趙 東, 王海亮

(河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì)， 河南 洛陽 471023)

0 前言

洛陽市南部區(qū)龍門地?zé)崽镩_發(fā)利用始于1972年的地?zé)峥辈椤Ｔ搮^(qū)地?zé)嵋詮垳洗逵衤≡返責(zé)峋趨^(qū)域?yàn)楦邷刂行南蛩闹懿粩喟l(fā)展，西部邊界為龍?zhí)稖蠑鄬?F5)，東部邊界至經(jīng)周斷層，南部邊界至嵩山背斜分水嶺，北部邊界至伊河斷層(F3)。到目前為止區(qū)內(nèi)共有地?zé)峋s20余口，出水溫度41～98.5℃。

本區(qū)自上世紀(jì)50年代以來進(jìn)行了較為系統(tǒng)的地質(zhì)勘查等工作，在區(qū)內(nèi)勘查與地?zé)嵴{(diào)查研究基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步分析了洛陽南部區(qū)地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)條件，針對(duì)地溫場(chǎng)特征及因素分析，對(duì)本區(qū)地?zé)岢梢蜃鞲钜徊降难芯?，其結(jié)果必然對(duì)今后合理而科學(xué)地開發(fā)利用洛陽地?zé)峋哂懈玫闹笇?dǎo)意義。

1 地?zé)岬刭|(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

洛陽地處華北地臺(tái)的南緣。地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)嵩箕地層小區(qū)。區(qū)內(nèi)缺失奧陶紀(jì)下統(tǒng)、志留系、泥盆系、石炭系下統(tǒng)及侏羅系、白堊系外，自太古界登封群—第四系均有出露。太古界、元古界及古生界寒武系出露于區(qū)內(nèi)南部，二疊系、三疊系出露于區(qū)內(nèi)的中部，新近系及第四系廣布于區(qū)內(nèi)北部。

區(qū)內(nèi)大致經(jīng)歷了中條、少林、加里東、海西、印支、燕山和喜馬拉雅等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成嵩山背斜及首陽山斷層、草店斷層、五指嶺斷層、嵩山斷層、龍?zhí)稖蠑鄬?、伊河斷層等，他們?guī)模大，切割深，形成區(qū)域上的控?zé)針?gòu)造和導(dǎo)熱構(gòu)造(圖1)。根據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)資料綜合分析，洛陽盆地及周邊的熱儲(chǔ)層主要有寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水巖組，新近系古近系碎屑巖孔隙含水巖組和砂巖裂隙含水巖組，屬層狀熱儲(chǔ)；斷裂破碎帶熱儲(chǔ)，屬帶狀熱儲(chǔ)。其中以巖溶裂隙熱儲(chǔ)和斷層破碎帶熱儲(chǔ)開采價(jià)值最高。

圖1 構(gòu)造綱要圖

1.3 洛陽市南部區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)構(gòu)造分析，對(duì)本區(qū)地?zé)嵊杏绊懙闹饕獮辇執(zhí)稖蠑鄬?、草店斷層及伊河斷層，熱?chǔ)蓋層為二疊、三疊系的砂泥巖及新生界松散層。

深大斷裂為熱水的運(yùn)移通道，地下水以深循環(huán)形式經(jīng)深部加熱獲取熱量，沿?cái)嗔褞嫌恐恋乇砘驕\部，沿導(dǎo)熱地層或?qū)釘鄬油ㄟ^對(duì)流或傳導(dǎo)的方式輸送熱量，溫度多以沿?cái)嗔褞л^高為特征，而以其為中心通過熱儲(chǔ)層向周邊進(jìn)行熱流輸送中，必然要進(jìn)行熱交換而造成熱損耗，使地?zé)崃黧w溫度相應(yīng)降低。其中龍?zhí)稖蠑鄬訁^(qū)域上屬岸上-襄郟斷裂中段，根據(jù)近期地?zé)峋@探揭露資料分析，該斷裂位于區(qū)西部邊界馬營村至豐李東部一線。該斷層控制了本區(qū)地?zé)豳Y源的形成及分布，甚至洛陽盆地西部及周邊地?zé)岬男纬珊桶l(fā)展均受該斷裂的影響。

