0引言

地熱能作為綠色、安全、環保的可再生穩定能源,可供發電、采暖,是提取溴、碘、硼砂、鉀鹽、銨鹽等工業原料和天然肥水的資源,以及寶貴的醫療、飲用礦泉水與生活供水資源,在助力碳達峰、碳中和及促進經濟可持續發展等方面發揮著重要作用。

洛陽市地熱地質條件優越,淺層及中深層地熱資源豐富,具有開發地熱資源的天然優勢。研究區涉及洛陽市孟津區西部,以及新安縣、宜陽縣東部,面積為296.22 km2,以往未開展過系統的地熱調查、可行性勘查工作,地熱地質研究水平較低。本文以常袋斷裂帶為研究對象,通過1∶50 000水文地質調查(草測)、微動測量、大地電磁測深法測量、井水樣化驗等方法,系統分析研究區的地熱資源特征,論述常袋斷裂帶對研究區地熱資源的控水控熱作用,為研究區地熱資源開發利用提供參考。

1研究區地質背景

研究區大地構造位置處于華北地臺區的澠臨臺坳,黛眉—西沃隆褶斷區與洛陽凹陷帶的交接部位,西南鄰義馬凹陷帶。構造線以北西、近東西和北東向為主。常袋斷裂是黛眉—西沃隆褶斷區與洛陽凹陷帶的分界斷裂。區內及周邊的較大斷裂主要有北西向的龍潭溝斷裂,近東西向的麻屯—首陽山斷裂,北東向的常袋斷裂、孟津斷裂、宜陽—孟州斷裂等。常袋斷裂是一條走向北東、傾向南東的正斷層,傾角為66°~76°,落差在202~1 000 m,東北落差大,西南落差小,區內延伸約50 km。從東北的孟津縣焦枝鐵路黃河大橋附近,一直延伸至新安縣南部,被龍潭溝斷裂錯斷。常袋斷裂在孟津縣白鶴鎮西部的曙光村、王良村等地表有出露,西側為三疊系和尚溝組紅色砂泥巖,東側為新近系洛陽組灰~灰白色礫巖及砂泥巖。

2研究區地熱地質特征

2.1邊界條件

根據麻屯鎮銀溪湖西岸麻屯地熱井資料及其他煤勘水文資料,研究區奧陶系以上地層含水性較差, 不能成為地熱水有利儲層,奧陶系和寒武系巖溶含水層為研究區主要熱儲層位。而常袋斷裂以東奧陶系地層埋深推測為2 000~4 400 m,東部奧陶系以淺地層中有熱少水,不利于地熱開發,由此可見常袋斷裂為研究區地熱發育的東部邊界。

依據洛陽市既有地熱研究成果,洛陽市正常地溫梯度為1.3~2.5℃/100 m,即地溫梯度大于2.5℃/ 100 m為梯度異常區。從研究區地溫梯度圖上可看出,研究區地溫梯度呈現自西北向東南逐漸增大、 向常袋斷裂方向逐漸增大的趨勢,因此將梯度值 2.6℃/100 m等值線作為研究區地熱發育的西部及北部邊界。

現有資料認為,研究區南部龍潭溝斷裂為區域控熱導熱斷裂,根據研究區地溫梯度圖,發現地溫梯度值沿常袋斷裂走向往龍潭溝斷裂方向呈現遞增趨勢。因此,可將龍潭溝斷裂作為研究區地熱發育的南部邊界。

2.2熱儲結構

2.2.1控熱、導熱斷裂

龍潭溝斷裂和首陽山斷裂均為洛陽盆地區域性導熱控熱斷裂;而常袋斷裂在研究區內西南部與首陽山斷裂交匯,在研究區南部磁澗鎮一帶與龍潭溝斷裂交匯。研究區南部麻屯地熱井的深度為2 139.90 m, 終孔層位為古近系地層,西距常袋斷裂約800 m。測井資料顯示井深2 120 m對應溫度為74.24℃。全井地溫梯度平均值為3.42℃/100 m,最高值達6℃/100 m,地溫異常明顯。且通過本次對區內民用機井水溫的測量發現,區內機井水溫大部分高于17.5℃ (按高于年平均氣溫2℃為水溫異常計,即17.5℃為水溫異常界線值),溫度變化呈現東西低、中間高,北部低、南部高的特點。常袋斷裂附近水溫明顯高于其他地區的水溫。通過分析,發現研究區地熱異常均圍繞常袋斷裂發育,可見常袋斷裂為研究區主要控熱導熱斷裂。

