河南省沉積盆地水熱型地熱資源特征及潛力評估研究

倪 昆，盧 磊，陳飛陽，王英超，肖 雄，張宗可

(1.河南省國土資源科學研究院，河南 鄭州 450053；2.河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院，河南 鄭州 450000；3.河南省有色金屬地質勘查總院，河南 鄭州 450000；4.河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450000)

河南省地熱資源較豐富，近年來在供暖、溫泉、康養等方面的應用呈上升趨[1-3]。在新時代生態文明建設的大背景下，地熱資源因其清潔、環保、資源蘊藏量豐富的優點，將在能源結構調整、提高清潔能源比例上起到積極作用[4-6]。近期，在國家和河南相關規劃、政策的推動引導下，全省地熱能開發利用發展速度明顯加快。河南應以習近平生態文明思想為指導，在敬畏自然、保護自然的前提下，科學規劃、統籌管理，把握當前地熱資源開發的發展機遇，推動全省地熱能勘查與深化應用科學發展[7-8]。

1 熱儲層特征

河南省沉積盆地水熱型地熱資源依據熱儲層時代及儲水介質特征，主要分為新近系孔隙熱儲、古近系裂隙孔隙熱儲、下古生界巖溶熱儲(表1)[9]。主要分布在黃淮海平原及山間盆地，為河南省主要地熱資源類型[10]，主要熱儲介質為松散砂、砂巖和碳酸鹽巖，呈層狀，地熱水為孔隙水或隱伏巖溶水[11]。

表1 河南省主要熱儲層特征

2 地熱資源分布特征

2.1 平面分布特征

河南省新生界地溫梯度變化范圍2.0～4.0℃/100m[12]。總體分布具有由山前至平原，地溫梯度漸增，局部存在地溫異常，沉積盆地內凸起區大于凹陷區的特點(圖1)。分布形態主體呈NW-NWW向，其次為NE-NNE向，與大地熱流分布形態類似(圖2)[13]。

圖1 河南省沉積盆地地溫梯度等值線圖

圖2 河南省沉積盆地大地熱流值等值線圖

沉積盆地地溫梯度一般2.5～4.0℃/100m，分布相對均勻，但不同構造單元略有差異。內黃凸起、荷澤凸起、通許凸起等凸起區地溫梯度值相對較高，一般3.0～3.75℃/100m。濟源開封凹陷、周口凹陷地溫梯度一般3.0～3.5℃/100m。湯陰斷陷、東明斷陷、平輿凸起、駐馬店凹陷及潢川山前拗陷一般小于3.0℃/100m；山間盆地中，靈三斷陷及洛陽坳陷地溫梯度一般3.0℃/100m。坳陷盆地內，通許凸起及周口凹陷兩構造單元的內部(通許-尉氏-漯河、太康西南部)、周口凹陷沈丘南部及湯陰斷陷、內黃凸起和開封凹陷交匯部(新鄉東南、原陽一延津一帶)和南陽盆地魏崗一帶，地溫梯度均大于3.5℃/100m，為高地溫梯度帶，屬高溫異常[14]。

2.2 垂向分布特征

根據全省400～3 600 m深度鉆孔測溫資料統計，地溫梯度范圍為2～4.8℃/100m，一般2.5～3.2℃/100m，受區域性深大活動性斷裂影響，地溫梯度明顯增高，如濟源-商丘斷裂帶地溫梯度為3.6～4.8℃/100m[15-16]。運用spss統計分析得出，熱儲層溫度=20.814±0.026儲層埋深(表2、圖3)，熱水總溶固=-314.339±2.051儲層埋深 。

