洛阳市南部区地热地温场特征及影响因素研究

赵 东, 王海亮

(河南省煤田地质局二队， 河南 洛阳 471023)

0 前言

洛阳市南部区龙门地热田开发利用始于1972年的地热勘查。该区地热以张沟村玉隆苑地热井所在区域为高温中心向四周不断发展，西部边界为龙潭沟断层(F5)，东部边界至经周断层，南部边界至嵩山背斜分水岭，北部边界至伊河断层(F3)。到目前为止区内共有地热井约20余口，出水温度41～98.5℃。

本区自上世纪50年代以来进行了较为系统的地质勘查等工作，在区内勘查与地热调查研究基础上，本文进一步分析了洛阳南部区地热田地热地质条件，针对地温场特征及因素分析，对本区地热成因作更深一步的研究，其结果必然对今后合理而科学地开发利用洛阳地热具有更好的指导意义。

1 地热地质背景

1.1 区域地质背景

洛阳地处华北地台的南缘。地层区划属华北地层区嵩箕地层小区。区内缺失奥陶纪下统、志留系、泥盆系、石炭系下统及侏罗系、白垩系外，自太古界登封群—第四系均有出露。太古界、元古界及古生界寒武系出露于区内南部，二叠系、三叠系出露于区内的中部，新近系及第四系广布于区内北部。

区内大致经历了中条、少林、加里东、海西、印支、燕山和喜马拉雅等多次构造运动，形成嵩山背斜及首阳山断层、草店断层、五指岭断层、嵩山断层、龙潭沟断层、伊河断层等，他们规模大，切割深，形成区域上的控热构造和导热构造(图1)。根据区域地热地质资料综合分析，洛阳盆地及周边的热储层主要有寒武系灰岩岩溶裂隙含水岩组，新近系古近系碎屑岩孔隙含水岩组和砂岩裂隙含水岩组，属层状热储；断裂破碎带热储，属带状热储。其中以岩溶裂隙热储和断层破碎带热储开采价值最高。

图1 构造纲要图

1.3 洛阳市南部区地热地质条件

根据区内构造分析，对本区地热有影响的主要为龙潭沟断层、草店断层及伊河断层，热储盖层为二叠、三叠系的砂泥岩及新生界松散层。

深大断裂为热水的运移通道，地下水以深循环形式经深部加热获取热量，沿断裂带上涌至地表或浅部，沿导热地层或导热断层通过对流或传导的方式输送热量，温度多以沿断裂带较高为特征，而以其为中心通过热储层向周边进行热流输送中，必然要进行热交换而造成热损耗，使地热流体温度相应降低。其中龙潭沟断层区域上属岸上-襄郏断裂中段，根据近期地热井钻探揭露资料分析，该断裂位于区西部边界马营村至丰李东部一线。该断层控制了本区地热资源的形成及分布，甚至洛阳盆地西部及周边地热的形成和发展均受该断裂的影响。

龙潭沟断层(F5)：区域上为岸上-襄郏断裂，该断裂西起新安县城西南，向北进入山西境内，向南则穿过洛河河谷，经伊川、临汝至郏县南，全长125km，断裂走向300°～315°，倾向北东。该断裂控制了洛阳盆地西部边界，具有多期活动的特点，是龙门地热田的主要控热-导热构造。

草店断层(F1)：走向北西，倾角南西，倾角65°～70°，具左行走滑特征出露长度8km，向北西方向没入洛阳盆地内。此断层具多期活动的特征，落差大于1 500m，是龙门地热田的控热-导热构造。

伊河断层(F3)：走向北东东，倾向北北西，倾角70°～75°，出露长度7～8km，它控制着洛阳盆地的南部边界。该断层在西邻的宜洛煤田称为锦屏山断层，向东延伸切割龙潭沟断裂及草店断层后，称为伊河断层。断层走向北东东，倾向北北西，倾角70°～75°，为一南升北降的正断层，落差西部大于2 000m，东部小约1 000m，该断裂属张性正断层，控制了热储层的空间分布，又在后期活动中其断裂带及其影响带岩石破碎，裂隙发育，构成地热流体的储集空间，起着控热-导热的作用。

