河南省地温场分布规律及成因机制分析

2020-07-07李腾超王书宏寇正卫

城市地质 2020年2期

李腾超王书宏寇正卫

摘要：河南省新生界地温梯度变化范围2.0℃/100m～4.0℃/100m，总体分布具有由山前至平原，地温梯度渐增，局部存在地温异常，沉积盆地内凸起区大于凹陷区的特点。不同埋深的地温，总体具有由山前向东部平原或盆地边缘向盆地内部渐增的变化规律，高温区往往位于断裂构造发育部位或构造单元的交汇部，地温场成因受所在位置、区域构造、地层组合、岩浆活动及地下水活动的密切影响。

关键词：河南省;地温场;地温梯度;地热

Abstract： The geothermal gradient of the Cenozoic strata in Henan Province ranges from 2.0 to 4.0°C/100m. From the piedmont to the plain， the geothermal gradient gradually increases with the local geothermal anomalies. In the sedimentary basin， the geothermal gradient in the uplift area is more than that of the depression area. The ground temperature at different burial depths generally increases from the piedmont to the eastern plain， or from the edge of the basin to the interior of the basin. The high-temperature region is often located at the developmental location of the fault structure or the intersection of the structural unit. Based on the research of the geothermal data in Henan Province， it is concluded that the geothermal field is closely related to its location， regional structure， stratum combination， magmatic activity and groundwater activity.

Keywords： Henan Province; Geothermal field; Geothermal gradient; Geothermal energy

0 引言

地熱水是宝贵的矿产资源。地热能作为新能源中唯一的地下矿藏，集热、矿、水为一体，具有洁净、易开采、用途广泛等特点，受到世界各国的广泛重视。开发利用地热水资源，在改善生态环境，提高人们健康水平，促进相关产业经济发展，扩大就业等方面，具有显著的经济、社会和环境效益，是构建“资源节约型、环境友好型”社会提倡的矿产资源。

河南省横跨华北和扬子（华南）两个地层区，地层发育齐全，从太古界到新生界均有出露。地质构造跨越中朝准地台和秦岭褶皱系两个一级大地构造单元。河南省大地构造形态上有隆起区、坳陷区之分，隆起区构造复杂，地下水径流较强烈并参与地温场形成，地面有温泉出露，地热田规模不大，有条带状、层状热储，坳陷区一般为层状热储，面积分布广，构造较为简单（河南省地质矿产局，1989;徐连利等，2004）。

本文在收集整理大量河南省地热资料的基础上，对河南省新生界的地温梯度以及不同深度地温场分布规律进行研究，并分析了地温场分布规律与区域构造、地层组合、岩浆活动及地下水活动的联系。

1 地温场特征

1.1 恒温带特征

本次恒温带深度及恒温带温度的确定，主要依据以往实际测量的恒温带数据，结合已有地热地质调查、普查、研究成果及当地年平均气温资料而综合确定，各地恒温带温度与深度见图1。

1.2 地温梯度特征

自恒温带以下，深度每增加100m，温度增加的度数称地热增温率，即地温梯度。根据确定的恒温带温度、深度及取水段平均深度或井底深度，实测井口或井底温度（文中计算地温梯度皆为井口温度），利用下式计算地温梯度（徐连利，2006）。

G=100×（T-T0）/（Z-Z0）

式中：G为地温梯度（℃/100m）;T为井口温度或井底温度（℃）;T0为恒温带温度（℃）;Z为取水段平均深度或井底深度（m）;Z0为恒温带深度（m）。

（1 ）平面分布规律

本次工作收集了区域、城市地热地质工作中测温数据及石油钻孔测温资料，区域涵盖河南省新生界14个地市的331眼地热井。测温井孔深度为350～1400m，通过计算该段的地温梯度平均值，绘制新生界地温梯度等值线图（图2）。新生界地温梯度变化范围2.0℃/100m～4.0℃/100m，总体分布具有由山前至平原，地温梯度渐增，局部存在地温异常，沉积盆地内凸起区大于凹陷区的特点。分布形态主体呈NW-NWW向，其次为NE-NNE向。

