河南平顶山北部地区地热概念模型研究

2022-09-06李铁军孟祥瑞

矿产与地质 2022年2期

李铁军，孟祥瑞

(1.河南省有色地矿钻探有限公司，河南郑州 451450；2.河南省金属矿产深孔钻探工程技术研究中心，河南郑州 451450)

0 引言

地热资源是一种绿色低碳、可循环利用的可再生清洁能源。平顶山市位于河南省中部，是靠煤炭兴起的城市，研究区位于该市北部，区内煤、铝资源丰富，同时与煤、铝资源伴生着丰富的沉积盆地型地热资源，此类地热资源具有储量大、易开采、易回灌等特点，有巨大的开采价值[1]。以往地质工作中对煤炭资源研究程度高，对地热资源的研究却较为薄弱。

地热概念模型是对地热田包括热储、盖层、热源和热传递等要素的几何及物理状态的简化描述[2]。本次通过对研究区数量有限的地热井、丰富的煤炭勘查资料及煤矿开采资料研究，初步建立了平顶山北部地区地热概念模型，该模型的建立有利于指导本区地热资源的勘查开发，对研究该区地热资源有一定的意义。

1 研究区地热资源研究现状

研究区位于平顶山市北部，北东以襄郏断层为界与箕山山脉相连，南以锅底山断层为界与外方山相连，北西以郏县断层为界，东到洛岗断层，研究区面积约350 km2(图1)。

图1 研究区构造纲要图

1960—2000年中南煤田地质局126、211队、河南省地质五队、河南省煤田地质公司四队及平顶山矿务局勘探队等地勘单位在该区南部地区开展煤矿普查—精查(勘探)工作，探获平顶山大型煤田，并陆续建成投产了平煤集团一矿到十三矿。2000—2013年，由河南省国土资源研究院[3-4]、河南省煤田地质局四队[5]、河南有色地矿局四队[6]在该区北部开展了河南省宝丰县贾寨—王楼勘查区煤炭地质详查、河南省郏县王集勘查区煤炭详查等煤炭勘查工作。以上地质工作厘清了区内地层层序及构造的展布，为进一步研究区内地热资源提供了详实的基础资料。

平煤集团各煤矿投产后，随着开采深度的加大，多个矿井出现热害，八矿尤为严重，部分采掘工作面放水孔温度高达50℃～62℃，采掘工作面环境温度达33℃以上，属地温异常高的地区。为此，由多家单位和学者对该区地热情况进行研究，曹冰琪等[7]对平顶山煤田地温分布规律及其影响因素进行了分析；高军伟等[8]对平顶山矿区深部地热及危害进行了调查并提出对策；河南理工大学[9]对八矿地热形成及综合利用进行了研究。受条件限制，以上研究工作只对煤层附近的太原组热储、寒武系上部地热及研究区南部地带情况进行了研究，略有局限。

2020年，河南有色地矿局在研究区施工了平顶山北部PBR1地热井，该井揭穿了寒武系地层，为区内地热资源的研究提供了重要依据。

在研究区东部鄢陵、尉氏、西部洛阳一带亦有丰富的地热资源，与本区同为沉积盆地型地热资源，有多家单位和学者开展过地热资源或地温场的专题勘查和研究工作[10-14]，该区的地热研究工作为本文提供了重要借鉴。

研究区内煤炭资源研究程度高，地热资源研究相对薄弱。

2 区域地质及地热地质背景

2.1 区域地质背景

研究区位于华北平原南缘，先后经历了印支期、燕山期、喜马拉雅期构造运动。印支运动使华北、华南板块对接，完成了本区隆起；燕山运动早期发育NW向大规模左行走滑断层，燕山运动晚期主应力为NE向、SW向挤压，形成了李口向斜及与李口向斜轴基本平行的逆断层，并伴随微弱的岩浆活动；喜马拉雅运动发育了以郏县断层为主的NE向断层[15]，并切割改造了先期NW向构造，使先期断层再次活动，表现为强烈差异的升降运动，区内形成了一系列以NW向为主的复式褶皱、压扭断层构造和次一级的NE向张扭性断层。