圖3 熱儲層平均埋深、水溫、總溶固矩陣分布圖

表2 熱儲層平均埋深、水溫、總溶固相關性分析表

3 地熱資源量評價

根據《全國地熱資源現狀評價與區劃技術要求》，采用熱儲法進行估算[17]，新近系、古近系熱儲層地熱水總儲存量為75 690.71×108m3，熱能總儲存量為253 706.44×1016J，相當于867.08億 t標準煤。其中新近系熱儲層儲存熱水量、熱能量分別為56 529.38×108m3、116 345.82×1016J，相當于397.63億 t標煤，其中通許凸起、周口凹陷、開封凹陷構造單元儲存量最大(圖4)；古近系熱儲層儲存地熱水、熱能量分別為19 161.33×108m3、137 360.62×1016J，相當于469.45億 t標煤，開封凹陷、周口凹陷和南陽盆地構造單元排名前三(圖5)；下古生界奧陶-寒武系碳酸鹽巖熱儲層儲存熱水量為1 836.50×108m3、儲存熱能量為339 416.76×1016J，通許凸起構造單元儲存量最大(圖6)；總體看，新近系熱儲層儲存的熱水量大于古近系、下古生界熱儲層儲存量，但其儲存的熱能量小于古近系、下古生界熱儲層儲存量。

圖4 河南省各構造單元新近系熱儲層地熱水儲量(108 m3)

圖5 河南省各構造單元古近系熱儲層地熱水儲量(108 m3)

圖6 河南省各構造單元下古生界熱儲層地熱水儲量(108 m3)

4 地熱資源潛力評估

對新生界熱儲和下古生界熱儲選取地熱資源可開采量、可采資源模數、單井單位涌水量、熱儲埋深和熱儲溫度等5個指標分別賦值(表3)，采用主成分分析法[18-19]，將每個分區的分值與其相對應的權重值相乘，然后求和，得出每個分區的總分值；根據最終分值的分布情況，對河南省沉積盆地型地熱資源潛力進行評估。

表3 潛力評估指標數據表

依據統計指標的相關系數矩陣計算特征值和特征向量, 并將特征值按大小順序排序，求其單個貢獻率和累加貢獻率[20]，第一主成分的特征值最大，方差貢獻率達54.847%，其次為第二主成分，方差貢獻率為 26.661% ，兩者的累加貢獻率已達81.508% ，且 2 個主成分互不相關(表4、表5)。由主成分碎石圖(圖7)可進一步看出，前2個主成分的特征值均大于1，剩余的 3個主成分的特征值較小，在碎石圖上表現為曲線較為平緩。由此表明，第一和第二主成分基本包含了原5 個地熱資源潛力統計指標的綜合信息，可較好地反映原變量變化所代表的地熱資源潛力。

圖7 主成分特征值碎石圖

表4 成分得分系數矩陣

表5 總方差解釋圖

用Yi表示第i個主成分，分別用X1、X2、X3、X4、X5表示地熱資源可開采量、可采資源模數、單井單位涌水量、熱儲埋深和熱儲溫度指標得分，根據主成分得分方法分別求出主成分1、主成分2得分，如下：

Y1=-0.106×X1-002 2×X2-0.496×X3+0.385×X4+0.369×X5

Y2=0.418×X1+0.448×X2+0.423×X3+0.084×X4+0.106×X5

用Z表示地熱資源潛力評估模型，根據Y1、Y2主成分得分系數，分別于Y1、Y2得分相乘，得到各熱儲分區地熱資源潛力得分及排序，如下(表6)：

Z=0.548 47×Y1+0.266 61×Y2

表6 熱儲分區地熱資源潛力排名表

5 結語

(1)河南省沉積盆地水熱型地熱資源儲水介質為新近系孔隙熱儲、古近系裂隙孔隙熱儲、古生界巖溶熱儲、元古界巖溶熱儲，其中目前主要開采熱儲層為新近系熱儲，潛力最大為古生界巖溶熱儲。

(2)河南省地溫梯度總體分布具有由山前至平原，逐漸升高，局部存在地溫異常，其中大體表現為凸起區大于凹陷區，呈NW-NWW向，其次為NE-NNE向。

(3)采用主成分分析法，選取5指標進行河南省沉積盆地地熱資源按熱儲分區進行了潛力評估，對各構造單元熱儲層地熱資源潛力進行了排序，得出河南省地熱資源潛力評估模型，排在前三位的是湯陰斷陷O-∈熱儲層、濟源-開封凹陷E熱儲層、通許凸起O-∈熱儲層，這為河南省地熱資源勘查開發提供依據。