郭飛翔，方憶剛

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 451452)

地?zé)豳Y源具有低碳、環(huán)保以及可再生的特點(diǎn)，因其巨大的利用價(jià)值已受到越來越多的關(guān)注[1-9]。永城市位于河南省東部，由于區(qū)域構(gòu)造環(huán)境影響，該地區(qū)地?zé)豳Y源豐富[8]。該地區(qū)水文地質(zhì)、地?zé)豳Y源勘查始于20世紀(jì)80年代，不少學(xué)者、地質(zhì)單位在該地區(qū)開展工作。20世紀(jì)80年代，工作以淺部地?zé)豳Y源為主，圈定了地?zé)岙惓^(qū)，側(cè)重于山區(qū)和部分煤礦區(qū)；90年代，該地區(qū)劃分了新近系、古近系及下古生界熱儲層，闡述了各地?zé)釁^(qū)(田)地?zé)崽卣鳎治隽说責(zé)崴梢蚝蜕赡挲g，分析了 2 000 m 以淺地?zé)峥刹少Y源量等；2000年以后，系統(tǒng)研究了地溫場變化規(guī)律，劃分了地?zé)嵯到y(tǒng)及熱儲結(jié)構(gòu)組合類型，闡述了熱儲埋藏分布規(guī)律、水文地質(zhì)特征、地?zé)崃黧w的水化學(xué)及動態(tài)變化特征，分層、分溫、分經(jīng)濟(jì)性評價(jià)了4 000 m以淺地?zé)豳Y源，并對各熱儲水質(zhì)及其功能進(jìn)行了評價(jià)。本文對地?zé)岢梢颉?dǎo)熱構(gòu)造進(jìn)行研究[6-15]，認(rèn)為區(qū)內(nèi)地?zé)岬刭|(zhì)條件主要受太平集斷層、灤湖斷層控制，灤湖斷層組以西，熱儲層寒武系張夏組巖性存在破碎、構(gòu)造發(fā)育，是地?zé)岽鎯Φ牧己玫囟?。通過對理療熱礦水、生活飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉水、漁業(yè)用水水質(zhì)評價(jià)等進(jìn)行研究，為加快該地區(qū)地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用提供參考。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地層特征

區(qū)域出露寒武、奧陶系灰?guī)r和石炭、二疊系含煤地層及第四系。寒武系地層厚85～326 m，巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)生物碎屑灰?guī)r、灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖、粉砂巖、紅色泥巖、紫紅色砂質(zhì)泥巖等；奧陶系地層厚133～263 m，巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖及粉砂巖；石炭系地層厚23～96 m，巖性為薄層泥巖與厚層灰?guī)r互層，夾薄層泥質(zhì)砂巖及煤線、鮞狀鋁土質(zhì)泥巖等；二疊系地層厚1 796 m，巖性為長石石英砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾薄層泥巖及煤線。

1.2 地?zé)針?gòu)造特征

研究區(qū)位于華北臺塊東南隅之山東臺背斜徐蚌凹折帶中，秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造帶東段北支的南側(cè)，新華夏系第二沉降帶的東側(cè)。根據(jù)城郊煤礦勘探資料、大王莊鐵礦勘探資料，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育特征具水平分帶性，巖溶與裂隙灰?guī)r面以下200 m水平范圍內(nèi)廣泛發(fā)育，溶洞大者直徑4 m，一般在1 m，小溶洞孔呈蜂窩狀縱橫分布。熱儲層主要以奧陶系馬家溝組和寒武系張夏組為主，巖性主要以灰?guī)r為主，其特點(diǎn)為質(zhì)純而致密，具多組極為發(fā)育的裂隙，且被方解石脈充填，熱儲類型為層狀與帶狀混合熱儲[12]。

1.3 地?zé)崃黧w水位動態(tài)特征

研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w埋藏較深，具承壓性，與地表水、淺中深層地下水基本無水力聯(lián)系，水位動態(tài)主要受開采影響，為開采型動態(tài)，故所處位置的開采強(qiáng)度及區(qū)域開采影響不同，水位動態(tài)變化不一。根據(jù)收集周邊煤礦長觀孔動態(tài)監(jiān)測資料可知，水位呈現(xiàn)下降趨勢，自2014—2020年水位持續(xù)下降，6年共下降10.2 m(圖1)。

圖1 研究區(qū)周邊長觀孔水位動態(tài)曲線Fig.1 Dynamic curve of water level of long observation hole around the study area

