韓國(guó)童，張富有，彭 妮

(河南省地質(zhì)測(cè)繪總院，河南 鄭州450006)

地?zé)崾且环N新型清潔能源，同時(shí)也是可再生綠色環(huán)保能源，具有“熱、礦、水”三種基本特征。它可廣泛應(yīng)用于發(fā)電、供熱供暖、溫泉洗浴、醫(yī)療保健、種植養(yǎng)殖、旅游等領(lǐng)域，因而地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)和利用具有光明的前途和可觀的經(jīng)濟(jì)效益，受到世界各國(guó)的重視。位于河南省西南部的南陽(yáng)盆地，地?zé)岢傻V地質(zhì)條件有利，熱儲(chǔ)層埋深適當(dāng)，水量大，水溫較高，充分開(kāi)發(fā)本區(qū)域的地?zé)豳Y源，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、提高人民生活質(zhì)量、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)健康發(fā)展都具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

南陽(yáng)盆地位于河南省西南部，北靠伏牛山，東扶桐柏山，西依秦嶺，南臨漢江，東界河南省泌陽(yáng)縣、桐柏縣，南接湖北省襄樊市、鄖陽(yáng)地區(qū)，西與河南省淅川縣相連。南陽(yáng)盆地屬秦嶺地層區(qū)，該地層區(qū)斷裂發(fā)育，特別是長(zhǎng)期活動(dòng)的深斷裂十分發(fā)育，對(duì)各地質(zhì)時(shí)期的沉積作用、巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用有著十分重要的控制作用，也影響著區(qū)域地下水的分布和富集。

1.1 地層

根據(jù)普查區(qū)地形地貌、鉆孔揭露，結(jié)合水文地質(zhì)物探測(cè)井資料，區(qū)域地層層序自下而上為中元古界定遠(yuǎn)組，新元古界耀嶺河組，古生界下寒武統(tǒng)、中寒武統(tǒng)、上寒武統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)、中奧陶統(tǒng)、下志留統(tǒng)、上志留統(tǒng)、中上泥盆統(tǒng)、下石炭統(tǒng)、上石炭統(tǒng)，中生界上白堊統(tǒng)，新生界古近系始新統(tǒng)、新近系，第四系下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。與地?zé)豳Y源有關(guān)的地層為主要為古近系、新近系和第四系。

1.1.1 古近系(E)

主要為廖莊組、核桃園組。主要巖性上部為紫紅色泥巖夾粉砂巖，中部以灰色泥巖為主夾砂巖，下部為深灰色泥灰?guī)r、泥巖、灰質(zhì)砂巖不等厚互層夾油頁(yè)巖及含油砂巖，厚762～2 700 m。

1.1.2 新近系(N)

主要為上寺組，巖性為紅棕色砂質(zhì)泥巖含礫巖。據(jù)鉆孔揭露巖性為橄欖綠色、蘭灰色及灰蘭色泥巖、砂巖及含礫泥質(zhì)粗砂巖，具細(xì)而清晰的水平層理，厚30～932 m。

1.1.3 第四系地層(Q)

主要為中粗砂或泥質(zhì)砂礫石、細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉砂、粘土質(zhì)粉砂、粉質(zhì)粘土、粘土等，厚約100 m。

1.2 構(gòu)造

南陽(yáng)盆地是燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚期形成的以古近系為主的中、新生代陸相斷陷盆地，面積為 1.7×104km2［1］。盆地的基底巖石為太古代太華雜巖，沉積蓋層主要有中—晚元古代官道口群、欒川群、汝陽(yáng)群和洛峪群。盆地沉積層在中部較厚，最厚超過(guò)6 000 m，向盆地邊緣漸薄。南陽(yáng)盆地內(nèi)呈兩隆(師崗、新野凸起、唐河低凸起)、三凹(南陽(yáng)、泌陽(yáng)、襄棗斷陷)基本構(gòu)造格架［2］。其中南陽(yáng)斷陷、新野凸起和棗—襄斷陷位于盆地的中部。

