地质构造对黄河下游(河南段)地热分布的影响分析

齐玉峰，王文娟，李尧

(1.河南省地矿局第二地质环境调查院，河南 郑州 450053； 2.河南省地热能开发工程技术研究中心，河南 郑州 450053)

黄河流域与黄河所经地区在国家发展中具有极为重要的战略地位，河南省是黄河流域的第一人口大省和全国的第五经济大省，黄河流经三门峡、济源、焦作、洛阳、郑州、新乡、开封、濮阳8 市中的26个县(市、区)[1-2]。河南省黄河下游的郑州市、新乡市、开封市是我省经济最发达地区，也是地热开发利用程度较高的区域。由于对该区域地热资源时空分布及形成规律了解不透彻，导致在开发利用的过程中出现了诸多环境地质问题。

地热资源时空分布及形成规律与地质构造关系密切，本文将从此处入手进行研究。前人针对地热与地质构造的关系，已经进行了大量的研究工作：姜宝良等[3]通过对豫北两处地热区的地质背景分析，认为在数条深大断裂带的交汇部位，地下热岩浆与沿断裂破碎带渗入地壳深处的大气降水接触后可形成地热水；余晨[4]通过分析地质构造、钻探、水文地质以及水文地球化学资料，认为五龙口地热区内主要构造为盘古寺断裂带和五龙口断裂带，其分布严格受断裂的控制；王贵玲等[5]在总结研究鄂尔多斯及其周缘断陷盆地地质构造特征的基础上，定性分析了大地热流、地温梯度和地温场分布与地质构造的关系，认为鄂尔多斯周缘地质构造控制着地热资源的形成；赵亚娟等[6]通过分析河北牛驼镇地热田展布形态、热储特征、地温场分布特征，进而探讨了地幔热柱控制下其热源的形成、运移及其地热田的形成；李建鸿[7]根据次级断裂构造是江西省宁都县龙归山的主要导水、导热构造这一找矿理念和找矿模式，在次级断裂构造的延伸方向上进行详细的勘查，取得了较好的找矿成果；高亮等[8]基于晏家屯断裂带附近两口地热井的地质编录、测温和化验等数据，结合煤炭勘查资料，探讨了晏家屯断裂带对邢东地热田的控制作用，认为晏家屯断裂带控制了邢东地热田的西部边界；罗绍强等[9]结合区域地质背景和地热田地质及地球物理场的研究成果，分析了查孜地热田地热资源的形成背景、赋存条件和分布规律。

本文以区域地热地质调查、资料收集和分析为基础，探讨活动断裂构造对河南黄河下游热储温度分布的影响及其与地热分布的关系，为今后河南省黄河下游地热开发利用产业化提供技术及管理依据。

1 黄河下游主要的隐伏活动断裂构造

河南黄河下游地热类型主要为沉积盆地埋藏型，热储岩性以新生界砂岩为主。基底地层由前新生界寒武系、奥陶系、二叠系、侏罗—白垩系组成，与上覆新生界地层呈角度不整合接触。自新生界以来，地壳下沉，接受巨厚层的沉积，沉积物厚度一般在3 000 m左右，凹陷区厚度达6 500 m左右，凸起区高度也有2 000余米。古近系和新近系岩性为黏土岩、砂质黏土岩、砂岩、砂砾岩，其层位和厚度受古地形影响，产状近于水平。基底断块被北东、北西和近东西向3组断裂切割为不同的次级断块构造格局，为典型的新华夏“多”字形构造。黄河以北，北北东向断块最为发育；黄河以南，北西西向断块发育。河南省黄河下游主要深大断裂见表1，基底断裂分布如图1所示。

新近系在新商断裂以北的底界面埋深为1.1～1.5 km，在郑州—兰考断裂以北、新商断裂以南的底界面埋深为1.5～2.1 km，在郑州—兰考断裂以南的底界面埋深为1.1～1.8 km；古近系在郑州—兰考断裂以北、新商断裂以南沉积厚达3 km，其底界面埋深为4～5 km，在新商断裂以北的底界面埋深为2.4～3.4 km，而在郑州—兰考断裂以南，可能缺失古近系。

