河南省鄭汴新區(qū)(中牟段)地?zé)豳Y源特征及開(kāi)發(fā)利用前景

范浩敏

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

地?zé)豳Y源為一種綠色、可再生新型能源. 鄭汴新區(qū)位于河南省中北部，隸屬鄭州市和開(kāi)封市。鄭汴新區(qū)中牟段蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)豳Y源[1],在華北地區(qū)具有典型性.研究該地?zé)崽锏牡責(zé)豳Y源特征,對(duì)該地區(qū)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)有著積極的指導(dǎo)意義。

研究區(qū)位于鄭汴新區(qū)中牟段，鄭東新區(qū)以東、汴西新區(qū)以西，北到黃河南岸，南至310國(guó)道，總面積308 km2。地理坐標(biāo)為：東經(jīng)113°50′43″～114°09′02″，北緯34°44′09″～34°50′19″。研究區(qū)地理位置極其優(yōu)越。連霍高速、鄭開(kāi)大道、國(guó)道220線(xiàn)、鄭徐高鐵、省道102線(xiàn)橫貫東西， 省道223線(xiàn)、萬(wàn)三公路縱穿南北，交通極為便利。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造單元位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)南部的華北坳陷。次級(jí)構(gòu)造單元為濟(jì)源—開(kāi)封凹陷，沿黃河呈東西向展布，分布于濟(jì)源—開(kāi)封—蘭考一帶，總面積12 000 km2。

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

開(kāi)封次凹陷主要受到構(gòu)體系影響，凹陷主要受北部的焦作—商丘深大斷裂和南部的鄭州—蘭考斷裂和新華夏構(gòu)造體睢縣—巨野斷裂和古滎斷裂的形成與發(fā)展，見(jiàn)圖1。

圖1 鄭汴新區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

1.2 地層巖性及特征

研究區(qū)位于與華北地層區(qū)的豫東地層小區(qū)，基底為中生界，新生界為陸源碎屑堆積物，古近系、新近系。第四系地層發(fā)育齊全[2]?，F(xiàn)自老至新簡(jiǎn)述如下：

(1)古近系(E)以鄭州—蘭考斷裂為界，南部缺失古近系。北部的古近系沙河街組下段巖性為深灰、灰色泥巖夾灰白色細(xì)砂巖、鈣質(zhì)砂巖，局部夾3～5層玄武巖，厚度123～477 m；上段為灰綠、灰黑、暗褐色泥巖與淺灰色粉細(xì)砂巖與鈣質(zhì)砂巖互層，厚度328～1 318 m。漸新統(tǒng)東營(yíng)組巖性為棕、褐灰色泥巖與棕、灰白色砂巖互層，夾碳質(zhì)頁(yè)巖和薄煤層，底板埋深2 900～3 650 m，厚度594～1 318.5 m。

(2)新近系(N)

中新統(tǒng)館陶組(N1g)：分布廣泛，巖性主要為淺棕紅、淺灰色粉砂巖、砂巖與棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，底板埋深1 600～2 600 m，厚度400～500 m左右，開(kāi)封次凹陷物質(zhì)顆粒較西部細(xì)。

上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組(N2m)：巖性主要為棕紅、灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂礫巖組成，底板埋深1 200～1 600 m， 厚度800～1 000 m左右。

(3)第四系(Q)

下更新統(tǒng)(Qp1)：下部為冰水堆積層(Qp1fgl)：鉆孔揭露，底板埋深100～320 m，厚50～240 m。巖性以棕紅色，棕褐色、灰綠色厚層粘土、亞粘土夾灰綠、銹黃色粉細(xì)砂層，具混粒結(jié)構(gòu)富含鈣核和鐵錳結(jié)核。

中更新統(tǒng)(Qp2)：普查區(qū)未出露，根據(jù)鉆孔資料從巖性特征上分為兩段.上段主要由淺黃色、棕黃色亞砂土及厚層中細(xì)砂構(gòu)成，砂層呈條帶狀分布，具水平層理，分選性好。下段以黃棕色、紅棕色亞砂土、亞粘土為主，夾少量的砂層，致密塊狀、見(jiàn)有蠕蟲(chóng)狀構(gòu)造。底部埋深80～120 m。

上更新統(tǒng)(Qp3)：巖性主要由灰黃色、土黃色厚層亞砂土、粉細(xì)砂、中細(xì)砂層為主。砂層厚度20～50 m，底板埋深40～90 m。

全新統(tǒng)(Qh)：按成因分為全新統(tǒng)沖積物(Qhal)和風(fēng)積物(Qheol)。其中沖積物巖性為灰黃色輕亞砂土、亞砂土與厚層的粉細(xì)砂、細(xì)砂層，具有“二元結(jié)構(gòu)”，可見(jiàn)1～2層淤泥層，顏色以灰、黑、黃灰色為主，厚度一般15～20 m。風(fēng)積物主要為淺褐色細(xì)粉砂。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 地?zé)崽镞吔鐥l件

