許昌市地?zé)岬刭|(zhì)特征研究

蔣朝軍,涂良權(quán),曹 淵

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450018)

地?zé)豳Y源作為一種可再生清潔能源,對(duì)可持續(xù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)有著重要的意義(李寧波等,2018)。許昌市地?zé)豳Y源豐富,已廣泛用于理療、洗浴、采暖、養(yǎng)殖,尤其是依托地?zé)衢_發(fā)發(fā)展起來的鄢陵縣花都溫泉小鎮(zhèn),每年接待游客量達(dá)數(shù)十萬人次,取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。然而,當(dāng)前許昌市地?zé)嵫芯砍潭确浅５?勘查工作碎片化,沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的研究,嚴(yán)重影響許昌市地?zé)豳Y源開發(fā)利用。

本文依托河南省通許凸起許昌—鄢陵巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)和河南省鄭州、洛陽、許昌市城市地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查2個(gè)河南省自然資源廳2019年度地質(zhì)勘查項(xiàng)目,通過收集許昌市在利用的全部12眼地?zé)峋?表1)資料和地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查2 240 km2、井點(diǎn)225個(gè),可控源音頻大地電磁測(cè)深74 km、水質(zhì)全分析20組,同位素分析10組,選取4個(gè)地?zé)峋祲涸囼?yàn),歷時(shí)1年地?zé)崴畡?dòng)態(tài)觀測(cè)等系統(tǒng)研究工作(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院,2019),全面分析評(píng)價(jià)許昌市地?zé)岬刭|(zhì)特征,以期為許昌市乃至華北平原地區(qū)地?zé)衢_發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。

表1 研究區(qū)已利用地?zé)峋闆r

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地層巖性

研究區(qū)屬黃淮沖積平原區(qū),地表無基巖出露,完全被新生界覆蓋。地層由老到新為太古界登封群(Ardn)、下元古界(Pt1)、中元古界馬鞍山組(Pt2m)、下古生界寒武系(∈)和奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(O2m)、上古生界石炭系上統(tǒng)(C2)和二疊系(P)、中生界白堊系(K)、新生界古近系(E)、新近系(N)和第四系(Q),第四系在研究區(qū)地表分布廣泛(表2)。

表2 研究區(qū)地層巖性特征表

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北坳陷通許凸起西部。通許凸起位于嵩箕臺(tái)隆之東,實(shí)際上是嵩箕臺(tái)隆向東延伸部分。新近系以后,嵩箕臺(tái)隆繼續(xù)上隆,研究區(qū)則隨著華北坳陷整體下沉,接受沉積,才與嵩箕臺(tái)隆分開,呈現(xiàn)今日之面貌?；诪橛商沤缰凉派缃M成的近東西向鞍狀復(fù)式背斜,東西兩端抬起,向中間傾伏。斷裂比較發(fā)育,可分為近東西向、北東向、北西向三組。主要為正斷層,其中北東向和北西向斷裂兼有平推性質(zhì)。三組斷裂縱橫交錯(cuò),把研究區(qū)切割成支離破碎的斷塊狀(圖1)(黃光壽等,2019;曠紅偉等,2009)。

圖1 研究區(qū)基巖地質(zhì)構(gòu)造圖

研究區(qū)斷層發(fā)育9條斷層(表3)。斷層為地?zé)崃黧w供應(yīng)熱能提供了有利的條件,距離斷層越近,地溫梯度越高,在斷層的轉(zhuǎn)折處和交匯處,地溫梯度更高。

1.3 凹陷與凸起

通許凸起存在次一級(jí)的凹陷與凸起,研究區(qū)F2、F3以北,F1以西,F4、F6東為鄢陵凸起,之外形成次級(jí)凹陷區(qū)。

鄢陵凸起基底在鄢陵北主要為太古界登封群地層,在西端許昌一帶主要為古生界地層,中間有少量元古界地層。其上主要為新近系河湖相紅、棕、黃色粘土巖、砂巖、砂礫巖組成的次穩(wěn)定型復(fù)陸屑建造。凸起東部鄢陵一帶,前新生界厚度800～1 000 m;西部一帶,前新生界厚度1 000～1 800 m。

