河南省原阳县地热地质条件及水化学特征研究

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(河南省地矿局第一地质环境调查院，河南 郑州 450045)

原阳县位于河南省新乡市东部地区，地处黄河北岸。原阳县地热资源丰富，自1994年施工第一眼1 000 m深井以来，迄今在城区已开凿地热井20余眼，开发利用的地热资源被广泛用于洗浴及娱乐业、休闲、农副业及养殖业、工业生产等诸多方面，开发利用前景看好。

1 地质、地热地质条件分析

1.1 区域地质构造

原阳县位于一级构造单元华北坳陷的南部，二级构造单元济源—开封凹陷的东部，三级构造单元中牟次凹陷的北部。

1.1.1 华北坳陷

坳陷区地表广为第四系覆盖，仅在边缘地带有基岩零星出露。自燕山期旋回晚期开始，西部地区隆起，本区下沉，形成坳陷，坳陷内部燕山期旋回晚期—喜马拉雅旋回早期，由于基底构造及断裂活动影响，作不均衡下沉，形成一系列次级断(凹)陷盆地和断块凸起。焦作—商丘深断裂以北地区，在太行山东麓深断裂带和聊城—兰考深断裂带控制下，继承了北北东向基底构造线方向，次级断陷和凸起均为北北东向。焦作—商丘深断裂以南地区，由于近东西向基底构造和断裂影响，次级凹陷和凸起则多呈东西向或北西西向。次级凸起区缺失侏罗纪—古近纪沉积。次级断(凹)陷盆地内，堆积了中生代中晚期陆相碎屑岩及少量火山碎屑岩，古近纪为以湖相为主的次稳定型暗色—红色复陆屑建造，厚度可达5 000 m以上。古近纪以后，继续大幅度下沉接受沉积，堆积了厚约500～2 000 m以上的新生界以河湖相为主的次稳定型杂色复陆屑建造，形成今日的华北坳陷。

1.1.2 济源—开封凹陷

济源—开封凹陷构造线总体呈近东西向，控制性断裂主要为济源—新乡深断裂(盘古寺断裂)、新乡—商丘深断裂及郑州—开封断裂。其构造具规模大、形成早、长期活动特点，均为正断层，构成凹陷边界，对凹陷形成、发展及形态具有控制作用。除以上断裂外，规模较大的还有中牟、杨庄、龙塘等断裂。构造线方向呈北东向和北西向，但规模不大，形成较晚，多为平推正断层，对凹陷内次级隆凹形态和中新生界岩相及厚度变化具有一定影响。上述断裂，特别是北侧，由于受济源—新乡深断裂和新乡—商丘深断裂长期活动的影响，使济源—开封凹陷呈现为东西两端深、中间高，南浅北深箕状断坳式凹陷。济源—开封凹陷可进一步划分为济源次凹陷，中牟次凹陷和武陟凸起等。

1.1.3 中牟次凹陷

位于济源—开封凹陷东部延津南—兰考一带，构造线为近东西向，但西端有北北西向构造，由五个洼陷，三个背斜隆起带和一个斜坡带组成。中生界最大度厚达600 m。

1.2 区域地层岩性

据区域地质地热资料，新生界地层埋藏有丰富的地热能资源，新生界以来，开封凹陷盆地自下而上沉积了古近系、新近系、第四系。其特征分述如下：

1.2.1 古近系

该区在早第三纪时期属裂谷型沉积盆地，由于断裂的持续活动，凹陷快速下沉，凸起上升受到剥蚀夷平，对凹陷进行充填，在凹陷中心沉积了较厚的古近系地层，古近系底板埋深在该区约为4 000～6 500 m。古近系及其下的地层构成了目前该区地热开采储层的基底。