研究區(qū)基底隱伏以斷裂為鄭州—蘭考斷裂為主，作為開(kāi)封凹陷和通許凸起構(gòu)造單元的邊界。并影響新生界沉積厚度，因而對(duì)新近系、古近系熱儲(chǔ)層不構(gòu)成隔水邊界。

2.2 熱儲(chǔ)特征及其埋藏條件

鄭汴新區(qū)中牟段地?zé)豳Y源屬沉積盆地層狀熱儲(chǔ),熱儲(chǔ)、蓋層齊全[3].熱源供給為大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)。

2.2.1 蓋層

研究區(qū)地?zé)釤醿?chǔ)蓋層主要由新近系明化鎮(zhèn)組泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂、中細(xì)砂和第四系粘土、砂質(zhì)粘土、各粒級(jí)砂組成。其中，明化鎮(zhèn)組上段總厚度大于400 m。第四系松散層厚度一般200～300 m。蓋層厚度800 m，區(qū)域分布穩(wěn)定。

2.2.2 熱儲(chǔ)

根據(jù)研究綜合分析， 2 000 m勘探深度以?xún)?nèi)，熱儲(chǔ)層主要為新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組層狀熱儲(chǔ)為主。全區(qū)可分為三個(gè)熱儲(chǔ)層[4]。

第一熱儲(chǔ)層(N2m)：分布于800～1 000 m，厚度200 m。巖性主要為明化鎮(zhèn)組中段巖性為灰黃色細(xì)砂、中細(xì)砂、粘土互層，砂性巖層最厚累計(jì)110.7 m，單層厚度19.8 m。該熱儲(chǔ)層平均溫度49℃，平均地溫梯度3.17℃/100m。水化學(xué)類(lèi)型以HCO3--Na+型為主，可溶性總固體一般為490.2～953.6 mg/L。

第二熱儲(chǔ)層(N2m)：分布于1 000～1 400 m，厚度400 m。地層巖性為明化鎮(zhèn)組下段淺棕色、紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰色、灰黃色細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、泥巖互層，砂性巖層最厚累計(jì)174.05 m，單層厚度27.5 m，富水性較好。水化學(xué)類(lèi)型主要以HCO3--Na+型為主， 該熱儲(chǔ)層平均溫度55℃，地溫梯度3.36℃/100 m。

第三熱儲(chǔ)層(N1g)：分布于1 400～1 750 m，厚度350 m。地層巖性為館陶組的紫紅色泥巖、鈣質(zhì)泥巖夾灰色、淺棕色細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、砂礫巖，泥巖、砂性巖累計(jì)厚度130.5 m，富水性一般。該層上部地?zé)崃黧w化學(xué)類(lèi)型以HCO3--Na+為主，下部隨著深度增加，氯離子增加水化學(xué)類(lèi)型變?yōu)镃l--Na+型為主，該熱儲(chǔ)層平均溫度64.0℃，地溫梯度3.48℃/100m。

2.3 地?zé)崃黧w流場(chǎng)特征及動(dòng)態(tài)

依據(jù)中牟ZK1井穩(wěn)定同位素D、18O與區(qū)外西部山區(qū)大氣降水的關(guān)系分析，勘查區(qū)地?zé)崃黧w的補(bǔ)給來(lái)源為區(qū)外西部山區(qū)的大氣降水，運(yùn)移至勘查區(qū)補(bǔ)給到熱儲(chǔ)層。垂向上，由于不同深度熱儲(chǔ)層之間存在較厚粘土層和泥質(zhì)巖層，相互之間無(wú)明顯的水力聯(lián)系。中牟ZK1井水位高程67.5 m，開(kāi)封杏花營(yíng)地?zé)峋桓叱?9 m，開(kāi)封市區(qū)由于超采地?zé)崴?，已形成大范圍的降落漏斗。因此，區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w總體上自西向東徑流，補(bǔ)給距離較遠(yuǎn)，水力坡度小，徑流速度慢。中牟縣城及附近地?zé)峋芏容^本區(qū)內(nèi)大，其開(kāi)采強(qiáng)度足以改變局部的地?zé)崴飨?，可以推測(cè)在勘查區(qū)的中部地?zé)崴飨蛲鶘|南方向偏轉(zhuǎn)。在鄭州市區(qū)、開(kāi)封市區(qū)水位降落漏斗附近，地?zé)崴灾苓呄蚵┒分行膹搅?。地?zé)崴詡?cè)向徑流的方式向下游排泄，遇地?zé)峋斯ら_(kāi)采的方式排出地表，該區(qū)的地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)類(lèi)型屬于徑流—開(kāi)采型。

