永城市地热资源特征及成因机制研究

2022-06-25郭飞翔方忆刚

能源与环保 2022年6期

郭飞翔，方忆刚

(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 451452)

地热资源具有低碳、环保以及可再生的特点，因其巨大的利用价值已受到越来越多的关注[1-9]。永城市位于河南省东部，由于区域构造环境影响，该地区地热资源丰富[8]。该地区水文地质、地热资源勘查始于20世纪80年代，不少学者、地质单位在该地区开展工作。20世纪80年代，工作以浅部地热资源为主，圈定了地热异常区，侧重于山区和部分煤矿区；90年代，该地区划分了新近系、古近系及下古生界热储层，阐述了各地热区(田)地热特征，分析了地热水成因和生成年龄，分析了 2 000 m 以浅地热可采资源量等；2000年以后，系统研究了地温场变化规律，划分了地热系统及热储结构组合类型，阐述了热储埋藏分布规律、水文地质特征、地热流体的水化学及动态变化特征，分层、分温、分经济性评价了4 000 m以浅地热资源，并对各热储水质及其功能进行了评价。本文对地热成因、导热构造进行研究[6-15]，认为区内地热地质条件主要受太平集断层、滦湖断层控制，滦湖断层组以西，热储层寒武系张夏组岩性存在破碎、构造发育，是地热存储的良好地段。通过对理疗热矿水、生活饮用水、农业灌溉水、渔业用水水质评价等进行研究，为加快该地区地热资源的可持续利用提供参考。

1 地热地质条件

1.1 地层特征

区域出露寒武、奥陶系灰岩和石炭、二叠系含煤地层及第四系。寒武系地层厚85～326 m，岩性为灰岩、白云质灰岩、白云质生物碎屑灰岩、灰岩夹钙质泥岩、粉砂岩、红色泥岩、紫红色砂质泥岩等；奥陶系地层厚133～263 m，岩性为白云质灰岩、角砾状灰岩、钙质泥岩及粉砂岩；石炭系地层厚23～96 m，岩性为薄层泥岩与厚层灰岩互层，夹薄层泥质砂岩及煤线、鲕状铝土质泥岩等；二叠系地层厚1 796 m，岩性为长石石英砂岩、砂质泥岩、粉砂岩夹薄层泥岩及煤线。

1.2 地热构造特征

研究区位于华北台块东南隅之山东台背斜徐蚌凹折带中，秦岭—昆仑纬向构造带东段北支的南侧，新华夏系第二沉降带的东侧。根据城郊煤矿勘探资料、大王庄铁矿勘探资料，区内岩溶发育特征具水平分带性，岩溶与裂隙灰岩面以下200 m水平范围内广泛发育，溶洞大者直径4 m，一般在1 m，小溶洞孔呈蜂窝状纵横分布。热储层主要以奥陶系马家沟组和寒武系张夏组为主，岩性主要以灰岩为主，其特点为质纯而致密，具多组极为发育的裂隙，且被方解石脉充填，热储类型为层状与带状混合热储[12]。

1.3 地热流体水位动态特征

研究区内地热流体埋藏较深，具承压性，与地表水、浅中深层地下水基本无水力联系，水位动态主要受开采影响，为开采型动态，故所处位置的开采强度及区域开采影响不同，水位动态变化不一。根据收集周边煤矿长观孔动态监测资料可知，水位呈现下降趋势，自2014—2020年水位持续下降，6年共下降10.2 m(图1)。

图1 研究区周边长观孔水位动态曲线Fig.1 Dynamic curve of water level of long observation hole around the study area

2 地热类型及热储特征

2.1 地热资源类型

地温场成因模式有3种，即传导、对流、对流—传导复合模式[11-14]。传导模式为地球内部热能以传导的形式向地球表面传递形成地温场，自恒温带以下地温随深度增加而升高，地表一般无地热的天然露头，深大断裂往往构成地热田的边界[15-18]。地温场主要受断裂构造、基底起伏、地层岩性及地热流体活动的影响[19]。工作区地热资源的形成是地球深部的热源以传导的形式对古生界地层影响的结果，地热系统的成因模式是经过传导，地热资源类型属于沉降盆地传导型。

2.2 热储层特征

研究区内热储主要为古生界奥陶寒武溶蚀裂隙热储。热储层岩性主要为奥陶系灰岩，灰岩的主要特征为质纯而致密，具多组极为发育的裂隙，且被方解石脉充填，是较好的储热层，热储层有效厚度约350 m。根据收集资料以及此次试验数据，区内奥陶寒武系灰岩质纯而致密，裂隙发育，富水性好，水温31.6 ℃，单位涌水量为341.54 m3/(d·m)，渗透系数为0.35 m/d，水化学类型主要为SO4-Ca·Na型。

