周口凹陷区地温场特征及影响因素分析

杨义栋，刘彦兵，赵 盼，李芳芳

(1.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074；2.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 451464)

地壳板块边沿、深大断裂及火山分布带等是明显的地热异常区，而地热异常区是开发地热资源的主要对象[1]。周口凹陷区地处河南省东南部，新生界沉积厚度一般为1 500～4 000 m，地热资源储量丰富。以往涉及该区的地热地质工作，多以定性分析为主，缺乏系统研究，地温场空间变化规律、深部热储条件不甚清楚，制约区内地热资源的合理开发利用。本文借助于周口凹陷区(周口段)地热资源勘查项目，收集69口地热井资料，对地温场进行综合分析，探讨周口凹陷区地温场的控制因素，为该区地热资源开发提供参考。

1 地质特征

周口凹陷区北靠通许凸起，南临平舆凸起，西邻嵩萁台隆，向东延伸至安徽境内，其间多凹凸相间，总体是呈近东西向展布的凹-凸-凹的复杂凹陷带[2]；周口凹陷区断裂构造较发育，构造线方向北部主要为北东向，南部主要为北西西向。断裂发育方向与主构造线方向一致，除北东向及北西西向断裂外，还有近南北向和北西向断裂发育，见图1。全区被巨厚的新生界地层覆盖，除缺失志留系、泥盆系外，其余地层发育较齐全。

图1 区域构造略图

2 恒温带深度及温度的确定

恒温带的温度和深度依据浅层地下水垂向水温测量数据分析拟定。 测温分冬、夏两季，共测量井点45处、测温535点次，最大测量深度为46 m，垂向温度测量间距1～2 m。 利用部分典型测温井点数据绘制的浅层水温-深度关系图，见图2。 恒温带深度范围为20～23 m，恒温带深度取22 m，恒温带温度取16.2 ℃。

图2 浅层水温-深度关系图

3 地温梯度的确定及分布特征

3.1 地温梯度计算

不同地区地温梯度不同，地温梯度主要和控热构造、热储结构、岩浆活动及地热地质环境相关。依据69个地热井调查资料，计算的地温梯度及不同埋深的温度结果，见表1。

表1 地温梯度及不同埋深的温度计算结果

续表1

3.2 地温梯度分布规律

由图3可知，区内地温梯度变化范围为3.13～3.81 ℃/100 m，不同区域存在一定差异，总体具有北东部、西南部较低，而中部较高的分布特征；从构造单元上分析，具有郸城凸起区较高，鹿邑、沈丘凹陷区较低的分布规律。 中部的鲁台镇，属郸城凸起区，地温梯度3.81 ℃/100 m为中心，北西部的周口市区、北部的淮阳县城附近、南东部的沈丘县付井镇，所辖南东向、北西向宽条状范围内，地温梯度3.48～3.51 ℃/100 m，中西部的项城市及东北角的鹿邑县马铺镇地温梯度为2.84～3.10 ℃/100 m。区内地温梯度分布规律与区域基地构造相一致，主要与区域地球物理场的差异、基底起伏、断裂构造及基岩裂隙的发育程度有关。

图3 地温梯度等值线图

由图4可知，500 m以浅深度段，地温梯度随深度的加深而增大；500 m以深地温梯度略有随地层深度的加深而略有变小的趋势。300～500 m深度范围，地温梯度值一般多在3.41～3.65 ℃/100 m之间；500～800 m深度范围，地温梯度一般为3.39～3.62 ℃/100 m之间；800～1 400 m范围，平均多为3.58 ℃/100 m。地温梯度值随深度增深而略变低的规律，究其原因主要是由于埋深的增大,下部地层在上覆地层的重力作用下，逐渐压密，孔隙、裂隙率变低，热渗透率变强，热传递变好的缘故。据路晴晴等[3]研究，地温梯度垂向上随深度变化至一定深度，将接近定值，近似常数，这反映了在深处将会有一个地温等值面，该面的深度取决于深部地质构造及其活动性。

