周口凹陷區(qū)地溫場(chǎng)特征及影響因素分析

楊義棟，劉彥兵，趙 盼，李芳芳

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.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 451464)

地殼板塊邊沿、深大斷裂及火山分布帶等是明顯的地?zé)岙惓^(qū)，而地?zé)岙惓^(qū)是開發(fā)地?zé)豳Y源的主要對(duì)象[1]。周口凹陷區(qū)地處河南省東南部，新生界沉積厚度一般為1 500～4 000 m，地?zé)豳Y源儲(chǔ)量豐富。以往涉及該區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)工作，多以定性分析為主，缺乏系統(tǒng)研究，地溫場(chǎng)空間變化規(guī)律、深部熱儲(chǔ)條件不甚清楚，制約區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用。本文借助于周口凹陷區(qū)(周口段)地?zé)豳Y源勘查項(xiàng)目，收集69口地?zé)峋Y料，對(duì)地溫場(chǎng)進(jìn)行綜合分析，探討周口凹陷區(qū)地溫場(chǎng)的控制因素，為該區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)特征

周口凹陷區(qū)北靠通許凸起，南臨平輿凸起，西鄰嵩萁臺(tái)隆，向東延伸至安徽境內(nèi)，其間多凹凸相間，總體是呈近東西向展布的凹-凸-凹的復(fù)雜凹陷帶[2]；周口凹陷區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，構(gòu)造線方向北部主要為北東向，南部主要為北西西向。斷裂發(fā)育方向與主構(gòu)造線方向一致，除北東向及北西西向斷裂外，還有近南北向和北西向斷裂發(fā)育，見圖1。全區(qū)被巨厚的新生界地層覆蓋，除缺失志留系、泥盆系外，其余地層發(fā)育較齊全。

圖1 區(qū)域構(gòu)造略圖

2 恒溫帶深度及溫度的確定

恒溫帶的溫度和深度依據(jù)淺層地下水垂向水溫測(cè)量數(shù)據(jù)分析擬定。 測(cè)溫分冬、夏兩季，共測(cè)量井點(diǎn)45處、測(cè)溫535點(diǎn)次，最大測(cè)量深度為46 m，垂向溫度測(cè)量間距1～2 m。 利用部分典型測(cè)溫井點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制的淺層水溫-深度關(guān)系圖，見圖2。 恒溫帶深度范圍為20～23 m，恒溫帶深度取22 m，恒溫帶溫度取16.2 ℃。

圖2 淺層水溫-深度關(guān)系圖

3 地溫梯度的確定及分布特征

3.1 地溫梯度計(jì)算

不同地區(qū)地溫梯度不同，地溫梯度主要和控?zé)針?gòu)造、熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、巖漿活動(dòng)及地?zé)岬刭|(zhì)環(huán)境相關(guān)。依據(jù)69個(gè)地?zé)峋{(diào)查資料，計(jì)算的地溫梯度及不同埋深的溫度結(jié)果，見表1。

表1 地溫梯度及不同埋深的溫度計(jì)算結(jié)果

續(xù)表1

3.2 地溫梯度分布規(guī)律

由圖3可知，區(qū)內(nèi)地溫梯度變化范圍為3.13～3.81 ℃/100 m，不同區(qū)域存在一定差異，總體具有北東部、西南部較低，而中部較高的分布特征；從構(gòu)造單元上分析，具有鄲城凸起區(qū)較高，鹿邑、沈丘凹陷區(qū)較低的分布規(guī)律。 中部的魯臺(tái)鎮(zhèn)，屬鄲城凸起區(qū)，地溫梯度3.81 ℃/100 m為中心，北西部的周口市區(qū)、北部的淮陽縣城附近、南東部的沈丘縣付井鎮(zhèn)，所轄南東向、北西向?qū)挆l狀范圍內(nèi)，地溫梯度3.48～3.51 ℃/100 m，中西部的項(xiàng)城市及東北角的鹿邑縣馬鋪鎮(zhèn)地溫梯度為2.84～3.10 ℃/100 m。區(qū)內(nèi)地溫梯度分布規(guī)律與區(qū)域基地構(gòu)造相一致，主要與區(qū)域地球物理場(chǎng)的差異、基底起伏、斷裂構(gòu)造及基巖裂隙的發(fā)育程度有關(guān)。

