河南省中深层地热地质特征、靶区选择及物探工程设计

祁新堂，张燕赞

(1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南 郑州 450016；2.河南省有色金属地质矿产局 第四地质大队，河南 郑州 450016)

地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分。地热资源属于可再生清洁能源，在建筑物供暖、工业发电、农业种植养殖、温泉理疗等领域可以起到替代燃煤的作用，具有资源储量大、分布广泛、可再生性强、清洁环保、开发利用方便等特点。大力发展地热资源的勘查开发，对优化我国能源结构、节能减排、环境保护和减少雾霾具有积极意义，也是促进生态文明建设的重要举措[1-5]。河南省地热资源丰富，总可采资源量261 027.47×1012kJ/a，其中中深层可采资源量13 003.47×1012kJ/a，仅占总资源量的4.981%。

近年来，随着物探技术、钻井设备能力的提高，中深层地热勘查技术得到了很大的改善。河南省埋深1 000～3 000 m的中深层水热型地热能，地热埋藏深度适中、保温性能好、水温高、厚度稳定、技术可行，经济效益十分可观，具备良好的开发条件[6-12]。天津市和雄安新区有了成功的大规模开发利用经验，为我国北方地区地热资源开发利用提供了借鉴。

河南省深部地热资源地质结构不清，目标不明。地热资源勘查开发投入大、成本高，动则几百万元，甚至上千万元。因此，靶区的选择显得优为重要，直接关系到地热勘查开发的成败。本文研究了通许凸起鄢陵段和李口向斜凹陷区地热研究区地热地质特征、靶区选择及物探工程设计，研究为推动河南绿色高质量发展、优选勘查开发区域、提高中深层地热资源勘查开发利用效率提供借鉴。

1 研究区地热地质条件

研究涉及工作区范围：通许凸起鄢陵段地热研究区、李口向斜凹陷区地热研究区。

1.1 通许凸起鄢陵段地热研究区地热地质特征

1.1.1 地温场特征

(1)平面分布规律。通许凸起地温梯度相对较高2.75～3.50 ℃(图1)。

鄢陵附近梯度值达4.19 ℃/hm，地球内部的热通常以正常的地温梯度(2.5～3.0 ℃/hm)表现出来，凡地温梯度高于或低于该值时，称为地温异常。根据河南省实际，认定地温梯度大于3.0 ℃/hm为高温异常，地温梯度小于2.5 ℃/hm位低温异常。

通许凸起高温异常区分布于通许—尉氏—鄢陵及太康西南一带，断裂较发育，基岩埋藏浅，具有较高的热传导率，热源条件较好，地温梯度3.5～4.92 ℃/hm。尉氏县城井深800～866 m，水温40～45 ℃，地温梯度3.47～3.68 ℃/hm；通许县城(通许水利局、通许宾馆)井深1 263～1 276 m，水温49～55 ℃，地温梯度3.5 ℃/hm左右；鄢陵许热2号深1 101.3 m，水温62 ℃，地温梯度4.92 ℃/hm；太康县城800～1 223 m地热井，水温42～62 ℃，地温梯度3.71～4.23 ℃/hm。

(2)垂向变化规律。不同埋深下地温等值线如图2所示。

①1 000 m埋深地温(图2(a))。地温变化范围30～56 ℃，在50 ℃以上的地温区，主要分布在新乡东南、通许凸起内由通许经尉氏、许昌五女店南到鄢陵县张桥，往东经扶沟、到太康形成的闭合圈、临颍—漯河，沈丘城区一带以及南阳盆地的南阳市区—魏岗—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56.64 ℃。②1 500 m埋深地温(图2(b))。地温变化范围一般50～74 ℃，高于66 ℃的高温地温区主要分布在开封县—尉氏—漯河南—周口西—扶沟—通许闭合圈内、太康附近、沈丘—郸城—鹿邑一线的东南地区、永城附近、新乡东南洪门—长垣牛屯镇以南—封丘—兰考堌阳镇一带，以及南阳盆地新野东北部—唐河。鄢陵城关附近地温最高达72.59 ℃。③2 000 m埋深地温(2(c))。地温变化范围58～86 ℃，高于82 ℃的地温区，主要分布在延津—通许—太康—漯河南，呈南北向不规则条带展布，其次为鹿邑—沈丘一线东南及南阳盆地魏岗以东至唐河，地温一般82～88 ℃。④3 000 m埋深地温(2(d))。地温变化范围一般86～122 ℃，地温高于118 ℃的区域，主要分布于开封市北部内黄凸起与开封凹陷的交界处的封丘—延津一带及菏泽凸起南部黄河沿岸、通许—鄢陵—漯河—商水—太康闭合圈，其次为鹿邑—沈丘一线东南。太康一带地温最高为125.21 ℃。

