趙立敏

（湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊(duì)，湖北 武漢 430200）

地?zé)崾堑厍騼?nèi)部蘊(yùn)含的自然能源，是一種儲量豐富、分布較廣、穩(wěn)定可靠的可再生能源，屬寶貴的礦產(chǎn)資源。主要來源于地球內(nèi)部長壽命放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能。地?zé)嵋话惆闯尸F(xiàn)形式和溫度高低進(jìn)行分類：如蒸汽型高溫地?zé)帷崴椭袦氐責(zé)岬?，它具有水資源和清潔能源的雙重屬性。在助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)生態(tài)城市和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式，根本好轉(zhuǎn)生態(tài)環(huán)境的前提下，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用有其天然的前景優(yōu)勢。開發(fā)利用地?zé)豳Y源除解決城市供熱取暖外，還可以服務(wù)種植養(yǎng)殖、養(yǎng)生保健，促進(jìn)旅游業(yè)、帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

虞城縣屬河南省商丘市管轄，處于黃河沖積平原的中部，華北平原南部，魯西臺地的西緣，地勢由西北向東南微傾。從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造來看，位于華北中、新生代盆地南部邊緣，覆蓋著巨厚的新生界黏土、粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂等松散沉積物。虞城縣地?zé)豳Y源主要受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制，初步認(rèn)為具備熱礦水的形成條件（徐連利等，2004）。為此，有必要對虞城縣地?zé)豳Y源潛力進(jìn)行分析。

通過對虞城縣區(qū)域地質(zhì)背景和地?zé)岬刭|(zhì)條件的現(xiàn)場踏勘、走訪對比、查閱資料和分析研究等手段，詳細(xì)研究了虞城縣地下水水文地質(zhì)特征、地溫場特征和熱儲層特征，劃分其地?zé)豳Y源的類別、熱儲形狀；通過計(jì)算不同熱儲層的地層溫度及井口出水溫度，指出了不同熱儲層開發(fā)利用的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而分析虞城縣地?zé)豳Y源開發(fā)利用的潛力和前景，對今后虞城縣地?zé)豳Y源的開發(fā)利用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 地?zé)豳Y源開發(fā)利用程度

商丘市開發(fā)利用低溫地?zé)崴Y源自20世紀(jì)70年代中期開始，主要用于灌溉、養(yǎng)殖及生活用水，少量用于洗浴、休閑等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2017年，共有地?zé)峋s125眼，深度在5OO m左右，主要分布在城區(qū)160 km2范圍內(nèi)，井口出水溫度25～34℃（商真平等，2007）。近年來，商丘市保有地?zé)峋當(dāng)?shù)量有所增加，最大開采深度達(dá)到800～1000 m，分布范圍遍及商丘市區(qū)和廣大農(nóng)村地區(qū)。多年來，由于人們對地?zé)崮茉吹恼J(rèn)識還存在著一定的局限性，管理體制方面也存在一些問題，導(dǎo)致水資源開采無序無節(jié)制，使地?zé)崴豢焖傧陆担?993—1999年7年間水位下降11.71 m，下降速率達(dá)1.67 m·a-1；地?zé)崴虚_采區(qū)域形成地下水降落漏斗，漏斗面積逐漸擴(kuò)大，漏斗中心水位持續(xù)下降。如此現(xiàn)狀，從根本上阻礙了地?zé)崮芨笠?guī)模和更高質(zhì)量的開發(fā)利用。

虞城縣供水井施工眾多，井深300～500 m，僅有少量地?zé)峋_發(fā)利用。據(jù)實(shí)地調(diào)查，在虞城縣林業(yè)局對面、現(xiàn)好又多超市原址，20世紀(jì)90年代末曾施工一口地?zé)峋糜谙丛⌒蓍e，井深856 m，井口水溫36℃，水量未具體測量，但足夠正常經(jīng)營?，F(xiàn)已封堵，未再開采。

近年來，我國社會(huì)發(fā)展日新月異，人民生活水平不斷提高，助推了人們對綠色低碳能源需求的不斷增長，對地?zé)崮艿恼J(rèn)識也在逐步提高。八部委在《關(guān)于促進(jìn)地?zé)崮荛_發(fā)利用的若干意見》（國能發(fā)新能規(guī)〔2021〕43號）中明確提出“立足新發(fā)展階段，完整、準(zhǔn)確、全面貫徹新發(fā)展理念”，強(qiáng)調(diào)要“以調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、增加可再生能源供應(yīng)、減少溫室氣體排放、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)”，“穩(wěn)妥推進(jìn)地?zé)崮苜Y源勘查和項(xiàng)目建設(shè)”，從而有效“保障地?zé)崮荛_發(fā)利用高質(zhì)量發(fā)展”。因此，對地?zé)崮苓@種清潔、可再生能源的開發(fā)利用，將迎來一個(gè)新高潮。

