魯山縣堿廠地?zé)崽锏責(zé)豳Y源特征及開發(fā)利用潛力研究

李秀麗

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

研究區(qū)位于魯山縣堿廠一帶，地?zé)豳Y源作為一種可再生新型能源,既是現(xiàn)實(shí)能源又是巨大的潛在綠色能源. 堿廠位于車村—下湯大斷裂控?zé)針?gòu)造單元內(nèi)，沿?cái)嗔褞г裼猩蠝?、中湯、溫湯、下湯、堿場(chǎng)溫泉出露，堿廠段蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)豳Y源。在豫西隆山地構(gòu)造地?zé)崽镉械湫托?，研究該地?zé)釁^(qū)的地?zé)豳Y源特征，對(duì)該地區(qū)地?zé)豳Y源勘查評(píng)價(jià)與開發(fā)有著積極的指導(dǎo)意義。

研究區(qū)位于河南省魯山縣瀼河鄉(xiāng)堿場(chǎng)村，西距下湯10.8 km，東距魯山縣城10 km，平頂山市40 km。中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)112°47′39″，北緯33°43′10″，面積0.25 km2，207國道從研究區(qū)西部地區(qū)通過， G311國道從研究區(qū)西側(cè)2 km處穿過，交通較為便利[1]。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)與秦嶺褶皺銜接部位，地層屬于華北地層區(qū)豫西分區(qū)澠池—確山小區(qū)和熊耳小區(qū)，由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，巖漿巖十分發(fā)育，因而區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不發(fā)育，斷裂構(gòu)造及韌性剪切帶成為區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造形式。

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)區(qū)域上經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，斷裂構(gòu)造發(fā)育，變形強(qiáng)烈，主體構(gòu)造線為北西西向或近東西向近東西向斷裂構(gòu)造規(guī)模大，切割深，是主要的斷裂構(gòu)造，也是區(qū)內(nèi)的主要控?zé)針?gòu)造。堿廠地?zé)崽锉边吔鐬檐嚧濉聹髷嗔选Ｄ线吔缰饕獮槎蓮R—溫湯廟斷裂帶和水磨莊—栗村斷裂帶。北西向及北東向斷裂構(gòu)造規(guī)模小，但密度大，是二級(jí)控?zé)帷?dǎo)熱、導(dǎo)水、儲(chǔ)水的構(gòu)造。

1.2 地層巖性及特征

研究區(qū)及周邊主要出露中元古界熊耳群(Pt2xn)灰綠色安山巖、安山玢巖，具斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，斑晶主要為長石，呈短柱狀，大小在3 mm左右，基質(zhì)具隱晶質(zhì)?；z結(jié)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。第四系(Q)，出露于研究區(qū)附近，為沙河一級(jí)階地。據(jù)鉆孔揭露，厚度12～17 m，巖性為粉質(zhì)粘土、粉土、砂卵礫石。研究區(qū)南部出露燕山晚期花崗巖，粗?；虬郀罱Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為長石、石英、黑云母[2]。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 地?zé)釁^(qū)邊界條件

堿廠地?zé)崽镂挥谲嚧濉聹顢嗔褞c南部的二郎廟—溫湯廟裂帶及水磨莊—栗村斷裂之間，不同方向、不同性質(zhì)的次級(jí)斷裂極其發(fā)育，它們與主干斷裂共同組成復(fù)雜的東西向斷裂帶。沿車村一下湯地?zé)釒ё晕飨驏|有上湯、中湯、溫湯、下湯、堿場(chǎng)溫泉出露，俗稱魯山五大溫泉。均出露于車村—下湯斷裂南側(cè)與之平行的次級(jí)斷裂與北東向斷裂的交匯部位，距車村—下湯斷裂820～3 000 m不等，上、中、下湯及堿場(chǎng)溫泉以10.5～10.8 km呈等間距出露。

2.2 熱儲(chǔ)特征及埋藏條件

堿場(chǎng)地?zé)崽镂挥谲嚧濉聹責(zé)釒У臇|段，北距車村—下湯斷裂1 400 m，南距水磨莊—栗村斷裂750 m。昭平臺(tái)水庫大壩南延伸至研究區(qū)的斷裂F1為地?zé)崽锏闹黧w控?zé)帷?dǎo)熱構(gòu)造，由堿場(chǎng)村南延伸至研究區(qū)的北東向斷層F2為導(dǎo)熱、導(dǎo)水構(gòu)造。在兩斷裂的交匯處原有溫泉出露，呈泉群形式產(chǎn)出，三處溫泉大體呈北東向展布，三泉總流量達(dá)4.62 m3/h(110.88 m3/d)，水溫達(dá)27℃～35℃。打井開發(fā)地?zé)豳Y源以后，隨著熱儲(chǔ)壓力的降低，泉群消失。目前經(jīng)常使用的熱1井，水溫50℃，涌水量95.8 m3/h, 地?zé)崃黧w屬于氟—硅復(fù)合型理療熱礦水。

