河南省偃師市城區(qū)地熱形成條件及開發(fā)利用研究

田大永，趙翩翩，周 攀，黃繼超

(河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053)

工作區(qū)位于洛陽盆地東部，洛陽斷陷是在燕山初期發(fā)生、發(fā)展的斷陷沉積盆地(宜陽斷陷、洛寧斷陷均屬這個時期形成)。在中生代時期，洛陽地區(qū)逐漸隆起，沉積面積萎縮，致使該區(qū)白堊紀、侏羅紀底層缺失;到了燕山晚期褶皺、斷裂活動強烈，主要構(gòu)造呈東北向延伸，性質(zhì)以擠壓為主;到了晚白堊紀，其構(gòu)造運動以張性斷裂為主，進入了一個新的發(fā)育階段，所以該地區(qū)斷裂構(gòu)造多發(fā)生在三疊系中，并切割其下部老地層，性質(zhì)為先擠壓后張裂;至中、晚新世斷裂活動更加強烈，沉積面積迅速擴大，洛陽斷陷、洛寧斷陷以及臨近的一些盆地先后形成，底部普遍沉積了較厚的礫巖，并覆蓋在前三疊系及侏羅系等不同的地層之上。該區(qū)古、新近系沉積厚度達千米。

1 工作區(qū)地熱地質(zhì)特征

1.1 地熱田邊界條件

工作區(qū)位于洛陽盆地東段，隴海鐵路以南至洛河、伊洛河區(qū)域(以下簡稱南部)屬盆地地熱田，隴海鐵路以北偃師斷裂影響帶范圍(以下簡稱北部)屬構(gòu)造地熱田。

工作區(qū)南部由于上部第四系和新近系厚大的隔水層的阻隔(蓋層)，使古近系、二疊系、三疊系、奧陶及寒武系含水層中的地下水處于相對封閉或封閉狀態(tài)，具有較高的靜壓力，運動滯緩，大氣降水不能直接補給，深層地下水擺脫了上層冷水的影響。第四系和新近系較厚大的粘土層、粘土巖形成了良好的保溫層。

工作區(qū)北部控熱構(gòu)造為偃師斷裂，熱儲層為二疊系、奧陶系、寒武系。偃師斷裂屬區(qū)域性深大斷裂，并在南700 m處派生一條平行的次級斷裂F1'。這些斷裂對地下熱水的形成、運移、賦存、對流和熱交換等創(chuàng)造了極其良好的構(gòu)造條件。

1.2 熱儲特征及其埋藏條件

工作區(qū)處于洛陽盆地的東段，偃師斷裂(F1)南北兩盤的不同部位地層結(jié)構(gòu)差異較大。從本次物、化探工作結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料綜合分析，工作區(qū)的地下熱水在深度2 000 m內(nèi)具有多層。按時代分述如下:

1.2.1 新生代熱儲層

該層分布在工作區(qū)南部，主要為下第三系熱儲層，巖性為成巖程度較差的粘土質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r和礫巖，厚度350～450 m，由于巖層含水性差，含水層薄而少，對本區(qū)地熱勘查意義不大。

1.2.2 中生代熱儲層

主要為三疊系熱儲層，分布在工作區(qū)南部。厚度100 m左右，與下伏二疊系呈整合接觸。巖性為砂巖、泥質(zhì)頁巖等，由于整體厚度小且?guī)r層含水性差，亦對本區(qū)地熱勘查意義不大。

1.2.3 古生代熱儲層

二疊系在工作區(qū)北部埋藏較淺，上無較厚蓋層，沒有儲熱條件。而在南部頂板埋深大于500 m，厚度大于550 m，特別是在斷裂破碎帶附近賦水較好的部位有一定的供熱意義。

奧陶、寒武系熱儲層是工作區(qū)內(nèi)主要熱儲層，工作區(qū)北部位于偃師斷裂下盤，奧陶、寒武系熱儲層頂板埋深400～500 m;南部位于偃師斷裂上盤，奧陶、寒武系熱儲層頂板埋深1 000～1 200 m。奧陶、寒武系泥灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖溶隙發(fā)育，特別是在斷裂影響范圍帶是地熱流體形成的有利區(qū)。

圖1 熱儲結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 地熱溫度場特征

1.3.1 淺表地熱異常分布特征

工作區(qū)淺層地下水溫整體較其它地區(qū)偏高，通過地面調(diào)查淺層水井26個，平均溫度17.8℃。根據(jù)多年平均氣溫及相關(guān)資料，取17.8℃為高低溫分界線，高于此溫度即為高溫區(qū)。

在26個調(diào)查點中，大于17.8℃的井點數(shù)為個12個，約占總數(shù)的 46.15%;小于等于 17.8℃的有 14個。最低在15.5℃，最高在27℃。向南靠近洛河、伊洛河溫度低，向北靠近偃師斷裂溫度逐漸升高。