2 區(qū)域地質(zhì)背景及地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

商丘市地層屬華北平原地層分區(qū)之豫東小區(qū)及魯西地層分區(qū)之徐州小區(qū)（蘇媛媛，2017）。區(qū)內(nèi)大部分被厚度150～1000 m的新生代河湖相沉積的松散物所覆蓋，僅在永城市東北、東南角部分區(qū)域有古生代基巖裸露。地層從新太古界到新生界，與華北其他地區(qū)基本類似，缺失上奧陶統(tǒng)到下石炭統(tǒng)，自下而上依次有新太古界泰山巖群、寒武—奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。虞城縣地層發(fā)育情況見表1。

表1 虞城縣地層簡表Tab.1 Formation Summary in Yucheng County

2.2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.2.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

商丘市大地構(gòu)造隸屬于中朝準(zhǔn)地臺華北坳陷通許凸起與魯西臺隆永城陷褶斷束結(jié)合部位，魯西臺隆之菏澤凸起。在后期構(gòu)造作用下，斷層兩盤差異升降，加之構(gòu)造之間相互切割交錯(cuò)，使隆起內(nèi)又形成多個(gè)次級凸起和凹陷（王明明，2013），基本呈“兩凹夾一隆”的棋盤式構(gòu)造格局（圖1）。

圖1 區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological brief map of regional structure

虞城縣位于次級構(gòu)造黃口凹陷的虞城次凸（圖2）。虞城次凸為近南北向的楔形隆起，東部以于賢集斷層為界，緊鄰楊集洼陷；西界與商丘次凹接壤；南界為商丘斷裂，與商丘凸起相鄰；北緣緊接楊樓洼陷。虞城次凸由于周緣斷層的差異活動(dòng)，導(dǎo)致形狀不規(guī)則，表面起伏高低不平，凸起中部抬升最高（徐漢林等，2003）。

圖2 黃口凹陷構(gòu)造簡圖Fig.2 Brief diagram of yellow mouth depression

整個(gè)虞城縣被第四系覆蓋。據(jù)物探及鉆孔資料分析，在厚數(shù)百米至千余米的新近系、第四系河湖相泥質(zhì)、砂質(zhì)碎屑沉積物之下，廣泛分布著下古生界淺海相碳酸鹽巖夾泥質(zhì)巖系和上古生界海陸交互相—陸相含煤巖系，厚度在2500 m以上。

1）褶皺構(gòu)造

本區(qū)最早的構(gòu)造旋回發(fā)生于晚太古代末，使太古界地層強(qiáng)烈褶皺，形成以東西向?yàn)橹鞯木€型褶皺和穹隆構(gòu)造。其后歷次運(yùn)動(dòng)使本區(qū)不斷發(fā)生沉陷、隆起、褶斷、斷塊等，最終形成本區(qū)的臺褶斷帶和菱形斷塊構(gòu)造格局。

區(qū)域內(nèi)褶皺多屬平緩褶曲，按軸向分為兩組：北北東向和近東西向。北北東向褶皺表現(xiàn)較明顯，多呈線型或短軸狀產(chǎn)出，短軸褶曲中的背斜構(gòu)造按其長與寬的比例，可看作穹窿構(gòu)造（潛伏凸起）（王明明，2013）。近東西向褶皺亦多呈線型產(chǎn)出，但表現(xiàn)不明顯。永城背斜、杜集背斜為區(qū)內(nèi)較大的背斜。

2）斷裂構(gòu)造

本區(qū)斷裂與斷塊構(gòu)造非常發(fā)育，按其斷裂特點(diǎn)、空間展布和組合規(guī)律等，大致分為北北東向和北西西向兩組。北北東向斷裂帶最初形成于燕山期，均是拉張狀態(tài)下形成的高角度正斷層，沿?cái)嗔褞纬芍行律貕q式斷陷，控制了中新生代地層的分布和巖相、厚度變化，代表性斷裂為聊城-蘭考深斷裂。北西西向斷裂表現(xiàn)為斷續(xù)隱現(xiàn)，皆形成于晉寧旋回以前，具有規(guī)模大、形成早、切割深、活動(dòng)時(shí)間長、性質(zhì)多變、多旋回發(fā)展的特點(diǎn)，對本區(qū)的沉積建造、巖漿活動(dòng)、構(gòu)造變形等起著極為重要的作用，代表性斷裂為焦作-商丘斷裂。斷裂導(dǎo)致下陷的地塊為地塹，上覆較厚的沉積蓋層。上升的地塊為地壘（凸起），常為古老基底構(gòu)造。