鄢陵凸起之外是主要由二疊系地層組成基底的次級(jí)凹陷。南部凹陷前新生界厚度1 200～1 600 m;西部凹陷已接近基巖裸露區(qū),基底地層為古生界地層,前新生界厚度200～600 m。

2 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 熱儲(chǔ)層分布特征

2.1.1 新生界孔隙熱儲(chǔ)層

1)新近系明化鎮(zhèn)組孔隙熱儲(chǔ)層

本組熱儲(chǔ)上有第四系蓋層,下有較厚的館陶組熱儲(chǔ)隔斷其與基巖熱儲(chǔ)的熱能傳導(dǎo),無法直接接受斷層傳導(dǎo)的熱能,僅靠自然地溫梯度增溫。

熱儲(chǔ)層遍布整個(gè)研究區(qū),頂板埋深73.50～293.95 m,底板埋深192.50～1 065.00 m,厚度115.10～793.00 m。根據(jù)收集的水2孔明化鎮(zhèn)組的試井資料,水溫30℃,溫水,井產(chǎn)量1 288.22 m3/d,單位產(chǎn)量43.76 m3/d·m。熱儲(chǔ)層熱儲(chǔ)介質(zhì)由8～26層粉、細(xì)、中砂組成,累計(jì)厚度67.40～216.10 m,砂巖孔隙度大,屬中高孔隙儲(chǔ)層。

2)新近系館陶組孔隙熱儲(chǔ)層

本組熱儲(chǔ)層是研究區(qū)重點(diǎn)熱儲(chǔ)層,覆蓋在前新生界基巖之上,可直接接受基巖熱儲(chǔ)和斷層的熱能傳導(dǎo),熱儲(chǔ)層溫度受斷層、基底埋深及巖性的控制。基底埋深619.57～1 081.00 m。熱儲(chǔ)層厚度99.26～398.35 m,呈多層結(jié)構(gòu),粘性土與砂層互層。砂層厚度由西往東逐漸增大,砂層3～20層,累計(jì)厚度西部40.10～97.30 m,東部102.40～168.30 m。據(jù)許熱2孔館陶組試井資料,孔口水溫62℃,溫?zé)崴?井產(chǎn)量936 m3/d,單位產(chǎn)量14.16 m3/d·m。

2.1.2 古生界巖溶裂隙熱儲(chǔ)層

巖性主要為寒武、奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r。西部一帶頂板埋深300～700 m,東部一帶埋深1 200～1 500 m,厚度530～1 130 m。斷層附近,裂隙錯(cuò)綜復(fù)雜,經(jīng)后期巖溶作用,溶洞溶隙發(fā)育。斷層發(fā)育的許昌市西部地區(qū)古生界巖溶裂隙熱儲(chǔ)層比東部更具開發(fā)價(jià)值。ZK257抽水孔井產(chǎn)量為1 012 m3/d,抽水層段224.75～324.5 m,巖性為灰?guī)r,地?zé)崃黧w溫度30℃,地溫梯度5.31℃/100 m。

2.2 熱儲(chǔ)層蓋層特征

2.2.1 新近系孔隙熱儲(chǔ)層蓋層

1)新近系明化鎮(zhèn)組蓋層

第四系粘性土與砂層互層構(gòu)成該熱儲(chǔ)層的蓋層,厚73.50～293.95 m。研究區(qū)第四系粘性土4～17層,累計(jì)厚度56.10～249.65 m。

2)新近系館陶組蓋層

第四系及新近系明化鎮(zhèn)組粘性土與砂層互層構(gòu)成該熱儲(chǔ)層的蓋層,厚度192.50～1 065.00 m。粘性土13～42層,厚度253.30～815.50 m。

2.2.2 古生界巖溶熱儲(chǔ)層蓋層

第四系、新近系、古近系構(gòu)成該含水巖組蓋層,粘性土與砂層互層,厚度619.57～1 409.55 m。

2.3 地溫場(chǎng)特征

2.3.1 地溫場(chǎng)平面特征

通過調(diào)查研究區(qū)220個(gè)淺層水(小于70 m)調(diào)查井點(diǎn),平均水溫為17.22℃。根據(jù)許昌市多年平均氣溫(14.7℃),取17℃為異常分界線,高于此溫度即為地溫異常區(qū)。

