許昌市地熱地質特征研究

蔣朝軍,涂良權,曹 淵

(河南省地質礦產勘查開發局第二地質勘查院,河南 鄭州 450018)

地熱資源作為一種可再生清潔能源,對可持續發展和產業升級有著重要的意義(李寧波等,2018)。許昌市地熱資源豐富,已廣泛用于理療、洗浴、采暖、養殖,尤其是依托地熱開發發展起來的鄢陵縣花都溫泉小鎮,每年接待游客量達數十萬人次,取得了較好的社會和經濟效益。然而,當前許昌市地熱研究程度非常低,勘查工作碎片化,沒有進行過系統的研究,嚴重影響許昌市地熱資源開發利用。

本文依托河南省通許凸起許昌—鄢陵巖溶熱儲地熱資源調查評價和河南省鄭州、洛陽、許昌市城市地質礦產調查2個河南省自然資源廳2019年度地質勘查項目,通過收集許昌市在利用的全部12眼地熱井(表1)資料和地熱地質調查2 240 km2、井點225個,可控源音頻大地電磁測深74 km、水質全分析20組,同位素分析10組,選取4個地熱井降壓試驗,歷時1年地熱水動態觀測等系統研究工作(河南省地質礦產勘查開發局第二地質勘查院,2019),全面分析評價許昌市地熱地質特征,以期為許昌市乃至華北平原地區地熱開發提供地質依據。

表1 研究區已利用地熱井情況

1 研究區地質背景

1.1 地層巖性

研究區屬黃淮沖積平原區,地表無基巖出露,完全被新生界覆蓋。地層由老到新為太古界登封群(Ardn)、下元古界(Pt1)、中元古界馬鞍山組(Pt2m)、下古生界寒武系(∈)和奧陶系中統馬家溝組(O2m)、上古生界石炭系上統(C2)和二疊系(P)、中生界白堊系(K)、新生界古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q),第四系在研究區地表分布廣泛(表2)。

表2 研究區地層巖性特征表

1.2 地質構造

研究區位于中朝準地臺華北坳陷通許凸起西部。通許凸起位于嵩箕臺隆之東,實際上是嵩箕臺隆向東延伸部分。新近系以后,嵩箕臺隆繼續上隆,研究區則隨著華北坳陷整體下沉,接受沉積,才與嵩箕臺隆分開,呈現今日之面貌?；诪橛商沤缰凉派缃M成的近東西向鞍狀復式背斜,東西兩端抬起,向中間傾伏。斷裂比較發育,可分為近東西向、北東向、北西向三組。主要為正斷層,其中北東向和北西向斷裂兼有平推性質。三組斷裂縱橫交錯,把研究區切割成支離破碎的斷塊狀(圖1)(黃光壽等,2019;曠紅偉等,2009)。

圖1 研究區基巖地質構造圖

研究區斷層發育9條斷層(表3)。斷層為地熱流體供應熱能提供了有利的條件,距離斷層越近,地溫梯度越高,在斷層的轉折處和交匯處,地溫梯度更高。

1.3 凹陷與凸起

通許凸起存在次一級的凹陷與凸起,研究區F2、F3以北,F1以西,F4、F6東為鄢陵凸起,之外形成次級凹陷區。

鄢陵凸起基底在鄢陵北主要為太古界登封群地層,在西端許昌一帶主要為古生界地層,中間有少量元古界地層。其上主要為新近系河湖相紅、棕、黃色粘土巖、砂巖、砂礫巖組成的次穩定型復陸屑建造。凸起東部鄢陵一帶,前新生界厚度800～1 000 m;西部一帶,前新生界厚度1 000～1 800 m。

鄢陵凸起之外是主要由二疊系地層組成基底的次級凹陷。南部凹陷前新生界厚度1 200～1 600 m;西部凹陷已接近基巖裸露區,基底地層為古生界地層,前新生界厚度200～600 m。

2 研究區地熱地質條件

2.1 熱儲層分布特征

2.1.1 新生界孔隙熱儲層

1)新近系明化鎮組孔隙熱儲層

本組熱儲上有第四系蓋層,下有較厚的館陶組熱儲隔斷其與基巖熱儲的熱能傳導,無法直接接受斷層傳導的熱能,僅靠自然地溫梯度增溫。

熱儲層遍布整個研究區,頂板埋深73.50～293.95 m,底板埋深192.50～1 065.00 m,厚度115.10～793.00 m。根據收集的水2孔明化鎮組的試井資料,水溫30℃,溫水,井產量1 288.22 m3/d,單位產量43.76 m3/d·m。熱儲層熱儲介質由8～26層粉、細、中砂組成,累計厚度67.40～216.10 m,砂巖孔隙度大,屬中高孔隙儲層。