2.4 環(huán)境同位素與地?zé)崽锍梢蚍治?/h3>

2.4.1 地?zé)崽锍梢蚍治?/p>

通過(guò)研究地?zé)崃黧w的成因得知，絕大多數(shù)地?zé)崽镏械牡責(zé)崃黧w均來(lái)自大氣降水。因此，在分析一個(gè)新的地?zé)崽锏責(zé)崃黧w來(lái)源方向或補(bǔ)給源時(shí)，首先應(yīng)在分析區(qū)域沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上討論地?zé)崃黧w與大氣降水之間的關(guān)系?？辈閰^(qū)平均大氣降水的δD值位于-50‰～-70‰之間。

本次采用勘查區(qū)內(nèi)外(西部山區(qū))大氣降水的同位素分析成果(δ18O和δD)，經(jīng)系統(tǒng)分析，得出勘查區(qū)外西部山區(qū)的大氣降水線(xiàn)(見(jiàn)圖2)，相關(guān)方程為：δD=8.013δ18O+8.275。

圖2 地?zé)崃黧w氫氧同位素與區(qū)外西部山區(qū)大氣降水線(xiàn)關(guān)系圖

該方程與中國(guó)大氣降水線(xiàn)方程δD=7.90δ18O+8.2基本相近，說(shuō)明所建立的大氣降水線(xiàn)方程符合實(shí)際。另外，將勘查區(qū)外西部、西南的大氣降水點(diǎn)同位素測(cè)試結(jié)果(δD=-37.60‰、δ18O=-5.701‰)繪于圖2中，與建立方程相吻合，代表了研究區(qū)外西部山區(qū)大氣降水同位素特征。

2.4.2 地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的補(bǔ)給來(lái)源

大氣降水線(xiàn)方程建立后，將勘查區(qū)及鄰區(qū)內(nèi)大氣降水、淺層地下水、地?zé)崃黧w的同位素分析成果(見(jiàn)表1)繪于圖2中，通過(guò)對(duì)比可以看出，中牟ZK1、中牟度假村、中牟武警支隊(duì)地?zé)崃黧w同位素成果值接近大氣降水線(xiàn)且大多位于其下方，表明研究區(qū)地?zé)崃黧w的補(bǔ)給源是區(qū)外西部山區(qū)的大氣降水。世界上有代表性的地?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)，地?zé)崃黧w的δD值與當(dāng)?shù)卮髿饨邓摩腄值都很接近，表明了它的大氣降水起源特征。一般來(lái)講，熱儲(chǔ)溫度越高，氧漂移越顯著，從圖1看本勘查區(qū)氧漂移現(xiàn)象并不嚴(yán)重。因此，可以判斷區(qū)內(nèi)地?zé)嵯到y(tǒng)的熱儲(chǔ)溫度為低溫(25℃～90℃)，這與研究區(qū)實(shí)際情況相吻合。

表1 研究區(qū)同位素測(cè)試成果

2.4.3 地?zé)崽锏責(zé)崃黧w年齡

研究區(qū)采集了具有代表性的地表水和不同層位的地下水樣，做同位素T、13C、14C含量測(cè)定。根據(jù)收集資料和本次取樣分析結(jié)果，水中同位素T含量(見(jiàn)表1)。由于氫的放射性同位素T在各儲(chǔ)層地?zé)崃黧w中的濃度均小于為0.5 TU，因此不能準(zhǔn)確估算勘查區(qū)地?zé)崃黧w的年齡。這里采用目前地?zé)峤绯Ｓ玫?3C～14C方法來(lái)計(jì)算勘查區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的年齡。根據(jù)研究區(qū)地?zé)崃黧w年齡為13 000 a年以前。

3 地?zé)豳Y源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)

3.1 地?zé)醿?chǔ)量計(jì)算

鄭汴新區(qū)中牟段地?zé)豳Y源量選用“熱儲(chǔ)法”進(jìn)行計(jì)算,考計(jì)算深度為1 750 m[5],分三個(gè)熱儲(chǔ)層對(duì)在此深度內(nèi)的新近系熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源進(jìn)行評(píng)價(jià)、計(jì)算.采用“最大允許降深法”，年壓力下降速率不大0.02 MPa,計(jì)算地?zé)崃黧w可采資源量.計(jì)算公式如下：