圖3 地溫梯度等值線圖

由圖4可知，500 m以淺深度段，地溫梯度隨深度的加深而增大；500 m以深地溫梯度略有隨地層深度的加深而略有變小的趨勢(shì)。300～500 m深度范圍，地溫梯度值一般多在3.41～3.65 ℃/100 m之間；500～800 m深度范圍，地溫梯度一般為3.39～3.62 ℃/100 m之間；800～1 400 m范圍，平均多為3.58 ℃/100 m。地溫梯度值隨深度增深而略變低的規(guī)律，究其原因主要是由于埋深的增大,下部地層在上覆地層的重力作用下，逐漸壓密，孔隙、裂隙率變低，熱滲透率變強(qiáng)，熱傳遞變好的緣故。據(jù)路晴晴等[3]研究，地溫梯度垂向上隨深度變化至一定深度，將接近定值，近似常數(shù)，這反映了在深處將會(huì)有一個(gè)地溫等值面，該面的深度取決于深部地質(zhì)構(gòu)造及其活動(dòng)性。

圖4 地溫梯度-深度關(guān)系圖

4 地溫分布規(guī)律

4.1 大地?zé)崃鞣植?/h3>

地表熱流值用傅里葉公式估算，見式(1)。

(1)

式中：Q為大地?zé)崃髁?，mW/m2；λ為測(cè)溫井段圍巖中巖層的熱導(dǎo)率，W/m·K；dT/dH為地溫梯度，℃/100 m。

根據(jù)表2和式(1)計(jì)算地表熱流值，結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)的大地?zé)崃髦禐?3.681 1～64.588 4 mW/m2，淮陽縣高中最低，魯臺(tái)鎮(zhèn)最高，全區(qū)平均值55.724 0 mW/m2，低于華北盆地大地?zé)崃髌骄?58.6 mW/m2)。總體分布情況：自沈丘-項(xiàng)城-商水，呈東南-西北向大地?zé)崃髦涤傻妥兏?，由?xiàng)城市區(qū)到魯臺(tái)鎮(zhèn)，大地?zé)崃髦涤?1.6 mW/m2升高到64.59 mW/m2；淮陽魯臺(tái)鎮(zhèn)的64.59 mW/m2至淮陽縣城-鹿邑縣城一線，降低為52 mW/m2左右。從構(gòu)造單元上分析，鄲城凸起區(qū)較高，為57～64.59 mW/m2；鹿邑、沈丘凹陷較低，為52～57 mW/m2，大地?zé)崃髦蹬c地溫梯度分布規(guī)律相一致[4]。

表2 典型地段巖層熱導(dǎo)率

4.2 地溫分布規(guī)律

同一深度500 m、1 000 m及1 500 m埋深，地溫平面分布有一定差異，見表1。500 m埋深地溫大于33 ℃的高溫區(qū)、1 000 m埋深地溫大于50 ℃的高溫區(qū)及1 500 m埋深地溫大于68 ℃的高溫區(qū)，主要分布在鄲城凸起區(qū)的魯臺(tái)鎮(zhèn)往東一帶，對(duì)應(yīng)的大地?zé)崃髦狄草^高；低溫區(qū)主要分布在西南部沈丘凹陷及北東部的鹿邑凹陷區(qū)。

根據(jù)地?zé)峋跍囟日{(diào)查，300～500 m深度地溫一般為25～31 ℃；500～800 m深度地溫一般為30～40 ℃；800～1 100 m地溫一般為41～50 ℃；1 100～1 400 m地溫一般為51～62 ℃；根據(jù)不同深度熱儲(chǔ)溫度計(jì)算500 m、1 000 m、1 500 m及2 000 m埋深地溫分別為28.87～35.03 ℃、42.12～54.73 ℃、57.14～74.43 ℃及68.62～94.13 ℃。25 ℃的埋深小于280 m、40 ℃的埋深小于720 m及60 ℃埋深小于1 100 m的淺埋區(qū)主要分布在淮陽縣魯臺(tái)鎮(zhèn)及其以東一帶的鄲城凸起區(qū)；埋深較大區(qū)主要分布在南西部的沈丘凹陷及東北部的鹿邑凹陷區(qū)。