2)新近系館陶組孔隙熱儲層

本組熱儲層是研究區重點熱儲層,覆蓋在前新生界基巖之上,可直接接受基巖熱儲和斷層的熱能傳導,熱儲層溫度受斷層、基底埋深及巖性的控制?；茁裆?19.57～1 081.00 m。熱儲層厚度99.26～398.35 m,呈多層結構,粘性土與砂層互層。砂層厚度由西往東逐漸增大,砂層3～20層,累計厚度西部40.10～97.30 m,東部102.40～168.30 m。據許熱2孔館陶組試井資料,孔口水溫62℃,溫熱水,井產量936 m3/d,單位產量14.16 m3/d·m。

2.1.2 古生界巖溶裂隙熱儲層

巖性主要為寒武、奧陶系白云質灰巖、灰巖。西部一帶頂板埋深300～700 m,東部一帶埋深1 200～1 500 m,厚度530～1 130 m。斷層附近,裂隙錯綜復雜,經后期巖溶作用,溶洞溶隙發育。斷層發育的許昌市西部地區古生界巖溶裂隙熱儲層比東部更具開發價值。ZK257抽水孔井產量為1 012 m3/d,抽水層段224.75～324.5 m,巖性為灰巖,地熱流體溫度30℃,地溫梯度5.31℃/100 m。

2.2 熱儲層蓋層特征

2.2.1 新近系孔隙熱儲層蓋層

1)新近系明化鎮組蓋層

第四系粘性土與砂層互層構成該熱儲層的蓋層,厚73.50～293.95 m。研究區第四系粘性土4～17層,累計厚度56.10～249.65 m。

2)新近系館陶組蓋層

第四系及新近系明化鎮組粘性土與砂層互層構成該熱儲層的蓋層,厚度192.50～1 065.00 m。粘性土13～42層,厚度253.30～815.50 m。

2.2.2 古生界巖溶熱儲層蓋層

第四系、新近系、古近系構成該含水巖組蓋層,粘性土與砂層互層,厚度619.57～1 409.55 m。

2.3 地溫場特征

2.3.1 地溫場平面特征

通過調查研究區220個淺層水(小于70 m)調查井點,平均水溫為17.22℃。根據許昌市多年平均氣溫(14.7℃),取17℃為異常分界線,高于此溫度即為地溫異常區。

1)淺層水地溫異常

研究區淺層水的地溫異常展布于許昌市與鄢陵縣之間,面積較大,展布特征與基底埋深、基底巖性、斷層有關。在220個調查點中,大于17℃的井點數為157個,占總數的71.4%;小于等于15℃的63個?；茁裆钤綔\,異常越明顯,異常分布于基底埋深小于1 100 m的地段,特別是凸起區;基底巖石越致密,異常越發育。在太古界地層為基底的地段,異常多于古生界地層為基底的地段;斷層兩側異常也較其它地段發育。

2)500 m深度地溫場平面特征

500 m深度地層在研究區一般為新近系,新近系熱儲層地熱異常與基底關系密切。許熱2、許熱4、許熱5、許熱6、許熱7、許熱8、水2、ZK257位于凸起區,推算500 m深處熱儲溫度平均值為34.93℃;ZK90-18、許熱1、許熱3和鄢熱1位于凹陷區,推算500 m深處熱儲溫度平均值為29.35℃。500 m深度地溫場平面特征受基底控制,凸起區比凹陷區地溫梯度高。

3)1 000 m深度地溫場平面特征

在研究區的東、西兩邊—許昌西部及鄢陵一帶,基巖埋深一般小于1 000 m,中部大部分地段基巖埋深大于1 000 m。凸起區推算1 000 m深處熱儲溫度平均值為53.39℃,凹陷區推算1 000 m深處熱儲溫度平均值為40.57℃。同500 m深度地溫場平面特征一樣,1 000 m深度地溫場也受基底控制,凸起區比凹陷區地溫梯度高。

平面上,鄢陵凸起是1 000 m以淺地溫場的異常區,是尋找地熱資源的較為經濟合理的地段。

2.3.2 地溫場垂向變化特征

研究區增溫帶垂向變化特征如下:

(1)330～780 m為溫水,多為新近系明化鎮組及中新統館陶組溫水熱儲層,水溫25℃～40℃。

(2)780～1 000 m為溫熱水,多為新近系館陶組溫熱水熱儲層,水溫40℃～62℃。

(3)大于1 000 m為溫熱水～熱水,儲層多為前新生界地層。依不同巖性、埋深其地溫梯度有較大差距。

3 地熱流體水化學和同位素特征

3.1 地熱流體水化學特征

3.1.1 明化鎮組溫水熱儲層水化學特征

明化鎮組溫水水化學類型為HCO3-K+Na·Ca·Mg型水,pH值6.7,屬中性水,總硬度(以CaCO3計)18 mg/L屬極軟水,礦化度0.59 g/L,屬淡水。

