河南平頂山北部地區(qū)地熱概念模型研究

李鐵軍，孟祥瑞

(1.河南省有色地礦鉆探有限公司，河南 鄭州 451450；2.河南省金屬礦產(chǎn)深孔鉆探工程技術研究中心，河南 鄭州 451450)

0 引言

地熱資源是一種綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生清潔能源。平頂山市位于河南省中部，是靠煤炭興起的城市，研究區(qū)位于該市北部，區(qū)內(nèi)煤、鋁資源豐富，同時與煤、鋁資源伴生著豐富的沉積盆地型地熱資源，此類地熱資源具有儲量大、易開采、易回灌等特點，有巨大的開采價值[1]。以往地質(zhì)工作中對煤炭資源研究程度高，對地熱資源的研究卻較為薄弱。

地熱概念模型是對地熱田包括熱儲、蓋層、熱源和熱傳遞等要素的幾何及物理狀態(tài)的簡化描述[2]。本次通過對研究區(qū)數(shù)量有限的地熱井、豐富的煤炭勘查資料及煤礦開采資料研究，初步建立了平頂山北部地區(qū)地熱概念模型，該模型的建立有利于指導本區(qū)地熱資源的勘查開發(fā)，對研究該區(qū)地熱資源有一定的意義。

1 研究區(qū)地熱資源研究現(xiàn)狀

研究區(qū)位于平頂山市北部，北東以襄郟斷層為界與箕山山脈相連，南以鍋底山斷層為界與外方山相連，北西以郟縣斷層為界，東到洛崗斷層，研究區(qū)面積約350 km2(圖1)。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖

1960—2000年中南煤田地質(zhì)局126、211隊、河南省地質(zhì)五隊、河南省煤田地質(zhì)公司四隊及平頂山礦務局勘探隊等地勘單位在該區(qū)南部地區(qū)開展煤礦普查—精查(勘探)工作，探獲平頂山大型煤田，并陸續(xù)建成投產(chǎn)了平煤集團一礦到十三礦。2000—2013年，由河南省國土資源研究院[3-4]、河南省煤田地質(zhì)局四隊[5]、河南有色地礦局四隊[6]在該區(qū)北部開展了河南省寶豐縣賈寨—王樓勘查區(qū)煤炭地質(zhì)詳查、河南省郟縣王集勘查區(qū)煤炭詳查等煤炭勘查工作。以上地質(zhì)工作厘清了區(qū)內(nèi)地層層序及構(gòu)造的展布，為進一步研究區(qū)內(nèi)地熱資源提供了詳實的基礎資料。

平煤集團各煤礦投產(chǎn)后，隨著開采深度的加大，多個礦井出現(xiàn)熱害，八礦尤為嚴重，部分采掘工作面放水孔溫度高達50℃～62℃，采掘工作面環(huán)境溫度達33℃以上，屬地溫異常高的地區(qū)。為此，由多家單位和學者對該區(qū)地熱情況進行研究，曹冰琪等[7]對平頂山煤田地溫分布規(guī)律及其影響因素進行了分析；高軍偉等[8]對平頂山礦區(qū)深部地熱及危害進行了調(diào)查并提出對策；河南理工大學[9]對八礦地熱形成及綜合利用進行了研究。受條件限制，以上研究工作只對煤層附近的太原組熱儲、寒武系上部地熱及研究區(qū)南部地帶情況進行了研究，略有局限。

2020年，河南有色地礦局在研究區(qū)施工了平頂山北部PBR1地熱井，該井揭穿了寒武系地層，為區(qū)內(nèi)地熱資源的研究提供了重要依據(jù)。

在研究區(qū)東部鄢陵、尉氏、西部洛陽一帶亦有豐富的地熱資源，與本區(qū)同為沉積盆地型地熱資源，有多家單位和學者開展過地熱資源或地溫場的專題勘查和研究工作[10-14]，該區(qū)的地熱研究工作為本文提供了重要借鑒。