图4 地温梯度-深度关系图

4 地温分布规律

4.1 大地热流分布

地表热流值用傅里叶公式估算，见式(1)。

(1)

式中：Q为大地热流量，mW/m2；λ为测温井段围岩中岩层的热导率，W/m·K；dT/dH为地温梯度，℃/100 m。

根据表2和式(1)计算地表热流值，结果表明：区内的大地热流值为43.681 1～64.588 4 mW/m2，淮阳县高中最低，鲁台镇最高，全区平均值55.724 0 mW/m2，低于华北盆地大地热流平均值(58.6 mW/m2)。总体分布情况：自沈丘-项城-商水，呈东南-西北向大地热流值由低变高，由项城市区到鲁台镇，大地热流值由51.6 mW/m2升高到64.59 mW/m2；淮阳鲁台镇的64.59 mW/m2至淮阳县城-鹿邑县城一线，降低为52 mW/m2左右。从构造单元上分析，郸城凸起区较高，为57～64.59 mW/m2；鹿邑、沈丘凹陷较低，为52～57 mW/m2，大地热流值与地温梯度分布规律相一致[4]。

表2 典型地段岩层热导率

4.2 地温分布规律

同一深度500 m、1 000 m及1 500 m埋深，地温平面分布有一定差异，见表1。500 m埋深地温大于33 ℃的高温区、1 000 m埋深地温大于50 ℃的高温区及1 500 m埋深地温大于68 ℃的高温区，主要分布在郸城凸起区的鲁台镇往东一带，对应的大地热流值也较高；低温区主要分布在西南部沈丘凹陷及北东部的鹿邑凹陷区。

根据地热井口温度调查，300～500 m深度地温一般为25～31 ℃；500～800 m深度地温一般为30～40 ℃；800～1 100 m地温一般为41～50 ℃；1 100～1 400 m地温一般为51～62 ℃；根据不同深度热储温度计算500 m、1 000 m、1 500 m及2 000 m埋深地温分别为28.87～35.03 ℃、42.12～54.73 ℃、57.14～74.43 ℃及68.62～94.13 ℃。25 ℃的埋深小于280 m、40 ℃的埋深小于720 m及60 ℃埋深小于1 100 m的浅埋区主要分布在淮阳县鲁台镇及其以东一带的郸城凸起区；埋深较大区主要分布在南西部的沈丘凹陷及东北部的鹿邑凹陷区。

5 地温异常分析

5.1 地温异常分布

根据区内地温梯度分布，本次确定大于3.5 ℃/100 m者为异常。区内地温异常区主要分布在郸城凸起的周口-项城-郸城一线带状，淮阳和沈丘县城一带，见图5。

图5 地温异常分布图

1) 郸城凸起地温异常区。本区西起周口市区南部往东经商水黄寨-项城北部-淮阳鲁台镇南部-郸城石槽-丁村一带，呈带状展布。据本次工作勘探井资料，井深2 000 m，水温63～64 ℃，地温梯度3.53 ℃/100 m；往东到淮阳县鲁台镇地热井深1 186.3 m，水温57 ℃，地温梯度3.81 ℃/100 m；郸城城区地热井深1 212 m，水温58 ℃，地温梯度3.73 ℃/100 m。

2) 淮阳县城地热异常区。淮阳城区西南部的淮阳高中新校区井深550 m，水温31 ℃，地温梯度3.94 ℃/100 m，西北部的自来水公司井深520 m，水温31 ℃，地温梯度3.92 ℃/100 m，淮阳城区分布省地热井10眼，地温梯度平均为3.52 ℃/100 m。

3) 沈丘县城地热异常区。 沈丘城区第一高中井深508.5 m，水温32.5 ℃，地温梯度3.57 ℃/100 m；沈丘县委新址地热井深1 098.6 m，水温52 ℃，地温梯度3.62 ℃/100 m；沈丘县城关镇分布地热井3眼，地温梯度平均3.55 ℃/100 m。