本區(qū)對(duì)中、新生代沉積特征起控制作用且與地?zé)嵊忻芮嘘P(guān)系的大型斷裂有6條，各斷層特征如表1所示。

表1 斷層特征表

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 熱源

南陽(yáng)盆地是河南省最大的一個(gè)山間盆地，地?zé)嵯到y(tǒng)屬沉積盆地型［3］(傳導(dǎo)型)。沉積盆地型是地球內(nèi)的熱能通過(guò)傳導(dǎo)方式傳遞到地表，地表一般無(wú)地?zé)犸@示，自恒溫帶以下溫度隨深度的增加而升高。南陽(yáng)盆地?zé)醿?chǔ)類型屬層狀松散巖類孔隙熱儲(chǔ)。熱源主要來(lái)自地殼深處及上地幔的傳導(dǎo)熱。根據(jù)物探資料，該區(qū)為莫霍面相對(duì)隆起區(qū)，可從地球內(nèi)部向地表傳導(dǎo)相對(duì)較高的熱流，最有利于地下水升溫。另外，靠近本區(qū)的6條斷裂，有利于深部熱量的傳導(dǎo)和對(duì)流，對(duì)該區(qū)增溫也起到了重要作用。

2.2 蓋層

本區(qū)地?zé)嵘w層為第四系、新近系上寺組、古近系廖莊組。第四系主要由粘土、砂質(zhì)粘土和粉細(xì)砂組成;新近系上寺組主要由粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、粉細(xì)砂構(gòu)成;古近系廖莊組主要由泥巖、粉砂巖、泥巖組成。粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、泥巖和粉砂巖單層厚度大，一般在10～37 m左右，熱導(dǎo)率低，是良好的隔水層和不透水層，使熱能得以保存和儲(chǔ)集。視開(kāi)采層段的不同，它們可單獨(dú)也可共同構(gòu)成熱儲(chǔ)層的蓋層。本區(qū)第四系、新近系上寺組和古近系廖莊組地層的總厚度為550～1 200 m。

2.3 熱儲(chǔ)層

本區(qū)常被利用的有新近系上寺組、古近系廖莊組及古近系核桃園組一段三個(gè)熱儲(chǔ)層。

1)上寺組熱儲(chǔ)層:頂板埋深為78～220 m，底板埋深為550～1 200 m，地層厚度為50～300 m，熱儲(chǔ)累計(jì)厚度為30～150 m。含水層單層厚度為1～20 m，可采層數(shù)一般為22～24層。巖性以粉砂、中砂和細(xì)砂為主，含水豐富?？紫抖戎迪鄬?duì)較高，基本在27.6%左右，滲透系數(shù)平均值為0.412～0.82 m/d。熱儲(chǔ)層溫度32～51℃，單井出水量為160～530 m3/d(降深20 m時(shí))。

2)廖莊組熱儲(chǔ)層:頂板埋深為780～1 100 m，底板埋深為1 200～1 330 m，地層厚度330～550 m，熱儲(chǔ)層累計(jì)厚度為32～110 m，含水層單層厚度為1～20 m，可采層數(shù)一般為22～24層。巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，含水豐富?？紫抖戎迪鄬?duì)較高，基本在19.4% ～23.7%之間。單井出水量不詳。

3)核桃園組一段熱儲(chǔ)層:頂板埋深為78～220 m，底板埋深為150～1 900 m，地層厚度為130～430 m，熱儲(chǔ)累計(jì)厚度為26～350 m。含水層單層厚度為1～20 m，可采層數(shù)一般為5～12層。巖性以細(xì)砂巖、中砂巖及粉砂巖為主，含水豐富?？紫抖戎迪鄬?duì)較高，基本在16.8～24.4%左右，滲透系數(shù)平均值為0.11～0.412 m/d。熱儲(chǔ)層溫度40～74℃，單井出水量為162～460 m3/d(降深20 m時(shí))。

2.4 傳熱導(dǎo)水通道

南陽(yáng)盆地地?zé)崽飪?nèi)目前尚無(wú)大地?zé)崃鳒y(cè)點(diǎn)，依據(jù)中國(guó)大陸地區(qū)大地?zé)崃髦到y(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行的構(gòu)造分區(qū)，南陽(yáng)盆地位于華北—東北構(gòu)造區(qū)［4］，平均熱流值為59～63 mw/m2，與全國(guó)平均值相接近，屬正常地?zé)釁^(qū)域。這意味著不存在深部高熱背景，上部地殼不存在侵位的巖漿囊一類的高溫?zé)嵩矗瑓^(qū)域大地?zé)崃魇潜緟^(qū)的供熱熱源，在可及深度范圍內(nèi)(以3 000 m深度為準(zhǔn))，不具有高溫地?zé)豳Y源形成的條件，屬低溫(25℃～90℃)地?zé)豳Y源。