2.2.1 地?zé)嵯到y(tǒng)成因類型

堿廠地?zé)崽镅芯繀^(qū)屬于對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)，也稱為斷裂深循環(huán)型地?zé)?。研究區(qū)地?zé)豳Y源受北西向F1斷裂和北東向F2斷裂的共同控制。根據(jù)物探資料分析，F(xiàn)1斷裂走向290°左右，傾向南；F2斷裂走向20°左右，傾向東。研究區(qū)控制深度200 m。兩條斷裂均顯示為寬約150 m的低阻帶，表明斷裂均為張性，破碎帶富含地下水。地?zé)岙惓^(qū)就是沿著兩條斷裂的破碎帶分布[3]。

2.2.2 熱儲(chǔ)類型

依據(jù)成因及性狀，熱儲(chǔ)分為帶狀熱儲(chǔ)和層狀熱儲(chǔ)。研究區(qū)熱儲(chǔ)屬于帶狀熱儲(chǔ)，以對(duì)流傳熱為主，沿F1、F2斷裂呈帶狀分布。熱儲(chǔ)層由熊耳群安山玢巖組成，地下熱水沿?cái)嗔哑扑閹н\(yùn)移上升，熱儲(chǔ)分布面積不大，屬斷裂帶裂隙承壓水。沿?cái)嗔逊较?，巖石的滲透性及富水性較好，形成所謂的“斷層含水帶”，遠(yuǎn)離斷裂帶，則滲透性及富水性較差，不含或含水微弱，可視為阻水邊界。依據(jù)物探資料，帶狀熱儲(chǔ)寬約150 m，分布在研究區(qū)以內(nèi)。

2.2.3 熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

研究區(qū)熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)比較簡單，蓋層為第四系，據(jù)鉆孔揭露，厚度12～17 m。熱儲(chǔ)由熊耳群安山玢巖組成，熱3井揭露厚度為293.1 m，未見底。多個(gè)層段巖石破碎，裂隙發(fā)育，富水及導(dǎo)水性能較好。熱1井破碎帶主要位于41～70 m。由于熱儲(chǔ)層無良好隔熱保溫蓋層，地下熱水沿?cái)嗔淹ǖ缽纳钐幭虻乇磉\(yùn)移，直接出露地表形成溫泉，或在其上方形成僅有薄層覆蓋的地?zé)岙惓^(qū)[4]。

2.3 地?zé)崃黧w流場(chǎng)特征及動(dòng)態(tài)

1997年，在研究區(qū)堿廠浴池西南角施工86.83 m的深井一眼(即目前使用的熱1井)，水溫為50℃。熱1井自成井以來，水溫一直保持在50℃，多年來水溫動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。打井開發(fā)地?zé)豳Y源以后，泉群消失，熱1井靜水位埋深從1997年的2.91 m降至2015年的10.55 m，平均每年下降0.42 m。表明隨著地?zé)豳Y源的持續(xù)利用，熱儲(chǔ)壓力在逐漸降低。伴隨著熱儲(chǔ)壓力的降低，地?zé)崃黧w中淺層水混入的比例有所增加，導(dǎo)致作為命名礦水的氟、偏硅酸含量總體上也略有下降，水化學(xué)類型也由SO4·HCO3-Na型轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4-Na型。但是，地?zé)崃黧w仍然保持著氟—硅復(fù)合型理療熱礦水這基本特征[5]。從以往的地?zé)崃黧w水質(zhì)資料，到本次工作取得的地?zé)崃黧w水質(zhì)分析結(jié)果，堿場(chǎng)地?zé)崃黧w從1980-2015年共取樣4次進(jìn)行水質(zhì)分析。主要水化學(xué)因子測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同時(shí)期地?zé)崃黧w主要組分特征一覽表 mg/L