1.1.2 热储特征

区内主要热储层有新近系明化镇组及馆陶组、古近系热储层、古生界寒武—奥陶系热储层。

(1)新近系明化镇组热储层。主要含水介质岩性为中细砂、粉砂、粗砂及含砾砂，累计厚度占地层厚度的30%～36%，单层厚度5～20 m，最厚达40 m，孔隙度25%～30%。静水位埋深郑州市区一般为60～70 m，最大达90 m左右，尉氏一带为40～30 m，商丘市区一般30～50 m，最大达80 m。单井涌水量700～1 600 m3/d，尉氏、商丘、临颍及通许一带较大，郑州一带700～1 000 m3/d。水化学类型以HCO3-Na型为主，其次为HCO3-Na·Ca、HCO3·Cl-Na型，总溶固0.56～2.19 g/L。

(2)新近系馆陶组热储层。顶板埋深800～100 m，底板埋深900～1 500 m，厚度100～700 m。主要含水介质岩性中细砂、含砾砂、粉砂。累计厚度占地层厚度的35%～46%，单层厚度5～30 m，孔隙度20%～25%。静水位埋深郑州市区一般为70～80 m，最大达100 m(降落漏斗北部影响到黄河一带，东部到郑州与中牟交接带)，尉氏及通许一带为30～20 m，许昌—鄢陵为5～20 m，临颍一带30～35 m，太康及西华、扶沟一带为15～20 m。单井涌水量500～1 600 m3/d，郑州一带相对较小(500～700 m3/d)。水化学类型以HCO3-Na、SO4·HCO3-Na及Cl-Na型为主，总溶固0.45～2.9 g/L。

(3)古近系热储层。顶板埋深1 000～1 400 m、底板埋深1 600～2 000 m。含水介质主要为粉细砂岩，占地层厚度的20%。

(4)古生界寒武—奥陶系热储层。顶板埋深500～2 000 m，上覆盖层为上古生界及新生界。热储层岩性为灰岩、白云质灰岩及白云岩。由于下古生界地壳长期上升隆起，碳酸盐岩裸露地表受到溶蚀作用，岩溶裂隙发育好，具地下水储存空间，埋藏深度适当，热储层条件较好。

1.1.3 地热流体特征

地热井数据见表1。

表1 地热井数据Tab.1 Geothermal well data

根据煤田勘探资料，新郑1802孔，深494 m，石炭系灰岩涌水量达467 m3/d，水温40 ℃，总溶固0.73 g/L，水源可能为下部寒武—奥陶系岩溶裂隙水沿断裂带上涌形成。鄢陵花都温泉1号井水质分析资料，总硬度(以CaCO3计)697.5 mg/L，溶解性总固体3 521.77 mg/L，pH值7.9，水化学类型SO4+Cl-Na型，属中性硬咸水。据地热资源地质勘查规范，该地下水偏硅酸含量52 mg/L，可命名为硅水；偏硼酸含量6.975 2 mg/L，锂离子含量3.68 mg/L，均达到矿水浓度，是很好的理疗热矿泉水，且地热流体温度均大于63 ℃，且不具腐蚀性、不结垢，可以作为锅炉用水，可以广泛应用于地热供暖、理疗矿水、温泉洗浴旅游、生态种植、水产养殖等诸多领域，社会经济和环境效益非常显著。