賦存于新近系熱儲(chǔ)層中的地下熱水，起源于大氣降水。然而，普查區(qū)熱儲(chǔ)層埋藏較深，上部還有80～800 m厚的第四系覆蓋層，新近系熱儲(chǔ)層不大可能直接接受大氣降水的補(bǔ)給，而是通過(guò)側(cè)向徑流方式獲取上游方向徑流來(lái)的地下水的補(bǔ)給。賦存于古近系熱儲(chǔ)層中的地下熱水，起源于山前大氣降水入滲，通過(guò)地下水側(cè)向徑流和斷裂帶入滲后側(cè)向徑流方式獲得補(bǔ)給。

3 南陽(yáng)盆地地球物理特征

3.1 地溫梯度特征

由本區(qū)鉆孔地溫點(diǎn)測(cè)資料及測(cè)井地溫變化曲線可知:南陽(yáng)盆地恒溫帶深度30 m，恒溫帶溫度16.6℃。地溫梯度是指恒溫帶以下單位深度內(nèi)地溫增加值，一般用℃/100 m表示。在不同地區(qū)，地溫梯度值有很大的變化，地殼的近似平均地?zé)崽荻仁敲壳?5℃，即2.5℃/100 m。一般地溫梯度接近或者高于地溫梯度平均值的地區(qū)稱為地?zé)岙惓^(qū)。地溫梯度一般根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:T為地溫梯度(℃/100m);Tm為孔底溫度(℃)，如無(wú)孔底溫度，可用井口水溫代替;T0為恒溫帶溫度(℃);Hm為孔深(m);H0為恒溫帶深度(m)。

依據(jù)區(qū)內(nèi)地?zé)峋{(diào)查資料，結(jié)合恒溫帶溫度，采用式(1)計(jì)算南陽(yáng)盆地增溫帶地層的地溫梯度值，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 南陽(yáng)盆地地溫梯度表

上述資料表明，南陽(yáng)盆地地溫梯度為1.5℃ ～3.9℃/100 m，1000 m 深度的溫度達(dá)34.2℃ ～69.0℃，推測(cè)1 500 m 深度的地?zé)釡囟冗_(dá)43.2℃ ～96.0℃。南陽(yáng)盆地地層地溫剃度平均為2.6℃/100 m，大于地殼的近似平均地溫梯度2.5 C/100 m，表明該區(qū)存在地?zé)岙惓！?/p>

3.2 巖石物理特性

鉆孔揭露的地層熱儲(chǔ)巖石主要為砂巖。為了弄清熱儲(chǔ)巖石物理特性，在鉆孔時(shí)采集了7組巖芯樣做巖礦分析，分析項(xiàng)目為熱導(dǎo)率、孔隙度和密度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 巖石物理特性表

根據(jù)對(duì)巖石物理特性分析，熱儲(chǔ)含水層平均熱導(dǎo)率為2.623 W/mK，平均顆粒密度為 2.677 g/cm3，平均孔隙度為21.98% 。

3.3 大地?zé)崃髦堤卣?/h3>

大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)部熱能傳輸至地表的一種現(xiàn)象。大地?zé)崃鞯牧恐捣Q大地?zé)崃髁?，它是地?zé)釄?chǎng)最重要的表征，也是反映一個(gè)地區(qū)地溫場(chǎng)基本特征的綜合參數(shù)，是地球內(nèi)熱在地表可直接測(cè)得的唯一物理量。熱流量是由巖石導(dǎo)熱率和垂直地溫梯度的乘積計(jì)算而來(lái)，即:

式中:q為大地?zé)崃髦担琺W/m2;λ為巖石熱導(dǎo)率，W/mK;G為地溫梯度，℃/100 m。

本區(qū)巖石導(dǎo)熱率值取用砂巖熱導(dǎo)率(2.623 W/mK)，地溫梯度取用本區(qū)計(jì)算平均值(2.6℃/100 m)。計(jì)算地?zé)崽锲骄蟮責(zé)崃髦禐?8.2 mW/m2，即1.6HFU，略高于地球表面平均熱流量(1.2 ～1.4HFU)。