2 研究区地温场变化特征

2.1 地温场背景

地球内部所蕴藏的丰富热能在温度差的驱动下主要通过地层或断层等介质向地表流动、散失，形成了地球的热场，简称地温场。

本区在漫长的地质历史时期，曾经历了多次强烈的构造运动。尤其是在印支-燕山旋回后期至喜马拉雅运动期(新构造运动期)，地幔隆起，地壳变薄为本区局部地温场的升高创造了较好的构造地质条件。其中燕山运动发生在侏罗纪-白垩纪，在华北主要表现为：强烈的褶断运动和断块运动及大规模的岩浆活动；喜马拉雅运动在区域内主要表现为升降挠曲和断裂活动，早期东西向、北西向及北东向断裂复活，在此基础上形成了一系列东西向或北西向新生代断陷盆，局部常有基性岩浆沿断裂喷发，如河南省内沿岸上-襄郏断裂分布的大安及渑池段村四龙庙基性玄武岩，沿此北西向断裂带分布着龙门镇、温泉镇等许多温泉及地温异常区，说明岩浆活动的发生，尤其是新构造运动期岩浆及侵入活动对本区大地热流值的影响极大，为区内局部地温场的升高提供了热能来源。

2.2 研究区大地热流值特征

大地热流值是地球内热在地表唯一可以量测的物理量，比其他地热参数更能确切地反映某个地区地温场的特点。大地热流值的计算结果相当于岩石热导率和垂向地温梯度二者相乘之积(q=Κ·γ，γ为地温梯度，Κ为岩石热导率)。

2.2.1 地温梯度值的计算

热储温度是指深部热储层的温度。本次采用物探测井在地热井中直接测量热储层温度同时参考区内各热水井出水温度，利用恒温带深度、温度以及井底温度、深度，计算本区内各地热井的地温梯度。(计算结果详见表1)，计算本地热井的地温梯度。地温梯度计算公式为：

γ=(T-T0)/(H-h) ×100

式中：γ——地温梯度，℃/hm；

T——井底温度，℃；

T0——恒温带温度，东部伊河即龙门口断层(F6)以东根据李村深部煤详查稳态测温成果取值19.4℃，以西高温区附近取值依据实际测井成果；

H——井底深度，m。

h——恒温带深度，东部伊河即龙门口断层(F6)以东根据李村深部煤详查稳态测温成果取值40m，以西高温区附近取值依据实际测井成果；

经计算本区内地热井地温梯度为0.90～6.67℃/hm ，西部高温区附近地温梯度值3.03～6.67℃/hm，>3℃/hm，高于区域正常值，属地温梯度异常区。其它区域则<3℃/hm，属地温梯度正常区。

表1 研究区部分地热井地温及地温梯度计算成果一览表

2.2.2 大地热流值的计算

根据中国大地热流构造分区，洛阳属于华北-东北构造区，为华北板块陆内区，大地热流值为59～63mW/m2。本区地热开发自上世纪70年代开始至今已将近50年，然而对大地热流值的计算和研究则几乎是零，主要是大部分为私人开发，对岩石热导率等参数的测试不重视或根本就没考虑到。本次大地热流值计算中新生界岩石热导率取值根据《地热资源勘查评价与开发利用新技术手册》中经验值予以确定，新生界热储层主要为黏土、砂、砾岩、砂岩、泥岩等，岩石热导率K取值约为2.0W/m·K，据此计算西部高温区大地热流值为94～133.4mW/m2，均高于构造区内大地热流正常值，1号地热井附近则高于133.4mW/m2，表现为明显的地热异常区；而其他区内大地热流约为41.4～42.6mW/m2，低于构造区内大地热流正常值，东南部基岩出露及热储浅埋区约为12.6则最低。