研究區(qū)內(nèi)煤炭資源研究程度高，地熱資源研究相對薄弱。

2 區(qū)域地質(zhì)及地熱地質(zhì)背景

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北平原南緣，先后經(jīng)歷了印支期、燕山期、喜馬拉雅期構(gòu)造運動。印支運動使華北、華南板塊對接，完成了本區(qū)隆起；燕山運動早期發(fā)育NW向大規(guī)模左行走滑斷層，燕山運動晚期主應力為NE向、SW向擠壓，形成了李口向斜及與李口向斜軸基本平行的逆斷層，并伴隨微弱的巖漿活動；喜馬拉雅運動發(fā)育了以郟縣斷層為主的NE向斷層[15]，并切割改造了先期NW向構(gòu)造，使先期斷層再次活動，表現(xiàn)為強烈差異的升降運動，區(qū)內(nèi)形成了一系列以NW向為主的復式褶皺、壓扭斷層構(gòu)造和次一級的NE向張扭性斷層。

區(qū)內(nèi)主體褶皺為一寬緩復式向斜(李口向斜)，次一級褶皺有位于李口向斜軸以南的牛莊向斜、郭莊背斜和位于向斜軸以北的洛崗背斜、襄郟向斜等。

區(qū)內(nèi)發(fā)育的控制性斷裂構(gòu)造主要有NW和NE向兩組，NWW向斷層有襄郟正斷層、白石溝正斷層、九里山逆斷層、鍋底山正斷層及魯葉正斷層。NNE向斷層主要有洛崗和郟縣正斷層(圖1)。

2.2 地熱地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北沉積盆地，據(jù)《河南省地熱資源調(diào)查與開發(fā)利用保護區(qū)劃報告》(河南省環(huán)境監(jiān)測院2007)對河南省地熱分區(qū)成果，該區(qū)應屬華熊臺緣坳陷地熱亞區(qū)中的平頂山凹間隆起地熱異常區(qū)。該區(qū)為一構(gòu)造隆起，北東為襄郟斷層與襄城凹陷相鄰，北西有郟縣斷層與汝河凹陷相接，南側(cè)為葉縣凹陷，中部山區(qū)為一中等規(guī)模的復式向斜(李口向斜)。隆起斷塊使導熱性較好的基巖面抬高，四周的凹陷帶又有導熱性差的厚達數(shù)百米的第四系覆蓋，迫使熱流向隆起部位集中，形成地溫異常，這是研究區(qū)地溫偏高，熱水形成的地質(zhì)背景。中國沉積盆地平均地溫梯度為(1.5℃～4.0℃)/m，平均值約為3.2℃/m[16]，區(qū)內(nèi)地溫梯度一般為(2.46℃～4.66℃)/100 m，大地熱流值為67.41～85.83 mW/m2[7]。寒武系碳酸鹽巖巖溶裂隙發(fā)育，賦存條件好，是開發(fā)地熱的有利層位。

3 地熱地質(zhì)特征

3.1 地層、含水層、熱儲及蓋層

3.1.1 地層

本區(qū)地層屬華北地層區(qū)豫西分區(qū)澠池—確山小區(qū)，地表多被第四第覆蓋。主要地層及巖性由老至新：新元古界洛峪口群(Pt3Ly)泥巖、白云質(zhì)大理巖、砂巖，震旦系羅圈組(Zl)泥巖、石英砂巖；古生界寒武系(∈)白云巖、灰?guī)r、泥巖、石英砂巖(厚400～680 m)，石炭系(C)薄層灰?guī)r、砂巖、泥巖(厚40～110 m)、鋁土質(zhì)黏土巖(厚0～20 m)，三疊系(T)砂巖、粉砂巖、泥巖，二疊系(P)砂巖、粉砂巖、含煤碎屑巖系(厚100～500 m)及第四系(Q)松散沉積物(厚0～400 m)(圖2)。

圖2 研究區(qū)地熱地質(zhì)剖面圖

3.1.2 含水層

研究區(qū)屬伏牛東北側(cè)構(gòu)造復雜水文地質(zhì)區(qū)、韓梁—平頂山水文地質(zhì)亞區(qū)，主體為平頂山—首山水文地質(zhì)段。區(qū)內(nèi)含水層主要有松散巖類孔隙含水層、砂巖裂隙含水層和巖溶裂隙含水層三類。