5.2 地温场异常影响因素

5.2.1 地温异常成因分析

1) 基底褶皱构造影响。由图3和4.2部分可知，地温梯度、不同埋深的热储温度及不同等温面的埋深规律与基底起伏一致。周口凹陷区基底凹凸相间，基底褶皱构造直接影响深部的热量的传导、积累和散失。地热异常的郸城凸起区，由于太古界、古生界的基岩埋藏浅、地球深部热源向上传导性能强，形成浅部地温异常。

2) 断裂构造的影响。断裂破碎影响带较宽，受断裂影响基底构造较为发育，断裂向下深切，沟通深部热源并成为热流载体的通道，使深部地下热水沿断裂裂隙向上运移，使热流体汇集于上部新生界地层，成为地热异常区。如图5中淮阳县城地热异常区、沈丘县城地热异常区均位于断裂交汇处；郸城凸起区的淮阳鲁台镇也位于项城断裂(F7)及分支鲁台断裂交汇处。

5.2.2 地温场形成影响因素分析

1) 区域构造影响。区内中部郸城凸起区新生界埋藏深度一般为1 500～2 000 m，南北部及西部新生界埋藏深度达2 000～7 000 m；凸起区基岩埋藏较浅，岩层结晶程度高，相同岩层的热导率高于凹陷区，利于热流传导和富集，一般可形成较高的地温梯度值。 新生界热储层直接覆盖于古生界之上，保温条件较好，形成大地热流值(56.55～64.59 mW/m2)及地温梯度值(3.51～3.81 ℃/100 m)，均高于南北凹陷区。

2) 断裂构造影响。区内断裂构造多为多期活动性断裂，对地温场形成和分布具有一定的影响，主干断裂及断裂密集交汇处地温梯度较大。区内漯河-沈丘断裂及周口-鹿邑断裂，均为张性正断层，向上切割至古近系，断距较大，使断裂两侧形成不同的构造单元，在断裂裂隙发育段内，会形成地下热流沿断裂裂隙形成的通道向上运移，至上部地层中聚集、扩散、影响断裂带范围内局部地温场。

5.2.3 岩层性质影响

由图5可知，在500 m以浅的地温梯度明显偏高，浅部低热导率的覆盖层阻碍了热的传导与散失，起到增温保温作用，从而出现了较高的地温梯度值。地温梯度随深度增加呈现降低趋势，这是因为随着深度的增加，岩层逐渐压密，热传导性能变好(热导率增大)，在热流值一定的情况下，地温梯度逐渐变小[5]。

5.2.4 地热流体活动影响

区内地热流体经漫长的地质时代保存下来，水岩温度已达到平衡，水温即为岩温。地热流体为热能的良好载体，富集增加，可动态储热，增加地热资源储量；在水源补给充沛、地下水径流较强烈地区，补给的地下水温较低，如没有充分的加热过程，径流时不断补充的新冷水吸收围岩的热能，带走岩体的热能，可降低地温起冷却降温作用。

6 结 论

1) 周口凹陷区地温梯度变化在2.77～3.94 ℃/100 m之间，平均地温梯度为3.36 ℃/100 m，总体具有北东部、西南部较低，中部较高的分布规律。大地热流密度在43.681 1～64.588 4 mW/m2之间,平均大地热流密度为55.724 0 mW/m2，表明周口凹陷区是一个中温型地温场。地温梯度和大地热流密度具凸起区较高、凹陷区较低的特点，大地热流值与地温梯度分布规律相一致，造成差异的原因主要为岩性、基底构造及局部断裂构造。

2) 周口凹陷区1 000 m深度地温为42～55 ℃，1 500 m深度地温为57.4～74.5 ℃。40 ℃等温面埋深范围为626.06～920.11 m，60 ℃等温面埋深范围为1 133.68～1 614.73 m。地温异常区主要分布在郸城凸起的周口-项城-郸城一线，其次为淮阳和沈丘县城一带，主要影响因素为基底构造及局部断裂构造，其次为地热流体活动等。