龍?zhí)稖蠑鄬?F5)：區(qū)域上為岸上-襄郟斷裂，該斷裂西起新安縣城西南，向北進(jìn)入山西境內(nèi)，向南則穿過洛河河谷，經(jīng)伊川、臨汝至郟縣南，全長125km，斷裂走向300°～315°，傾向北東。該斷裂控制了洛陽盆地西部邊界，具有多期活動(dòng)的特點(diǎn)，是龍門地?zé)崽锏闹饕責(zé)?導(dǎo)熱構(gòu)造。

草店斷層(F1)：走向北西，傾角南西，傾角65°～70°，具左行走滑特征出露長度8km，向北西方向沒入洛陽盆地內(nèi)。此斷層具多期活動(dòng)的特征，落差大于1 500m，是龍門地?zé)崽锏目責(zé)?導(dǎo)熱構(gòu)造。

伊河斷層(F3)：走向北東東，傾向北北西，傾角70°～75°，出露長度7～8km，它控制著洛陽盆地的南部邊界。該斷層在西鄰的宜洛煤田稱為錦屏山斷層，向東延伸切割龍?zhí)稖蠑嗔鸭安莸陻鄬雍?，稱為伊河斷層。斷層走向北東東，傾向北北西，傾角70°～75°，為一南升北降的正斷層，落差西部大于2 000m，東部小約1 000m，該斷裂屬張性正斷層，控制了熱儲(chǔ)層的空間分布，又在后期活動(dòng)中其斷裂帶及其影響帶巖石破碎，裂隙發(fā)育，構(gòu)成地?zé)崃黧w的儲(chǔ)集空間，起著控?zé)?導(dǎo)熱的作用。

2 研究區(qū)地溫場(chǎng)變化特征

2.1 地溫場(chǎng)背景

地球內(nèi)部所蘊(yùn)藏的豐富熱能在溫度差的驅(qū)動(dòng)下主要通過地層或斷層等介質(zhì)向地表流動(dòng)、散失，形成了地球的熱場(chǎng)，簡(jiǎn)稱地溫場(chǎng)。

本區(qū)在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期，曾經(jīng)歷了多次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。尤其是在印支-燕山旋回后期至喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期(新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期)，地幔隆起，地殼變薄為本區(qū)局部地溫場(chǎng)的升高創(chuàng)造了較好的構(gòu)造地質(zhì)條件。其中燕山運(yùn)動(dòng)發(fā)生在侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)，在華北主要表現(xiàn)為：強(qiáng)烈的褶斷運(yùn)動(dòng)和斷塊運(yùn)動(dòng)及大規(guī)模的巖漿活動(dòng)；喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)在區(qū)域內(nèi)主要表現(xiàn)為升降撓曲和斷裂活動(dòng)，早期東西向、北西向及北東向斷裂復(fù)活，在此基礎(chǔ)上形成了一系列東西向或北西向新生代斷陷盆，局部常有基性巖漿沿?cái)嗔褔姲l(fā)，如河南省內(nèi)沿岸上-襄郟斷裂分布的大安及澠池段村四龍廟基性玄武巖，沿此北西向斷裂帶分布著龍門鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)等許多溫泉及地溫異常區(qū)，說明巖漿活動(dòng)的發(fā)生，尤其是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期巖漿及侵入活動(dòng)對(duì)本區(qū)大地?zé)崃髦档挠绊憳O大，為區(qū)內(nèi)局部地溫場(chǎng)的升高提供了熱能來源。

2.2 研究區(qū)大地?zé)崃髦堤卣?/h3>

大地?zé)崃髦凳堑厍騼?nèi)熱在地表唯一可以量測(cè)的物理量，比其他地?zé)釁?shù)更能確切地反映某個(gè)地區(qū)地溫場(chǎng)的特點(diǎn)。大地?zé)崃髦档挠?jì)算結(jié)果相當(dāng)于巖石熱導(dǎo)率和垂向地溫梯度二者相乘之積(q=Κ·γ，γ為地溫梯度，Κ為巖石熱導(dǎo)率)。