松散巖類孔隙含水層：第四系在研究區(qū)內(nèi)大面積分布，主要由黃土，黏土，鈣質(zhì)結(jié)核等組成。屬孔隙水中等含水層。

砂巖裂隙含水層：主要為下三疊統(tǒng)劉家溝組(T1l)一段金斗山砂巖含水層和上二疊統(tǒng)石千峰組(P2sh)平頂山砂巖含水層。兩層砂巖裂隙發(fā)育，劉家溝組一段(T1l1)金斗山砂巖含水層富水性強，在姚莊附近鉆孔該層涌水量達120 m3/h，石千峰組平頂山砂巖含水層屬中等富水承壓含水層，西北部張村附近見泉水流出。

巖溶裂隙含水層：主要為新元古界洛峪口群(Pt3Ly)碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、下寒武統(tǒng)朱砂洞(∈1z)組碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層，上—中寒武統(tǒng)碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層[主要由崮山組(∈3g)和張夏組(∈2zh)上部組成]，上石炭統(tǒng)太原組(C3t)碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層。此類含水層富水性在不同部位含水性差別較大，在斷層破碎帶兩側(cè)，背斜軸部，向斜轉(zhuǎn)折部位或可溶巖與非可溶巖接觸部位，巖溶裂隙發(fā)育，是巖溶地下水逕流或富集的有利部位，總體中等到富的含水層。

3.1.3 地熱熱儲

熱儲是指埋藏于地下、具有有效空隙和滲透性的地層、巖體、構(gòu)造帶，其中儲存的地熱流體可開發(fā)利用。熱儲分為帶狀熱儲和層狀熱儲，本區(qū)為雙層地熱熱儲結(jié)構(gòu)。

在上述含水層中，第四系孔隙含水層出露地表不能做為地熱儲層；三疊系和二疊系的砂巖裂隙含水層在研究區(qū)南部出露地表，在李口向斜軸部最大埋深750 m，總體埋深較淺，不能做為地熱熱儲。新元古界洛峪口群含水層因目前沒有工程揭露，其含水性尚不確定。區(qū)內(nèi)目前揭露的主力熱儲層主要為兩層：上寒武統(tǒng)崮山組(∈3g)白云巖—中寒武統(tǒng)張夏組(∈2zh)灰?guī)r熱儲和下寒武統(tǒng)朱砂洞組(∈1z)下部灰?guī)r熱儲。兩個熱儲相疊置，層間有巨厚層中寒武統(tǒng)饅頭組(∈2m)泥巖及朱砂洞組上部灰?guī)r相隔，互不連通。

崮山組—張夏組熱儲：本區(qū)缺失奧陶系，說明在奧陶紀時期地表出露的地層大多為寒武紀沉積的崮山組的白云巖和張夏組沉積的灰?guī)r，這兩組地層的出露，導致長期風化，形成了大量大小不一的溶洞，后期經(jīng)多次的地質(zhì)運動，被多條斷層切割，又使巖層破碎，為地下水循環(huán)、運動、儲存、補給創(chuàng)造了有利條件，使其成為良好的熱儲層，是本區(qū)的主力熱儲層。本熱儲層厚40～280 m，埋深600～3000 m。在局部地區(qū)，太原組灰?guī)r同樣富水，亦可做為熱儲層，因距該層較近，可并入此熱儲層。

朱砂洞組下部灰?guī)r熱儲：朱砂洞組與上覆饅頭組呈整合接觸。其巖性大致可分為三段：下段為含石膏灰黃色—褐紅色泥質(zhì)條紋灰?guī)r，波狀層理發(fā)育，可見較多的鳥眼構(gòu)造、石膏假晶及膏鹽溶解崩塌形成的角礫灰?guī)r；中段主要發(fā)育亮晶顆?；?guī)r；上段主要巖性為云斑灰?guī)r。朱砂洞組上段與饅頭組呈整合接觸，沒有沉積間斷，云斑灰?guī)r結(jié)構(gòu)致密，少有溶洞，為不含水或弱含水層；下段為含膏灰?guī)r及含膏角礫灰?guī)r，表明當時沉積環(huán)境為潮上帶沉積或潟湖沉積，是次生變化后的蒸發(fā)巖[17]，由于膏質(zhì)的溶解淋失形成溶洞，疊加后期的斷裂構(gòu)造，加速了灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育。故該巖性段為富含水層，是良好的熱儲層。該層厚15～100 m。