4 熱儲(chǔ)層地?zé)崴瘜W(xué)成分特征

4.1 上寺組

該地層地?zé)崴兄饕?yáng)離子為Na+，其含量為375.2～380 mg/L;主要陰離子為SO42－和HCO3－，其含量分別為197～717.4 mg/L 和 284～673.7 mg/L;水化學(xué)類型 SO4·HCO3—Na型。熱水礦化度為1 363～1 828 mg/L，屬鹽水;pH 值為 7.96 ～8.10，屬中性水;總硬度(以 CaCO3計(jì))為144.97 ～255.8 mg/L，屬硬水。

地?zé)崴蟹窟_(dá)到了命名礦水濃度，偏硅酸含量達(dá)到了有醫(yī)療價(jià)值濃度和礦水濃度，且水溫較高，并含有鐵、錳、鋰和放射性元素等多種對(duì)人體有益的微量元素，對(duì)人體具有一定的療保健作用，可作為供暖、醫(yī)療及洗浴等用水開(kāi)發(fā)。地?zé)崴畬?duì)金屬有中等腐蝕性，結(jié)垢性弱，不易形成鍋垢。

4.2 廖莊組

該地層地?zé)崴兄饕?yáng)離子為Na+，其含量為336～350 mg/L;主要陰離子為 Cl－和 HCO3－，其含量分別為 293.5～362.6 mg/L 和 249.8 ～356.9 mg/L;水化學(xué)類型 HCO3·Cl—Na型。熱水礦化度為1 115～1 160 mg/L，屬鹽水;pH值為8.20 ～8.48，屬中性水;總硬度(以 CaCO3計(jì))為 74.6 ～75.54 mg/L，屬硬水。

地?zé)崴疁剌^高，并含有鐵、錳、鋰和放射性元素等多種對(duì)人體有益的微量元素，對(duì)人體具有一定的療保健作用，可作為供暖、醫(yī)療及洗浴等用水開(kāi)發(fā)。地?zé)崴畬?duì)金屬有中等腐蝕性，結(jié)垢性弱，不易形成鍋垢。

4.3 核桃園組

該地層地?zé)崴兄饕?yáng)離子為Na+，其含量為266～335 mg/L;主要陰離子為HCO3－和SO42－，其含量分別為249.8 ～356.9 mg/L 和 119.6 ～574.7 mg/L;水化學(xué)類型 HCO3·SO4—Na型。熱水礦化度為1 110～1 235 mg/L，屬鹽水;pH值為 7.46 ～8.50，屬中性水;總硬度(以 CaCO3計(jì))為 74.5 ～369.2 mg/L，屬硬水。

地?zé)崴衅杷岷窟_(dá)到了有醫(yī)療價(jià)值濃度和礦水濃度，水溫較高，并含有鐵、錳、鋰和放射性元素等多種對(duì)人體有益的微量元素，對(duì)人體具有一定的療保健作用，可作為供暖、醫(yī)療及洗浴等用水開(kāi)發(fā)。地?zé)崴畬?duì)金屬有中等腐蝕性，結(jié)垢性弱，不易形成鍋垢。

5 熱儲(chǔ)模型

本區(qū)屬層狀松散巖類孔隙型低溫地?zé)崽?，熱?chǔ)模型圖如圖1所示。熱儲(chǔ)層在地球內(nèi)部傳導(dǎo)熱作用下，從地球深部源源不斷獲得熱能。賦存于新近系熱儲(chǔ)層中的地下熱水，起源于大氣降水。然而，普查區(qū)熱儲(chǔ)層埋藏較深，上部還有80～800 m厚的第四系覆蓋層，新近系熱儲(chǔ)層不大可能直接接受大氣降水的補(bǔ)給，而是通過(guò)側(cè)向徑流方式獲取上游方向徑流來(lái)的地下水的補(bǔ)給。模型中，以近似水平的蘭色箭頭表示新近系熱儲(chǔ)層獲取側(cè)向徑流的補(bǔ)給。賦存于古近系熱儲(chǔ)層中的地下熱水，起源于山前大氣降水入滲，通過(guò)地下水側(cè)向徑流和斷裂帶入滲后側(cè)向徑流方式獲得補(bǔ)給。上部第四系、新近系和古近系所含多層厚層粘土、粉砂、粉砂巖、泥巖，是非常好的隔水層和保溫蓋層，使熱能得以保存和儲(chǔ)集。