古近系由老到新划分为沙河街组与东营组。

1)上中始新统沙河街(官庄组)组E2s

该组沉积厚度为451～1 795.5 m。按其岩性和化石组合特征划分为四段，由新到老分别为：沙一段、沙二段、沙三段、沙四段。岩性主要为砂岩与泥岩互层

2)渐新统东营组E3d

该组厚度594～1318.5 m。岩性分上、中、下三段，上段棕红色、暗棕色泥岩、含膏泥岩夹少量油页岩与浅棕、灰绿色粉-细砂岩，呈等厚互层夹有含砾砂岩；中段为厚层状浅灰、灰白色粉细中粒砂岩，含砾砂岩与棕色泥岩、浅灰色硬石膏岩呈不等厚互层夹含砾砂岩与暗棕色泥岩；下段为浅棕、浅灰、灰白色粉细中粒砂岩、含砾砂岩与暗棕色泥岩、粉砾质泥岩。

1.2.2 新近系

新近系地层是本区目前主要开采的储水层，上被第四系覆盖，整个区域均有分布，发育比较好。新近系地层由老到新可分为两组。

1)馆陶组(Ng)

岩性下部为褐灰色灰岩、泥灰岩、灰白色钙质砂岩；中部为灰绿色细砂岩及浅灰绿、棕黄色松散砂层，灰白色砾状砂岩夹紫红色泥岩；上部为浅灰色、灰绿色细砂岩夹紫色泥岩，黑色硬煤与浅灰色粉砂岩。据《河南省区域地质志》，该组地层在开封凹陷内厚度250～915 m。

2)明化镇组(Nm)

厚约760 m，按岩性自上而下可分为四段：

(1)棕红、深棕红显紫色泥岩、砂质泥岩及泥质粉岩夹黄白色细粒长石砂岩、粉砂岩，厚约310 m。

(2)褐黄色、微灰绿泥质粉砂岩、灰白色黄色粉细砂岩与紫红、棕红、灰绿砂质灰岩、泥岩互层，厚约120 m。

(3)棕红色泥岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩夹棕红色、灰白色、灰绿色粉细砂岩，厚约200 m。

(4)黄褐色、灰白色长石石英细砂岩，灰绿色、黄褐色泥质粉砂岩夹棕红、褐棕色砂质泥岩，厚约130 m。

1.2.3 第四系

第四系是本区最新的沉积盖层，覆盖于整个开封——济源凹陷区。一般厚度为90～316 m，总的厚度变化趋势为东薄西厚，盆地中心沉积层最厚为400多米，均为河湖相沉积。

1)更新统Qp

岩性为浅黄、灰黄、灰色、棕褐色粉质黏土、黏土为主，夹有亚砂土、粉细砂层。属河流、冲积相沉积，结构松散，厚度140～280 m，上部夹有3～4层粉细砂，厚20～30 m，中部2～3层细砂，厚10～20 m，下部含有钙质结核。

入院后拟行创面切痂、自体皮片移植术，因家属对手术的顾虑，未行手术治疗。创面依次用络合碘稀释液(浓度0.25% ～0.30%)蘸洗、0.9%氯化钠溶液冲洗后，0.9%氯化钠溶液纱布湿敷、包扎。逐步修剪已分离的痂壳，创面外用重组牛碱性成纤维细胞生长因子(贝复剂)。伤后第6周，创面痂壳已完全脱落，创面缩小，右侧腰、背、髋部与右大腿上外侧创面收缩显著，基底可见淡黄色脂肪，边缘内陷(图1B)。伤后第8周，创面进一步缩小，右肘后创面基底肉芽组织无明显增生，右侧腰、背、髋部与右大腿上外侧创面基底可见粉红色肉芽增生(图1C、D)。伤后第10周，创面完全愈合，呈粉红色，略高出周围皮面(图1E)。

2)全新统Qh

总厚度30～40 m，具上细下粗的“二元结构”特征。上部岩性为浅黄、浅灰黄色粉土、粉质粘土、局部见浅灰、灰黑色淤泥质粉质粘土及粉砂层；下部为浅黄色、浅灰色粉砂、细砂、中砂，松散，饱和，属河流相沉积，砂层厚度为15～28 m，结构松散。

2 区域地热地质特征

本区地处开封—济源凹陷的次级凹陷——中牟凹陷之内，区内第四系厚度为320 m左右，由热阻率较高的粘性土和砂层组成，成为本区热储的良好盖层。盖层之下为热储层，在2 000 m深度范围内存在着温水储层、温热水储层(又分为明化镇组和馆陶组两层)和热水储层，均属新生代热储层。根据原阳县已有地热井资料，对各储层的水文地质特征简述如下。