1.2 李口向斜凹陷区地热研究区地热地质条件

本区域位于郏县断层、锅底山断层、襄郏断层，断层均为沟通深部热源的良好通道，断裂构造越发育的地带越有利于深部地热能向上传递和地热水在其间的运移，从而形成高温异常区，尤其是锅底山断层北部与李口向斜附近的碳酸盐岩岩溶热储埋藏相对较深，且断裂构造发育。

1.2.1 地温场特征

河南省大地热流值呈现出东高西低的特点，分布形态主体呈NW—NWW向，其次为NE—NNE向。具体来说，沉积盆地内，凸起区热流值高于凹陷区，构造发育部位热流值相对较高；隆起区和山前地带除局部地段外，一般为低热流值。平顶山凸起的大地热流值为67.41～85.83 mW/m2，平均值73.3 mW/m2，高于河南省大地热流平均值56.9 mW/m2，高于我国大地热流平均值(63～68 mW/m2)，分布形态呈NWW向展布。平顶山地区大地热流值在31.0～73.3 mW/m2，低于平顶山凸起大地热流值。平顶山地区平均地温梯度在2.52～3.00 ℃/hm，低于平顶山凸起李口向斜区域地温梯度(2.60～4.66 ℃/hm)(图3)，平顶山凸起平均地温梯度为3.466 ℃/hm，属异常地温区，这与大地热流值的分布特征相符。

图3 地温梯度等值线Fig.3 Geothermal gradient contour

根据已有研究成果，平顶山地区恒温带深度为25 m左右，温度为17.2 ℃。

1.2.2 热储特征

研究区域为一个隐伏地热田，热储层有二叠系砂岩裂隙热储层，石炭系岩溶裂隙热储层，寒武系顶部古风化壳岩溶裂隙热储层，寒武系中上统张夏组岩溶热储层，寒武系朱砂洞组岩溶热储层。

(1)二叠系砂岩裂隙热储层在研究区普遍发育，埋深100～420 m，为裂隙承压水。根据周边钻孔资料显示，水温30～40 ℃，水量20～80 m3/h，水温偏低，其中砂岩段可作为备用热储层。

(2)石炭系裂隙热储层厚度10～45 m，水量分布不均，含水层厚度小、且有煤层和铝土矿层，不是理想热储层，可作为备用热储层。

(3)寒武系岩溶裂隙热储层，具有有效空隙、渗透性的岩溶裂隙与断裂构造集中发育部位构成主要热储空间，以对流传热为主、平面上呈条带状延伸。且有新生界、中生界、上古生界作为热储盖层，是理想热储层，埋深1 200～2 800 m，地热水温度45～85 ℃。

(4)寒武系顶部古风化壳岩溶裂隙热储层，寒武系辛集组与其下伏震旦系地层的不整合界面热储层，为古风化界面，含水，是理想热储层。

(5)二叠系砂岩裂隙热储层是平顶山市主要的热储层之一，富水岩性以细粒、中粗粒砂岩为主，全区均有发育。顶板埋深100～420 m，厚度120～380 m，孔隙度4%～20%，预测单井出水量为60～80 m3/h，出水温度为30～40 ℃。

(6)寒武系张夏组是平顶山市主要的热储层之一，富水岩性以厚层状白云岩、鲕状灰岩为主，全区均有发育。顶板埋深1 200～1 600 m，厚度60～220 m，孔隙度1%～4%，预测单井出水量30～40 m3/h，出水温度为63.25～74.23 ℃。

(7)寒武系朱砂洞组是平顶山市主要的热储层之一，富水岩性以厚层状豹皮状灰岩及白云质灰岩为主，全区均有发育。顶板埋深2 000～2 400 m，厚度20～150 m，预测单井出水量30～40 m3/h，出水温度为74.35～89.49 ℃。

1.2.3 地热流体特征

(1)第四系松散类孔隙含水层。该含水层区域钻孔单位涌水量为0.000 7～16.200 0 L/(s·m)，水化学类型为HCO3-Ca型，矿化度<0.5 g/L，水温为16～18 ℃。

