云应地区盐穴地层构造特征研究

   王韬1，王智1，周丽2，马茹2，李鲲2，杨远2，黎杰2

（1.中国电建集团湖北工程有限公司，武汉 430040；2.湖北省电力规划设计研究院有限公司，武汉 430040）

摘要：我国新能源产业的快速发展推动了储能技术的工业化。目前实现工业化推广的大容量储能技术主要包括抽水蓄能、电化学储能和压缩空气储能。已建成的压缩空气储能示范项目均依托于地下盐穴用于储气。云应地区拥有丰富的盐穴资源，具备推广压缩空气储能的基础条件。因此研究云应地区的地层构造特征，对于盐穴压缩空气储能技术的发展和示范项目的推广具有非常重要的价值。

关键词：盐穴；压缩空气；储能；地层构造

Research on the Structural Characteristics of Salt Caverns in the Yunying Area

WANG Tao1,WANG Zhi1,ZHOU Li2,Ma Ru2,LI Kun2,Yang Yuan2,LI Jie2

(1.POWERCHINA HUBEI ENGINEERING CO.,LTD,Wuhan 430040;2.POWERCHINA HUBEI ELECTRIC ENGINEERING CO.,LTD）

Abstract:The rapid development of China's new energy industry has propelled the industrialization of energy storage technologies. Currently, large-scale energy storage technologies for industrial promotion include pumped hydro storage, electrochemical energy storage, and compressed air energy storage. The established compressed air energy storage demonstration projects rely on underground salt caverns for gas storage. The Yunying region possesses abundant salt cavern resources, making it well-suited for the promotion of compressed air energy storage. Therefore, studying the geological and structural characteristics of the Yunying region is of significant value for the development and promotion of compressed air energy storage technology in salt caverns and its demonstration projects.

Keywords: salt caverns; compressed air; energy storage; geological structure.

1.引言

国家提出“碳达峰”和“碳中和”的目标后，可再生清洁能源的大规模开发和利用成为我国可持续发展的战略要求[1]。由于风电、光伏等可再生清洁新能源具有间歇性[2]、不确定性的特点，大规模并网会对电网的安全和稳定运行造成冲击[3]。储能技术具有对功率和能量的时间迁移能力，成为大规模风电、光伏等新能源发电并网问题的解决方案。同时大规模储能技术可以实现电网“削峰填谷”，增强电网运行的安全性。

我国实现工业化推广的大容量储能技术主要包括抽水蓄能、电化学储能和压缩空气储能[4]。目前已建成的压缩空气储能示范项目均依托于地下盐穴用于储气。云应地区拥有丰富的盐穴资源，具备推广压缩空气储能的基础条件。因此研究云应地区的地层构造特征，对于盐穴压缩空气储能技术的发展和示范项目的推广具有非常重要的价值。

2.盐穴利用的必要性

2.1 盐穴导致的地质灾害

我国盐矿开采拥有悠久的采卤历史，在历史采卤过程中形成了大量采卤废弃溶腔。湖北省云应地区素有膏都盐海之称[5]，开采膏矿始于明朝，在应城地区留下众多采矿老窿。盐矿也随开采膏矿而发现，先是用发现采膏老窿的含盐积水用来熬盐.上世纪五十年代发现层状盐岩后，开始采用坑道硐采。七十年代采用水压裂连通法水采试验成功。三十多年来，累计建设生产盐井100多对，总计生产盐近3000多万吨[6]，形成的地下溶腔100多个，空间近4000万m3。由于盐岩具有典型的流变性，这些盐矿采空区在远场地应力作用下体积不断发生收缩，将会诱发了地面沉陷、地质断层活化、卤水侵入地下浅水层、污染地表环境和威胁地面建筑（构筑）物安全等事故隐患。如2012年，湖北省云梦县隔蒲潭镇幺屋村发生大面积地表沉陷和卤水涌出的地质灾害，塌陷面积约10000㎡，最深处达20m，导致35户150多间房屋受损。地质灾害不仅导致水环境、土壤环境污染，而且造成建筑物严重受损以及当地群众极大恐慌。

2.2 盐穴综合利用现状

盐矿开采形成的采空区同时也是一种不可多得的资源，属于一种地下空间资源。主要因为盐岩具有损伤自修复、渗透率小和孔隙度低等优势，可以被用来存储工业废弃物、天然气、石油和压气蓄能等。英国Holford盐田废弃的采空区被用来储存制碱工业产生的碱渣，美国田纳西州Moss Bluff盐田利用采卤废弃溶腔来处置油田废渣和核废料，江苏金坛将采卤废弃溶腔改建为地下储气库。近年来，随着压缩空气储能技术的发展，国内多个压缩空气储能示范项目均利用盐穴储气。