Q=Qr+Qw，

(1)

Qr=Adρrcr(1-φ)(tr-t0)

(2)

QL=Q1+Q2

(3)

Q1=Aφd

(4)

Q2=ASH

(5)

Qw=QLcwρw(tr-t0)

(6)

式中：Q為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量,單位為焦(J)；Qr為巖石中儲(chǔ)存的熱量,單位為焦(J)；QL為熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量，單位為立方米(m3)；Q1為截止到計(jì)算時(shí)刻，熱儲(chǔ)孔隙中熱水的靜儲(chǔ)量，單位為立方米(m3)；ρw為地?zé)崴芏?單位為千克每立方米(kg/m3)；S為彈性釋水系數(shù),無(wú)量綱；H為計(jì)算起始點(diǎn)以上高度,單位為米(m)；cw為水的比熱容,單位為焦每千克攝氏度[J/(kg·℃)]；Q2為水位降低到極限深度時(shí)熱儲(chǔ)所釋放的水量,單位為立方米(m3)；Qw為水中儲(chǔ)存的熱量,單位為焦(J)；A為計(jì)算區(qū)面積,單位為平方米(m2)；d為熱儲(chǔ)厚度,單位為米(m)；ρr為熱儲(chǔ)巖石密度,單位為千克每立方米(kg/m3)；參考地?zé)嵋?guī)范取經(jīng)驗(yàn)值.cr為熱儲(chǔ)巖石比熱,單位為焦每千克攝氏度(J/(kg·℃))；φ為巖石的孔隙度,無(wú)量綱；tr為熱儲(chǔ)溫度,單位為攝氏度(℃)；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?單位為攝氏度(℃).

經(jīng)計(jì)算，中牟地?zé)崽锟刂频?08 km2預(yù)可行性勘查區(qū)熱水靜儲(chǔ)量4.623×1010m3，彈性釋水量1.963×109m3，水中儲(chǔ)存熱量7.69×1018J，熱儲(chǔ)巖石儲(chǔ)存熱量9.36×1018J，熱儲(chǔ)儲(chǔ)存熱量1.70×1019J。

詳見(jiàn)見(jiàn)表2。

表2 中牟段地?zé)豳Y源儲(chǔ)/儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果一覽表

3.2 地?zé)崃黧w可開(kāi)采量計(jì)算

鄭汴新區(qū)中牟段地?zé)崽锊捎脽醿?chǔ)法計(jì)算出的熱儲(chǔ)中存儲(chǔ)的地?zé)崃黧w量，不可能全部被開(kāi)采出來(lái)，只能開(kāi)采出一部分，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組熱儲(chǔ)層厚度穩(wěn)定，彈性水頭最大允許降深法[6]，其計(jì)算公式如下：

QWh=μ·M·F·Smax/t

(7)

式中：QWh為地?zé)崃黧w可開(kāi)采量(m3/a)；μ為熱儲(chǔ)層彈性釋水率，(m-1)；M為熱儲(chǔ)層計(jì)算段平均厚度(m)；F為熱儲(chǔ)層計(jì)算面積(m2)；Smax為熱儲(chǔ)層水位最大允許降深(m)。；t為設(shè)計(jì)開(kāi)采年限(a)，按照規(guī)范取100年。

中牟地?zé)崽飬^(qū)位于開(kāi)封凹陷和通許凸起的結(jié)合部位，因此新生代砂巖孔隙度為22%～35%。最大允許降深202 m，每年允許降深2.02 m，開(kāi)采年限按100 a計(jì)算，計(jì)算中牟地?zé)崽? 750 m深度計(jì)算范圍內(nèi)，開(kāi)采年限按100 a計(jì)算，Ⅰ區(qū)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為9.99×106m3/a，Ⅱ區(qū)地?zé)崃黧w可開(kāi)采量為3.54×106m3/a，全區(qū)合計(jì)1.35×107m3/a 。

3.3 地?zé)崽锂a(chǎn)能

中牟段地?zé)崽锂a(chǎn)能按下式計(jì)算：

Wt=4.186 8Q(t-t0)

(8)

式中：Wt為熱功率,kw；Q為地?zé)崃黧w可開(kāi)采量,L/s；t為地?zé)崃黧w溫度,℃；t0為當(dāng)?shù)睾銣貛囟?，℃?/p>

計(jì)算結(jié)果：地?zé)崽锂a(chǎn)能為合計(jì)61.58 MW。

3.4 年可利用熱能

地?zé)崃黧w年開(kāi)采累計(jì)可利用的熱能按下式計(jì)算：

∑Wt=86.4DWt/K

(9)

式中：∑Wt為年可利用熱能,MJ；D為全年開(kāi)采日數(shù)(按24小時(shí)換算的總?cè)諗?shù)),d；Wt為地?zé)崽锂a(chǎn)能,kw；K為熱效比,取0.6;計(jì)算結(jié)果：地?zé)崃黧w年可利用熱能為2.13×109MJ.