区内主体褶皱为一宽缓复式向斜(李口向斜)，次一级褶皱有位于李口向斜轴以南的牛庄向斜、郭庄背斜和位于向斜轴以北的洛岗背斜、襄郏向斜等。

区内发育的控制性断裂构造主要有NW和NE向两组，NWW向断层有襄郏正断层、白石沟正断层、九里山逆断层、锅底山正断层及鲁叶正断层。NNE向断层主要有洛岗和郏县正断层(图1)。

2.2 地热地质背景

研究区位于华北沉积盆地，据《河南省地热资源调查与开发利用保护区划报告》(河南省环境监测院2007)对河南省地热分区成果，该区应属华熊台缘坳陷地热亚区中的平顶山凹间隆起地热异常区。该区为一构造隆起，北东为襄郏断层与襄城凹陷相邻，北西有郏县断层与汝河凹陷相接，南侧为叶县凹陷，中部山区为一中等规模的复式向斜(李口向斜)。隆起断块使导热性较好的基岩面抬高，四周的凹陷带又有导热性差的厚达数百米的第四系覆盖，迫使热流向隆起部位集中，形成地温异常，这是研究区地温偏高，热水形成的地质背景。中国沉积盆地平均地温梯度为(1.5℃～4.0℃)/m，平均值约为3.2℃/m[16]，区内地温梯度一般为(2.46℃～4.66℃)/100 m，大地热流值为67.41～85.83 mW/m2[7]。寒武系碳酸盐岩岩溶裂隙发育，赋存条件好，是开发地热的有利层位。

3 地热地质特征

3.1 地层、含水层、热储及盖层

3.1.1 地层

本区地层属华北地层区豫西分区渑池—确山小区，地表多被第四第覆盖。主要地层及岩性由老至新：新元古界洛峪口群(Pt3Ly)泥岩、白云质大理岩、砂岩，震旦系罗圈组(Zl)泥岩、石英砂岩；古生界寒武系(∈)白云岩、灰岩、泥岩、石英砂岩(厚400～680 m)，石炭系(C)薄层灰岩、砂岩、泥岩(厚40～110 m)、铝土质黏土岩(厚0～20 m)，三叠系(T)砂岩、粉砂岩、泥岩，二叠系(P)砂岩、粉砂岩、含煤碎屑岩系(厚100～500 m)及第四系(Q)松散沉积物(厚0～400 m)(图2)。

图2 研究区地热地质剖面图

3.1.2 含水层

研究区属伏牛东北侧构造复杂水文地质区、韩梁—平顶山水文地质亚区，主体为平顶山—首山水文地质段。区内含水层主要有松散岩类孔隙含水层、砂岩裂隙含水层和岩溶裂隙含水层三类。

松散岩类孔隙含水层：第四系在研究区内大面积分布，主要由黄土，黏土，钙质结核等组成。属孔隙水中等含水层。

砂岩裂隙含水层：主要为下三叠统刘家沟组(T1l)一段金斗山砂岩含水层和上二叠统石千峰组(P2sh)平顶山砂岩含水层。两层砂岩裂隙发育，刘家沟组一段(T1l1)金斗山砂岩含水层富水性强，在姚庄附近钻孔该层涌水量达120 m3/h，石千峰组平顶山砂岩含水层属中等富水承压含水层，西北部张村附近见泉水流出。

岩溶裂隙含水层：主要为新元古界洛峪口群(Pt3Ly)碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层、下寒武统朱砂洞(∈1z)组碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层，上—中寒武统碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层[主要由崮山组(∈3g)和张夏组(∈2zh)上部组成]，上石炭统太原组(C3t)碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。此类含水层富水性在不同部位含水性差别较大，在断层破碎带两侧，背斜轴部，向斜转折部位或可溶岩与非可溶岩接触部位，岩溶裂隙发育，是岩溶地下水迳流或富集的有利部位，总体中等到富的含水层。