2 地?zé)犷愋图盁醿μ卣?/h2>

2.1 地?zé)豳Y源類型

地溫場成因模式有3種，即傳導(dǎo)、對流、對流—傳導(dǎo)復(fù)合模式[11-14]。傳導(dǎo)模式為地球內(nèi)部熱能以傳導(dǎo)的形式向地球表面?zhèn)鬟f形成地溫場，自恒溫帶以下地溫隨深度增加而升高，地表一般無地?zé)岬奶烊宦额^，深大斷裂往往構(gòu)成地?zé)崽锏倪吔鏪15-18]。地溫場主要受斷裂構(gòu)造、基底起伏、地層巖性及地?zé)崃黧w活動的影響[19]。工作區(qū)地?zé)豳Y源的形成是地球深部的熱源以傳導(dǎo)的形式對古生界地層影響的結(jié)果，地?zé)嵯到y(tǒng)的成因模式是經(jīng)過傳導(dǎo)，地?zé)豳Y源類型屬于沉降盆地傳導(dǎo)型。

2.2 熱儲層特征

研究區(qū)內(nèi)熱儲主要為古生界奧陶寒武溶蝕裂隙熱儲。熱儲層巖性主要為奧陶系灰?guī)r，灰?guī)r的主要特征為質(zhì)純而致密，具多組極為發(fā)育的裂隙，且被方解石脈充填，是較好的儲熱層，熱儲層有效厚度約350 m。根據(jù)收集資料以及此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)奧陶寒武系灰?guī)r質(zhì)純而致密，裂隙發(fā)育，富水性好，水溫31.6 ℃，單位涌水量為341.54 m3/(d·m)，滲透系數(shù)為0.35 m/d，水化學(xué)類型主要為SO4-Ca·Na型。

3 地溫場特征

3.1 恒溫帶深度及溫度

恒溫帶的溫度和深度受所處緯度、高度、巖性、地表水、小氣候、植被等多種條件的影響，各地不一，同一地區(qū)也有些差異[8-12]。本次依據(jù)淺層地下水垂向水溫測量數(shù)據(jù)分析擬定。本次測溫共測量井點(diǎn)56處，利用部分典型測溫井點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制的淺層水溫—深度關(guān)系圖(圖2)，確定恒溫帶深度為22～24 m，恒溫帶深度取23 m，恒溫帶溫度確定為16.3 ℃(研究區(qū)年平均氣溫14.2 ℃)。

圖2 淺層水溫—深度關(guān)系Fig.2 Shallow water temperature-depth relationship

3.2 淺層水溫分布

采用TH-212型測溫儀對區(qū)內(nèi)淺層地下水進(jìn)行垂向水溫測量，間距1 m/點(diǎn)。在工作區(qū)范圍內(nèi)選取了47眼機(jī)(民)井進(jìn)行測溫，確定不同位置及深度的淺層地下水水溫的變化規(guī)律。

根據(jù)調(diào)查分析，在薛湖斷層、劉松園斷層、演集斷層之間淺層地溫明顯高于周圍淺層地溫，主要是在演集斷層與劉松園斷層之間形成一條寬1.0～0.8 km、落差400～500 m的斷層陷落地塹條帶，斷層兩側(cè)的地層層位均較老，中間沉積了較新地層，故地?zé)釤醿^好。其中，在馮寨和邢樓之間淺層水溫最高，其次在王菜園附近淺層水溫也相對較高。因此，推測可能存在地溫差異。

3.3 地溫梯度

正常地層地?zé)嵯蛏蟼鬟f運(yùn)移主要依靠巖體本身傳導(dǎo)熱能，由于巖性差異，熱傳導(dǎo)系數(shù)不同，在地層內(nèi)地?zé)嵩鰷匾灿忻黠@差異。研究區(qū)松散層內(nèi)黏性土居多，熱傳導(dǎo)系數(shù)小，地?zé)嵩鰷芈氏鄬Ω摺\部基巖為泥巖、砂巖，熱傳導(dǎo)系數(shù)較黏土大，地?zé)嵩鰷芈实?，深部基巖為灰?guī)r、頁巖，熱傳導(dǎo)系數(shù)較砂巖泥巖大，地?zé)嵩鰷芈实?表1)。

表1 不同深度熱儲溫度Tab.1 Temperature of heat storage at different depths

根據(jù)本次地?zé)醃2鉆孔物探測溫資料，鉆孔不同深度段地溫梯度有所差異(圖3)，總體呈現(xiàn)隨深度增加減小趨勢，平均地溫梯度值為1.42 ℃/hm。