3.地层构造特征

3.1 概述

云应盆地位于江汉盆地的东北部，为白垩～第三系时期的一个内陆盐湖断陷，北界不整合超覆于震旦～寒武系及元古界之上，构成向南西倾斜的斜坡；南部与龙赛湖低凸起毗连；西以皂市断裂为界；东至汉川凸起。是一个由断裂所控制，呈北缓南陡的箕状凹陷盆地，面积2700平方公里。

根据地震和钻探资料证实，云应盆地的基底地层，在云梦～孝感断裂带以北斜坡带为前寒武系；以南与凹陷两侧隆起区的构造线连续性完好，显示地层与构造的一致性。云应盆地内部的构造形态以长江埠断裂为界，南北有显著差异，凹陷北部沉降强烈，白垩～第三系厚约2000～3500米，而凹陷以南，白垩～第三系厚约1000～2500米（称之为龙赛湖低凸起）。

凹陷内部地质构造复杂，深部与浅部不吻合。据重力资料反映，基底构造的起伏与展布呈北西方向，且与区域构造线一致。据此认为，云梦～孝感断裂、长江埠断裂与云应盆地是同期构造，且直接控制了白垩～第三系的沉积。

3.2 构造特征

云应盆地内各断裂发育特征见下表。

表1 云应凹陷断裂发育特征一览表

级别	编号	名称	位置	性质	产状			形成时间	与地层关系
					走向	倾向	倾角/°
一级	F10	皂市断裂	汤池至皂市一线	正	NNW- SN	NEE-E	40-56	形成于白垩纪以前，经历了白垩-古近纪同沉积发展时期。	构成了凹陷的基本雏形、规模，控制了白垩-古近、新近系地层的分布。
二级	F3F4	三合店断裂	云梦城关南5公里	正	NWW	SSW	80	形成于古近纪，并经历了古近纪以来的同沉积发展时期。	控制了古近系地层的总体沉积建造及膏盐组的岩性岩相分布。
	F2	长江埠断裂	应城-郎君桥断裂南3公里	正	NWW	NNE	80
	F8	云梦- 孝感断裂	伍洛寺至毛陈渡以东	正	NW- NWW	NE-NNE	>70
	F9	卧龙断裂	云梦-孝感断裂以南	正	NWW	NNE	70-80
	F7	汉北断裂	西起刘隔，东交F8、F9断裂	正	NEE	NNW	70-80
	F1	道人桥断裂	南交汉北断裂，北至伍洛寺	正	NW-NNE	SW-NWW	>70

云应盆地内的次级构造单元简述如下：

（1）褶皱

a、曾店向斜

位于云梦～孝感断裂以北，前寒武系地层以南。褶曲轴向300°，两翼地层倾角分布不对称，显示出北东翼较陡，南西翼稍平缓的特征。该向斜北西方向撒开变宽，向南东方向迁就于前寒武系地层的分布形态而转向北北东向。

该向斜沉积中心位于曾店南3公里。据物探资料解释，有早期的云台山组和白砂口组沉积，白垩～第三系的最大沉积厚度达3000米以上。

b、三汊埠向斜

位于云梦～孝感断裂以北。褶曲轴为北东向，两翼对称，向北东方向呈略撒开变宽趋势，向南西方向则与北西向的应城向斜复合接触，且被云梦～孝感断裂F4所切割。

该向斜沉积中心位于三汊埠西5公里，据物探资料解释，有早期的云台山组和白砂口组沉积，白垩～第四系的最大沉积厚度大于3000米。

c、应城向斜

北至云梦～孝感断裂，南至龙赛湖低凸起，西至潘家集，东到汉北断裂F6。褶曲轴向310°，向斜北翼被云梦～孝感断裂所截，南翼被郎君桥F2、长江埠F3两断裂所截；向斜东南部被汉北断裂F6所截，中部被北北东向的道人桥断裂所截。据此认为，该向斜实际上是由断裂所控制的沉积凹陷。

据物探和钻探资料证实，该向斜是云应盆地内唯一有膏盐沉积的拗陷，向斜内有三个凹地，即向斜西端的潘家集凹地、东端的潭口凹地及向斜南翼的洪吉台凹地。三凹地是膏盐组的早期沉积中心，仅有下含硬石膏岩段和下含钙芒硝岩段；而三凹地间相对隆起区--应城、长江埠、隔蒲潭组成的三角地带是以后膏盐组含盐岩段沉积中心，隔蒲潭以南是文峰塔组沉积中心，可见应城向斜的沉积中心是由三凹地向应城向斜中部，再由应城向斜中部向郎君、隔蒲一带迁移的。

d、皂市鼻状构造

该鼻状构造位于云应盆地西南部，东与洪吉台凹地毗连，鼻端向南东方向倾伏，向北西方向抬起撒开，且被皂市断裂F8斜截。该鼻状构造的前缘部分沉积较厚，白垩～第四系最大沉积厚度在2500米以上，其构造鼻顶端沉积较薄，白垩～第四系沉积厚度小于2500米。