沉积盆地地温梯度一般2.5℃/100m～4.0℃/100m，分布相对均匀，但不同构造单元略有差异。华北盆地（河南部分）内黄凸起、荷泽凸起、通许凸起等凸起区地温梯度值相对较高，一般3.0℃/100m～3.75℃/100m。济源开封凹陷、周口凹陷地温梯度一般3.0℃/100m～3.5℃/100m。汤阴断陷、东明断陷、平舆凸起、驻马店凹陷及潢川山前拗陷一般小于3.0℃/100m;山间盆地中，灵三断陷及洛阳坳陷地温梯度一般3.0℃/100m（河南省地质环境监测院，2008）。坳陷盆地内，通许凸起及周口凹陷两构造单元的内部（通许—尉氏—漯河、太康西南部）、周口凹陷沈丘南部及汤阴断陷、内黄凸起和开封凹陷交汇部（新乡东南、原阳—延津一带）和南阳盆地魏岗一带，地温梯度均大于3.5℃/100m（鄢陵附近梯度值达4.19℃/100m，新乡市东南洪门一带地温梯度4.01℃/100m、新乡滑峪地热梯度为4.0℃/100m，南阳盆地魏岗一带平均在4.0℃/100m左右），为高地温梯度带，属高温异常。

南阳盆地总体来看，地温梯度呈现西低东高、南北高中部低的特征。南阳市区至唐河以西的中部地区，地温梯度值3.5℃/100m～4.0℃/100m，其中南阳市区的最高值达到4.68℃/100m，西部外围地区新生界相对薄，地温梯度值小于3.0℃/100m。这是由于南阳盆地基岩埋深整体表现为南深北浅、向南倾伏的形态，南阳市区正处于盆地北部斜坡带前缘，且下伏的下元古界秦岭群雁岭沟组大理岩导热条件较好，因此使得该部位成为高地温梯度带。

隆起山地的前缘地带，由于新生界沉积厚度薄，基岩埋藏浅，地下水循环距离较短，水交替迅速，地温梯度一般小于2.5℃/100m。如焦作一带（热储层主要为奥陶—寒武系灰岩）地温梯度0.67℃/100m～2.0℃/100m，存在低温异常。但在断裂构造发育的局部地带，如济源北部省庄、新乡北站、郑州西南及新郑矿区等地，由于构造复杂，导水、导热断裂构造发育，存在高温异常，局部有温泉出露。

（2 ）垂向变化规律

新生界地温梯度垂向上随新生界厚度增加而呈现小—大—小的变化规律。厚度小于1000m时，地温梯度相对较小（一般小于3.2℃/100m），厚度在1000～2000m时，地温梯度大（一般2.8℃/100m～3.5℃/100m，大者在4℃/100m以上），2000m以上地温梯度随新生界厚度增加逐渐变大，厚度大于2000m时，随深度增加又有逐渐减小趋势。

总体来看，地温梯度值具有随深度增加而降低的规律，局部地段也存在地温梯度随深度增加而增大的现象（河南省地质局水文地质管理处，1981），主要是由于随着埋深的加深，下部地层在上覆地层的重力作用下，逐渐压密，孔隙率变低，热传递作用变好，热渗透率变强的缘故。

1.3 地温分布规律

根据河南省各地的平均地温梯度分别计算埋深1000m、2000m、3000m及4000m处的地温，绘制的不同埋深的地温等值线图。

1.3.1 地温平面分布规律

不同埋深的地温，总体具有由山前向东部平原或盆地边缘向盆地内部渐增的变化规律，高温区往往位于断裂构造发育部位或构造单元的交汇部，其相应的大地热流值也较高（张德祯，2015），山前地带地温一般较低。

（1）1000m埋深地温

地温变化范围40℃～50℃（图3），50℃以上的高温区有3块，分别位于通许凸起、开封凹陷、南阳盆地，其中最大的区域位于通许凸起内，大致范围：开封南至漯河市、许昌市至太康范围内;其次位于新乡市东南至开封的西北东南条带以及南阳盆地的南阳市区—唐河一带。高温分布区域断裂构造较发育，鄢陵县城附近地温高达55℃。各构造区边缘及构造区西部山前斜坡地带，灵宝、洛阳、太行山前的济源—焦作—辉县以北地区地温较低，一般低于42℃;桐柏大别山前的驻马店—正阳息县—潢川固始一线西南，地温最低，一般低于40℃，最低37.2℃。