(2)二叠系裂隙含水层。包括上统石千峰组、中统石盒子组及下统山西组，含水层部分由各组中的砂岩组成。水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na及HCO3·SO4-Na·Ca型，矿化度0.300～0.412 g/L。石盒子组及山西组的各煤层均有厚度不等的砂岩含水层，各含水层都有泥岩、砂质泥岩相隔，一般无明显的水力联系。含水层以细—粗粒砂岩为主，水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Na型，为弱含水的裂隙承压含水层。

(3)石炭系太原组岩溶裂隙含水层。含水层由上部灰—深灰色石灰岩和下部深灰色显晶质石灰岩组成。上部岩溶裂隙发育，富水性较好，矿化度为0.26～0.59 g/L，水化学类型为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg型，下部含水层富水性不均一。

(4)寒武系岩溶裂隙含水层。含水层主要由寒武系下、中、上统膏溶角砾岩、白云质灰岩、鲕状灰岩组成，寒武系以中、下部馒头组泥岩、砂质泥岩为隔水层分为2个含水段。上段崮山、张夏组岩溶较发育，以岩溶裂隙为主，岩溶裂隙发育，相对富水性较强，水化学类型为HCO3·SO4-Na及HCO3-Ca·Na水，矿化度0.287 8～0.655 0 g/L；下段朱砂洞膏溶角砾岩发育，水化学类型为HCO3·SO4-Na及HCO3-Ca·Na水，矿化度0.4 g/L。

2 靶区选择依据

2.1 通许凸起鄢陵段靶区选择依据

研究区处在通许凸起的西部。区内断层较发育。据1∶20万前新生界基岩地质图、《河南省鄢陵工区地震普査工作成果报告》、《河南省许昌铁矿普査及武庄矿床详查地质报告》及此次工作区内所作剖面图综合分析，区内共有5条断层。通许凸起鄢陵段断裂构造如图4所示。

(1)F1。分布在鄢陵北彭店—北辛庄一带。据《河南省鄢陵工区地震普查工作成果报告》(1∶5万)，该断层延伸35 km以上，走向北西，倾角5°左右，为一正断层。在断层的南北两盘，波组反映差异很大，北盘反射层次突然增多，深度突然增大，断距很大，断层北部有巨厚的地层沉积。新近系底部界面也发生了明显的错断，错动距离在200 m左右，说明该断层一直到新近系沉积后仍有活动。断层南为太古界凸起，北为古生界凹陷断层北部基底地层主要为二叠系地层。

图4 通许凸起鄢陵段断裂构造Fig.4 Fault structure of Yanling segment of Tongxu uplift

(2)F2。F2断层展布在鄢陵至陈化店到公平寨带。据1∶20万前新生界基岩地质图资料，该断层性质为压性，长度大于110 km。走向北东一近东西，是鄢陵一太康凸起与张桥凹陷逊姆口凹陷及鹿邑凹陷之分界。断层北为太古界凸起，南为古生界凹陌(地层主要为二叠系)，这在本次工作区的剖面中有所反映。该断层是一条延伸远的深大断裂，其与F1断层一起为该区的热储层从地壳深处源源不断地传导热能。

(3)F3。分布于许昌西七里店至半截河到新郭庄一带。据《河南省许昌铁矿普查及武庄矿床详査地质报告》及1∶20万前新生界基岩地质图资料，该断层属禹县—许昌—太康大断裂的组成部分。断层走向北西西，断层北为许昌—鄢陵古生界—太古界凸起，南为古生界凹陷。

(4)F4。分布在苏桥到尹家堂一带。据《河南省许昌铁矿普査及武庄矿床详査地质报告》，该断层为尹家堂断裂，形成较晚，穿插和切割东西向和北西向断裂。断层断距较小，走向北东，倾向南西，为一逆断层。断层南东为凸起，北西为凹陷。