2.2.2 地下水水文地質(zhì)特征

一般來講，松散層的孔（空）隙、巖石中的裂隙、溶隙（洞）等，都是地下水的賦存空間。綜合考慮虞城縣地下水的埋藏深度、容納地下水的巖性空間和水動(dòng)力特征，將其地下水主要?jiǎng)澐譃?種類型。

1）松散巖類孔隙水

屬第四系孔隙潛水含水巖組。主要賦存于第四系河流相沉積的松散堆積層中，由灰黃、灰綠色粉細(xì)砂、中細(xì)砂，局部夾薄層砂和砂礫石組成。補(bǔ)給來源主要是大氣降水入滲，其次是回灌滲漏和河道側(cè)向滲漏，其排泄途徑除向地勢低洼處排泄外，工、農(nóng)業(yè)開采也是其主要排泄途徑。含水巖組的累積厚度約8～65.9 m，水位埋深10～20 m（楊振威，2020），富水性中等偏下，單位涌水量1.02～4.35 m3·h-1·m-1（李貴明，2001）。

2）碎屑巖類裂隙水

屬白堊—新近系裂隙承壓含水巖組。地下水賦存于白堊—新近系河流-湖泊相沉積的地層中，埋藏于第四系黏土層之下，主要由淺棕紅、淺灰色粉砂巖、砂巖及雜色含礫砂巖組成。接受地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給、淺層含水層的越流補(bǔ)給以及少量的人工回灌。該類型有多個(gè)含水巖組，累積厚度約74.1～210.7 m，水位埋深270～340 m，富水性中等，單位涌水量6～12 m3·h-1·m-1。

3）碳酸鹽巖裂隙巖溶水

屬寒武—奧陶系裂隙巖溶含水巖組。地下水主要賦存于深部寒武、奧陶系地臺相沉積的碳酸鹽巖裂隙巖溶中。含水巖組的巖性主要由灰黃、灰白色白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和灰色、深灰、灰黑色石灰?guī)r、泥晶灰?guī)r組成。該類型也含有多個(gè)含水層組，埋藏深度多在4000 m左右，由于遠(yuǎn)源補(bǔ)給特性，地下水水位（水壓）高，富水性中等—強(qiáng)，單位涌水量10～50 m3·h-1·m-1。

3 地?zé)豳Y源潛力分析

3.1 地溫場特征

通過對虞城縣及周邊煤田鉆孔和地?zé)峋Y料調(diào)查，可以確定虞城縣恒溫帶溫度為16.5℃，恒溫帶深度則采用永城實(shí)際測量的恒溫帶數(shù)值23 m與山東聊城第四系地?zé)峋鶞y恒溫層數(shù)值40 m的距離加權(quán)平均值，即27 m。

近年來，研究人員通過對大量鉆孔測溫資料分析，得知柘城湖襄地區(qū)地溫梯度2.09～3.48℃·（100 m）-1，平均2.82℃·（100 m）-1；睢縣西部范圍地溫梯度2.14～3.76℃·（100 m）-1，平均2.79℃·（100 m）-1；永城地區(qū)地溫梯度1.73～3.48℃·（100 m）-1，平均2.41℃·（100 m）-1；夏邑韓口地區(qū)地溫梯度2.15～3.14℃·（100 m）-1，平均2.67℃·（100 m）-1。

由此可以看出，豫東地區(qū)各地地溫梯度為2.1～3.8℃·（100 m）-1，平均地溫梯度為2.4～2.8℃·（100 m）-1。虞城縣位于睢縣與永城市之間，其平均地溫梯度取睢縣西部與永城地區(qū)平均地溫梯度的距離加權(quán)平均值，即2.6℃·（100 m）-1。