3 地温场特征

3.1 恒温带深度及温度

恒温带的温度和深度受所处纬度、高度、岩性、地表水、小气候、植被等多种条件的影响，各地不一，同一地区也有些差异[8-12]。本次依据浅层地下水垂向水温测量数据分析拟定。本次测温共测量井点56处，利用部分典型测温井点数据绘制的浅层水温—深度关系图(图2)，确定恒温带深度为22～24 m，恒温带深度取23 m，恒温带温度确定为16.3 ℃(研究区年平均气温14.2 ℃)。

图2 浅层水温—深度关系Fig.2 Shallow water temperature-depth relationship

3.2 浅层水温分布

采用TH-212型测温仪对区内浅层地下水进行垂向水温测量，间距1 m/点。在工作区范围内选取了47眼机(民)井进行测温，确定不同位置及深度的浅层地下水水温的变化规律。

根据调查分析，在薛湖断层、刘松园断层、演集断层之间浅层地温明显高于周围浅层地温，主要是在演集断层与刘松园断层之间形成一条宽1.0～0.8 km、落差400～500 m的断层陷落地堑条带，断层两侧的地层层位均较老，中间沉积了较新地层，故地热热储较好。其中，在冯寨和邢楼之间浅层水温最高，其次在王菜园附近浅层水温也相对较高。因此，推测可能存在地温差异。

3.3 地温梯度

正常地层地热向上传递运移主要依靠岩体本身传导热能，由于岩性差异，热传导系数不同，在地层内地热增温也有明显差异。研究区松散层内黏性土居多，热传导系数小，地热增温率相对高。浅部基岩为泥岩、砂岩，热传导系数较黏土大，地热增温率低，深部基岩为灰岩、页岩，热传导系数较砂岩泥岩大，地热增温率低(表1)。

表1 不同深度热储温度Tab.1 Temperature of heat storage at different depths

根据本次地热Z2钻孔物探测温资料，钻孔不同深度段地温梯度有所差异(图3)，总体呈现随深度增加减小趋势，平均地温梯度值为1.42 ℃/hm。

图3 地热钻孔地温梯度—深度Fig.3 Geothermal gradient-depth map of geothermal borehole

4 讨论

地热流体由于温度较高，在与围岩的化学反应和溶滤作用下，其中溶解的化学成分较为复杂，矿化度较高(深部)。因地下热水化学成分和热储温度有着密切的关系，采用地热地球化学方法在研究和利用地热资源方面得到广泛的应用[11-20]。

4.1 地热流体化学特征

表2 地热流体与不同水体对比Tab.2 Comparison of geothermal fluids with different water bodies

4.2 地热流体补给来源判断

通过以往地热流体成因研究得知，绝大多数地热田中的地热流体来自大气降水[13]。因此，在分析一个新的地热田地热流体来源方向或补给源时，首先应在分析区域沉积环境的基础上讨论地热流体与大气降水间的关系。本次收集到3条降水线方程[6-9]：①中国大气降水线方程为δD=7.81×δ18O+8.16；②平顶山大气降水线方程为δD=7.92×δ18O+8.66；③郑州大气降水线方程为δD=8.013×δ18O+8.275。

由于平顶山位于工作区西部，且其降水线方程同中国降水方程接近，所以选定了前2条降水线进行分析。本次共采集样1个样品的δD、δ18O同位素值，绘制区内地热流体的同位素分析成果曲线，如图4所示。

图4 工作区大气降水与地热流体δD-δ18O关系曲线Fig.4 Relationship between atmospheric precipitation and geothermal fluid δD-δ18O in the working area

由图4可以看出，研究区内地热流体的同位素成果值紧邻平顶山降水线且位于其下方，初步判断工作区地热流体来源于大气降水，地热流体δ18O与大气降水相比存在氧漂移现象，这是由于较高温度的地热流体与硅酸盐，碳酸盐(围岩)发生氧同位素交换(使得δ18O增高)的结果。一般来讲，热储温度越高，氧漂移越显著，工作区氧漂移现象并不严重。值得指出的是，一次采样数据并不能说明地下水长期变化规律，需要进行长期监测，才能揭示地热水氢氧同位素组成的动态变化，结合区内上游地下水补给区水体特征，方可以说明地热水的具体补给来源。