河南新商斷裂對地?zé)豳Y源形成的控制作用及資源潛力分析

張維，閆晉龍，馬暢，孫健，張寧

（1.河南省地礦局測繪地理信息院，河南 鄭州 450006；2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016）

0 引言

黃河流域（河南）生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展、中原城市群、鄭州大都市區(qū)和國家中心城市建設(shè)等都面臨日益凸顯的生態(tài)文明建設(shè)和清潔能源匱乏矛盾，要擺脫傳統(tǒng)高污染、高能耗、高排放的粗放式發(fā)展，轉(zhuǎn)換為環(huán)保、低碳的綠色發(fā)展模式（周倩倩，2013；曾鵬，2017；馬曉東，2020），必須構(gòu)建河南綠色低碳型能源體系。地?zé)嶙鳛榍鍧嵞茉丛诎l(fā)電、供暖、洗浴、生態(tài)種養(yǎng)殖等方面直接利用，又可以在治理霧霾、節(jié)能減排等方面起到巨大的作用，為大氣污染防治提供替代能源，對促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

河南中東部平原熱儲埋藏深度適中、保溫性能好、水量大、厚度穩(wěn)定，未來在地?zé)衢_發(fā)綜合利用中潛力巨大。但各地?zé)崽锼疁厮坎顒e較大，2000 m以淺最大水量可達(dá)100 m3/h，最小僅10～20 m3/h，水溫最高可達(dá)89℃，低的竟不足40℃，開發(fā)利用前景各不相同。以往研究表明，地?zé)豳Y源受區(qū)域性大斷裂構(gòu)造的控制較為明顯，因此查明深大斷裂的構(gòu)造特征，探討新商斷裂對地?zé)崽锏目刂谱饔?，可以為地?zé)岚袇^(qū)優(yōu)選和區(qū)域性連片開發(fā)地?zé)崮芴峁┹^為可靠的理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于華北平原地層分區(qū)，其地層具有明顯的基底和蓋層二元結(jié)構(gòu)，為典型的臺型沉積（張海嬌，2019）。基底由太古宇—中元古界變質(zhì)巖類構(gòu)成，蓋層由古生界—新生界組成（韓冀春等，2018）。古生界包括下古生界寒武系—中奧陶統(tǒng)，以及上古生界中石炭統(tǒng)—二疊系，本區(qū)缺失上奧陶統(tǒng)—下石炭系。中生界三疊系在大部分地區(qū)缺失，侏羅系—白堊系主要分布在東部的黃口凹陷內(nèi)（魏延平，2012）。新生界古近系多分布于開封凹陷內(nèi)，通許凸起多缺失，新近系巖相及厚度較為穩(wěn)定。地表廣為第四系覆蓋，其余地層均為隱伏地層或零星出露。

2 新商斷裂構(gòu)造特征

2.1 構(gòu)造地質(zhì)

新鄉(xiāng)-商丘深斷裂帶展布在新鄉(xiāng)、封丘、蘭考、商丘一帶，省內(nèi)長約240 km，該斷裂隱伏于第四系之下，總體為一北西西向斷裂，與濟(jì)源-新鄉(xiāng)斷裂一起構(gòu)成濟(jì)源—開封凹陷北界（朱嘉偉，2006；潘澄雨，2013）（圖1）。斷面大部分向南陡傾，局部向北陡傾，南盤下降，北盤上升，斷距1000～2000 m，最大可達(dá)6000 m。斷裂帶控制南北兩側(cè)中新生代沉積。斷裂帶及其附近不同地段發(fā)育有不同時(shí)期的巖漿巖，據(jù)鉆孔資料，封丘—蘭考一帶分布有喜馬拉雅期的玄武巖、安山巖及酸性火山巖，東部芒碭山一帶則發(fā)育有燕山期花崗閃長巖、輝長巖等。同時(shí)，新鄉(xiāng)—商丘斷裂帶是本省中朝準(zhǔn)地臺區(qū)2 種不同方向構(gòu)造線的分界線，北側(cè)以北北東向或近南北向?yàn)橹?；南?cè)以近東西或北西西向構(gòu)造為主。綜上，新鄉(xiāng)-商丘深斷裂帶可能在晉寧期以前已經(jīng)存在，燕山期—喜馬拉雅中期活動強(qiáng)烈，且近代仍在活動。斷裂帶切割莫霍面，屬長期活動的殼斷裂（張建斌和李蓮花，2004；高亮，2013）。該深斷裂帶形成較早，活動時(shí)期長，對中元古代以來中朝準(zhǔn)地臺南緣地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展演化具有一定控制作用。