1.3.2 熱儲溫度垂向分布特征

1)變溫帶

地殼表層溫度主要受太陽輻射熱的影響，而發(fā)生明顯變化的地帶稱為變溫帶。其溫度隨深度變化很大，變溫帶的溫度夏季隨深度遞減，冬季隨深度遞增。變溫帶的深度，一般日變溫帶為1～2 m，年變溫帶為日變溫帶的20倍，即20～40 m左右。根據(jù)調(diào)查資料經(jīng)統(tǒng)計分析，工作區(qū)變溫帶深度為25 m。

2)恒溫帶

地球內(nèi)熱與太陽輻射熱互相影響達到平穩(wěn)的地帶為恒溫帶，位于變溫帶以下。該帶厚度一般很薄。這個帶內(nèi)，太陽輻射熱的影響逐漸減弱，溫度相對保持恒定。本次工作區(qū)恒溫帶溫度的確定采用統(tǒng)計與多年平均氣溫相結(jié)合方法確定，野外調(diào)查淺層水溫共計26個，平均水溫17.8℃。偃師市多年平均氣溫14.2℃，依據(jù)恒溫帶的溫度一般高于當?shù)仄骄鶜鉁?～3℃，可取17.8℃作為本區(qū)的恒溫帶溫度。

3)增溫帶

增溫帶地溫的大小用地溫梯度來表示，即深度每增加100 m所增加的溫度值。不同地區(qū)地溫梯度不同，這主要和控熱構(gòu)造、熱儲結(jié)構(gòu)、巖漿活動及水文地質(zhì)環(huán)境有密切關(guān)系。

本次工作分別采用實測及公式計算的方法，基本查明了工作區(qū)增溫帶的地溫梯度及異常區(qū)的分布。實測法即是用特殊溫度計對區(qū)內(nèi)深水井不同深度的地下水進行水溫測量，并計算出其地溫梯度;公式計算法是利用收集的鉆孔資料，根據(jù)鉆孔測溫和恒溫帶地溫資料計算，計算公式如下:

式中:ΔT/Δh為地溫梯度(℃/100 m);T為鉆孔取水段水溫(℃);T0為恒溫帶地溫(17.8℃);h為鉆孔取水段平均埋深(m);h0為恒溫帶埋深(25 m)。

4)地溫異常分區(qū)

本次調(diào)查及計算的淺部熱儲地溫梯度表明，工作區(qū)大部分區(qū)域?qū)俚販卣^(qū)，水位埋深 31.1～100 m、井口水溫18℃ ～23.5℃、地溫梯度 2.6℃ ～3.3℃ /100m;

(1)地溫梯度≥3.5℃ ～4.0℃ /100 m，地溫較高異常區(qū)。位于偃師市北部虎頭山周圍，水位埋深50～142 m、井口水溫22.5℃ ～26.9℃、地溫梯度 3.78 ～4.0℃ /100m。由物、化探及區(qū)域構(gòu)造條件可知，偃師斷裂與一條北西向小斷裂交匯部位;

(2)地溫梯度 ＞4.0℃/100m，地溫高異常區(qū)。位于偃師市山化鎮(zhèn)忠義、寺溝村一帶，水位埋深9.7～61.13 m、井口水溫22℃ ～27℃。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析，該區(qū)位于偃師斷裂與伊河斷裂交匯部位。歷史寺溝溫泉QS3分布在寺溝村中，據(jù)《1∶20萬洛陽幅、臨汝幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告》記載和走訪村民，水量30L/s，出露泉水最高水溫 29.5℃，20年前干涸。2003年村民在 QS3北300 m處打機井 Q26，井深380 m，靜水位 9.7 m，動水位 110 m，井口水溫27℃。

1.3.4 深部熱儲溫度推斷

根據(jù)工作區(qū)淺部熱儲地溫梯度，采用地溫梯度推斷法，推算深部熱儲溫度。

計算公式為:

t=(d－h(huán))×Δt/Δh+t0

式中:t為熱儲溫度，℃;d為熱儲埋藏深度，m;h為常溫帶埋藏深度，m;Δt/Δh為地溫梯度，℃ /100m;t0為常溫帶溫度，℃。

本區(qū)深部熱儲結(jié)構(gòu)為復(fù)合型結(jié)構(gòu)，2 000 m深度以內(nèi)有供熱意義的熱儲層，按其溫度高低可分為三個熱儲層:推測溫水儲層、推測溫熱水儲層、推測熱水儲層。

(1)推測溫水儲層:由三疊系砂巖、泥質(zhì)頁巖、奧陶系、寒武系灰?guī)r、白云巖組成，開采層為 400～500 m，溫度(T):30℃≤T＜40℃;