2.2.2蓋層、儲層

燕山運動早期,北西向控熱斷裂生成后,洛陽盆地經后期多次差異升降,接受了巨厚的新生代沉積, 形成了天然的地熱保護層,使沿控熱斷裂破碎帶上涌的熱能受阻而不散失。分析既有調查資料,認為區內奧陶系以上地層含水性均差,為弱賦水性含水層, 僅寒武系—奧陶系灰巖為中等~強賦水性含水層。奧陶系含水層一般為淺部巖溶裂隙發育,富水性強,向深部變弱,富水性極不均勻,與寒武系巖溶裂隙含水層連續分布,二者往往存在很強的水力聯系。據本次物探成果分析,由于受常袋斷裂影響,控熱斷裂兩側巖性較為破碎,石炭系及以淺地層電阻率與圍巖相比差異較小,說明含水性較差;石炭系以下,在常袋斷裂附近出現明顯的低阻現象,富水性變好,其中最為典型的富水位置位于L2線點號1 400~1 900區域及L3線點號1 120~1 600區域,這些區域的奧陶系和寒武系地層呈相對低阻反應,說明其有較好的富水條件,為相對可靠的富水區域。因此,對于研究區而言,最可靠的熱儲層為奧陶系及寒武系灰巖巖溶裂隙含水層,其上覆二疊系、三疊系及新生界地層為蓋層。

2.3地溫場特征

(1)地溫梯度變化特征。常袋斷裂西側以往地質勘查47個鉆孔測溫資料以及麻屯地熱井測溫資料顯示,研究區地溫梯度介于2.37~3.50℃/100 m,新安縣東部及東南部附近最高,橫水鎮附近最低,地溫梯度變化呈現自西北向東南逐漸增加、向常袋斷裂方向增大的特征。

(2)機井水溫異常特征。本次共測得水溫數據 391個,其中河流水溫、提灌井水溫以及60 m以淺的民用機井水溫受季節、氣溫變化影響較大,不參與本次調查水溫數據分析。剩余有代表性的機井水溫數據 277個,水溫整體介于16.1~23.0℃。水溫介于16.1~ 17.0℃(不含)的機井有71眼,占總數的25.63%;水溫介于17.0~17.5℃(不含)的機井有117眼,占總數的42.24%;水溫在17.5℃以上的機井有89眼,占總數的32.13%。經分析,研究區內機井水溫整體呈現東西低、中間高,北部低、南部高的特點,常袋斷裂附近水溫要明顯高于其他地區。水溫異常機井主要集中分布在研究區中北部以及南部邊界處,分散于常袋斷裂兩側。

(3)深部地溫特征。對測溫資料進行分析,發現埋深1 200 m時的地溫與地溫梯度有相似特征。埋深1 200 m時的地溫介于41~54℃,新安縣城東部及東南部附近最高,橫水鎮附近最低,地溫變化呈現自西北向東南逐漸增加、向常袋斷裂方向增大的特征。

綜上,研究區存在一定的地溫高異常,可能由岸上—襄郟斷裂主導,常袋斷裂、麻屯—首陽山斷裂等深大斷裂發揮導通作用,從而形成上述地溫變化特征。

2.4水化學特征及水質評價

2.4.1水化學組分

根據Piper水化學類型三線圖(圖1)及舒卡列夫分類法對常袋斷裂地下水的水化學類型和水化學組分進行分析,發現其呈現規律性變化。

從Piper水化學類型三線圖看,水樣點集中分布在陽離子Ca2 + 、Mg2 + 端元、陰離子HCO3-、SO 4 2- 端元附近,表明碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物溶解是研究區的主要水巖作用,為HCO3-和SO 4 2- 離子的主要來源,并且碳酸鹽礦物溶解占主導地位。

結合舒卡列夫分類結果,可知研究區地下水為中性至弱堿性淡水,陰離子以HCO3-和SO 4 2- 為主,陽離子以Ca2 + 、Mg2 + 為主,Na+和K + 含量偏低。地下水的水化學類型以HCO3-Ca型、HCO 3 -Ca·Mg型為主,少部分水樣SO42 - 或Na+含量偏高,表現為HCO3·SO 4 -Ca、 HCO3·SO 4 -Ca·Mg或HCO3-Ca·Na·Mg型水。