3.1.4 蓋層

蓋層是在地熱熱儲之上不透水或弱透水巖層的總稱，在層狀熱儲中，將覆蓋在主要熱儲之上的地層通稱為主要熱儲的蓋層。

本區(qū)的蓋層主要為第四系黏土巖，厚100～400 m；太原組之上各煤段砂巖均為弱含水層，在砂巖弱含水層之間均有較厚的砂質(zhì)泥巖、泥巖隔水層；本溪組的鋁質(zhì)黏土巖也是良好的隔水層。以上地層均為本區(qū)的熱儲蓋層。

3.2 斷裂構(gòu)造與熱通道

區(qū)內(nèi)發(fā)育斷層有NW和NE向兩組，其中以NW向為主，屬區(qū)域主干斷層。NW向主要斷層有岸上襄郟斷層、霍堰斷層、白石溝逆斷層、牛莊斷層、鍋底山斷層、九里山逆斷層等，正斷層除鍋底山斷層南西盤下降、北東盤上升外，其余斷層均是北東盤下降、南西盤上升；逆斷層北東盤逆沖上升、南西盤下降。NE向主要斷層有郟縣斷層、溝李封斷層、七里店斷層、洛崗斷層等，均為北西盤下降、南東盤上升的正斷層。

岸上襄郟斷層：為區(qū)域性大斷層，從三門峽經(jīng)新安、洛陽龍門到襄縣，橫貫河南省中部，在區(qū)內(nèi)走向NW，傾向NE，呈現(xiàn)左形走滑特性，斷距最大可達2 km，切割地殼，連通了上地幔，導熱、導水作用明顯，是主要熱源通道。新安暖泉溝原溫泉、上河原溫泉、洛陽龍門溫泉、偃師寺溝原溫泉均出露于該斷層與NNE向斷層交匯處[18]。

郟縣正斷層：系區(qū)域大斷層，總體走向呈NE方向，走向45°～50°，傾向60°，落差向北東逐漸增大至2 km。區(qū)域上由一組3條斷層平行排列，在主斷層兩側(cè)發(fā)育了多條次生斷層，呈羽狀排布。也是主要導水、導熱構(gòu)造。

鍋底山正斷層：從研究區(qū)中部穿過，為區(qū)內(nèi)較大的隱伏斷層，多為鉆孔和礦井內(nèi)揭露，西北至郟縣斷層，經(jīng)過十一礦、五礦、六礦、七礦到達平頂山市區(qū)，然后繼續(xù)向東到達八礦的南部，呈NW—SE向展布，落差為100～300 m，傾角30°～70°，一般50°～60°，為高角度正斷層。是由多條中小型斷層和分支斷層組合而成的斷層組[19]。斷層旁側(cè)分布一系列走向與鍋底山斷層基本一致的正逆斷層。

沿岸上襄郟斷層有多處溫泉出露，說明該斷層是主要熱源通道，與該斷層直接或間接相交的斷層或其次一級斷層因與其相連通，故均成為區(qū)內(nèi)熱源通道。

3.3 巖漿巖

總體上區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育。區(qū)內(nèi)僅在東北部十三礦局附近局部有橄欖玄武巖、脫玻皺晶玄武巖、蝕變杏仁狀玄武巖，屬于燕山期基性噴出巖。

3.4 熱源及熱傳導

地溫場熱源有短時期地表淺部巖漿侵入體局部殼內(nèi)瞬態(tài)熱源，有相當長時期的放射性元素(U、Th、K)衰變產(chǎn)生的穩(wěn)定熱源，也有來自地殼放射性熱能向地表的傳輸，構(gòu)成地殼地溫場的主要熱源。

區(qū)內(nèi)雖然有較新的火成巖，但據(jù)在十三礦發(fā)現(xiàn)火成巖的4004孔附近的4005孔測溫結(jié)果，火成巖的存在并沒有引起地溫異常。區(qū)內(nèi)煤系地層中放射性元素含量不高，由這些元素蛻變產(chǎn)生的熱量是很有限的。因此，研究區(qū)所能接受的熱量主要是地球深部的熱能。

