[13]，以砂岩、泥岩为主。中新世中期，盆地已经基本萎缩，结束了沉积作用，面积不断减小，因此，合浦盆地基本无第四系或少有第四系沉积[27]。

图2 合浦盆地简要构造图

盆地内断裂尤为发育（图3），合浦—北流断裂、巴马—博白断裂控制着盆地的发展和演化。合浦—北流断裂属岩石圈断裂[28]，第四纪西南段活动较为强烈，晚更新世以来，活动性明显减弱[29]。巴马—博白断裂在新生代以来和第四纪时期构造活动强烈，现代地震活动频繁发生，为热水运移和储存提供了良好的通道和空间。常乐凹陷、西场凹陷内砂岩、碳酸盐岩较为发育，是该地区良好的热储层。整个盆地泥岩横向分布到边，竖向分布与砂岩呈相间产出，厚度大，其中泥岩具有低热导率、低渗透率的特点，为盆地提供了良好的盖层。

图3 合浦盆地构造剖面图

2 合浦盆地地热资源特征

2.1 测温曲线

根据前人[13]整理的合浦盆地地热热田的钻井温度测量成果所制的深度—温度曲线图（图4）可以看出，曲线基本呈现直线，其斜率值即是该区域地质背景地温梯度，属于热传导型曲线。200 m以浅温度在25～35 ℃，1 200 m温度区间在39～57℃，2 400 m温度区间在60～100 ℃之间，中低温地热资源丰富。

图4 合浦盆地地温-深度曲线图（吴少斌等，2005）

2.2 地热水地球化学特征

合浦盆地地下水系统由潜水、黏性土弱含水层和多层承压水组成，地热水δ18O和δD值分别为-47.1‰和-7.28‰，海水样δ18O和δD值分别为-60.5‰和-9.06‰，雨水样δ18O和δD值分别为-5.4‰和-1.01‰[30]，表明该地区地下热水主要补给来源于大气降水[31]。区域内深大断裂发育，是地下水向上运移的通道。根据前人[30]对合浦地热田流体分析得出，合浦地下热水的水质类型主要为HCO3—Ca、Cl—Na型，偏硅酸、氟、偏硼酸等组分含量较高，可达具有医疗价值的矿水浓度标准。在烟墩岭火山一带地下水SiO2含量较高，火山口附近含量高达24～32 mg/L，是断裂和火山活动的结果[32]。

2.3 热储层特征

由石油井测井资料整理显示，合浦盆地内常乐凹陷、西场凹陷砂岩、碳酸盐岩较为发育，是该地区良好的热储层，表1是两凹陷区热储层大致物性特征。该地区热储层按照储层介质特征可以划分成3种类型：孔隙热储、孔隙裂隙热储和基岩构造裂隙、溶隙热储层[13]。本文主要探讨该地区地热资源的开发利用前景及其应用，因此只分析能够有效利用，具有商业开发价值的热储层。其中较好的、具有开发前景的热储层主要是西场凹陷和常乐凹陷的南康组、沙岗组以及酒席坑组孔隙和孔隙裂隙热储。南康组是由泥岩和粉砂岩呈互层状叠置[13]，粉砂岩与泥岩厚度比为1:1；沙岗组由泥岩、含砾泥岩、粉砂质泥岩与含砾粉砂岩互层；酒席坑组在常乐凹陷呈现泥岩夹砂岩呈互层状，在西场凹陷除砂泥岩互层外，有发育构造裂隙和岩溶裂隙，是良好的热储层。热储层砂岩厚度大，分布范围广，成岩程度较低，孔隙度大，渗透率高，是地热资源开发理想的热储层。