圖3 地?zé)徙@孔地溫梯度—深度Fig.3 Geothermal gradient-depth map of geothermal borehole

4 討論

地?zé)崃黧w由于溫度較高，在與圍巖的化學(xué)反應(yīng)和溶濾作用下，其中溶解的化學(xué)成分較為復(fù)雜，礦化度較高(深部)。因地下熱水化學(xué)成分和熱儲溫度有著密切的關(guān)系，采用地?zé)岬厍蚧瘜W(xué)方法在研究和利用地?zé)豳Y源方面得到廣泛的應(yīng)用[11-20]。

4.1 地?zé)崃黧w化學(xué)特征

表2 地?zé)崃黧w與不同水體對比Tab.2 Comparison of geothermal fluids with different water bodies

4.2 地?zé)崃黧w補(bǔ)給來源判斷

通過以往地?zé)崃黧w成因研究得知，絕大多數(shù)地?zé)崽镏械牡責(zé)崃黧w來自大氣降水[13]。因此，在分析一個(gè)新的地?zé)崽锏責(zé)崃黧w來源方向或補(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與大氣降水間的關(guān)系。本次收集到3條降水線方程[6-9]：①中國大氣降水線方程為δD=7.81×δ18O+8.16；②平頂山大氣降水線方程為δD=7.92×δ18O+8.66；③鄭州大氣降水線方程為δD=8.013×δ18O+8.275。

由于平頂山位于工作區(qū)西部，且其降水線方程同中國降水方程接近，所以選定了前2條降水線進(jìn)行分析。本次共采集樣1個(gè)樣品的δD、δ18O同位素值，繪制區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的同位素分析成果曲線，如圖4所示。

圖4 工作區(qū)大氣降水與地?zé)崃黧wδD-δ18O關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between atmospheric precipitation and geothermal fluid δD-δ18O in the working area

由圖4可以看出，研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的同位素成果值緊鄰平頂山降水線且位于其下方，初步判斷工作區(qū)地?zé)崃黧w來源于大氣降水，地?zé)崃黧wδ18O與大氣降水相比存在氧漂移現(xiàn)象，這是由于較高溫度的地?zé)崃黧w與硅酸鹽，碳酸鹽(圍巖)發(fā)生氧同位素交換(使得δ18O增高)的結(jié)果。一般來講，熱儲溫度越高，氧漂移越顯著，工作區(qū)氧漂移現(xiàn)象并不嚴(yán)重。值得指出的是，一次采樣數(shù)據(jù)并不能說明地下水長期變化規(guī)律，需要進(jìn)行長期監(jiān)測，才能揭示地?zé)崴畾溲跬凰亟M成的動態(tài)變化，結(jié)合區(qū)內(nèi)上游地下水補(bǔ)給區(qū)水體特征，方可以說明地?zé)崴木唧w補(bǔ)給來源。

5 地?zé)崃黧w質(zhì)量評價(jià)

6 結(jié)語

以永城市地?zé)釣檠芯繀^(qū)域，通過對研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)資料、地?zé)嵩u價(jià)資料、勘察研究資料等相關(guān)資料的分析和整理，結(jié)合地球物理勘探、地?zé)徙@探、地?zé)崃黧w地球化學(xué)分析等手段，對研究區(qū)地溫場特征、熱儲類型及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究，對區(qū)內(nèi)奧陶系和寒武系地?zé)豳Y源量進(jìn)行評價(jià)分析，得到如下結(jié)論。

(1)此次鉆探揭穿奧陶系與寒武系地層，鉆達(dá)震旦系頂部，對永城地區(qū)古生界地層巖性、地質(zhì)年代劃分具有一定意義。

(2)研究位于華北臺塊東南隅之山東臺背斜徐蚌凹折帶中，秦嶺—昆侖緯向構(gòu)造帶東段北支的南側(cè)，新華夏系第二沉降帶的東側(cè)，熱儲層主要以奧陶系馬家溝組和寒武系張夏組為主，巖性主要以灰?guī)r為主，熱儲類型為層狀與帶狀混合熱儲。

(3)對鉆孔地?zé)崃黧w水質(zhì)分別進(jìn)行了理療熱礦水、生活飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、漁業(yè)用水、工業(yè)用水評價(jià)，地?zé)崃黧w氟化物含量達(dá)到命名礦水濃度標(biāo)準(zhǔn)，可作為理療熱礦水。通過穩(wěn)定同位素，初步判斷地?zé)崃黧w補(bǔ)給來源為大氣降水。