區(qū)內(nèi)熱傳導方式為對流-傳導復合模式，南部和北部的地表水通過岸上襄郟斷層及與其連通的其他斷層在靜壓力的作用下進入深部，通過深循環(huán)對流加熱增溫后，沿斷層上涌至與其溝通的其他斷層，進入熱儲層，同時地球內(nèi)部的熱同時還會以傳導的方式向上傳遞，然后以熱傳導的方式對上部熱儲層施加影響。

3.5 地溫場特征

根據(jù)已有研究成果[20]，該區(qū)恒溫帶深度約為25 m，溫度為17.2℃，地溫梯度(2.46℃～4.66℃)/100 m。平面上地溫梯度總體呈現(xiàn)如下規(guī)律：李口向斜兩側(cè)地溫梯度高于李口向斜軸部，仰起端高于側(cè)伏端，整個地區(qū)地溫梯度從西北向東南沿著李口向斜有逐漸增大的趨勢；研究區(qū)西部從李口向斜向西南，穿過鍋底山斷層至五礦地溫梯度也有逐漸增加的趨勢。2020年施工的平頂山北部PBR01井的地溫梯度驗證了此規(guī)律。

以往的煤田勘查及煤礦開采中均未揭穿寒武系，只有PBR01井鉆至震旦紀地層，井深2240 m，并對該井進行了穩(wěn)態(tài)測溫(圖3)。

由圖3可見，在朱砂洞組下部灰?guī)r熱儲以上，地溫梯度隨深度基本呈現(xiàn)均勻變化(約3℃/100 m)，只有在含水層位置明顯變小，主要原因是含水層中水的熱導率高，使該層地溫梯度降低。

圖3 PBR01井測溫曲線圖

值得注意的是，PBR1井底部50 m(2190～22 400 m)溫差達10℃，地溫梯度達20℃/100 m。造成此異常的原因尚無定論，推測下部可能有一良好的熱儲層(可能為新元古界洛峪口白云巖)，該層溫度較高，有待今后工作中驗證。

4 地熱概念模型

通過上述各類熱儲層、蓋層、導熱通道等地熱地質(zhì)條件分析，繪制了平頂山北部地區(qū)地熱概念模型圖(圖4)，建立熱儲概念模型。

圖4 平頂山北部地區(qū)地熱概念模型

第四系黏性土層與其下的二疊系砂巖、粉砂巖、含煤碎屑巖系充當了熱儲的蓋層，起到隔水保溫作用；寒武系崮山組白云巖—張夏組灰?guī)r和朱砂洞組下部灰?guī)r為熱儲層起到儲熱的作用。本區(qū)地熱形成為對流-傳導復合模式，南部和北部的地表水通過岸上襄郟斷層、郟縣斷層及與其連通的其他斷層在靜壓力作用下進入深部，通過深循環(huán)對流加熱增溫后，沿兩斷層上涌至與其溝通的其他斷層，進入熱儲層，同時地球內(nèi)部的熱同時還會以傳導的方式向上傳遞，然后以熱傳導的方式對上部熱儲層施加影響，形成沿兩個熱儲層層狀分布的地熱資源。

由于研究區(qū)以往對地熱資源研究較少，通過本次對平頂山北部地區(qū)地熱概念模型的建立，可進一步加深對平頂山北部地區(qū)地熱資源形成模式的認識，對本區(qū)今后的地熱開發(fā)工作具有一定的指導意義。

5 結(jié)論

平頂山北部地區(qū)蘊藏豐富的沉積盆地型地熱資源，此類地熱資源具有儲量大、易開采、易回灌等特點，有巨大的開采價值。

本次建立的地熱概念模型：地表水通過斷層進入深部，在深部對流加熱增溫后，沿斷層上涌至與其連通的其他斷層，通過斷層進入熱儲層，同時地球內(nèi)部的熱源同時還會以傳導的方式向上傳遞，為熱儲層持續(xù)加溫，形成沿兩個熱儲層層狀分布的地熱資源。