2.1 温水储层

是指水温25℃≤t<40℃的含水层。根据地温梯度推算，该层埋深在320～800 m之间，含水介质主要为中、细砂岩层，微胶结，砂岩累计共29层，单层厚度2.50～19.90 m，总厚度228.00 m。岩性主要为上第三系明化镇组上段和中段湖积地层，顶、底部均有稳定的隔水层与上、下含水层组相隔，为承压水类型。本层单位涌水量1～3 m3/h·m，渗透系数1.76 m/d，弹性释水系数3.0×10-4。

2.2 温热水储层

是指水温40℃≤t<60℃的含水层，根据地温梯度推算埋深约在800～1 500 m之间。可分明化镇组和馆陶组两部分。

2.2.1 明化镇组温热水储层

埋深800～1 020 m，由13层中、细砂岩组成，砂岩层单层厚度3.10～9.70 m，总厚度76.10 m。主要为新近系明化镇组下段湖积层，上部及下部均有厚层粘性土层封闭，为承压水类型。含水层岩性以中细砂为主，多为半胶结、半成岩状态。该层水温40℃～47℃，单井出水量为40.35 m3/h, 单位涌水量1.60 m3/h·m，渗透系数1.16 m/d，弹性释水系数4.20×10-4。

2.2.2 馆陶组温热水储层

该储层埋深在1 020～1 500 m之间。属馆陶组上段湖积层，由多层中、细砂岩及粘性土互层组成。砂岩多为半胶结、半成岩状态，单层厚度3.75～15.80 m，总厚度205.700 m，该层水温47℃～60℃。我们收集了8眼地热井资料(表1)，井深多在1 100～1 200 m，个别在1 500 m左右，水温多在46℃～50℃，个别在60℃，具体详见表1。

依据地热井及区域地热地质资料，现将馆陶组温热水储层进一步划分为两个亚层。

1)该亚层埋深在1 020～1 200 m之间，属馆陶组上段湖积层，由多层中、细砂岩及粘性土互层组成。砂岩多为半胶结状态，单层厚度3.80～11.70 m，总厚度约86.00 m，该层水温46℃～50℃。根据抽水试验资料，单井出水量720.00 m3/d，单位涌水量72.0 m3/d·m。，渗透系数0.5 m/d，弹性释水系数4.20×10-4。该层是目前原阳县地热开发的主要层位，原阳县大多数地热井成井深度在1 100～1 200 m之间。

表1 原阳县城区部分地热井资料一览表

2)该亚层埋深在1 200～1 500 m之间，属馆陶组上段湖积层，由多层中、细砂岩及粘性土互层组成。砂岩多为半成岩状态，单层厚度3.75～15.80 m，总厚度约119.70 m，该层水温55℃～60℃。根据抽水试验资料，单井出水量720.00 m3/d，单位涌水量25.0 m3/d·m，渗透系数0.1 m/d，弹性释水系数4.20×10-4。

2.3 热水储层

是指水温60℃≤t<90℃的含水层，根据地温梯度推算埋深大于1 500 m。据区域资料，该层热储岩性为细砂、中砂与粘土互层，含水层渗透性好，井口出水温度可达60℃以上。

以上各热储参见图1。

图1 区域热储结构示意图

2.4 新近系承压水的补给、径流与排泄

本区地热水主要来自区外西部远距离山区的大气降水入渗，经深循环加热后侧向径流补给本区。天然条件下，地热流体由西向东或由西北向东南径流。在20世纪80年代中期周边地区开采深部地热流体，地下水位高出地表十余米，处于承压自流状态；20世纪90年代以来由于原阳县地下热水的大规模开发，导致深层和超深层地下水位持续下降，在县城已形成大面积的地下水水位降落漏斗，从而使漏斗周边深层水向漏斗径流，因此，地热水在县域内由周边向县城径流的。区域新近系承压水的排泄目前主要是工业、生活用水；其次为侧向径流排泄。