2.3 地温场平面特征

根据对本区地热井测温资料并结合区内各热水井出水温度，结合地热田构造、热储组合特征等绘制出区内寒武系灰岩热储层顶界面等温线图(见图2)，地温场显示西部F8与F3和草店断裂交汇区形成高温异常区，中心最高温度98.5℃，地温从中心区向边界方向逐渐降低。通过对本区地温梯度及大地热流值的成果分析均显示与这一地温平面分布特征完全相符。

这一地温分布特征揭示了本区地温场的平面分布受北西向龙潭沟深大断裂控制，该断裂为区域性控热断裂，在区内西部与F1和F3断裂相交，沟通了深部热源， 热水受北部及西部巨厚中生界及新生界隔水岩层的阻隔上升形成洛阳市南部地热田的高温区， 并由此一部分沿F5、 F1夹持的段块向南东方向径流，另一部分则通过F3、F1断裂向东部径流，其它则以传导的方式向北、西方向扩散。反映出天然状态下含水层在这些部位吸热后水体被加热，而后温度向四周传递扩散。

2.4 地温场垂向特征

根据本区钻孔的地温梯度，新生界底面是个明显的热物理界面，其上的新生界岩层热导率低，导热性差，地温梯度的平均值较高，为区域地热盖层，一般为2.07～4.8℃/hm ，以下三叠至二叠系和石炭系岩层导热率稍高，导热性稍好，地温梯度平均值较之新生代该层相对较低，地温梯度至则保持在0.92～4.33℃/hm ，而区内主要储热含水层寒武系灰岩，导热率高，导热性好，地温梯度最低，当钻孔揭露该储层界面时地温会突然升高，而地温梯度则陡然下降，区内有5孔揭穿中寒武灰岩岩溶含水层，根据测温成果(表1)，该热储层地温梯度为0.9～2.5℃/hm，地温梯度至则保持在0.9℃/hm。根据7号及8号孔测温成果分析，本区寒武灰岩有两个温度拐点，第一个拐点在上寒武顶界面，第二个拐点在穿过下寒武中的泥岩及灰岩互层曾为后于中寒武张夏组灰岩顶界面处，地温会突然升高，而后储层内温度变化平缓，地温保持在46～47.5℃。以上层位地温梯度均表现为高温区为高值，其它则沿径流方向逐渐降低，至伊河即龙门口断层(F6)以东最低，为0.9～1.1℃/hm。

综合区内测温井、孔资料分析，其地热垂向上具随深度增加而增大的规律，地热田大部分具有松散盖层，区内测温曲线反映出垂向上地温随深度增温具有明显的规律，但热储层内垂向地温梯度值相对较低，而盖层垂向地温梯度值相对较高。

3 影响地温场变化规律的因素分析

通过对本区地温场变化特征的研究和分析，影响区内地温场变化的主要因素为地质构造、地层岩性、水文地质条件、盖层厚度及深大活动断裂等。

3.1 基底构造形态对地温场的影响

根据研究表明大地热流值分布与基底构造形态密切相关，隆起区为相对高热流区，坳陷区为相对低热流区。区内西部为龙门凸起为嵩山背斜西部边缘地带分布有巨厚的寒武系灰岩热传导层，较厚的盖层，且发育有F5、F3、F1活动性大断裂热传导速度块，地温、大地热流值明显偏高，极易储积较高热能形成温泉；而在东南部嵩山(本区名为“万安山”)背斜北翼，虽然亦为凸起，但由于基岩裸露，地下热能无法储积，形成地温、大地热流值低值区，而由此向北嵩山背斜北翼深埋区，地温、大地热流值逐渐升高，本区的这种特点总体上符合隆起区为相对高热流区，坳陷区为相对低热流区的规律。

3.2 地层岩性对地温场的影响

区内自太古界登封群-第四系均有分布。太古界、元古界及古生界寒武系出露于区内南部，二叠系、三叠系出露于区内的中部，新近系及第四系广布于区内北部。不同岩性地层，其物理性质有较大差异，从而引起不同的地温场。