（2）2000m埋深地温

地温变化范围一般60℃～92℃（圖4）。超过85℃的高地温区主要分布在通许凸起内的开封以南、漯河以北、许昌以东、周口以西的区域;延津县—开封市一带以及南阳盆地南阳市—新野东北部。灵宝、洛阳附近地温71℃～76℃;太行山前一带，地温较低，一般地温66℃～70℃;桐柏—固始一线的西南山前，地温一般小于60℃，最低57.4℃。

（3）3000m埋深地温

地温变化范围一般80℃～126℃（图5）。大于110℃的高地温区依旧是通许凸起、开封凹陷、南阳盆地三个区域，分布范围分别位于通许凸起的漯河—周口一带，新乡—开封—民权一带以及南阳盆地南阳市—新野—唐河。灵宝、洛阳附近为98.9℃～109.3℃，太行山前济源—焦作以北地温小于90℃;桐柏—固始一线的西南山前，地温一般小于80℃，最低77.6℃。

（4）4000m埋深地温

地温变化范围一般98℃～162℃（图6）。地温大于140℃的区域仍然是通许凸起、开封凹陷、南阳盆地三个区域，分布范围分别位于通许凸起的漯河—周口一带，开封—民权一带以及南阳盆地南阳市—新野—唐河。太行山前济源—焦作—安阳以北地温小于110℃;桐柏—固始一线的西南山前，地温一般小于98℃，最低97.2℃。

1.3.2 地温垂向变化规律

垂向上地层地温随深度增加而增大。100m埋深处地温为18℃～20℃，300m深地温22℃～29℃，1000m深地温40℃～58℃，2000m深地温60℃～89℃，3000m深地温80℃～126℃，4000m深地温大于90℃。即：温水一般埋藏深度为300～1000m，温热水一般埋藏深度1000～2000m，热水一般埋藏深度2000～3500m，中温地热流体埋藏深度一般大于3500m。

2 地温场成因分析

地温场的形成、空间分布及特性与所在位置、区域构造、地层组合、岩浆活动及地下水活动有密切关系（王继华等，2009）。

（1）地质构造的影响

河南省地跨中朝准地台和秦岭褶皱系两个一级大地构造单元。中朝准地台基底主要为线性褶皱，盖层为宽缓的褶皱和断块隆起、坳陷。构造线方向大致以新乡-商丘断裂为界，以北为北北东向，以南为呈北西西向、北西向或近东西向;秦岭褶皱系为一长期活动的复杂构造带，总体为北西西向的线性褶皱，褶皱系内深大断裂及断（坳）陷盆地发育（张满波等，2008）。隆起区地热异常点（带）多受断裂构造的控制，异常点或出露于断裂带附近，或出露于断裂交汇部，断裂构造的性质、规模、活动强度影响地热异常点（带）的分布范围和形态;坳陷区内活动性断裂和深大断裂发育部位，如新乡-商丘断裂、太行山东麓深断裂、聊兰断裂等，为导热通道，具有较强的导热作用，沿断裂形成如新乡洪门、新乡延津及通许-尉氏-鄢陵-漯河等地热异常带，地温梯度大于3.5℃/100 m。