表1 合浦盆地凹陷热储层特征表

3 成因机制分析

3.1 热源

3.1.1 火山活动

更新世我国东南沿海发生了大规模的火山喷发活动，一直持续到全新世。广西沿岸范围内新生代火山活动最早始于古近纪，至第四纪到达顶峰[32]。位于广西北海市合浦县烟墩岭火山时间距今1.26～1.04 Ma，烟头岭火山喷发时间约0.72 Ma，都是早更新世火山[33]，与北部湾著名的涠洲岛火山喷发大致同期[34]，是我国最年轻的火山之一。根据前人对一个发生于1.2 Ma左右的一次火山喷发形成的侵入岩进行研究[35]，结果显示，岩石表面温度从800 ℃降到200 ℃，大致需要1.0 Ma，与广西第四系火山活动时间大致相吻合，故推测合浦盆地存在岩浆侵入体余热传导，热流传导至上覆地层，是该区热源之一。同时，这也说明了广西北部湾沿岸具有干热岩资源潜力。根据图6计算合浦地热田平均地温梯度约为2.73℃/hm，明显低于云南腾冲地热田（岩浆型地热田）10～12 ℃/hm，说明岩浆余热并不是本区主要热源。

3.1.2 深部热源

合浦盆地热源主要是由地幔热源补给和放射性生热供给。广西位于亚欧板块、太平洋板块和印度洋板块交接地带，其陆壳经历了多次构造运动和火山活动，印支期酸性岩浆岩U、Th、K含量较高[36]，可作为良好的生热物质基础。根据前人研究，桂东南莫霍面和结晶基底面埋深较浅，有利于地幔热源热流向上传导至上覆岩层，形成局部地热异常。

3.2 盖层

盖层是地热系统的重要组成部分，通常主要是沉积岩或火山岩，有时候也可以是合适厚度的风化壳层[37]。合浦盆地盖层主要以第四系、新近系、古近系和白垩系的黏土、泥岩组成。南康组、沙岗组和酒席坑组多为泥岩和砂岩互层，砂岩孔隙度高，是良好的储层，泥岩孔隙小，渗透性极低，热导率低，通常作为盖层。该地区上部沉积物以泥岩、粉砂岩和砂岩为主，厚度大且分布广，圈闭性较好，是地热资源良好的隔热保温盖层。

3.3 成因模式

合浦盆地地处桂东南，莫霍面埋深较浅，区内砂岩、碳酸盐岩较为发育，浅部泥岩广泛分布，大气降水、地表径流下渗被来自上地幔的热量及岩浆余热所加热，经深大断裂向浅部运移，形成了合浦地热田丰富的地热资源，故认为本区地热资源属于传导岩浆余热型成因，具有特殊的深层干热型+中浅层水热型，即“双层两类”地热成因模式（图5）。

图5 合浦盆地地热资源“双层两类”地热成因模式图

4 合浦地热田开发利用前景

我国地热资源较为丰富，据中国地质调查局统计，全国336个地级以上城市浅层地热能资源每年开采量折合标准煤7×108t。广西自古以来便是一个“缺油、缺煤、缺气”能源资源匮乏区，开发地热资源对于广西来说意义重大。据前人[38]对桂林市地热能利用的研究，发现采用热泵空调/热水系统替换传统空调/热水系统较原系统的运行费用节约49%以上，节能效果十分显著，具有可观的经济效益。合浦地热田可利用的资源量达44.426×1017J，折合标准煤1.516×108t，热水温度在40.19～66.80 ℃[13]。合浦盆地主体位于广西壮族自治区北海市境内，属亚热带季风型海洋性气候区，年平均气温21 ℃，秋春相连，长夏无冬，夏无酷暑，气候宜人。周边拥有银滩国家旅游度假区、涠洲岛鳄鱼山景区、北海老城景区、金海湾红树林生态旅游区等，旅游资源较为丰富。同时，合浦盆地内合浦县也是首批52个国家现代化农业示范区之一，是广西传统的农业大县。合浦地热田地热资源开发和利用宜与农业、旅游业相结合。50 ℃以上热水可用于温室大棚、家庭用热水等，20～50 ℃可用于沐浴、水产养殖、饲养牲畜、土壤加温、脱水加工等。