圖1 研究區(qū)地?zé)崃黧w主要組分特征柱狀圖

對(duì)比四次地?zé)崃黧w化學(xué)分析資料，K+、Na+、Mg2+、Cl-、溶解性總固體含量無明顯的變化趨勢(shì)，波動(dòng)范圍也不大，基本穩(wěn)定。HCO3-含量總體上有逐漸增大的趨勢(shì)，SO42-含量有小幅下降的趨勢(shì)，水化學(xué)類型也由SO4·HCO3-Na型轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4-Na型。對(duì)比外檢樣的分析結(jié)果，同樣也顯示水化學(xué)類型轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4-Na型。同時(shí)，作為命名礦水的氟、偏硅酸含量總體上也略有下降(圖1)。地?zé)崃黧w化學(xué)組分這些細(xì)微的變化，表明隨著壓力的降低，淺層水混入的比例有所增加。

3 地?zé)豳Y源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)

3.1 地?zé)醿?chǔ)量計(jì)算

研究區(qū)堿廠地?zé)崽锏責(zé)醿?chǔ)量計(jì)算[5]，采用熱儲(chǔ)體積法，將熱儲(chǔ)的幾何形態(tài)概化為一個(gè)橢圓錐體，熱水主通道沿北西向斷裂(F1)呈橢圓分布，熱儲(chǔ)頂板面積與熱儲(chǔ)底板面積的比值取1/2，采用體積法計(jì)算熱儲(chǔ)中的地?zé)豳Y源量、儲(chǔ)存的熱水量以及熱水中儲(chǔ)存的熱量。上述計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 地?zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果一覽表

計(jì)算結(jié)果見表2，在500 m深度內(nèi)，地?zé)豳Y源量為3.52×1017J，儲(chǔ)存熱水量為3.40×108m3，熱水中儲(chǔ)存熱量為5.05×1016J。

在1 000 m深度內(nèi)，地?zé)豳Y源量為7.37×1017J，儲(chǔ)存熱水量7.10×108m3，熱水中儲(chǔ)存熱量為1.06×1017J。

3.2 地?zé)崃黧w可開采量計(jì)算

地?zé)豳Y源可開采量，應(yīng)在滿足經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行條件下，可以持續(xù)開發(fā)利用的合理的開采量。按照國內(nèi)外水荒時(shí)水位下降深度為50～60 m，設(shè)計(jì)水位降深值為≤35 m。設(shè)計(jì)開采年限為10 a。

依據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，流量95.8 m3/h，降深僅5.09 m，單位涌水量達(dá)18.82 m3/h·m?，F(xiàn)擬定開采量為100 m3/h(2 400 m3/d)，對(duì)應(yīng)的降深5.31 m，技術(shù)上合理可行。

現(xiàn)以直線隔水邊界附近的非穩(wěn)定井流公式預(yù)測(cè)開采10 a后的水位降深[6]。邊界另一側(cè)對(duì)稱的位置上有一虛井在工作，則總的降深為實(shí)井及虛井同時(shí)工作、各自所引起降深的疊加：

(1)

當(dāng)抽水時(shí)間足夠長，滿足u及u＇小于0.01時(shí)，其近似式為：

(2)

式中：Q為流量，取2 400 m3/d；t為開采時(shí)長，3 650 d(10a)；r為井半徑，取0.17 m；ρ為虛井到計(jì)算點(diǎn)的距離，取200 m；其它各項(xiàng)意義及取值同前。

經(jīng)計(jì)算，以2 400 m3/d的流量開采10 a，所引起的水位降深為34.17 m，在設(shè)計(jì)的允許范圍以內(nèi)。所以，地?zé)崃黧w可開采量確定為2 400 m3/d，即8.76×105m3/a，合理可行?，F(xiàn)實(shí)中，地?zé)崃黧w的開采量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一數(shù)值，其水量是有充分保證的。

3.3 地?zé)釁^(qū)產(chǎn)能

研究區(qū)地?zé)峋a(chǎn)能按下式計(jì)算：

Wt=4.186 8Q(t-t0)

(3)

式中：Wt為熱功率，kW；Q為地?zé)崃黧w可開采量，L/s；t為地?zé)崃黧w溫度，50℃；t0為當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁兀?4℃。

計(jì)算結(jié)果：地?zé)峋a(chǎn)能為4.12 MW。

3.4 年可利用熱能

研究區(qū)地?zé)岙a(chǎn)能每年可開采的熱能按下式計(jì)算：

QW=36 500Q·C·(tr-t0)

(4)

式中： QW為年可開采熱能J；Q為熱水可開采量2 400 m3/d。C為地?zé)崴葻崛?，?.186 8×106J/m3℃；tr為熱水溫度，50.0℃；t0為當(dāng)?shù)睾銣貛囟龋?4℃。

