许昌市地热地质特征研究

蒋朝军,涂良权,曹 渊

(河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院,河南 郑州 450018)

地热资源作为一种可再生清洁能源,对可持续发展和产业升级有着重要的意义(李宁波等,2018)。许昌市地热资源丰富,已广泛用于理疗、洗浴、采暖、养殖,尤其是依托地热开发发展起来的鄢陵县花都温泉小镇,每年接待游客量达数十万人次,取得了较好的社会和经济效益。然而,当前许昌市地热研究程度非常低,勘查工作碎片化,没有进行过系统的研究,严重影响许昌市地热资源开发利用。

本文依托河南省通许凸起许昌—鄢陵岩溶热储地热资源调查评价和河南省郑州、洛阳、许昌市城市地质矿产调查2个河南省自然资源厅2019年度地质勘查项目,通过收集许昌市在利用的全部12眼地热井(表1)资料和地热地质调查2 240 km2、井点225个,可控源音频大地电磁测深74 km、水质全分析20组,同位素分析10组,选取4个地热井降压试验,历时1年地热水动态观测等系统研究工作(河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院,2019),全面分析评价许昌市地热地质特征,以期为许昌市乃至华北平原地区地热开发提供地质依据。

表1 研究区已利用地热井情况

1 研究区地质背景

1.1 地层岩性

研究区属黄淮冲积平原区,地表无基岩出露,完全被新生界覆盖。地层由老到新为太古界登封群(Ardn)、下元古界(Pt1)、中元古界马鞍山组(Pt2m)、下古生界寒武系(∈)和奥陶系中统马家沟组(O2m)、上古生界石炭系上统(C2)和二叠系(P)、中生界白垩系(K)、新生界古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q),第四系在研究区地表分布广泛(表2)。

表2 研究区地层岩性特征表

1.2 地质构造

研究区位于中朝准地台华北坳陷通许凸起西部。通许凸起位于嵩箕台隆之东,实际上是嵩箕台隆向东延伸部分。新近系以后,嵩箕台隆继续上隆,研究区则随着华北坳陷整体下沉,接受沉积,才与嵩箕台隆分开,呈现今日之面貌。基底为由太古界至古生界组成的近东西向鞍状复式背斜,东西两端抬起,向中间倾伏。断裂比较发育,可分为近东西向、北东向、北西向三组。主要为正断层,其中北东向和北西向断裂兼有平推性质。三组断裂纵横交错,把研究区切割成支离破碎的断块状(图1)(黄光寿等,2019;旷红伟等,2009)。

图1 研究区基岩地质构造图

研究区断层发育9条断层(表3)。断层为地热流体供应热能提供了有利的条件,距离断层越近,地温梯度越高,在断层的转折处和交汇处,地温梯度更高。

1.3 凹陷与凸起

通许凸起存在次一级的凹陷与凸起,研究区F2、F3以北,F1以西,F4、F6东为鄢陵凸起,之外形成次级凹陷区。

鄢陵凸起基底在鄢陵北主要为太古界登封群地层,在西端许昌一带主要为古生界地层,中间有少量元古界地层。其上主要为新近系河湖相红、棕、黄色粘土岩、砂岩、砂砾岩组成的次稳定型复陆屑建造。凸起东部鄢陵一带,前新生界厚度800～1 000 m;西部一带,前新生界厚度1 000～1 800 m。

鄢陵凸起之外是主要由二叠系地层组成基底的次级凹陷。南部凹陷前新生界厚度1 200～1 600 m;西部凹陷已接近基岩裸露区,基底地层为古生界地层,前新生界厚度200～600 m。

2 研究区地热地质条件

2.1 热储层分布特征

2.1.1 新生界孔隙热储层

1)新近系明化镇组孔隙热储层

本组热储上有第四系盖层,下有较厚的馆陶组热储隔断其与基岩热储的热能传导,无法直接接受断层传导的热能,仅靠自然地温梯度增温。

热储层遍布整个研究区,顶板埋深73.50～293.95 m,底板埋深192.50～1 065.00 m,厚度115.10～793.00 m。根据收集的水2孔明化镇组的试井资料,水温30℃,温水,井产量1 288.22 m3/d,单位产量43.76 m3/d·m。热储层热储介质由8～26层粉、细、中砂组成,累计厚度67.40～216.10 m,砂岩孔隙度大,属中高孔隙储层。