（2）基底起伏的影响

热流总是向着利于传导的方向运动，大地热流在运动时也遵循同样的规律。隆起区岩层结晶程度高，构造发育，相同岩层的热导率高于坳陷区，导致热流在隆起区汇集（刘洪战，2016）。如平顶山矿区为一构造隆起，其北为襄城坳陷、南为叶县坳陷，矿区一般地温梯度2.6℃/100m～4.1℃/100m，最大5.5℃/100m，其南侧叶县坳陷地温梯度2.52℃/100m，仅为矿区的55%，热流在矿区富集。又如新郑矿区的大隗断层两盘，同一水平其上盘温度比下盘低20℃，明显受到隆起断陷影响，也是基底隆起热流富集的一个例证。坳陷盆地基底以古生界为主，其次为元古界及太古界，新生界盖层厚度最大超过7000m。盆地内，凸起区由于高热导率的结晶基岩较凹陷区埋藏浅，地下深处的热量易于向上部传递，因此，地温梯度一般较凹陷区大，且浅部地层温度高于凹陷区同深度温度;而由于盖层较薄，热量易于散失，在基岩内部较深处，地温则低于凹陷区同深度地温。通许宾馆和河大新校区地热井分别位于通许凸起和开封凹陷区。前者井深1276m，水温55℃，地温梯度3.72℃/100m;后者井深1250m，水温52℃，地温梯度3.37℃/100m，二者深度大致相当，但因所处构造单元及基底起伏状况不同，温度和地温梯度均有差异。同样通许一带大地热流值也高于开封。

（3）盖层厚度的影响

盖层通常是指新生界和中、古生界的松散，碎屑沉积岩层，它们热导率偏低，一般小于3W/m·k，隔水层发育，具有一定厚度时，可起到隔热、保温作用，利于热储大面积形成。如果盖层过薄，或为秃顶构造时，凸起区的地温等值线为下凹曲线，而凹陷区为上凸曲线;有盖层时，在热平衡线以上，隆起区的温度、梯度，明显高于坳陷区同一深度的相应值。

老鸦陈断层为北西-南东方向穿越郑州地热田的张性正断层，其西盘上升，东盘下降，断层落差400m。位于其上盘的郑热40号井热储埋深800m，井底温度42℃，梯度3.33℃/100m，下盘的郑热2号井热储埋深600m，井底温度37℃，梯度3.62℃/100m，可见在有600m以上的松散盖层时，隆起热储地温高于坳陷区同一深度的热储温度。再如平顶山矿区，濮阳地热田等也都具有厚度大于500m的盖层。

新郑矿区为一受大隗断层、八千背斜控制的向南东仰起的背斜构造，在新郑市区东南部，灰岩热储隐伏出露，露头部位松散层盖层厚度350～430m。由于缺少上古生界碎屑岩层的覆盖，灰岩露头内外奥陶系顶界温差3℃～5℃，局部相差更大，这是由于盖层过薄造成的。在具有高热流值的滹沱背斜轴部没有形成新郑矿区最高的地温块段，也受这一因素影响。

河南省内具有一定价值规模地热田的热储埋深度一般大于500m。如果盖层过薄则热量有损。断裂型热储受盖层的影响，一般仅限于规模上，即热储层在横向扩展幅度方面受影响，盖层面积大且厚，则形成规模较大的地热田，反之，较小并且多呈条带状。

（4）岩浆作用的影响

从火成岩演化特征知道，省内火成巖侵入，喷发活动较为频繁，但大多发生在新生代之前的构造活动中，新第三纪上新世之后，基本没有岩浆活动。单从余热效应考虑岩浆活动意义不大（河南省地质调查院，2015）。新生代规模较大的活动是晚喜马拉雅山运动时火山活动，形成沿太行东麓深断裂与伊河断裂的基性活山岩，规模不大，在伊河断裂玄武岩实地测温时，没有发现地温异常;在鹤壁的五岩山的玄武岩喷发岩体附近也没有发现地温异常;其他的火成岩体的余热迹象也没有发现，因此可以推断，河南省境内一般没有岩浆余热影响下的地温场的正异常。但在鹤壁浮山玄武岩出露区，局部地温呈现高温异常。

（5）岩层的影响

通常情况下，泥岩砂质泥岩段的热导率低、热扩散率低，对热传导是一种阻碍作用。例如在有盖层隆起区的新郑矿区，地层的热导率、热扩散率由大到小的顺序为寒武系、奥陶系石炭系、二叠系，山西组以上地层的地温梯度为1.92℃/100m～5.35℃/100m，太原组为2.17℃/100m～7.81℃/100m，奥陶系界面以下为0.68℃/100m～4.40℃/100m等，可见岩层结晶程度高、易于传热，因此地温梯度变化相对较小。