(5)F5。分布在F4西至长葛一带。据1∶20万前新生界基岩地质图，该断层走向北西，倾向北东，为一正断层。断层南西(下盘)为太古界凸起，北东(上盘)为元古界凹陷。

鄢陵凸起段拟选择有利位置施工地热井一口，目标层位新近系馆陶组热储层，井深870～1 130 m，对地热井进行试验，求取地热井流体参数。

2.2 李口向斜靶区选择依据

李口向斜凹陷区域为地温梯度较高区，导水构造多，具有丰富的地热资源。地热资源的靶区选择不能只考虑地热资源丰富程度，更要考虑今后的开发利用方向，有许多地热项目勘察完成后，其利用价值较小，造成资源浪费。秉着经济合理、可持续开发为原则，可把研究区进一步缩小至郏县县城附近，拟在县城处，围绕郏县断层附近设计一口地热井JR01，设计深度为2 800 m，目标层位为寒武系张夏组。李口向斜凹陷区断裂构造如图5所示。

图5 李口向斜凹陷区断裂构造Fig.5 Fault structure in the Likou syncline depression area

3 综合物探工作布置

地热资源的勘查属于一项工作量较大，并且整个勘查工作流程比较复杂的项目类型，在实际工作过程中需要投入大量的人力物力和财力。地质勘查工作单位必须充分了解到地热区域的地质条件差异，并以此为基础来开展后续的地热勘查工作，要以先进的综合物探勘查技术作为技术中心，对整个地热勘查工作的实施方案加以确认，有效保证整个地热勘查工作的顺利开展。综合物探勘查技术主要是应用多种单一的物探方式建立起地质勘查技术，在我国各大地质勘查工作中的应用效果较好，和单一性的物探探测方法相比，综合物探法优势非常明显。在地热勘查工作中，运用综合物探法可以有效适用地热勘查工作中不同工作环节的勘查要求，首先要对勘查地区的地热资源类型情况有详细了解，才能运用综合物探法来进行地热勘查工作，在不同勘查方式上所表现出的作用也存在不同，可以解决地热勘查工作当中一些特定性问题[13-14]。

根据近些年物探技术的发展和研究，本次综合物探认为采用大深度广域电磁测量、微动测量具有一定的优势。

3.1 大深度广域电磁测量

广域电磁法是何继善院士针对CSAMT和MELOS的不足提出的一种能在全域进行广域电阻率计算的电磁方法，广域电磁法继承了CSAMT使用人工场源克服场源随机性的优点，也继承了MELOS方法非远区测量的优势，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和野外效率。

广域电磁法和伪随机信号电磁法结合起来，形成了独具特色的一种新的电法勘探方法。①天然场信号微弱，MT、AMT容易受到干扰。②采用单分量测试，只测量Ex，不测量磁场，简便、易于掌握。③采用全域电磁场计算公式，可缩小收发距离，信号强、测量盲区小。④CSAMT采用的公式形式与MT、AMT相同，导致在一般观测距离下，不满足近似计算的条件，很容易进入非远区，使得曲线尾支呈45°上升。⑤广域电磁法采用精确计算公式，避免因过度简化公式而带来的假象，可以在相对较大的区域里进行观测和数据处理 。扩大了观测范围。勘探深度约为收发距的1/4。⑥CSAMT采用近似计算公式，对变形的观测数据采取各种校正措施，也不能从根本上解决问题。广域电磁法采用精确计算公式，能正确观测到实际的地电模型。⑦由于广域电磁法采用精确计算公式，可以适当缩短收发距离(r>4H)，提高信号强度。⑧CSAMT至少要观测Ex和Hy两组数据，Hy难以观测，无形中增大了难度和成本，为减小难度和成本，经常采用1个Hy对应多个Ex的方式进行观测和数据处理，导致剖面上可能出现等值线挂面的现象；广域电磁法仅观测Ex，用迭代法计算出视电阻率，数据质量明显比CSAMT好，施工效率也比CSAMT高。⑨测量噪声小。由于只测量电场，不测量磁场，受到的干扰小(误差传递)。目前在干扰较大的城区，信号强度仅约1 μV也能进行较好的观测。⑩在收发距合适的情况下，对深部低阻体的反映较敏感，测试曲线不会出现类似CSAMT方法尾支呈45°上升的假象。不观测相位，发射与接收不需要严格同步。