区内盖层中新生代地层由于其岩层热导率低，在不同的构造部位，地温梯度的变化极为明显，但均显示为高的地温梯度之，其中新生界松散层、古生界二叠系及三叠系砂泥岩地温梯度较高，而古生界巨厚的寒武系灰岩热导率高，地温梯度值相对低些。

3.3 水文地质条件对地温场的影响

本区地下水的运动对地温场的影响较为明显，东南部嵩山背斜北翼古生界寒武系灰岩大面积出露，岩溶发育，降雨入渗补给条件好，接受大气降水及地表伊河水补给，冷水下渗补给地下水，一部分由东向西径流，另一部分则由南向北径流一定程度上降低了区内地层的温度，造成研究区东部强径流坳陷区形成大地热流低值区，该区地下水在向西径流的过程中与西部高温区地下热水交接，由于热损耗相应较大，降低了西部高温地热流体的温度，造成区内地温梯度的降低。

从图2可清楚的看出，地温等值线分布表现为向东部及龙门石窟伊河流经处即龙门山口断层所在区域尤为密集，西部高温区相对稀疏的特点。显示高温区向东地温迅速降低，西部高温区内虽亦显示向南东方向有降低的趋势，但地温变化相对缓慢，说明地热田东部为地下冷水及地表伊河水补给区，西部为热水供给区，尤其是龙门山口断层由于其导水性好，在接受东南部地下冷水侧向补给的同时，又接受伊河水的直接渗漏补给，成为本区东、西部地热的明显的地下分水岭。

3.4 深大活动性断裂对地温场的影响

根据以上研究区内，F5、F3、F1活动性大断裂交汇区，沟通了深部热源，形成洛阳市南部地热田的高温区，而后温度向四周传递扩散。显然F5、F3、F1活动性大断裂对本区地热场变化起到了绝对控制作用。同样东部区内由南向北，接近伊河断层表现为地温梯度、大地热流值逐渐升高的趋势，表现出伊河断层对区内地热有较大的影响。

3.5 盖层厚度对地温场的影响

研究区东部由南向北新生界盖层厚度0～750m，地温、大地热流值则相对偏低，且明显表现为南部万安山凸起区大地热流值为最低，向北逐渐升高。西部高温区由东南龙门山基岩露向西北伊河断层盖层厚度约0～1 300m，地温、大地热流值向西北逐渐升高。以上充分说明较厚热传导率低的盖层，能起到较好的保温作用，厚度较小则不利于热量的储存。

4 结论

区内地热资源的勘查和开发由来已久，对其地热资源地质特征及成因的研究也较为深入，但限于前期实际钻孔资料相对较少，理论上对地温场特征的探讨虽较完善，定量分析则相对少些，本次根据较多的测温、地热地质勘查及调查成果对本区地温场特征及影响因素作了详尽的分析和论述，解决了以往对此工作所留下的疑问，为今后合理而科学地开发利用洛阳地热具有更好的技术指导意义。

①研究区地热地温场的平面特征是西部龙潭沟断裂(F5)、F3和草店断裂(F1)交汇区形成高温区，由此向东及东南方向由于受构造、地层岩性及水文地质条件等的影响地温及地温梯度值均表现为逐渐减低；垂向特征是随埋深加大地温升高但热储层内垂向地温梯度值相对较低，而盖层垂向地温梯度值相对较高。

②影响区内地温场变化的主要因素为地质构造、地层岩性、水文地质条件、盖层厚度及深大活动断裂。

③通过对本区地温特征的研究确定西部高温区大地热流值为94～133.4mW/m2，均高于华北-东北构造区内大地热流正常值，表现为明显的地热异常区；结合实际地热钻探，进一步验证了龙潭沟断裂对本区地热的影响和控制。

④龙门山口断层由于其导水性好，成为本区东、西部地热的明显的地下分水岭。