2.2.1 地溫梯度值的計(jì)算

熱儲(chǔ)溫度是指深部熱儲(chǔ)層的溫度。本次采用物探測(cè)井在地?zé)峋兄苯訙y(cè)量熱儲(chǔ)層溫度同時(shí)參考區(qū)內(nèi)各熱水井出水溫度，利用恒溫帶深度、溫度以及井底溫度、深度，計(jì)算本區(qū)內(nèi)各地?zé)峋牡販靥荻取?計(jì)算結(jié)果詳見表1)，計(jì)算本地?zé)峋牡販靥荻?。地溫梯度?jì)算公式為：

γ=(T-T0)/(H-h) ×100

式中：γ——地溫梯度，℃/hm；

T——井底溫度，℃；

T0——恒溫帶溫度，東部伊河即龍門口斷層(F6)以東根據(jù)李村深部煤詳查穩(wěn)態(tài)測(cè)溫成果取值19.4℃，以西高溫區(qū)附近取值依據(jù)實(shí)際測(cè)井成果；

H——井底深度，m。

h——恒溫帶深度，東部伊河即龍門口斷層(F6)以東根據(jù)李村深部煤詳查穩(wěn)態(tài)測(cè)溫成果取值40m，以西高溫區(qū)附近取值依據(jù)實(shí)際測(cè)井成果；

經(jīng)計(jì)算本區(qū)內(nèi)地?zé)峋販靥荻葹?.90～6.67℃/hm ，西部高溫區(qū)附近地溫梯度值3.03～6.67℃/hm，>3℃/hm，高于區(qū)域正常值，屬地溫梯度異常區(qū)。其它區(qū)域則<3℃/hm，屬地溫梯度正常區(qū)。

表1 研究區(qū)部分地?zé)峋販丶暗販靥荻扔?jì)算成果一覽表

2.2.2 大地?zé)崃髦档挠?jì)算

根據(jù)中國大地?zé)崃鳂?gòu)造分區(qū)，洛陽屬于華北-東北構(gòu)造區(qū)，為華北板塊陸內(nèi)區(qū)，大地?zé)崃髦禐?9～63mW/m2。本區(qū)地?zé)衢_發(fā)自上世紀(jì)70年代開始至今已將近50年，然而對(duì)大地?zé)崃髦档挠?jì)算和研究則幾乎是零，主要是大部分為私人開發(fā)，對(duì)巖石熱導(dǎo)率等參數(shù)的測(cè)試不重視或根本就沒考慮到。本次大地?zé)崃髦涤?jì)算中新生界巖石熱導(dǎo)率取值根據(jù)《地?zé)豳Y源勘查評(píng)價(jià)與開發(fā)利用新技術(shù)手冊(cè)》中經(jīng)驗(yàn)值予以確定，新生界熱儲(chǔ)層主要為黏土、砂、礫巖、砂巖、泥巖等，巖石熱導(dǎo)率K取值約為2.0W/m·K，據(jù)此計(jì)算西部高溫區(qū)大地?zé)崃髦禐?4～133.4mW/m2，均高于構(gòu)造區(qū)內(nèi)大地?zé)崃髡Ｖ担?號(hào)地?zé)峋浇鼊t高于133.4mW/m2，表現(xiàn)為明顯的地?zé)岙惓^(qū)；而其他區(qū)內(nèi)大地?zé)崃骷s為41.4～42.6mW/m2，低于構(gòu)造區(qū)內(nèi)大地?zé)崃髡Ｖ?，東南部基巖出露及熱儲(chǔ)淺埋區(qū)約為12.6則最低。