3.2 微动测量

微动探测(MS)是目前常用的物探新技术，在探测效果和勘探成本上具有明显技术优势。该方法是从天然场源微动信号中提取瑞雷波信息，通过数据处理与分析反演、解释地下介质S波速度结构的地球物理勘探技术。该方法无需人工源，不受工业电磁场、浅层高速层、(海水侵入)低阻高导层屏蔽作用影响，对深部低速层的分辨能力远远超过其他地球物理方法，对断层破碎带、采空区(空洞)、陷落柱等构造、岩性突变导致的低降速区域敏感，探测效果好。该方法已在苏州、无锡、徐州、东海、高邮、宝应、如东等多地的地热资源勘查和地热井位选址工作中发挥了重要作用，实测勘探点多达89个，积累了大量原始数据和探测成果。微动探测成果和地热钻探成果为深入研究热储层结构、控热构造背景提供了重要的深部信息，对2种成果的对比分析，研究不同热储层、构造类型的微动探测效果及最佳工作方法，总结分析影响探测效果的地质与技术因素，建立典型热储层地质—岩石物性模型，可为同类地区的地热资源勘查和地热井位选址工作提供技术示范，对更好开展地热资源勘查、提高地热钻井的成功率具有重要指导意义。

3.3 综合物探工作布置

3.3.1 通许凸起鄢陵段靶区综合物探工作布置

根据通许凸起鄢陵段靶区的资料收集研究，F2断层展布在鄢陵至陈化店到公平寨带，该断层是一条延伸远的深大断裂，有很好的地热条件。具体物探综合工作布置在F2断层带上，方法为大深度广域电磁测量和微动测量综合剖面，线编号为WTL1线，点距100 m，剖面长2 km。其中，大深度广域电磁测量20个测点、微动测量20个测点，2种方法各预留10个加密点。根据剖面情况选择加密位置，通许凸起鄢陵段靶区共设计大深度广域电磁测量点30个、微动测量点30个。

通许凸起鄢陵段靶区综合物探工作布置如图6所示。

图6 通许凸起鄢陵段靶区综合物探工作布置Fig.6 Layout of comprehensive geophysical exploration work in the target area of Yanling section of Tongxu uplift

3.3.2 李口向斜靶区综合物探工作布置

根据李口向斜靶区的资料收集分析，靶区主要研究的是郏县断层，郏县正断层为区域大断层，总体走向呈北东方向，落差2 000 m，将襄郏断层、李口向斜错断。根据十一矿资料，该处断层断距大于400 m，为导水断层。在主断层两侧发育了多条次生断裂(襄郏断层)，呈羽状排布，推测为该区主要导水导热构造，有很好的地热条件。具体物探综合工作布置在郏县断层与黄道断层交叉带上，方法为大深度广域电磁测量和微动测量综合剖面，线编号为WTL1线，点距100 m，剖面长2 km。其中，大深度广域电磁测量20个测点、微动测量20个测点，2种方法各预留10个加密点。根据剖面情况选择加密位置，通许凸起鄢陵段靶区共设计大深度广域电磁测量点30个、微动测量点30个。李口向斜靶区综合物探工作布置如图7所示。

图7 李口向斜靶区综合物探工作布置Fig.7 Layout of comprehensive geophysical exploration work in Likou syncline target area

4 结语

通过研究，可提高中深层地热勘查区和靶区优选率，最大限度降低中深层地热勘查开发投资风险；是推动河南省有色金属地质矿产局转型发展、抓住河南省实施污染防治攻坚战3年行动计划、实施燃煤替代、发展地热供暖(制冷)的重大机遇；是为政府、企业开展地热开发利用可行性研究提供依据，以满足指导商业性地热开发需要的重要举措。