1)淺層水地溫異常

研究區(qū)淺層水的地溫異常展布于許昌市與鄢陵縣之間,面積較大,展布特征與基底埋深、基底巖性、斷層有關(guān)。在220個(gè)調(diào)查點(diǎn)中,大于17℃的井點(diǎn)數(shù)為157個(gè),占總數(shù)的71.4%;小于等于15℃的63個(gè)?；茁裆钤綔\,異常越明顯,異常分布于基底埋深小于1 100 m的地段,特別是凸起區(qū);基底巖石越致密,異常越發(fā)育。在太古界地層為基底的地段,異常多于古生界地層為基底的地段;斷層兩側(cè)異常也較其它地段發(fā)育。

2)500 m深度地溫場(chǎng)平面特征

500 m深度地層在研究區(qū)一般為新近系,新近系熱儲(chǔ)層地?zé)岙惓Ｅc基底關(guān)系密切。許熱2、許熱4、許熱5、許熱6、許熱7、許熱8、水2、ZK257位于凸起區(qū),推算500 m深處熱儲(chǔ)溫度平均值為34.93℃;ZK90-18、許熱1、許熱3和鄢熱1位于凹陷區(qū),推算500 m深處熱儲(chǔ)溫度平均值為29.35℃。500 m深度地溫場(chǎng)平面特征受基底控制,凸起區(qū)比凹陷區(qū)地溫梯度高。

3)1 000 m深度地溫場(chǎng)平面特征

在研究區(qū)的東、西兩邊—許昌西部及鄢陵一帶,基巖埋深一般小于1 000 m,中部大部分地段基巖埋深大于1 000 m。凸起區(qū)推算1 000 m深處熱儲(chǔ)溫度平均值為53.39℃,凹陷區(qū)推算1 000 m深處熱儲(chǔ)溫度平均值為40.57℃。同500 m深度地溫場(chǎng)平面特征一樣,1 000 m深度地溫場(chǎng)也受基底控制,凸起區(qū)比凹陷區(qū)地溫梯度高。

平面上,鄢陵凸起是1 000 m以淺地溫場(chǎng)的異常區(qū),是尋找地?zé)豳Y源的較為經(jīng)濟(jì)合理的地段。

2.3.2 地溫場(chǎng)垂向變化特征

研究區(qū)增溫帶垂向變化特征如下:

(1)330～780 m為溫水,多為新近系明化鎮(zhèn)組及中新統(tǒng)館陶組溫水熱儲(chǔ)層,水溫25℃～40℃。

(2)780～1 000 m為溫?zé)崴?多為新近系館陶組溫?zé)崴疅醿?chǔ)層,水溫40℃～62℃。

(3)大于1 000 m為溫?zé)崴珶崴?儲(chǔ)層多為前新生界地層。依不同巖性、埋深其地溫梯度有較大差距。

3 地?zé)崃黧w水化學(xué)和同位素特征

3.1 地?zé)崃黧w水化學(xué)特征

3.1.1 明化鎮(zhèn)組溫水熱儲(chǔ)層水化學(xué)特征

明化鎮(zhèn)組溫水水化學(xué)類型為HCO3-K+Na·Ca·Mg型水,pH值6.7,屬中性水,總硬度(以CaCO3計(jì))18 mg/L屬極軟水,礦化度0.59 g/L,屬淡水。

3.1.2 館陶組溫水—溫?zé)崴疅醿?chǔ)層水化學(xué)特征

根據(jù)收集的水質(zhì)分析資料(取水段均為館陶組熱儲(chǔ)),許熱1水化學(xué)類型為HCO3·SO4-K+Na型水,許熱2、許熱6、許熱7和許熱8水化學(xué)類型均為Cl-K+Na型,鄢熱1水化學(xué)類型為SO4·Cl·HCO3-K+Na型水。許熱1礦化度0.601 g/L,鄢熱1礦化度0.946 g/L,屬淡水;許熱2礦化度2.818 g/L,屬微咸水;許熱6礦化度3.472 g/L,許熱7礦化度3.337 g/L,許熱8礦化度3.253 g/L屬咸水。許熱1、許熱2、許熱7、許熱8和鄢熱1pH值7.1～7.89,屬中性水;許熱6pH值為8.37,屬弱堿性水?？傆捕葹?51.37～391.20 mg/L,屬微硬～硬水。