（6）地下水活动的影响

地下水易于流动且热能量大，是热能的良好载体，在不断运动中，通过吸收和释放热量，对围岩地温场有明显的影响，主要表现在以下方面：

冷却降温作用：在补给充沛、地下水径流强烈的地区，补给的地下水温度较低，因水交替强烈，没有充分的加热过程，在径流时不断补充的新冷水吸收围岩的热能，把岩体的热能带走，降低地温，水、岩之间未达到温度平衡，地下水起着冷却降温的作用（王心义等，2010）。因此，即使有较高的热能背景，也难以形成好的储热块段。如太行山南麓的焦作-辉县就属于这种类型，因岩溶裂隙、溶隙发育，地下水径流畅通，地温梯度普遍较低。

深循环热水对围岩加热作用：深循环的地下水，经加热之后，在地质构造有利条件下，如沿高角度的断裂带或急倾斜的透水地层上涌至浅部或出露于地表时，可携带出巨大热量。水在上涌过程中，由于流动速度快、温度高，水温大于岩温，起到对围岩加温的作用，在热水上涌通道附近形成局部的热异常，隆起山地出露的温泉均属此现象。热水沿裂隙上升后，如上部有一定厚度的盖层，地下热水呈层状流动，富集于低凹盆地，可形成面积较大的热水异常带，如新郑矿区，地温梯度最高处达7.9℃/100m。

动态储热作用：坳陷盆地区，地下水为盆地形成时保存下来的封闭水，或为沉积形成后，经漫长的地质年代、通过各种途径入渗至热储层中的大气降水，水岩温度已达到平衡，水温即为岩温，具有径流途径深远、滞缓、具承压的特点。因为地下热水为流动性的弹性体，可动态储热，一旦富集，可增加该块段的地热资源量，储热量远大于其赖于存在的空间储热量。

在西部岩浆岩出露地区，热量早已散发殆尽，一般表现为次级断裂的带状热储以及点状热储，一般以温泉出露为表现形式。在东部沉积盆地区域由于大量的第四系、第三系盖层覆盖，形成大面积的层状热储。如在开封凹陷区域地热系统是传导和对流双重影响的结果。地球内部的热经传导至中元古界下部;中元古界至新生界古近系经历了多次构造运动，其间断裂、裂隙发育，来自西部山区并赋存于灰岩中的地下水经加热增温，沿着断裂和裂隙上升至古近系顶部，此时对流起主导作用;古近系顶部的热水受弱透水层的阻碍而又以传导的形式对新近系及以上地层施加影响。

3 结论

本文在前人工作成果的基础上，对河南省新生界的地温梯度以及不同深度地温场分布规律进行研究，得出以下结论：

（1）河南省新生界地温梯度变化范围2.0℃/100m～4.0℃/100m。总体分布具有由山前至平原，地温梯度渐增，局部存在地温异常，沉积盆地内凸起区大于凹陷区的特点。垂向上随新生界厚度增加而呈现小—大—小的变化规律，界线为2000m左右。

（2）地温平面分布规律为不同埋深的地温，总体具有由山前向东部平原或盆地边缘向盆地内部渐增的变化规律，高温区往往位于断裂构造发育部位或构造单元的交汇部，其相应的大地热流值也较高，山前地带地温一般较低。

（3）地温场分布规律与所在位置、区域构造、地层组合、岩浆活动及地下水活动有密切关系。

参考文献：

河南省地质局水文地质管理处， 1981.河南省地热资源调查研究报告[R]

河南省地质矿产局， 1989. 河南省区域地质志[M].地质出版社.

河南省地质环境监测院， 2008.河南省地热、矿泉水资源调查评价报告[R]

河南省地质调查院， 2015.河南省地热资源调查评价与区划报告[R].

刘洪战， 2016.河南省地热资源承载力评估[J].能源技术与管理，41（6）：169.

王继华，赵云章，郭功哲，2009.关于河南省中深层地热资源勘查和井群规模性开发问题[J].人民黄河， 31（9）：47-49.