根据地区发展特点，地热资源利用主要分为以下几种形式：

1）中低温地热发电

中间介质法地热发电利用地下热水间接加热某些低沸点物质如氯乙烷、氟利昂等来推动汽轮机做工发电[39]，其发电效率较高，介于35%～50%[40]。以北海市合浦县石湾镇的一口地热井GXJ024石湾DRK2地热井为例，其测深1 807 m时，温度为69.6 ℃，地温梯度最高达到3.4 ℃/hm，井底流量1 392 m3/d。取热水进口温度90 ℃，尾水温度50 ℃，假设热量全部用来发电，则发电量可用以下公式进行估算：

式中Q表示发电量，kW·h；C表示水的热容，kJ/（kg·K）；m表示地热水流量，kg/s；η表示发电效率（0.35＜η＜0.5）；T表示地热水初始温度，℃；T0表示尾水温度，℃。

计算得到单井理论年发电量为8.3×106～1.19×107kW/h，平均每1 m3地热水产电19.812 kW·h高于羊八井地热电站每1 m3地热水发电12 kW·h[41]，具备地热发电的可行性。此外，广东丰顺县是广东地热资源较为丰富的县份之一，其热水温温达60～92 ℃[42]，其丰顺地热电站是我国第一座地热试验电站，同样采用中间介质法进行地热发电，可参照丰顺地热电站模式加以改进。

2）地热水梯级利用

地热水多元梯级综合利用是一项系统工程。地热水利用要尽可能利用其作为资源和能源的特点，克服单一的利用方式。合浦盆地地处热带地区，冬季无供暖需求。本区域可结合自身区域发展特点，对于地热水发电后余热，可用于温室大棚养殖、地热孵化等，尾水可用于当地居民日常生活洗浴，发展温泉产业，浇灌粮食、水上娱乐设施用水或者用于夏季制冷等（图6）。

图6 合浦盆地地热资源梯级利用示意图

3）热泵空调

相比于传统供暖（冷）方式，热泵空调利用浅层地热能进行供暖（制冷）较传统供暖（制冷）方式节能50%～75%[43]，能大幅度减少粉尘、CO、SO2等有害气体排放，且运行成本低，效率高。重庆地源热泵技术在我国位居前列，实验显示采用江水源热泵机组较常规空调系统节能30%左右[39]，合浦盆地水资源丰富，可仿照重庆出台相关政策，积极推广地源热泵系统。

合浦盆地地热流体成分与南宁地热田类似[44]，后者可溶性SiO2（偏硅酸）、Sr含量达到《饮用天然矿泉水》（GB8537—2008）标准，故推测合浦盆地地热水亦符合饮用天然矿泉水界限指标，可开发成饮用天然矿泉水。

地热资源开发与旅游业相结合，近年来北海市旅游业发展迅速，是国内热门旅游目的地之一。相较于广西首府南宁市，北海市在温泉旅游项目方面有所欠缺。例如南宁九曲湾温泉，将温泉文化与当地少数民族特色融合，自正式营业以来，受到了海内外游客广泛好评。目前，九曲湾温泉片区已建成温泉度假村、水上乐园等游乐设施，成为南宁市最重要的温泉旅游品牌。北海市拥有涠洲岛火山国家地质公园、号称“天下第一滩”的北海银滩、北海金海湾红树林生态旅游区等得天独厚的旅游资源，利用原有的资源优势，带动相关温泉产业发展，从而完善相关旅游产品。这不仅能够额外增加旅游收入，还能进一步提升城市的旅游形象。

5 结论

1）合浦地热田位于广西东南部，地壳厚度薄，储盖条件好，地热资源潜力大。

2）地热田热源主要为地幔热源补给和放射性生热供给，地表水下渗过程中经岩石加热沿盆地内深大断裂运移至地表浅部，形成了合浦盆地丰富的地热资源，属传导岩浆余热型成因。

3）根据当地特点，采取梯级利用的方式，仿照广东丰顺汤坑邓屋地热电站进行中低温地热发电，地热尾水用于大棚养殖、房屋制冷、农作物灌溉等。其次结合北海原有的旅游资源的优势，发展温泉产业，提升城市旅游形象。