续表

图1 河南省黄河下游基底断裂图

2 活动断裂构造对热储温度分布的影响

河南省黄河下游属中朝准地台的南部，二级分区则为华北台坳的中南部，由于基底构造及断裂活动影响，形成一系列次级断(坳)陷盆地和断块隆起[10]，新生代以来，岩浆活动微弱，地热资源形成与岩浆活动的关系较小。但是，在俯冲碰撞造山后的板内演化阶段，由于碰撞造山后的伸展作用，自白垩纪开始区域性断块作用极其强烈，深大断裂发育，并发生继承性活动延续至新近纪时期，第三纪时期沿断裂带的岩浆活动、新生代断陷盆地的发育、第四系被错断、近代地震活动等充分说明第四纪时期河南黄河下游断裂继承性活动强烈。

河南省黄河下游区域内活动性断裂发育，来自河南省黄河下游区域外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，古近系顶部的热水受弱透水层的阻碍对新近系及以上地层施加影响[11]，具备了形成地热异常的优势条件。

河南省黄河下游区域热储温度分布与区内构造关系密切，高温热储分布区恰好位于基底构造较发育的开封和兰考附近，低热储温度分布区正是基底构造不发育的郑州市区。另外，高热储温度分布区的展布方向为北东向，与河南省黄河下游区域内北东及北北东向构造较发育基本一致；从河南省目前已发现的温泉分布情况看，其分布主要受地质构造的控制，区域内构造体系主要有东西向构造带、北西向构造带、华夏类型构造，其中以东西向构造和华夏类型构造对温泉分布的控制最为显著[12-15]。

3 活动断裂构造与地热异常的关系

河南省黄河下游区域地热分布主要受近东西向和北东向断裂控制，主要位于不同方向断裂交汇部位，区域上沿东西向断裂分布，这与河南省黄河下游区域新构造活动以北东向新华夏系构造为主且活动性最强的特征是一致的。这说明地热异常与活动断裂构造关系密切，活动断裂是深部热流向上运移的重要通道，影响着现今地热资源的分布。

开封受多种构造体系的影响，古近系及以下地层内断裂纵横交错，裂隙发育，岩层破碎，深部地热流体沿断裂和灰岩的裂隙、洞缝向上运移，受上部透水性差的盖层的阻碍而集中于古近系的顶部。热水一方面通过盖层的孔隙和细小裂隙极其缓慢地向上渗透，另一方面其热量亦在不断向周围岩层传导，于是在开封境内就形成了热储温度偏高的异常区,该区域2 300 m深的地热井出水温度高达92 ℃；兰考位于焦作—商丘大断裂和兰考—东明大断裂的交汇部位，受集中于古近系顶部的沿断裂和裂隙上升的深部热水影响，热储温度也偏高,1 900 m深的地热井出水温度为75 ℃；新乡市西南大召营—朗公庙一带，区内发育区域性新乡—商丘断裂、太行山东麓断裂、汤东断裂多条区域性活动断裂，断裂切穿地壳，热储温度也偏高,1 350 m深的地热井出水温度为73 ℃；郑州市大部分区域基底断裂不太发育，受深部地热流体的影响不大，正常情况下热储温度偏低。

因此，河南省黄河下游区域地热分布不但受基底断裂控制，而且受盖层断裂的制约。由于盆地受不同时期构造活动的影响，两种类型断裂可能存在不连通的现象，导致地热田的分布与两种类型的断裂分布存在一定差异。在基底断裂带，热流体以对流形式由地壳深部向浅部运移，当接触到封闭沉积盖层时，热能以传导形式运移；局部存在盖层断裂时，可能存在对流形式的运移，热能运移形式为对流与传导并存。地热能来源于基底断裂带，热能量决定于基底断裂带的切割深度以及与多条断裂交汇的强度。这说明深大活动性断裂常是地壳深处地热能上升的通道,也是地热异常形成的主导因素。

本文依据地热异常与活动断裂构造的关系，结合地热异常形成的机理，将地热异常区划分为三级，如图2所示。

图2 河南省黄河下游地热异常图

3.1 一级异常区

划分的一级地热异常区有7个，分别是：郑州市北郊异常区、郑东蒲田集—刘集异常区、开封市杏花营异常区、开封东八里湾—兴隆异常区、兰考西异常区、封丘县异常区、新乡市南郊异常区，详细情况如下。