4 地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)

4.1 地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性與適宜性評(píng)價(jià)

中牟地?zé)崽锏販靥荻?.36℃/100m，根據(jù)前面的熱儲(chǔ)層溫度估算結(jié)果，在深度800 m、1 000 m、1 500 m時(shí)分別達(dá)到44℃、58℃、68℃，具有開(kāi)采價(jià)值。據(jù)勘探資料，全區(qū)可施工1 000～1 400 m鉆孔，開(kāi)采明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層，水溫40℃～50℃，鉆孔施工難度不大、資金投入少，地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)性為經(jīng)濟(jì)的。勘查區(qū)北部成井深度可達(dá)1 400～2 000 m，預(yù)計(jì)水溫50℃～65℃，熱儲(chǔ)溫度高，但富水性弱，可開(kāi)采量小。從成井深度來(lái)看，同樣屬于經(jīng)濟(jì)的地?zé)豳Y源[7]。

4.2 地?zé)豳Y源利用方向與方式

依據(jù)中牟地?zé)崽锏責(zé)崃黧w質(zhì)量評(píng)價(jià)，中牟地?zé)崽锏責(zé)崃黧w不適宜作為飲用天然礦泉水、生活飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水和漁業(yè)用水。地?zé)崃黧w氟、偏硼酸含量達(dá)到有理療價(jià)值濃度，偏硅酸含量達(dá)到礦水濃度，具有理療價(jià)值，可作為理療熱礦水。地?zé)崃黧w溶解性總固體800～1 000 mg/L，可直接用于理療、洗浴、采暖、農(nóng)業(yè)溫室，做降溫除氟處理后可用于農(nóng)業(yè)灌溉和漁業(yè)用水。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)研究區(qū)鄭汴新區(qū)中牟段,地?zé)犷?lèi)型屬沉積盆地傳導(dǎo)型層狀熱儲(chǔ),熱源供給主要為大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)方式.

(2)研究區(qū)地處濟(jì)源—開(kāi)封凹陷與通許凸起兩個(gè)構(gòu)造單元的結(jié)合部，鄭州—蘭考斷裂為二者的控制斷裂。熱儲(chǔ)蓋層主要由新近系明化鎮(zhèn)組泥巖、砂巖和第四系粘土、砂質(zhì)粘土、總厚度約800 m，地層分布穩(wěn)定。

(3)研究區(qū)中牟地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)條件，建立了熱儲(chǔ)概念模型，分別采用“熱儲(chǔ)法”和“最大允許降深法”進(jìn)行了地?zé)豳Y源儲(chǔ)量和地?zé)崃黧w可采資源儲(chǔ)量計(jì)算。308 km2研究區(qū)內(nèi)，1 750 m深度內(nèi)，熱水靜儲(chǔ)量4.623×1010m3，彈性釋水量1.963×109m3，水中7儲(chǔ)存熱量7.69×1018J，熱儲(chǔ)巖石儲(chǔ)存熱量9.36×1018J，熱儲(chǔ)儲(chǔ)存熱量1.70×1019J。

(4)研究區(qū)地?zé)崃黧w屬優(yōu)質(zhì)理療熱礦水,可直接用于理療、洗浴，具有較高的醫(yī)療保健作用.但在地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)過(guò)程中要堅(jiān)持“科學(xué)規(guī)劃,綜合利用,保護(hù)資源,持續(xù)發(fā)展”的原則,充分發(fā)揮地?zé)豳Y源多功能的特點(diǎn),梯級(jí)開(kāi)發(fā),綜合利用。要注重引進(jìn)新技術(shù)新方法,拓寬地?zé)豳Y源的應(yīng)用領(lǐng)域。

(5)結(jié)合鄭汴新區(qū)(中牟段)地?zé)豳Y源實(shí)際開(kāi)發(fā)利用情況制訂相關(guān)地方政策法規(guī),將地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)納入法制化軌道,實(shí)施有效管理.從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益最大化。

(6)要依法加強(qiáng)對(duì)地?zé)豳Y源的保護(hù),避免地?zé)豳Y源的快速枯竭而縮短使用壽命。對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)的已經(jīng)投入使用的地?zé)峋M(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),了解地?zé)崃黧w的動(dòng)態(tài)特征,對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。