2.3 地溫場(chǎng)平面特征

根據(jù)對(duì)本區(qū)地?zé)峋疁y(cè)溫資料并結(jié)合區(qū)內(nèi)各熱水井出水溫度，結(jié)合地?zé)崽飿?gòu)造、熱儲(chǔ)組合特征等繪制出區(qū)內(nèi)寒武系灰?guī)r熱儲(chǔ)層頂界面等溫線圖(見圖2)，地溫場(chǎng)顯示西部F8與F3和草店斷裂交匯區(qū)形成高溫異常區(qū)，中心最高溫度98.5℃，地溫從中心區(qū)向邊界方向逐漸降低。通過對(duì)本區(qū)地溫梯度及大地?zé)崃髦档某晒治鼍@示與這一地溫平面分布特征完全相符。

這一地溫分布特征揭示了本區(qū)地溫場(chǎng)的平面分布受北西向龍?zhí)稖仙畲髷嗔芽刂?，該斷裂為區(qū)域性控?zé)釘嗔?，在區(qū)內(nèi)西部與F1和F3斷裂相交，溝通了深部熱源， 熱水受北部及西部巨厚中生界及新生界隔水巖層的阻隔上升形成洛陽市南部地?zé)崽锏母邷貐^(qū)， 并由此一部分沿F5、 F1夾持的段塊向南東方向徑流，另一部分則通過F3、F1斷裂向東部徑流，其它則以傳導(dǎo)的方式向北、西方向擴(kuò)散。反映出天然狀態(tài)下含水層在這些部位吸熱后水體被加熱，而后溫度向四周傳遞擴(kuò)散。

2.4 地溫場(chǎng)垂向特征

根據(jù)本區(qū)鉆孔的地溫梯度，新生界底面是個(gè)明顯的熱物理界面，其上的新生界巖層熱導(dǎo)率低，導(dǎo)熱性差，地溫梯度的平均值較高，為區(qū)域地?zé)嵘w層，一般為2.07～4.8℃/hm ，以下三疊至二疊系和石炭系巖層導(dǎo)熱率稍高，導(dǎo)熱性稍好，地溫梯度平均值較之新生代該層相對(duì)較低，地溫梯度至則保持在0.92～4.33℃/hm ，而區(qū)內(nèi)主要儲(chǔ)熱含水層寒武系灰?guī)r，導(dǎo)熱率高，導(dǎo)熱性好，地溫梯度最低，當(dāng)鉆孔揭露該儲(chǔ)層界面時(shí)地溫會(huì)突然升高，而地溫梯度則陡然下降，區(qū)內(nèi)有5孔揭穿中寒武灰?guī)r巖溶含水層，根據(jù)測(cè)溫成果(表1)，該熱儲(chǔ)層地溫梯度為0.9～2.5℃/hm，地溫梯度至則保持在0.9℃/hm。根據(jù)7號(hào)及8號(hào)孔測(cè)溫成果分析，本區(qū)寒武灰?guī)r有兩個(gè)溫度拐點(diǎn)，第一個(gè)拐點(diǎn)在上寒武頂界面，第二個(gè)拐點(diǎn)在穿過下寒武中的泥巖及灰?guī)r互層曾為后于中寒武張夏組灰?guī)r頂界面處，地溫會(huì)突然升高，而后儲(chǔ)層內(nèi)溫度變化平緩，地溫保持在46～47.5℃。以上層位地溫梯度均表現(xiàn)為高溫區(qū)為高值，其它則沿徑流方向逐漸降低，至伊河即龍門口斷層(F6)以東最低，為0.9～1.1℃/hm。

綜合區(qū)內(nèi)測(cè)溫井、孔資料分析，其地?zé)岽瓜蛏暇唠S深度增加而增大的規(guī)律，地?zé)崽锎蟛糠志哂兴缮⑸w層，區(qū)內(nèi)測(cè)溫曲線反映出垂向上地溫隨深度增溫具有明顯的規(guī)律，但熱儲(chǔ)層內(nèi)垂向地溫梯度值相對(duì)較低，而蓋層垂向地溫梯度值相對(duì)較高。