計(jì)算結(jié)果，每年可開采的熱能為1.30×1014J。

4 地?zé)豳Y源的開發(fā)利用與保護(hù)

4.1 地?zé)豳Y源開發(fā)利用方向與方式

研究區(qū)地?zé)崃黧w屬于氟—硅復(fù)合理療熱礦水，適合溫泉洗浴、醫(yī)學(xué)理療。不適宜作為飲用天然礦泉水、生活飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水和漁業(yè)用水。用于水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)做降溫除氟處理。目前，研究區(qū)有小型溫泉賓館一座，洗浴室4間，封閉式游泳館一座，敞開式越冬水泥池養(yǎng)魚池16個(gè)，敞開式夏季土池養(yǎng)魚池4個(gè)。開發(fā)利用方向主要為溫泉洗浴、理療、水產(chǎn)養(yǎng)殖。

4.2 地?zé)豳Y源保護(hù)措施

地?zé)豳Y源要在開發(fā)利用的過程中要注重保護(hù)，綜合利用，提高利用效率。結(jié)合研究區(qū)目前的開發(fā)利用狀況，提出以下保護(hù)措施：(1)限量開采，節(jié)約資源，地?zé)豳Y源補(bǔ)給周期長，是一種有限的可再生資源。雖然計(jì)算的地?zé)崃黧w可開采量較大，但是應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要合理開采，杜絕浪費(fèi)，防止水位快速下降。(2)開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地?zé)豳Y源開發(fā)利用進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括開采量、水位、水溫、水質(zhì)，及時(shí)匯總監(jiān)測(cè)資料，以便對(duì)熱儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行綜合研究[7]。(3)加強(qiáng)衛(wèi)生防護(hù)，為了保證地?zé)峋|(zhì)不受污染，使珍貴的地?zé)崴Y源能夠持續(xù)開發(fā)利用，應(yīng)在地?zé)峋車⑷?jí)防護(hù)區(qū)。

5 結(jié)語

(1)堿場(chǎng)地?zé)崽镂挥谲嚧濉聹責(zé)釒У臇|段，以車村—下湯深斷裂帶為北部邊界，以水磨莊—栗村斷裂帶為南部邊界。平行于車村—下湯斷裂的北西向斷裂F1為地?zé)崽锏闹黧w控?zé)帷?dǎo)熱構(gòu)造，而北東向斷裂F2為導(dǎo)熱、導(dǎo)水構(gòu)造。

(2)研究區(qū)地?zé)豳Y源屬于對(duì)流型(斷裂深循環(huán)型)地?zé)犷愋?。熱?chǔ)類型為帶狀熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)層由熊耳群安山玢巖組成，屬斷裂帶裂隙承壓水。熱儲(chǔ)蓋層為第四系，厚度12～17 m，無良好隔熱保溫性能，為溫泉的出露創(chuàng)造了有利條件。

(3)研究區(qū)地?zé)崃黧w溫度50℃，多年來動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。開發(fā)地?zé)豳Y源以后，熱儲(chǔ)壓力在緩慢下降，地?zé)崃黧w中作為命名礦水的氟、偏硅酸含量總體上也略有下降。冬春季節(jié)由于開采量加大，水位較夏季有所下降。

(4)研究區(qū)經(jīng)過計(jì)算在1 000 m深度內(nèi)，熱儲(chǔ)中地?zé)豳Y源量7.37×1017J，儲(chǔ)存熱水量7.10×108m3。地?zé)崃黧w可開采量8.76×105m3/a的可開采量，年可開采熱能為1.30×1014J。產(chǎn)能4.12 MW，為小型低溫地?zé)崽铩?/p>

(5)按《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB11615-2010) 附錄E：《理療熱礦泉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》屬弱堿性低礦化氟·硅型理療熱礦水, 對(duì)人體有良好的理療保健功效。它的“淡水”屬性在熱礦水類實(shí)屬少見。但其因氟含量超標(biāo)，不宜直接作為生活飲用水水源和農(nóng)業(yè)灌溉水源。

(6)經(jīng)過研究表明，魯山堿廠屬于隆起山地構(gòu)造田屬于脈狀熱儲(chǔ)，地?zé)豳Y源豐富。為當(dāng)?shù)睾罄m(xù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)和鄉(xiāng)村振興有重要意義。加強(qiáng)地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，對(duì)熱儲(chǔ)的動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行研究，進(jìn)而指導(dǎo)下一步的開發(fā)利用。