2.4.2水質狀況分析

本次共化驗分析民用機井水樣18個。根據化驗結果,18個水樣水溫度介于16.4~23.0℃,平均值為 19.7℃;溶解性固體質量濃度介于290.2~801.5 mg/L, 平均值為446.44 mg/L,為淡水;pH介于7.2~8.35,平均值為7.76,呈中性或弱堿性。根據《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017),J330、J394、J155、J146、J126 機井水樣的偏硅酸質量濃度超過25 mg/L,達到飲用天然礦泉水標準,可定為偏硅酸型天然礦泉水。

3地熱流體化學特征

3.1地熱流體化學組分特征

地下水的某些特征組分及礦化度,可以作為尋找地下熱水的標志。分析研究區18個機井水樣水質全分析結果,水溫高于17.5℃的水樣水化學組分中,K+、Na + 、SO42 - 、SiO2、F-的區間值和平均值都偏高,說明地下熱水已經通過斷裂通道上涌至淺部, 地下熱水水化學組分已經影響到了淺層地下水的水化學組分。Na+/K + 比值介于8/1~20/1,一般指示為重要地熱田[4]。研究區水樣中Na/K比值變化范圍為7.76~30.94,其中J439和J330機井水樣的Na+/K + 比值分別為14.95和16.80,意味著研究區存在地熱水。

3.2熱儲溫度預測

地熱溫標類型眾多,常用的定量地球化學溫標有SiO2溫標(包括石英溫標、玉髓溫標)和陽離子溫標(包括Na-K溫標、K-Mg溫標等),各種溫標適用條件不同。

根據研究區的地熱地質特征,結合麻屯地熱井的深度、溫度、地溫梯度等數據,熱儲埋深較深處選用無蒸汽損失的石英溫標,熱儲埋深較淺處選用玉髓溫標計算熱儲基礎溫度。石英溫標計算如式(1)所示,玉髓溫標如式(2)所示。

式中:t———熱儲溫度,℃;CS iO2———SiO2質量濃度,mg/L。

經計算,深部熱儲溫度預計為49.55~85.64℃, 中部熱儲溫度預計為17.03~54.63℃。研究區地溫梯度處于2.37~3.5℃/100 m,設計成孔深度按2 000 m 計算,恒溫帶溫度按17.5℃計算,則設計孔底溫度為 63.48~85.4℃,平均溫度為77.64℃,與石英溫標計算結果相符。 4成因模式根據研究區特定的地質構造、地熱資源特征及地熱水的補給來源等方面,研究常袋斷裂帶地熱田的成因機制。研究區地熱田為常袋斷裂控制的斷裂深循環型地熱田,屬帶狀熱儲類型。常袋斷裂提供導水與導熱通道,來自地殼深部或上地幔的地熱流體沿斷層面上涌散逸,對沿途含水層加熱,形成地熱水;大氣降水及蓋層里的少量地下水沿斷裂向下運移,對奧陶系、寒武系巖溶含水層水量進行補給。依據研究區地熱特征建立以下概念模型:第四系、新近系、三疊系、二疊系以及石炭系地層合并為其蓋層; 奧陶系、寒武系上統巖溶含水層為主要熱儲層;底部寒武系中、下統以及上元古界震旦系上統為基底,常袋斷裂居中起導熱導水作用。

5結論

對常袋斷裂帶地熱資源特征及成因進行研究, 得出結論如下:①研究區為帶狀熱儲類型(斷裂深循環型)地熱,常袋斷裂為研究區控熱導熱斷裂,地下熱水沿斷裂通道從深部向地表運移,在蓋層上方形成地熱異常帶,奧陶系和寒武系灰巖巖溶含水層為主要熱儲層位,其上覆石炭系至第四系地層為蓋層; ②地溫梯度值及地溫均呈現自西北向東南逐漸增加、向常袋斷裂方向增大的特征;③水溫異常機井集中分布在研究區中北部以及南部邊界處,分散于常袋斷裂兩側;④地下水的水化學類型以HCO3-Ca型、 HCO3-Ca·Mg型為主;⑤研究區中部熱儲溫度計算采用玉髓溫標,預計為17.03~54.63℃,深層熱儲溫度計算采用石英溫標,預計為49.55~85.64℃,深部平均溫度推測為77.64℃。