圖1 華北盆地南部基底構(gòu)造略圖

2.2 地球物理

豫東通許凸起（睢縣-商丘段）深部地?zé)豳Y源調(diào)查項(xiàng)目為更精確地控制新鄉(xiāng)-商丘斷裂，精準(zhǔn)確定勘探井的有利位置，在大地電磁測深的基礎(chǔ)上，布設(shè)了1 條長度4 km，點(diǎn)距50 m 的可控源音頻大地電磁測深測線。通過可控源音頻大地電磁測深KL1線二維反演電阻率剖面等值線圖（圖2）在52 號點(diǎn)兩側(cè)明顯存在電性差異，表明該斷裂為高角度正斷層?？煽卦匆纛l大地電磁測深一維電阻率反演顯示，新鄉(xiāng)-商丘斷裂以南，整體可分為3 個電性層，第一電性層整體電阻率小于40 Ω·m，對應(yīng)地層為新生界第四系和新近系，厚約850 m（任鴻飛等，2019）；第二電性層視電阻率在40～100 Ω·m 之間，對應(yīng)地層為奧陶-寒武系，厚約800 m，第三電性層視電阻率大于100 Ω·m，對應(yīng)地層為太古界，頂板埋深約1650 m。綜合分析可知，新鄉(xiāng)-商丘斷裂走向NW、傾向NE，傾角上陡下緩，上部可達(dá)80°左右，下部60°左右，為一張性斷裂。

2.3 地?zé)岙惓?/h3>

新商斷裂為區(qū)域性深大斷裂，構(gòu)造帶及其附近具有明顯的地?zé)岙惓！Ｐ锣l(xiāng)醫(yī)學(xué)院1#深1350 m，水溫高達(dá)73℃，地溫梯度最高可達(dá)4.824℃/100 m；延津縣城北延電1#，取水段埋深915.4～1032.5 m，水溫50.5℃，地溫梯度達(dá)3.681℃/100 m（王小青等，2017）；蘭考縣東壩頭地?zé)峋?200 m，水溫高達(dá)76℃，水量可達(dá)120 m3/h（表1）。區(qū)域性深大斷裂不僅在地?zé)豳Y源形成過程中其主控作用，同時(shí)也往往形成熱礦水的帶狀熱儲。地質(zhì)構(gòu)造不僅是地?zé)豳Y源中水源和熱儲層的間接創(chuàng)造者，構(gòu)造斷裂亦為水源與熱源的流通提供了有利通道（段啟杉等，2015；王永波等，2016；郭宇明等，2017）。

圖2 新商斷裂二維反演電阻率剖面等值線圖（a）和地質(zhì)解譯圖（b）

表1 新商斷裂附近地?zé)崴Y源

3 新商斷裂對地?zé)豳Y源的控制作用

3.1 地?zé)崃黧w循環(huán)特征

據(jù)豫東通許凸起（睢縣-商丘段）深部地?zé)豳Y源調(diào)查項(xiàng)目同位素測深資料顯示，研究區(qū)地?zé)崃黧w的補(bǔ)給源是位于區(qū)外西部山區(qū)的大氣降水（齊玉峰等，2017）。降雨入滲后，沿構(gòu)造發(fā)育強(qiáng)烈的新商斷裂帶滲入到變質(zhì)巖深部，經(jīng)深部加熱后形成中高溫?zé)崴▓D3）。天然條件下，地?zé)崃黧w徑流較為緩慢，地?zé)崃黧w水頭高于或接近地表，至東部的商丘地區(qū)幾乎處于停滯狀態(tài)，據(jù)商丘SR-1 井水質(zhì)分析資料，深部巖溶熱儲溶解性總固體高達(dá)5468.83 mg/L，地?zé)崴鲃有院懿?。受開采影響，地?zé)崃黧w總體由西向東或由西北向東南微弱徑流。人工開采為地?zé)崴闹饕判狗绞?。在新鄉(xiāng)洪門、封丘縣、蘭考縣等新商斷裂構(gòu)造影響區(qū)地?zé)峋鏊疁囟茸罡呖蛇_(dá)88℃，出水量120 m3/h。