3.1.2 館陶組溫水—溫熱水熱儲層水化學特征

根據收集的水質分析資料(取水段均為館陶組熱儲),許熱1水化學類型為HCO3·SO4-K+Na型水,許熱2、許熱6、許熱7和許熱8水化學類型均為Cl-K+Na型,鄢熱1水化學類型為SO4·Cl·HCO3-K+Na型水。許熱1礦化度0.601 g/L,鄢熱1礦化度0.946 g/L,屬淡水;許熱2礦化度2.818 g/L,屬微咸水;許熱6礦化度3.472 g/L,許熱7礦化度3.337 g/L,許熱8礦化度3.253 g/L屬咸水。許熱1、許熱2、許熱7、許熱8和鄢熱1pH值7.1～7.89,屬中性水;許熱6pH值為8.37,屬弱堿性水?？傆捕葹?51.37～391.20 mg/L,屬微硬～硬水。

3.1.3 古生界巖溶裂隙溫水熱儲層水化學特征

收集到兩個鉆孔均為寒武系熱儲層。ZK90-18水化學類型分別為HCO3·SO4-Ca·K+Na型,礦化度0.599 g/L,屬淡水,pH值7.45,屬中性水。ZK257水化學類型為HCO3-K+Na·Ca·Mg型水,礦化度1.25 g/L,系微咸水,pH值7.88,屬中性水。

3.2 地熱流體化學組份動態變化

根據研究區水質分析的成果資料,求取一部分離子的比值(表4),可以看出:

表4 離子含量比值統計表

(1)在地熱流體的補給方向上,[Cl]/[F]比值由低向高演化。從許熱1孔到許熱2孔方向[Cl]/[F]比值增大很多。地熱流體是在由西向東補給,結合基底形態,地熱流體的徑流方向為自西北向東南徑流。

(2)[Ca]/[Mg]比值變化與[Cl]/[F]方向相同,也說明地熱流體的徑流方向是由西北向東南。

(3)SO4·102/Cl和SO4/(SO4+Cl)×100比值漸小,說明SO42-含量漸少,而Cl-含量漸增,而且硫酸鹽的還原作用漸強,水文地質封閉程度在加大,研究區熱儲是一個半封閉型水文地質構造系統。

3.3 同位素化學特征

穩定性氫氧同位素廣泛應用于水循環的研究,根據地下水中氘(D)、氧-18(18O)和氚(3H)的含量判斷地下水來源,利用氚(D)、碳14﹙14C﹚放射性衰變特性,確定地下水的年齡(譚夢如等,2019;克拉克等,2006;王恒純,1991)。

研究區采集了具有代表性的淺層地下水、中深層地下水和地熱水不同層位的地下水樣10組,進行D、18O、3H的同位素含量測定,同位素分析結果見表5。

表5 研究區同位素分析結果表

各種成因類型的天然水有不同的氫、氧組成,見表6。研究區不同層位地下水同位素分析結果統計見表7,與表6相對照可知區內溫熱水D在-350～+50之間,18O在-50～+10之間,地熱水為降水入滲成因。

表6 天然水氫氧同位素組成 ‰

表7 不同層位地下水同位素分析結果統計表

隨著深度的增加,D、18O和3H含量逐漸降低,三者變化趨勢相似,實測14C確定淺層地下水、中深層地下水、地熱水年齡分別平均約為0.17萬 a、0.78萬 a、1.26萬 a。分析表明地熱水是由降水入滲補給形成的,地下水的補給、徑流方向是由西北向東南,補給來源較遠,補給量不太充分,熱儲的滲透性不太好,運移速率較慢,更新周期較長,研究區地熱水以靜儲量為主。

4 結語

(1)研究區基底是由太古界至古生界組成的近東西向鞍狀復式背斜,斷裂發育,將研究區切割成支離破碎的斷塊狀。斷層為地熱流體供應熱能提供了有利的條件,距離斷層越近地溫梯度越高,斷層的轉折處和交匯處地溫梯度更高。

(2)新近系明化鎮組孔隙熱儲層無法直接接受斷層傳導的熱能,僅靠自然地溫梯度增溫;新近系館陶組孔隙熱儲層直接接受基巖熱儲和斷層的熱能傳導,熱儲層溫度受斷層、基底埋深及巖性的控制;古生界巖溶裂隙熱儲層主要為寒武、奧陶系巖溶,西部比東部更具開發價值。

(3)地溫異常展布特征與基底埋深、基底巖性、斷層有關?；茁裆钤綔\,異常越明顯;基底巖石越致密,異常越發育。斷層兩側異常也較其它地段發育。鄢陵凸起和斷層附近是尋找地熱資源的經濟合理地段。

(4)館陶組熱儲層是研究區重點熱儲層,熱儲層厚度99.26～398.35 m,頂板埋深496.00～1 065.00 m,砂層厚度40.10～168.30 m,單位產量4.56～68.65 m3/d·m,滲透系數0.09～0.71 m/d,導水系數6.46～72.42 m2/d;水溫35.5℃～62℃;地溫梯度3.05～4.81℃/100m。地熱流體水化學類型為Cl-K+Na型、HCO3·SO4-K+Na型、SO4·Cl·HCO3-K+Na型水。

(5)地熱水由降水入滲補給形成,補給、徑流方向由西北向東南,補給來源較遠,補給量不太充分,更新周期較長,以靜儲量為主。