(2)推測溫熱水儲層:由二疊系砂巖寒武系、奧陶系灰?guī)r、白云巖組成，開采層為1 000～1 300 m，溫度(T):40℃≤T＜60℃;

(3)推測熱水儲層:由奧陶系、寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成開采層為1 400～2 000 m，溫度(T):60℃≤T＜97℃。

1.4 地熱流體特殊質(zhì)量評價

1.4.1 飲用天然礦泉水評價

城關(guān)鎮(zhèn)虎頭山井水溫 26.3℃、山化鄉(xiāng)寺溝村井水溫29.2℃、城關(guān)鎮(zhèn)嚇田寨井水溫26.0℃和山化鄉(xiāng)東屯村譚家門22.5℃都屬于低溫熱水。本次評價根據(jù)《飲用天然礦泉水》(GB8537－2008)，結(jié)合水質(zhì)分析資料，對淺部熱儲溫水進行飲用天然礦泉水水質(zhì)評價。具體評價結(jié)果見表1。

表1 溫水飲用礦泉水評價表 mg/L

由表1可知，工作區(qū)淺部熱儲溫水中鍶和偏硅酸含量達到了飲用天然礦泉水標準中規(guī)定含量的指標，但限量指標亞硝酸鹽及虎頭山新城村井硫酸鹽超規(guī)定含量標準。不適宜作天然礦泉水飲用。

1.4.2 醫(yī)療熱礦水評價

根據(jù)《醫(yī)療熱礦水水質(zhì)標準》(GB11615—89)的規(guī)定指標，結(jié)合水質(zhì)分析資料，對淺部熱儲溫水進行醫(yī)療熱礦水水質(zhì)評價。具體評價結(jié)果見表2。

表2 醫(yī)療熱礦水評價表mg/L

由表2可知，本區(qū)淺部熱儲溫水地熱流體中偏硅酸和虎頭山新城村井偏硼酸含量達到了醫(yī)療價值濃度的標準，并且水溫度均大于25℃，具有一定的醫(yī)療效果。

2 地熱資源開發(fā)利用與保護

2.1 地熱資源開發(fā)利用

2.1.1 地熱資源開發(fā)靶區(qū)確定

(1)偃師市山化鎮(zhèn)忠義、寺溝村一帶是地熱資源開發(fā)優(yōu)選靶區(qū)。該區(qū)位于偃師斷裂與伊河斷裂交匯部位，地溫梯度＞4.0℃ /100m，屬地溫高異常區(qū);

(2)偃師市北部虎頭山窯頭村東北部是地熱資源開發(fā)次選靶區(qū)。該區(qū)域位于偃師斷裂與一條北西向小斷裂交匯部位，地溫梯度3.78～4.0℃ /100m，屬地溫較高異常區(qū)。

2.1.2 地熱資源開采方案

窯頭村東北部靠近偃師斷裂斷裂破碎帶，位于地熱較高異常區(qū)，且距離市區(qū)近，便于開發(fā)利用。根據(jù)靶區(qū)地層、斷裂構(gòu)造情況，在偃師斷裂以南破碎影響帶內(nèi)提出三個開采方案:

方案一:井深600 m，熱儲由三疊系砂巖、泥質(zhì)頁巖組成，開采層為 500～600 m，水量不低于 15 t/h，水溫有望達到31℃ ～33℃。

方案二:井深1 000 m，熱儲由二疊系砂巖、泥質(zhì)頁巖組成，開采層為800～1000 m，水量不低于15 t/h，水溫有望達到35℃ ～40℃。

方案三:井深1 500 m，熱儲由奧陶系、寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，開采層為1 200～1 500 m，水量不低于15 t/h，水溫有望達到41℃ ～45℃。

建議進一步實施其它物、化探定井手段，以確定具體井位。

2.2 地熱資源開發(fā)利用保護

在地熱資源勘查與開發(fā)工作中，必須樹立“地下水資源的可持續(xù)發(fā)展觀”，科學處理“生態(tài)環(huán)境經(jīng)濟發(fā)展”的關(guān)系，貫徹開發(fā)與保護并重的原則，加強地熱資源開發(fā)利用管理，確保地熱資源得到合理的開發(fā)利用和有效保護，防止地熱資源受到過度開發(fā)，落實保護地熱資源的各項舉措。

(1)做好地質(zhì)勘查評價工作，編制地熱資源開發(fā)利用和規(guī)劃;

(2)大力推廣新技術(shù)，做好地熱水的綜合利用;

(3)做好地熱水尾水回灌工作，避免污染和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生;

(4)推進地熱管理工作的信息化、科學化。

［1］王現(xiàn)國，杜春彥.洛陽龍門地熱田形成條件與開發(fā)利用研究.地下水.2007(9).

［2］王現(xiàn)國，董永志.洛陽盆地地熱資源形成條件與開發(fā)利用研究.地下水.2007(4).