圖3 地?zé)崴梢蚰Ｊ绞疽鈭D

3.2 地?zé)崴梢驒C(jī)理

地下熱水特征和演化機(jī)制的研究不僅對于熱水資源的合理利用與開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義，而且可以為日后的地?zé)豳Y源勘查評價(jià)提供重要信息（王奎峰等，2014）。新商斷裂對研究區(qū)對地?zé)嵝纬善鹬P(guān)鍵性控制作用。深大斷裂不僅是地?zé)豳Y源中水源和熱儲層的間接創(chuàng)造者，構(gòu)造斷裂亦為水源與熱源的流通提供了有利通道。新商斷裂幾經(jīng)多期構(gòu)造活動且新構(gòu)造活動仍然頻繁強(qiáng)烈，為地?zé)崴男纬商峁┝顺渥愕臒崮?，同時(shí)斷裂帶裂隙發(fā)育，巖石破碎又為地下水儲存提供了場所（梅惠呈，2016）。研究區(qū)地?zé)崴男纬?，是大氣降水沿著斷裂滲入地下深處加熱后，由于水溫升高發(fā)生膨脹，比重減輕，產(chǎn)生熱對流，沿一定構(gòu)造部位向上運(yùn)移，冷水自上而下不斷補(bǔ)充，如此反復(fù)循環(huán)。地?zé)崴鲋杆暂^好的巖層，隔水條件亦好的部位而儲存下來形成隱伏的地下熱水（圖3）。

4 新商斷裂帶地?zé)豳Y源潛力分析

新商斷裂帶地跨湯陰斷陷、開封凹陷和通許凸起3 個地?zé)釂卧?，地?zé)犷愋蜑槌练e盆地傳導(dǎo)型，熱儲以新近系孔隙型和新近系孔隙型+寒武系巖溶裂隙型為主，構(gòu)造帶及其附近地?zé)峋疁厮烤黠@高于其他地區(qū)。以2018 年開展的豫東通許凸起（睢縣-商丘段）深部地?zé)豳Y源調(diào)查項(xiàng)目為例，對斷裂帶地?zé)豳Y源潛力分析如下：該區(qū)北部邊界為新商斷裂，估算新商斷裂及其影響帶寬度5 km，西至民權(quán)-睢縣，東到工作區(qū)邊界，估算面積約93.63 km2。分布有新近系孔隙型和寒武系巖溶裂隙型兩層熱儲：新近系熱儲有效厚度52～282 m，平均溫度32℃，最大36℃；寒武系熱儲，有效厚度550～581 m，熱儲溫度51.5℃（據(jù)SR-1 地?zé)峋?。采用熱儲法?jì)算本區(qū)地?zé)峥刹少Y源量約140.37×104m3/a，地?zé)崃黧w含熱能量71.94×1012J/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2454.6 t/a，可減少CO2排放5856.8 t/a，經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益明顯，地?zé)豳Y源潛力巨大。

5 結(jié)論

新商斷裂為區(qū)域活動性深大斷裂，控制著研究區(qū)的地?zé)嵝纬珊瓦\(yùn)移。該斷裂具有多期次活動特征，且切割較深，構(gòu)造斷裂發(fā)育（仲佳鑫等，2012），為水源與熱源的流通提供了有利通道，為深部地下熱能的傳導(dǎo)創(chuàng)造了有利條件。西部山區(qū)的大氣降水沿著斷裂滲入地下深處加熱形成熱水，同時(shí)斷裂帶裂隙發(fā)育，巖石破碎又為地下水儲存提供了場所，形成中高溫?zé)醿樱ㄖ熘械篮驼缌?xí)春，1999；杜麗等，2019），蘊(yùn)含豐富的地?zé)豳Y源。建議進(jìn)一步提高新商斷裂帶及其影響帶的勘查程度，摸清資源家底，為區(qū)域性連片開發(fā)地?zé)崮芴峁┹^為可靠的理論依據(jù)。