5 地溫異常分析

5.1 地溫異常分布

根據(jù)區(qū)內(nèi)地溫梯度分布，本次確定大于3.5 ℃/100 m者為異常。區(qū)內(nèi)地溫異常區(qū)主要分布在鄲城凸起的周口-項(xiàng)城-鄲城一線帶狀，淮陽和沈丘縣城一帶，見圖5。

圖5 地溫異常分布圖

1) 鄲城凸起地溫異常區(qū)。本區(qū)西起周口市區(qū)南部往東經(jīng)商水黃寨-項(xiàng)城北部-淮陽魯臺(tái)鎮(zhèn)南部-鄲城石槽-丁村一帶，呈帶狀展布。據(jù)本次工作勘探井資料，井深2 000 m，水溫63～64 ℃，地溫梯度3.53 ℃/100 m；往東到淮陽縣魯臺(tái)鎮(zhèn)地?zé)峋? 186.3 m，水溫57 ℃，地溫梯度3.81 ℃/100 m；鄲城城區(qū)地?zé)峋? 212 m，水溫58 ℃，地溫梯度3.73 ℃/100 m。

2) 淮陽縣城地?zé)岙惓^(qū)。淮陽城區(qū)西南部的淮陽高中新校區(qū)井深550 m，水溫31 ℃，地溫梯度3.94 ℃/100 m，西北部的自來水公司井深520 m，水溫31 ℃，地溫梯度3.92 ℃/100 m，淮陽城區(qū)分布省地?zé)峋?0眼，地溫梯度平均為3.52 ℃/100 m。

3) 沈丘縣城地?zé)岙惓^(qū)。 沈丘城區(qū)第一高中井深508.5 m，水溫32.5 ℃，地溫梯度3.57 ℃/100 m；沈丘縣委新址地?zé)峋? 098.6 m，水溫52 ℃，地溫梯度3.62 ℃/100 m；沈丘縣城關(guān)鎮(zhèn)分布地?zé)峋?眼，地溫梯度平均3.55 ℃/100 m。

5.2 地溫場(chǎng)異常影響因素

5.2.1 地溫異常成因分析

1) 基底褶皺構(gòu)造影響。由圖3和4.2部分可知，地溫梯度、不同埋深的熱儲(chǔ)溫度及不同等溫面的埋深規(guī)律與基底起伏一致。周口凹陷區(qū)基底凹凸相間，基底褶皺構(gòu)造直接影響深部的熱量的傳導(dǎo)、積累和散失。地?zé)岙惓５泥惓峭蛊饏^(qū)，由于太古界、古生界的基巖埋藏淺、地球深部熱源向上傳導(dǎo)性能強(qiáng)，形成淺部地溫異常。

2) 斷裂構(gòu)造的影響。斷裂破碎影響帶較寬，受斷裂影響基底構(gòu)造較為發(fā)育，斷裂向下深切，溝通深部熱源并成為熱流載體的通道，使深部地下熱水沿?cái)嗔蚜严断蛏线\(yùn)移，使熱流體匯集于上部新生界地層，成為地?zé)岙惓^(qū)。如圖5中淮陽縣城地?zé)岙惓^(qū)、沈丘縣城地?zé)岙惓^(qū)均位于斷裂交匯處；鄲城凸起區(qū)的淮陽魯臺(tái)鎮(zhèn)也位于項(xiàng)城斷裂(F7)及分支魯臺(tái)斷裂交匯處。