郑州市北郊异常区(Ⅰ1)：位于郑州市古荥—柳林一带，区内发育区域性郑州—兰考断裂、北东向汤东断裂、北西向郑州—武陟断裂等多条活动断裂，尤其是在不同方向断裂的交汇部位，形成良好的深部热能向浅表释放的通道。

郑东蒲田集—刘集异常区(Ⅰ2)：位于郑州市蒲田集—刘集一带，区内发育区域性郑州—兰考断裂、北东向浚县—万滩断裂两条活动断裂。

开封市杏花营异常区(Ⅰ3)：位于开封市西杏花营西部，区内发育区域性郑州—兰考断裂、北东向长垣断裂两条活动断裂，尤其是在两断裂的交汇部位，形成良好的深部热能向浅表释放的通道。

开封东八里湾—兴隆异常区(Ⅰ4)：位于开封县东八里湾—兴隆一带，区内发育区域性郑州—兰考断裂、北东向次级断裂两条活动断裂，断裂构造活动强烈，第四纪时期深凹陷沉降幅度达数千米。

兰考西异常区(Ⅰ5)：位于兰考县西部地区，区内发育区域性郑州—兰考断裂、北东向聊城—兰考断裂、新乡—商丘断裂3条区域性活动断裂，为多条区域性活动断裂交汇部位，断裂切穿地壳，活动强烈，异常区第四纪时期深凹陷沉降幅度达数千米，是河南省黄河下游区域异常最为显著的地区。

封丘县异常区(Ⅰ6)：位于新乡市封丘县县城南部，区内发育区域性新乡—商丘断裂、东濮断陷东部边界长垣断裂两条区域性活动断裂，为开封断陷、东濮断陷、内黄隆起3个构造单元接触部位，断裂切穿地壳，活动强烈。

新乡市南郊异常区(Ⅰ7)：位于新乡市西南大召营—朗公庙一带，区内发育区域性新乡—商丘断裂、太行山东麓断裂、汤东断裂等多条区域性活动断裂，为开封断陷、汤阴地嵌、内黄隆起多个构造单元接触部位，断裂切穿地壳，活动强烈。

3.2 二级异常区

二级地热异常区只有1个，为黄河南岸郑州—兰考异常区(Ⅱ1)：位于黄河南岸郑州—兰考一线北部，为郑州—兰考东西向区域性深大断裂带发育区，在第四纪时期开封凹陷四周的边界断裂中，该断裂活动最为强烈，形成良好的深部热能向浅表释放的通道，除在与其他方向断裂交汇部位为一级异常区外，沿该断裂带为二级地热异常区。

3.3 三级异常区

三级地热异常区有3个，分别为武陟东异常区、原阳—延津异常区、封丘南异常区，具体情况如下。

武陟东异常区(Ⅲ1)：位于武陟县东部，呈北东向条带状展布，为济源断陷与开封断陷的结合部位、太行山东麓山前断裂的南延地带。

原阳—延津异常区(Ⅲ2)：位于原阳西师寨—延津一带，呈北东向条带状展布，为开封断陷武陟断凸与原阳—封丘断陷次级构造单元的结合部位，二次级构造单元间差异性升降运动幅度巨大，为汤东断裂的南延地带，断裂活动强烈。

封丘南异常区(Ⅲ3)：位于封丘县南部堤角—司庄—曹岗一带，沿北东向长垣断裂南延部分和新乡—商丘断裂分布，为原阳—封丘断陷与开封断隆二次级构造单元以及开封断隆与东濮断陷南端的结合部位，不同级构造单元间差异性升降运动显著，断裂活动较强烈。

4 结语

本文从地热异常形成的区域构造背景出发，分析探讨了活动断裂构造对河南黄河下游热储温度分布的影响，划分了三级地热异常区，认为河南省黄河下游区域地热异常分布主要受近东西向和北东向断裂的控制。建议将黄河两岸的郑州市古荥—柳林一带、新乡市西南大召营—朗公庙一带、封丘县城南部和兰考县西部作为地热的重点勘探开发前景区。

地热研究的目的在于利用，从河南省黄河下游区域地热资源与一定的构造型式有着内在联系的观点出发，今后河南省黄河下游区域的地热开发利用，应首先考虑那些位于构造体系主干断裂两侧及其与其它断裂构造交汇的区域。