3.1.3 地热热储

热储是指埋藏于地下、具有有效空隙和渗透性的地层、岩体、构造带，其中储存的地热流体可开发利用。热储分为带状热储和层状热储，本区为双层地热热储结构。

在上述含水层中，第四系孔隙含水层出露地表不能做为地热储层；三叠系和二叠系的砂岩裂隙含水层在研究区南部出露地表，在李口向斜轴部最大埋深750 m，总体埋深较浅，不能做为地热热储。新元古界洛峪口群含水层因目前没有工程揭露，其含水性尚不确定。区内目前揭露的主力热储层主要为两层：上寒武统崮山组(∈3g)白云岩—中寒武统张夏组(∈2zh)灰岩热储和下寒武统朱砂洞组(∈1z)下部灰岩热储。两个热储相叠置，层间有巨厚层中寒武统馒头组(∈2m)泥岩及朱砂洞组上部灰岩相隔，互不连通。

崮山组—张夏组热储：本区缺失奥陶系，说明在奥陶纪时期地表出露的地层大多为寒武纪沉积的崮山组的白云岩和张夏组沉积的灰岩，这两组地层的出露，导致长期风化，形成了大量大小不一的溶洞，后期经多次的地质运动，被多条断层切割，又使岩层破碎，为地下水循环、运动、储存、补给创造了有利条件，使其成为良好的热储层，是本区的主力热储层。本热储层厚40～280 m，埋深600～3000 m。在局部地区，太原组灰岩同样富水，亦可做为热储层，因距该层较近，可并入此热储层。

朱砂洞组下部灰岩热储：朱砂洞组与上覆馒头组呈整合接触。其岩性大致可分为三段：下段为含石膏灰黄色—褐红色泥质条纹灰岩，波状层理发育，可见较多的鸟眼构造、石膏假晶及膏盐溶解崩塌形成的角砾灰岩；中段主要发育亮晶颗粒灰岩；上段主要岩性为云斑灰岩。朱砂洞组上段与馒头组呈整合接触，没有沉积间断，云斑灰岩结构致密，少有溶洞，为不含水或弱含水层；下段为含膏灰岩及含膏角砾灰岩，表明当时沉积环境为潮上带沉积或潟湖沉积，是次生变化后的蒸发岩[17]，由于膏质的溶解淋失形成溶洞，叠加后期的断裂构造，加速了灰岩岩溶裂隙发育。故该岩性段为富含水层，是良好的热储层。该层厚15～100 m。

3.1.4 盖层

盖层是在地热热储之上不透水或弱透水岩层的总称，在层状热储中，将覆盖在主要热储之上的地层通称为主要热储的盖层。

本区的盖层主要为第四系黏土岩，厚100～400 m；太原组之上各煤段砂岩均为弱含水层，在砂岩弱含水层之间均有较厚的砂质泥岩、泥岩隔水层；本溪组的铝质黏土岩也是良好的隔水层。以上地层均为本区的热储盖层。

3.2 断裂构造与热通道

区内发育断层有NW和NE向两组，其中以NW向为主，属区域主干断层。NW向主要断层有岸上襄郏断层、霍堰断层、白石沟逆断层、牛庄断层、锅底山断层、九里山逆断层等，正断层除锅底山断层南西盘下降、北东盘上升外，其余断层均是北东盘下降、南西盘上升；逆断层北东盘逆冲上升、南西盘下降。NE向主要断层有郏县断层、沟李封断层、七里店断层、洛岗断层等，均为北西盘下降、南东盘上升的正断层。

岸上襄郏断层：为区域性大断层，从三门峡经新安、洛阳龙门到襄县，横贯河南省中部，在区内走向NW，倾向NE，呈现左形走滑特性，断距最大可达2 km，切割地壳，连通了上地幔，导热、导水作用明显，是主要热源通道。新安暖泉沟原温泉、上河原温泉、洛阳龙门温泉、偃师寺沟原温泉均出露于该断层与NNE向断层交汇处[18]。

郏县正断层：系区域大断层，总体走向呈NE方向，走向45°～50°，倾向60°，落差向北东逐渐增大至2 km。区域上由一组3条断层平行排列，在主断层两侧发育了多条次生断层，呈羽状排布。也是主要导水、导热构造。