5.2.2 地溫場(chǎng)形成影響因素分析

1) 區(qū)域構(gòu)造影響。區(qū)內(nèi)中部鄲城凸起區(qū)新生界埋藏深度一般為1 500～2 000 m，南北部及西部新生界埋藏深度達(dá)2 000～7 000 m；凸起區(qū)基巖埋藏較淺，巖層結(jié)晶程度高，相同巖層的熱導(dǎo)率高于凹陷區(qū)，利于熱流傳導(dǎo)和富集，一般可形成較高的地溫梯度值。 新生界熱儲(chǔ)層直接覆蓋于古生界之上，保溫條件較好，形成大地?zé)崃髦?56.55～64.59 mW/m2)及地溫梯度值(3.51～3.81 ℃/100 m)，均高于南北凹陷區(qū)。

2) 斷裂構(gòu)造影響。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造多為多期活動(dòng)性斷裂，對(duì)地溫場(chǎng)形成和分布具有一定的影響，主干斷裂及斷裂密集交匯處地溫梯度較大。區(qū)內(nèi)漯河-沈丘斷裂及周口-鹿邑?cái)嗔?，均為張性正斷層，向上切割至古近系，斷距較大，使斷裂兩側(cè)形成不同的構(gòu)造單元，在斷裂裂隙發(fā)育段內(nèi)，會(huì)形成地下熱流沿?cái)嗔蚜严缎纬傻耐ǖ老蛏线\(yùn)移，至上部地層中聚集、擴(kuò)散、影響斷裂帶范圍內(nèi)局部地溫場(chǎng)。

5.2.3 巖層性質(zhì)影響

由圖5可知，在500 m以淺的地溫梯度明顯偏高，淺部低熱導(dǎo)率的覆蓋層阻礙了熱的傳導(dǎo)與散失，起到增溫保溫作用，從而出現(xiàn)了較高的地溫梯度值。地溫梯度隨深度增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著深度的增加，巖層逐漸壓密，熱傳導(dǎo)性能變好(熱導(dǎo)率增大)，在熱流值一定的情況下，地溫梯度逐漸變小[5]。

5.2.4 地?zé)崃黧w活動(dòng)影響

區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w經(jīng)漫長的地質(zhì)時(shí)代保存下來，水巖溫度已達(dá)到平衡，水溫即為巖溫。地?zé)崃黧w為熱能的良好載體，富集增加，可動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱，增加地?zé)豳Y源儲(chǔ)量；在水源補(bǔ)給充沛、地下水徑流較強(qiáng)烈地區(qū)，補(bǔ)給的地下水溫較低，如沒有充分的加熱過程，徑流時(shí)不斷補(bǔ)充的新冷水吸收圍巖的熱能，帶走巖體的熱能，可降低地溫起冷卻降溫作用。

6 結(jié) 論

1) 周口凹陷區(qū)地溫梯度變化在2.77～3.94 ℃/100 m之間，平均地溫梯度為3.36 ℃/100 m，總體具有北東部、西南部較低，中部較高的分布規(guī)律。大地?zé)崃髅芏仍?3.681 1～64.588 4 mW/m2之間,平均大地?zé)崃髅芏葹?5.724 0 mW/m2，表明周口凹陷區(qū)是一個(gè)中溫型地溫場(chǎng)。地溫梯度和大地?zé)崃髅芏染咄蛊饏^(qū)較高、凹陷區(qū)較低的特點(diǎn)，大地?zé)崃髦蹬c地溫梯度分布規(guī)律相一致，造成差異的原因主要為巖性、基底構(gòu)造及局部斷裂構(gòu)造。

2) 周口凹陷區(qū)1 000 m深度地溫為42～55 ℃，1 500 m深度地溫為57.4～74.5 ℃。40 ℃等溫面埋深范圍為626.06～920.11 m，60 ℃等溫面埋深范圍為1 133.68～1 614.73 m。地溫異常區(qū)主要分布在鄲城凸起的周口-項(xiàng)城-鄲城一線，其次為淮陽和沈丘縣城一帶，主要影響因素為基底構(gòu)造及局部斷裂構(gòu)造，其次為地?zé)崃黧w活動(dòng)等。