3 影響地溫場(chǎng)變化規(guī)律的因素分析

通過對(duì)本區(qū)地溫場(chǎng)變化特征的研究和分析，影響區(qū)內(nèi)地溫場(chǎng)變化的主要因素為地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件、蓋層厚度及深大活動(dòng)斷裂等。

3.1 基底構(gòu)造形態(tài)對(duì)地溫場(chǎng)的影響

根據(jù)研究表明大地?zé)崃髦捣植寂c基底構(gòu)造形態(tài)密切相關(guān)，隆起區(qū)為相對(duì)高熱流區(qū)，坳陷區(qū)為相對(duì)低熱流區(qū)。區(qū)內(nèi)西部為龍門凸起為嵩山背斜西部邊緣地帶分布有巨厚的寒武系灰?guī)r熱傳導(dǎo)層，較厚的蓋層，且發(fā)育有F5、F3、F1活動(dòng)性大斷裂熱傳導(dǎo)速度塊，地溫、大地?zé)崃髦得黠@偏高，極易儲(chǔ)積較高熱能形成溫泉；而在東南部嵩山(本區(qū)名為“萬安山”)背斜北翼，雖然亦為凸起，但由于基巖裸露，地下熱能無法儲(chǔ)積，形成地溫、大地?zé)崃髦档椭祬^(qū)，而由此向北嵩山背斜北翼深埋區(qū)，地溫、大地?zé)崃髦抵饾u升高，本區(qū)的這種特點(diǎn)總體上符合隆起區(qū)為相對(duì)高熱流區(qū)，坳陷區(qū)為相對(duì)低熱流區(qū)的規(guī)律。

3.2 地層巖性對(duì)地溫場(chǎng)的影響

區(qū)內(nèi)自太古界登封群-第四系均有分布。太古界、元古界及古生界寒武系出露于區(qū)內(nèi)南部，二疊系、三疊系出露于區(qū)內(nèi)的中部，新近系及第四系廣布于區(qū)內(nèi)北部。不同巖性地層，其物理性質(zhì)有較大差異，從而引起不同的地溫場(chǎng)。

區(qū)內(nèi)蓋層中新生代地層由于其巖層熱導(dǎo)率低，在不同的構(gòu)造部位，地溫梯度的變化極為明顯，但均顯示為高的地溫梯度之，其中新生界松散層、古生界二疊系及三疊系砂泥巖地溫梯度較高，而古生界巨厚的寒武系灰?guī)r熱導(dǎo)率高，地溫梯度值相對(duì)低些。

3.3 水文地質(zhì)條件對(duì)地溫場(chǎng)的影響

本區(qū)地下水的運(yùn)動(dòng)對(duì)地溫場(chǎng)的影響較為明顯，東南部嵩山背斜北翼古生界寒武系灰?guī)r大面積出露，巖溶發(fā)育，降雨入滲補(bǔ)給條件好，接受大氣降水及地表伊河水補(bǔ)給，冷水下滲補(bǔ)給地下水，一部分由東向西徑流，另一部分則由南向北徑流一定程度上降低了區(qū)內(nèi)地層的溫度，造成研究區(qū)東部強(qiáng)徑流坳陷區(qū)形成大地?zé)崃鞯椭祬^(qū)，該區(qū)地下水在向西徑流的過程中與西部高溫區(qū)地下熱水交接，由于熱損耗相應(yīng)較大，降低了西部高溫地?zé)崃黧w的溫度，造成區(qū)內(nèi)地溫梯度的降低。

從圖2可清楚的看出，地溫等值線分布表現(xiàn)為向東部及龍門石窟伊河流經(jīng)處即龍門山口斷層所在區(qū)域尤為密集，西部高溫區(qū)相對(duì)稀疏的特點(diǎn)。顯示高溫區(qū)向東地溫迅速降低，西部高溫區(qū)內(nèi)雖亦顯示向南東方向有降低的趨勢(shì)，但地溫變化相對(duì)緩慢，說明地?zé)崽飽|部為地下冷水及地表伊河水補(bǔ)給區(qū)，西部為熱水供給區(qū)，尤其是龍門山口斷層由于其導(dǎo)水性好，在接受東南部地下冷水側(cè)向補(bǔ)給的同時(shí)，又接受伊河水的直接滲漏補(bǔ)給，成為本區(qū)東、西部地?zé)岬拿黠@的地下分水嶺。