圖1 沉積盆地型地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)模型

6 地?zé)豳Y源量計(jì)算

6.1 地?zé)豳Y源量

地?zé)豳Y源計(jì)算方法有熱儲(chǔ)法、自然放熱量推算法、水熱均衡法等。熱儲(chǔ)法是目前國(guó)際上廣泛運(yùn)用的計(jì)算沉積盆地型地?zé)嵯到y(tǒng)地?zé)豳Y源的計(jì)算方法，本次地?zé)豳Y源計(jì)算采用熱儲(chǔ)法。計(jì)算公式如下:

式中:QR為熱儲(chǔ)層儲(chǔ)存的熱量(J);A為計(jì)算區(qū)面積(m2);d為熱儲(chǔ)厚度(m);tr為熱儲(chǔ)溫度(℃);tj為基準(zhǔn)溫度(當(dāng)?shù)氐叵潞銣貙訙囟然蚰昶骄鶜鉁?，?;C為熱儲(chǔ)巖石和水的平均比熱容(J/m3·℃)，由下式求出:

式中:ρc為巖石的密度(kg/m3);ρw為熱水的密度(kg/m3);Cc為巖石的比熱(J/kg·℃);Cw為熱水的比熱(J/kg·℃);Φ為巖石的孔隙度(%)。

將(4)式代入(3)式即得熱儲(chǔ)層儲(chǔ)存熱量的計(jì)算公式:

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

6.2 地?zé)豳Y源可開(kāi)采量

用熱儲(chǔ)法計(jì)算出的資源量，不可能全部被開(kāi)采出來(lái)，只能開(kāi)采出一部分，采用最大降深法計(jì)算地?zé)豳Y源可開(kāi)采量，用下式表示:

式中:Q可為年可開(kāi)采出的地?zé)崃黧w量(m3/a);μe為彈性釋水系數(shù);A為計(jì)算區(qū)面積(m2);Smax為最大允許降深(m);T為設(shè)計(jì)開(kāi)采時(shí)間(a)。

表4 地?zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果

彈性釋水系數(shù)(μe)是表示水頭降低一個(gè)單位時(shí)，由含水層內(nèi)骨架的壓縮和水的膨脹而從水平面積為一個(gè)單位、高度等于含水層厚度的柱體中所釋放出的水量。根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用泰斯公式求得彈性釋水系數(shù)為6.6×10－4。

最大允許降深(Smax)和設(shè)計(jì)開(kāi)采時(shí)間(T)根據(jù)實(shí)際條件確定，本次地?zé)豳Y源可開(kāi)采量計(jì)算，Smax取150 m，T取50a，計(jì)算南陽(yáng)盆地地?zé)豳Y源可開(kāi)采量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 地?zé)豳Y源可開(kāi)采量計(jì)算結(jié)果

7 結(jié)論

1)南陽(yáng)盆地屬層狀松散巖類孔隙型低溫地?zé)崽铩?/p>

2)本區(qū)常被利用的有上寺組、廖莊組和核桃園組三個(gè)熱儲(chǔ)層，其中上寺組的水化學(xué)類型為SO4·HCO3—Na型，廖莊組的水化學(xué)類型為HCO3·Cl—Na型，核桃園組的水化學(xué)類型為 HCO3·SO4—Na型。

3)本區(qū)上寺組和核桃園組熱儲(chǔ)層的地?zé)崴疁囟容^高，偏硅酸含量達(dá)到了有醫(yī)療價(jià)值濃度和礦水濃度，可作為供暖、醫(yī)療及洗浴等用水開(kāi)發(fā)。

4)南陽(yáng)盆地平均地溫剃度為2.6℃/100 m;熱儲(chǔ)含水層平均熱導(dǎo)率為2.623 W/mK，平均顆粒密度為2.677 g/cm3，平均孔隙度為21.98%;平均大地?zé)崃髦禐?8.2 mW/m2。

［1］李國(guó)良，蔡佳，甘華軍，廖計(jì)華.南陽(yáng)凹陷邊界斷裂帶砂體反演及預(yù)測(cè)［J］.巖性油氣藏，2010，22(2):99－102.

［2］史軍超，顧春橋，鄭華杰，白海超等.南襄盆地區(qū)域大剖面采集觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2009，23(1):41－56.

［3］李清林，黃邦武，賈杰華，孟建生.南陽(yáng)市區(qū)地?zé)豳Y源及成因探討［J］.河南地質(zhì)，2001，19(3):176－184.

［4］胡圣標(biāo)，何麗娟，汪集旸.中國(guó)大陸地區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)匯編(第三版)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2001，44(5):611－626.