在詳細(xì)研究過程中，人們發(fā)現(xiàn)，地溫梯度在不同地區(qū)、不同深度也會(huì)有所不同。地溫梯度隨深度的變化主要體現(xiàn)在：隨深度的增加逐漸變小，并且隨深度的增加溫度增速變緩。這種變化規(guī)律是因?yàn)殡S著埋藏深度的增加，下部巖石在上覆地層重力的作用下，結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，成巖作用好，使其孔隙變小，熱傳導(dǎo)性能變好，從而導(dǎo)致增溫率減小，熱流傳遞加快的原因。

寒武—奧陶系在本區(qū)的頂板埋深大多在4000 m左右，統(tǒng)計(jì)分析資料表明，本區(qū)寒武—奧陶系頂板地溫分布如圖3所示。

由圖3可以看出：在焦作-商丘深斷裂以南、寧陵凸起和永城隱伏背斜軸部等區(qū)域，地溫為30～44℃；在通許凸起南部的柘城斜坡帶、永城斷褶帶以及通許凸起西部等區(qū)域，地溫為37～72℃；在周口坳陷的扶溝、淮陽、鹿邑等深覆蓋區(qū)地溫為60～96℃。

圖3 寒武—奧陶系頂板地層溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram of Cambrian-Ordovician roof strata

3.2 熱儲層特征

商丘市城區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用已有近50年的歷史，一直以來，絕大部分都只開采600 m以淺的地?zé)崴瑢χ猩畈考吧畈康責(zé)崴拈_發(fā)利用較少。地?zé)崴弧⑺考八疁貏?dòng)態(tài)相對穩(wěn)定，動(dòng)水位的變化多受開采量大小的制約，熱儲層的補(bǔ)給多為側(cè)向流入和漏斗周邊補(bǔ)給，排泄多為人工開采和側(cè)向流出（商真平等，2007）。

虞城縣地?zé)豳Y源按其賦存條件可劃分為以下3種：一種是賦存于新生界松散堆積層中的孔隙水，另一種是碎屑巖裂隙水，再一種是賦存于下部碳酸鹽巖中的巖溶裂隙水。根據(jù)水文地質(zhì)特征的不同，虞城縣熱儲層自上而下主要分為3個(gè)：新近系館陶組熱儲層（因明化鎮(zhèn)組在本區(qū)埋藏相對較淺，地溫較低，經(jīng)濟(jì)價(jià)值不大，本文不作重點(diǎn)論述）、古近系沙河街組3-4段熱儲層和寒武—奧陶系灰?guī)r熱儲層。

3.2.1 新近系館陶組熱儲層

館陶組頂板埋深795～1798 m，底板埋深1045～2713 m，沉積厚度250～915 m。巖性為淺棕紅、淺灰色粉砂巖、砂巖及雜色含礫砂巖。

粉砂巖、砂巖為泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)地較為疏松，具備良好的儲熱空隙，井口水溫30～41℃。水質(zhì)pH值7.0～8.7，呈弱堿性，是虞城縣重要的熱儲層，目前商丘市及周邊地?zé)衢_采的目標(biāo)層。

3.2.2 古近系沙河街組3-4段熱儲層

沙河街組3-4段頂板埋深1967～5045 m，底板埋深2090～5522 m，沉積厚度約123～477 m，巖性主要為深灰、灰褐色黏土巖夾淺灰、灰白色細(xì)砂巖及鈣質(zhì)砂巖。

細(xì)砂巖為泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)地較為疏松，具備良好的儲熱空隙，井深2000 m時(shí)，井口水溫48～62℃，水質(zhì)pH值在7.0～8.8之間，呈弱堿性。

3.2.3 基巖熱儲層

位于深部寒武—奧陶系碳酸鹽巖中，頂板埋深3122～7652 m，底板埋深3753～9189 m，沉積厚度646～1427 m，巖性主要為灰黃、灰白色白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和灰色、深灰、灰黑色石灰?guī)r、泥晶灰?guī)r。井深4500 m時(shí)，井口水溫可達(dá)65～120℃。水質(zhì)pH值7.0～8.8，呈弱堿性，水化學(xué)類型SO4·HCO3～Na·Ca型，礦化度小于1.0 g·L-1（蘇媛媛，2017）。熱儲在構(gòu)造帶附近及溶蝕孔洞、裂隙較發(fā)育部位地?zé)崃黧w井產(chǎn)量較大，富水性較好（閆晉龍等，2020）。