（2）断裂

根据物探资料分析，云应盆地断裂较为发育，且为基底断裂，主要发育在白垩～下第三系云台山组、白砂口组及膏盐组等地层下伏岩层中。按其展布方向，可大致分为四组，即北西向、北西西向、北东向和南北向。这些断裂的性质、规模及其展布方向与凹陷的形态均有成因联系，尤其是北西向、北西西向两组继承性基底断裂，构成了云应盆地的总体格架，并由此导演了膏盐地层的总体沉积特征、岩性岩相分布特征及盐矿层、膏矿层的空间赋存特征。

根据断裂的形成、发展及规模，可将区内断裂分为二个级别，即一级断裂(F4、F6、F8)构成了凹陷的基本雏形、规模，并控制了一级旋回的沉积特征即白垩～下第三系的分布，二级断裂（F1、F2、F3、F5、F7 ）控制了膏盐组的总体沉积建造及含盐岩段地层的岩性、岩相分布。

应城～郎君桥断裂（F2）处于本次研究区的南部，其位置和产状已初步了解，断裂带全为角砾岩，角砾岩呈碎块状、角砾状，大小不一，大者15～30厘米，小者0.5～2厘米；为白色—浅肉红色裂隙盐胶结，裂隙盐半透明状，无定向性。断裂走向约300°，倾向30°，倾向70°—75°，控制断裂带真厚23.19米。断裂南盘相对抬升，北盘相对下降，判断为同沉积断裂。

（3）挽近时期构造运动特点与地震

云应凹陷内第四系以来的山势、河流及沉积物分布特点显然受着区域性构造控制。一方面继承了第三系的沉积特点，另一方面也反映了近代地壳运动的趋势和特点。据航磁反映，研究区外有两条区域性断裂通过，即安陆～芦市断裂带和襄广（襄樊～广济）断裂带。前者走向北北东，长约76公里；后者走向北西西，倾向北东，倾角50～80°，为上盘西移、下盘东移的复合断裂带。据物探资料，云应断陷盆地内发育有五条断裂，规模相对较小，即三合店断裂、伍洛～毛陈渡断裂、黄渡沟断裂、应城～郎君断裂、长江埠断裂，均系继承性基底断裂，推测埋深600～800米以上，这五条继承性基底断裂控制了云应断陷盆地的发育发展及膏盐沉积的分布。

据《中国东部强震震中分布图》和《湖北省地震史料汇考》表明，湖北省有文字记载的4.75级（烈度为6度）以上的地震有26次，一般震级较低，属弱震区。据统计，云应盐矿区及周缘（安陆、云梦、应城、孝南、汉川、京山）等地，自公元309～1985年的1676年间，先后发生地震41次，均为弱震。其中1960～1985年，发生8次地震，最强震级为3.5级，最弱震级1.2级，无中强地震发生。而区外地震波及本区的仅1603年5月30日的钟祥5级地震（震中烈度6度）。云应盐矿区属于湖北省地震烈度区划的6度区范围。

4.结论

盐矿开采形成的采空区（盐穴）是一种地下空间资源，具有损伤自修复、渗透率小和孔隙度低等特点，可以被用来存储工业废弃物、天然气、石油和压缩空气储能等。利用盐穴推广压缩空气储能，既可解决环境污染问题和地质灾害隐患，又可促进盐矿开采经济的可持续和环境友好的发展，为盐矿开发注入新活力。经调研，湖北云应地区拥有丰富的盐穴资源，且通过分析地层构造特性可知，其地层稳定适合推广压缩空气储能技术。

参考文献：

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[2] 李杨楠,张国昀,程一步.不同储能技术的经济性及应用前景分析[J].石油石化绿色低碳,2023(03):1～8.

[3] 万明忠,纪文栋,商浩亮等.压缩空气储能地下盐穴物探关键问题及处理技术[J].南方能源建设,2023(02):26～31.

[4] 万炜,李广伟,孙涛等.盐穴压缩空气储能技术在江西省的应用展望[J].能源研究与管理,2023(01):71～77.

[5] 王富强,王汉斌,明鑫等.压缩空气储能技术与发展[J].水力发电,2022（11）:10～15.

[6] 梅生伟,张通,张学林等.非补燃压缩空气储能研究及工程实践[J].实验技术与管理,2022(05):1～8.

第一作者简介：王韬，男，1982年12月出生，河北石家庄人。2004年毕业于华北电力大学物料输送及其自动化专业，高级工程师，从事电力设计及研究工作。

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