3.4 深大活動(dòng)性斷裂對(duì)地溫場(chǎng)的影響

根據(jù)以上研究區(qū)內(nèi)，F(xiàn)5、F3、F1活動(dòng)性大斷裂交匯區(qū)，溝通了深部熱源，形成洛陽市南部地?zé)崽锏母邷貐^(qū)，而后溫度向四周傳遞擴(kuò)散。顯然F5、F3、F1活動(dòng)性大斷裂對(duì)本區(qū)地?zé)釄?chǎng)變化起到了絕對(duì)控制作用。同樣?xùn)|部區(qū)內(nèi)由南向北，接近伊河斷層表現(xiàn)為地溫梯度、大地?zé)崃髦抵饾u升高的趨勢(shì)，表現(xiàn)出伊河斷層對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)嵊休^大的影響。

3.5 蓋層厚度對(duì)地溫場(chǎng)的影響

研究區(qū)東部由南向北新生界蓋層厚度0～750m，地溫、大地?zé)崃髦祫t相對(duì)偏低，且明顯表現(xiàn)為南部萬安山凸起區(qū)大地?zé)崃髦禐樽畹?，向北逐漸升高。西部高溫區(qū)由東南龍門山基巖露向西北伊河斷層蓋層厚度約0～1 300m，地溫、大地?zé)崃髦迪蛭鞅敝饾u升高。以上充分說明較厚熱傳導(dǎo)率低的蓋層，能起到較好的保溫作用，厚度較小則不利于熱量的儲(chǔ)存。

4 結(jié)論

區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的勘查和開發(fā)由來已久，對(duì)其地?zé)豳Y源地質(zhì)特征及成因的研究也較為深入，但限于前期實(shí)際鉆孔資料相對(duì)較少，理論上對(duì)地溫場(chǎng)特征的探討雖較完善，定量分析則相對(duì)少些，本次根據(jù)較多的測(cè)溫、地?zé)岬刭|(zhì)勘查及調(diào)查成果對(duì)本區(qū)地溫場(chǎng)特征及影響因素作了詳盡的分析和論述，解決了以往對(duì)此工作所留下的疑問，為今后合理而科學(xué)地開發(fā)利用洛陽地?zé)峋哂懈玫募夹g(shù)指導(dǎo)意義。

①研究區(qū)地?zé)岬販貓?chǎng)的平面特征是西部龍?zhí)稖蠑嗔?F5)、F3和草店斷裂(F1)交匯區(qū)形成高溫區(qū)，由此向東及東南方向由于受構(gòu)造、地層巖性及水文地質(zhì)條件等的影響地溫及地溫梯度值均表現(xiàn)為逐漸減低；垂向特征是隨埋深加大地溫升高但熱儲(chǔ)層內(nèi)垂向地溫梯度值相對(duì)較低，而蓋層垂向地溫梯度值相對(duì)較高。

②影響區(qū)內(nèi)地溫場(chǎng)變化的主要因素為地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)條件、蓋層厚度及深大活動(dòng)斷裂。

③通過對(duì)本區(qū)地溫特征的研究確定西部高溫區(qū)大地?zé)崃髦禐?4～133.4mW/m2，均高于華北-東北構(gòu)造區(qū)內(nèi)大地?zé)崃髡Ｖ担憩F(xiàn)為明顯的地?zé)岙惓^(qū)；結(jié)合實(shí)際地?zé)徙@探，進(jìn)一步驗(yàn)證了龍?zhí)稖蠑嗔褜?duì)本區(qū)地?zé)岬挠绊懞涂刂啤?/p>

④龍門山口斷層由于其導(dǎo)水性好，成為本區(qū)東、西部地?zé)岬拿黠@的地下分水嶺。