本區(qū)熱儲層平均溫度梯度為2.6℃·（100 m）-1，大氣降水及地表水以及一定程度的滲透是本地區(qū)地?zé)崴闹饕a(bǔ)給來源。

依據(jù)地溫梯度的計(jì)算公式：

式中，G代表地溫梯度，單位為℃·（100 m）-1，分別取值2.2和3.0；t代表井深H處的溫度，單位為℃，為計(jì)算目標(biāo)值；t0代表地面溫度或者恒溫帶溫度，單位為℃，按上述分析取16.5℃；H代表井下測溫點(diǎn)與恒溫帶的深度差，單位為m，分別取值973、1973和4473；研究區(qū)的取水溫度損耗，考慮地溫梯度、水在井筒中的流動(dòng)速度及地下巖土體的熱導(dǎo)率等因素，按0.5℃·（100 m）-1取值，由此計(jì)算得到研究區(qū)3個(gè)熱儲層的地層溫度及井口出水溫度：1）新近系館陶組熱儲層井深1000 m時(shí)溫度為38～46℃，井口出水溫度為33～41℃；2）古近系沙河街組3-4段熱儲層井深2000 m時(shí)溫度為60～76℃，井口出水溫度為50～66℃；3）寒武—奧陶系基巖熱儲層井深4500 m時(shí)溫度為115～151℃，井口出水溫度為92～128℃。

3.3 潛力分析

1）虞城縣位于焦作-商丘深斷裂以北，聊城-蘭考深斷裂以東，新近系館陶組熱儲層最具開發(fā)價(jià)值。該熱儲層水量較大，埋藏不深，開采方便；但其水溫不夠高，井口水溫33～41℃，相對于洗浴休閑、養(yǎng)生保健等用途來說，水溫偏低。

2）古近系沙河街組3-4段熱儲層具有良好的儲熱空隙。其水溫較高，井口水溫50～66℃，滿足洗浴休閑、養(yǎng)生保健的用途；然而，熱儲層巖性主要為黏土巖、砂巖，水量難以準(zhǔn)確預(yù)測。

3）寒武—奧陶系熱儲層熱儲溶隙發(fā)育程度隨深度增加逐漸減弱，其水溫、水質(zhì)和水量隨構(gòu)造位置不同而有較大差異。該熱儲層埋藏深，厚度大，儲熱性能強(qiáng)，井口水溫可達(dá)92～128℃；由于其埋藏深，施工難度很大，開采成本過高，開發(fā)利用前景有待進(jìn)一步探討。

通過地質(zhì)資料分析，本區(qū)按照DZ 40—4985《地?zé)豳Y源評價(jià)方法》分類屬于中低溫地?zé)豳Y源，熱儲形狀為層狀兼具帶狀，分布較廣。

綜上所述，本區(qū)古近系及新近系熱儲層具有較好的地?zé)豳Y源利用前景，寒武—奧陶系熱儲層開發(fā)利用前景尚不明確。

4 結(jié)論

1）通過分析虞城縣及周邊煤田鉆孔和地?zé)峋Y料，確定虞城縣恒溫帶溫度為16.5℃，恒溫帶深度為27 m，進(jìn)而計(jì)算虞城縣中深部地?zé)豳Y源不同熱儲層的地層溫度及井口出水溫度，為虞城縣未來地?zé)豳Y源的開發(fā)利用奠定了理論上的基礎(chǔ)。

2）通過計(jì)算及分析得出：虞城地區(qū)新近系館陶組熱儲層最具開發(fā)價(jià)值，其出水量較大，埋藏不深，開采方便，但井口出水水溫偏低，不能滿足用途預(yù)期；古近系沙河街組3-4段熱儲層具有良好的儲熱空隙，其水溫較高，可以滿足一定的用途預(yù)期。寒武—奧陶系基巖熱儲層水溫、水質(zhì)和水量隨構(gòu)造位置不同而有較大差異，該層埋藏深，厚度大，儲熱性能強(qiáng)，但由于埋藏深，施工難度大，開采成本過高，開發(fā)利用前景有待進(jìn)一步探討。

3）建議進(jìn)一步采用大地電磁測深法（AMT/MT），確定目標(biāo)靶區(qū)第四紀(jì)覆蓋層厚度，探測地?zé)崴穆癫厣疃?，確定含水層厚度，以指導(dǎo)實(shí)際的地?zé)峋┕?。同時(shí)充分考慮深部地質(zhì)情況的復(fù)雜性及熱儲層分布的不穩(wěn)定性，做好項(xiàng)目規(guī)劃、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)和環(huán)境保護(hù)措施，真正達(dá)到節(jié)能、高效、綠色開發(fā)的目的。