2)新近系馆陶组孔隙热储层

本组热储层是研究区重点热储层,覆盖在前新生界基岩之上,可直接接受基岩热储和断层的热能传导,热储层温度受断层、基底埋深及岩性的控制。基底埋深619.57～1 081.00 m。热储层厚度99.26～398.35 m,呈多层结构,粘性土与砂层互层。砂层厚度由西往东逐渐增大,砂层3～20层,累计厚度西部40.10～97.30 m,东部102.40～168.30 m。据许热2孔馆陶组试井资料,孔口水温62℃,温热水,井产量936 m3/d,单位产量14.16 m3/d·m。

2.1.2 古生界岩溶裂隙热储层

岩性主要为寒武、奥陶系白云质灰岩、灰岩。西部一带顶板埋深300～700 m,东部一带埋深1 200～1 500 m,厚度530～1 130 m。断层附近,裂隙错综复杂,经后期岩溶作用,溶洞溶隙发育。断层发育的许昌市西部地区古生界岩溶裂隙热储层比东部更具开发价值。ZK257抽水孔井产量为1 012 m3/d,抽水层段224.75～324.5 m,岩性为灰岩,地热流体温度30℃,地温梯度5.31℃/100 m。

2.2 热储层盖层特征

2.2.1 新近系孔隙热储层盖层

1)新近系明化镇组盖层

第四系粘性土与砂层互层构成该热储层的盖层,厚73.50～293.95 m。研究区第四系粘性土4～17层,累计厚度56.10～249.65 m。

2)新近系馆陶组盖层

第四系及新近系明化镇组粘性土与砂层互层构成该热储层的盖层,厚度192.50～1 065.00 m。粘性土13～42层,厚度253.30～815.50 m。

2.2.2 古生界岩溶热储层盖层

第四系、新近系、古近系构成该含水岩组盖层,粘性土与砂层互层,厚度619.57～1 409.55 m。

2.3 地温场特征

2.3.1 地温场平面特征

通过调查研究区220个浅层水(小于70 m)调查井点,平均水温为17.22℃。根据许昌市多年平均气温(14.7℃),取17℃为异常分界线,高于此温度即为地温异常区。

1)浅层水地温异常

研究区浅层水的地温异常展布于许昌市与鄢陵县之间,面积较大,展布特征与基底埋深、基底岩性、断层有关。在220个调查点中,大于17℃的井点数为157个,占总数的71.4%;小于等于15℃的63个。基底埋深越浅,异常越明显,异常分布于基底埋深小于1 100 m的地段,特别是凸起区;基底岩石越致密,异常越发育。在太古界地层为基底的地段,异常多于古生界地层为基底的地段;断层两侧异常也较其它地段发育。

2)500 m深度地温场平面特征

500 m深度地层在研究区一般为新近系,新近系热储层地热异常与基底关系密切。许热2、许热4、许热5、许热6、许热7、许热8、水2、ZK257位于凸起区,推算500 m深处热储温度平均值为34.93℃;ZK90-18、许热1、许热3和鄢热1位于凹陷区,推算500 m深处热储温度平均值为29.35℃。500 m深度地温场平面特征受基底控制,凸起区比凹陷区地温梯度高。

3)1 000 m深度地温场平面特征

在研究区的东、西两边—许昌西部及鄢陵一带,基岩埋深一般小于1 000 m,中部大部分地段基岩埋深大于1 000 m。凸起区推算1 000 m深处热储温度平均值为53.39℃,凹陷区推算1 000 m深处热储温度平均值为40.57℃。同500 m深度地温场平面特征一样,1 000 m深度地温场也受基底控制,凸起区比凹陷区地温梯度高。

平面上,鄢陵凸起是1 000 m以浅地温场的异常区,是寻找地热资源的较为经济合理的地段。

2.3.2 地温场垂向变化特征

研究区增温带垂向变化特征如下:

(1)330～780 m为温水,多为新近系明化镇组及中新统馆陶组温水热储层,水温25℃～40℃。

(2)780～1 000 m为温热水,多为新近系馆陶组温热水热储层,水温40℃～62℃。

(3)大于1 000 m为温热水～热水,储层多为前新生界地层。依不同岩性、埋深其地温梯度有较大差距。

3 地热流体水化学和同位素特征

3.1 地热流体水化学特征

3.1.1 明化镇组温水热储层水化学特征

明化镇组温水水化学类型为HCO3-K+Na·Ca·Mg型水,pH值6.7,属中性水,总硬度(以CaCO3计)18 mg/L属极软水,矿化度0.59 g/L,属淡水。