锅底山正断层：从研究区中部穿过，为区内较大的隐伏断层，多为钻孔和矿井内揭露，西北至郏县断层，经过十一矿、五矿、六矿、七矿到达平顶山市区，然后继续向东到达八矿的南部，呈NW—SE向展布，落差为100～300 m，倾角30°～70°，一般50°～60°，为高角度正断层。是由多条中小型断层和分支断层组合而成的断层组[19]。断层旁侧分布一系列走向与锅底山断层基本一致的正逆断层。

沿岸上襄郏断层有多处温泉出露，说明该断层是主要热源通道，与该断层直接或间接相交的断层或其次一级断层因与其相连通，故均成为区内热源通道。

3.3 岩浆岩

总体上区内岩浆岩不发育。区内仅在东北部十三矿局附近局部有橄榄玄武岩、脱玻皱晶玄武岩、蚀变杏仁状玄武岩，属于燕山期基性喷出岩。

3.4 热源及热传导

地温场热源有短时期地表浅部岩浆侵入体局部壳内瞬态热源，有相当长时期的放射性元素(U、Th、K)衰变产生的稳定热源，也有来自地壳放射性热能向地表的传输，构成地壳地温场的主要热源。

区内虽然有较新的火成岩，但据在十三矿发现火成岩的4004孔附近的4005孔测温结果，火成岩的存在并没有引起地温异常。区内煤系地层中放射性元素含量不高，由这些元素蜕变产生的热量是很有限的。因此，研究区所能接受的热量主要是地球深部的热能。

区内热传导方式为对流-传导复合模式，南部和北部的地表水通过岸上襄郏断层及与其连通的其他断层在静压力的作用下进入深部，通过深循环对流加热增温后，沿断层上涌至与其沟通的其他断层，进入热储层，同时地球内部的热同时还会以传导的方式向上传递，然后以热传导的方式对上部热储层施加影响。

3.5 地温场特征

根据已有研究成果[20]，该区恒温带深度约为25 m，温度为17.2℃，地温梯度(2.46℃～4.66℃)/100 m。平面上地温梯度总体呈现如下规律：李口向斜两侧地温梯度高于李口向斜轴部，仰起端高于侧伏端，整个地区地温梯度从西北向东南沿着李口向斜有逐渐增大的趋势；研究区西部从李口向斜向西南，穿过锅底山断层至五矿地温梯度也有逐渐增加的趋势。2020年施工的平顶山北部PBR01井的地温梯度验证了此规律。

以往的煤田勘查及煤矿开采中均未揭穿寒武系，只有PBR01井钻至震旦纪地层，井深2240 m，并对该井进行了稳态测温(图3)。

由图3可见，在朱砂洞组下部灰岩热储以上，地温梯度随深度基本呈现均匀变化(约3℃/100 m)，只有在含水层位置明显变小，主要原因是含水层中水的热导率高，使该层地温梯度降低。

图3 PBR01井测温曲线图

值得注意的是，PBR1井底部50 m(2190～22 400 m)温差达10℃，地温梯度达20℃/100 m。造成此异常的原因尚无定论，推测下部可能有一良好的热储层(可能为新元古界洛峪口白云岩)，该层温度较高，有待今后工作中验证。

4 地热概念模型

通过上述各类热储层、盖层、导热通道等地热地质条件分析，绘制了平顶山北部地区地热概念模型图(图4)，建立热储概念模型。

图4 平顶山北部地区地热概念模型

第四系黏性土层与其下的二叠系砂岩、粉砂岩、含煤碎屑岩系充当了热储的盖层，起到隔水保温作用；寒武系崮山组白云岩—张夏组灰岩和朱砂洞组下部灰岩为热储层起到储热的作用。本区地热形成为对流-传导复合模式，南部和北部的地表水通过岸上襄郏断层、郏县断层及与其连通的其他断层在静压力作用下进入深部，通过深循环对流加热增温后，沿两断层上涌至与其沟通的其他断层，进入热储层，同时地球内部的热同时还会以传导的方式向上传递，然后以热传导的方式对上部热储层施加影响，形成沿两个热储层层状分布的地热资源。

由于研究区以往对地热资源研究较少，通过本次对平顶山北部地区地热概念模型的建立，可进一步加深对平顶山北部地区地热资源形成模式的认识，对本区今后的地热开发工作具有一定的指导意义。