3 地热水化学特征

3.1 温水储层水化学特征

水化学类型主要为HCO3-Na型和HCO3·SO4-Na型，pH值一般7.6～8.3，属弱碱性水；硬度一般24～239 mg/L，属软水；可溶性总固体一般676.9～835.79 mg/L，属淡水。阴离子以重碳酸为主，阳离子以钾钠为主。H2SiO3含量一般20.8～44.2 mg/L。水质较好。

3.2 温热水储层水化学特征

3.2.1 明化镇组温热水热储水化学特征

水化学类型以HCO3-Na型为主，pH值一般8.2～8.53，属弱碱性水；硬度一般19～275 mg/L，属软水；溶解性总固体一般917.08～989.35 mg/L，属淡水。阴离子以重碳酸为主，阳离子以钾钠为主。H2SiO3含量一般26～44.2 mg/L。水质较好。

3.2.2 馆陶组温热水热储水化学特征

水化学类型为HCO3—Na型，pH值7.9，溶解性总固体630.17 mg/L，偏硅酸(H2SiO3)含量24.83 mg/L，氟离子含量为1.18 mg/L，水质较好。

3.3 热水储层水化学特征

该层地热流体化学类型以Cl-Na型为主，pH值约8.2，属弱碱性水；硬度增加到366 mg/L，属硬水；可溶性总固体约4 662 mg/L。阴离子以氯为主(含量约2 579 mg/L)，阳离子以钠为主(含量约1 600 mg/L)。H2SiO3含量约49.4 mg/L。水质较差。

4 结语

(1)原阳县地处开封—济源凹陷之中牟凹陷之内，第四系及新近系地层覆盖全区，第四系厚度约320 m左右，由粉土、粉质粘土、砂层等交互沉积组成，构成热储的良好盖层；盖层之下为热储层，属新近系明化镇组和馆陶组地层，主要岩性新近系砂岩、泥岩互层，其中的砂岩层裂隙较发育。垂向上，2 000 m深度范围内存在着四个热储层：温水储层、明化镇组温热水储层、馆陶组温热水储层和热水储层。

(2)根据地温梯度推算并结合钻探资料，温水储层(水温25℃≤t<40℃)、明化镇组温热水储层(水温40℃～47℃)、馆陶组温热水储层(水温47℃～60℃)和热水储层(水温60℃≤t<90℃)的埋藏深度分别为：320～800 m 、800～1 020 m、1 020～1 500.00 m和 1 500.00～2 000.00 m。

(3)地热水补给来源主要来自区外西北部远距离山区的大气降水入渗，经深循环加热后侧向径流补给。天然条件下，地热流体由西向东或由西北向东南径流。目前，在县城已形成大面积的地下水水位降落漏斗，从而使漏斗周边深层水向漏斗径流。

(4)温水及温热水储层水化学类型以HCO3-Na型为主，弱碱性水，软水、淡水，其中偏硅酸含量达到医疗热矿水浓度，馆陶组温热水热储水中氟含量达到有医疗价值浓度。热水储层水质较差。

(5)目前，原阳县主要开发埋深为1 000～1 500 m的馆陶组温热水储层地热资源，平原区层状地热往往具有高矿化度的特点，而原阳县该层地热水属淡水，水质较好，显得此类地热资源的珍贵性，要做好相关保护、规划及开发利用工作。

[1]魏庆龙，李东东，等.原阳县天浴洗浴中心地热井项目水资源论证报告书[R].郑州：河南省水文地质工程地质勘察院有限公司.2014.11.

[2]李坷凌，陈蕾，宋丽红，等.新乡东部(原阳县齐街乡)地热资源勘查报告.

[3]河南省地质矿产局.河南省区域地质志[R].郑州：1989.8.

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[5]河南省地矿局水文地质二队.河南省开封凹陷区地热资源调查报告[R].郑州：2007.10.

[6]魏庆龙，李东东，等.原阳县葛埠口乡康源洗浴中心地热井项目水资源论证报告书[R].郑州：河南省水文地质工程地质勘察院有限公司.2015.11.