3.1.2 馆陶组温水—温热水热储层水化学特征

根据收集的水质分析资料(取水段均为馆陶组热储),许热1水化学类型为HCO3·SO4-K+Na型水,许热2、许热6、许热7和许热8水化学类型均为Cl-K+Na型,鄢热1水化学类型为SO4·Cl·HCO3-K+Na型水。许热1矿化度0.601 g/L,鄢热1矿化度0.946 g/L,属淡水;许热2矿化度2.818 g/L,属微咸水;许热6矿化度3.472 g/L,许热7矿化度3.337 g/L,许热8矿化度3.253 g/L属咸水。许热1、许热2、许热7、许热8和鄢热1pH值7.1～7.89,属中性水;许热6pH值为8.37,属弱碱性水。总硬度为151.37～391.20 mg/L,属微硬～硬水。

3.1.3 古生界岩溶裂隙温水热储层水化学特征

收集到两个钻孔均为寒武系热储层。ZK90-18水化学类型分别为HCO3·SO4-Ca·K+Na型,矿化度0.599 g/L,属淡水,pH值7.45,属中性水。ZK257水化学类型为HCO3-K+Na·Ca·Mg型水,矿化度1.25 g/L,系微咸水,pH值7.88,属中性水。

3.2 地热流体化学组份动态变化

根据研究区水质分析的成果资料,求取一部分离子的比值(表4),可以看出:

表4 离子含量比值统计表

(1)在地热流体的补给方向上,[Cl]/[F]比值由低向高演化。从许热1孔到许热2孔方向[Cl]/[F]比值增大很多。地热流体是在由西向东补给,结合基底形态,地热流体的径流方向为自西北向东南径流。

(2)[Ca]/[Mg]比值变化与[Cl]/[F]方向相同,也说明地热流体的径流方向是由西北向东南。

(3)SO4·102/Cl和SO4/(SO4+Cl)×100比值渐小,说明SO42-含量渐少,而Cl-含量渐增,而且硫酸盐的还原作用渐强,水文地质封闭程度在加大,研究区热储是一个半封闭型水文地质构造系统。

3.3 同位素化学特征

稳定性氢氧同位素广泛应用于水循环的研究,根据地下水中氘(D)、氧-18(18O)和氚(3H)的含量判断地下水来源,利用氚(D)、碳14﹙14C﹚放射性衰变特性,确定地下水的年龄(谭梦如等,2019;克拉克等,2006;王恒纯,1991)。

研究区采集了具有代表性的浅层地下水、中深层地下水和地热水不同层位的地下水样10组,进行D、18O、3H的同位素含量测定,同位素分析结果见表5。

表5 研究区同位素分析结果表

各种成因类型的天然水有不同的氢、氧组成,见表6。研究区不同层位地下水同位素分析结果统计见表7,与表6相对照可知区内温热水D在-350～+50之间,18O在-50～+10之间,地热水为降水入渗成因。

表6 天然水氢氧同位素组成 ‰

表7 不同层位地下水同位素分析结果统计表

随着深度的增加,D、18O和3H含量逐渐降低,三者变化趋势相似,实测14C确定浅层地下水、中深层地下水、地热水年龄分别平均约为0.17万 a、0.78万 a、1.26万 a。分析表明地热水是由降水入渗补给形成的,地下水的补给、径流方向是由西北向东南,补给来源较远,补给量不太充分,热储的渗透性不太好,运移速率较慢,更新周期较长,研究区地热水以静储量为主。

4 结语

(1)研究区基底是由太古界至古生界组成的近东西向鞍状复式背斜,断裂发育,将研究区切割成支离破碎的断块状。断层为地热流体供应热能提供了有利的条件,距离断层越近地温梯度越高,断层的转折处和交汇处地温梯度更高。

(2)新近系明化镇组孔隙热储层无法直接接受断层传导的热能,仅靠自然地温梯度增温;新近系馆陶组孔隙热储层直接接受基岩热储和断层的热能传导,热储层温度受断层、基底埋深及岩性的控制;古生界岩溶裂隙热储层主要为寒武、奥陶系岩溶,西部比东部更具开发价值。

(3)地温异常展布特征与基底埋深、基底岩性、断层有关。基底埋深越浅,异常越明显;基底岩石越致密,异常越发育。断层两侧异常也较其它地段发育。鄢陵凸起和断层附近是寻找地热资源的经济合理地段。

(4)馆陶组热储层是研究区重点热储层,热储层厚度99.26～398.35 m,顶板埋深496.00～1 065.00 m,砂层厚度40.10～168.30 m,单位产量4.56～68.65 m3/d·m,渗透系数0.09～0.71 m/d,导水系数6.46～72.42 m2/d;水温35.5℃～62℃;地温梯度3.05～4.81℃/100m。地热流体水化学类型为Cl-K+Na型、HCO3·SO4-K+Na型、SO4·Cl·HCO3-K+Na型水。

(5)地热水由降水入渗补给形成,补给、径流方向由西北向东南,补给来源较远,补给量不太充分,更新周期较长,以静储量为主。