3.1.3 古生界巖溶裂隙溫水熱儲(chǔ)層水化學(xué)特征

收集到兩個(gè)鉆孔均為寒武系熱儲(chǔ)層。ZK90-18水化學(xué)類型分別為HCO3·SO4-Ca·K+Na型,礦化度0.599 g/L,屬淡水,pH值7.45,屬中性水。ZK257水化學(xué)類型為HCO3-K+Na·Ca·Mg型水,礦化度1.25 g/L,系微咸水,pH值7.88,屬中性水。

3.2 地?zé)崃黧w化學(xué)組份動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)研究區(qū)水質(zhì)分析的成果資料,求取一部分離子的比值(表4),可以看出:

表4 離子含量比值統(tǒng)計(jì)表

(1)在地?zé)崃黧w的補(bǔ)給方向上,[Cl]/[F]比值由低向高演化。從許熱1孔到許熱2孔方向[Cl]/[F]比值增大很多。地?zé)崃黧w是在由西向東補(bǔ)給,結(jié)合基底形態(tài),地?zé)崃黧w的徑流方向?yàn)樽晕鞅毕驏|南徑流。

(2)[Ca]/[Mg]比值變化與[Cl]/[F]方向相同,也說明地?zé)崃黧w的徑流方向是由西北向東南。

(3)SO4·102/Cl和SO4/(SO4+Cl)×100比值漸小,說明SO42-含量漸少,而Cl-含量漸增,而且硫酸鹽的還原作用漸強(qiáng),水文地質(zhì)封閉程度在加大,研究區(qū)熱儲(chǔ)是一個(gè)半封閉型水文地質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)。

3.3 同位素化學(xué)特征

穩(wěn)定性氫氧同位素廣泛應(yīng)用于水循環(huán)的研究,根據(jù)地下水中氘(D)、氧-18(18O)和氚(3H)的含量判斷地下水來源,利用氚(D)、碳14﹙14C﹚放射性衰變特性,確定地下水的年齡(譚夢(mèng)如等,2019;克拉克等,2006;王恒純,1991)。

研究區(qū)采集了具有代表性的淺層地下水、中深層地下水和地?zé)崴煌瑢游坏牡叵滤畼?0組,進(jìn)行D、18O、3H的同位素含量測(cè)定,同位素分析結(jié)果見表5。

表5 研究區(qū)同位素分析結(jié)果表

各種成因類型的天然水有不同的氫、氧組成,見表6。研究區(qū)不同層位地下水同位素分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表7,與表6相對(duì)照可知區(qū)內(nèi)溫?zé)崴瓺在-350～+50之間,18O在-50～+10之間,地?zé)崴疄榻邓霛B成因。

表6 天然水氫氧同位素組成 ‰

表7 不同層位地下水同位素分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

隨著深度的增加,D、18O和3H含量逐漸降低,三者變化趨勢(shì)相似,實(shí)測(cè)14C確定淺層地下水、中深層地下水、地?zé)崴挲g分別平均約為0.17萬 a、0.78萬 a、1.26萬 a。分析表明地?zé)崴怯山邓霛B補(bǔ)給形成的,地下水的補(bǔ)給、徑流方向是由西北向東南,補(bǔ)給來源較遠(yuǎn),補(bǔ)給量不太充分,熱儲(chǔ)的滲透性不太好,運(yùn)移速率較慢,更新周期較長(zhǎng),研究區(qū)地?zé)崴造o儲(chǔ)量為主。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)基底是由太古界至古生界組成的近東西向鞍狀復(fù)式背斜,斷裂發(fā)育,將研究區(qū)切割成支離破碎的斷塊狀。斷層為地?zé)崃黧w供應(yīng)熱能提供了有利的條件,距離斷層越近地溫梯度越高,斷層的轉(zhuǎn)折處和交匯處地溫梯度更高。

(2)新近系明化鎮(zhèn)組孔隙熱儲(chǔ)層無法直接接受斷層傳導(dǎo)的熱能,僅靠自然地溫梯度增溫;新近系館陶組孔隙熱儲(chǔ)層直接接受基巖熱儲(chǔ)和斷層的熱能傳導(dǎo),熱儲(chǔ)層溫度受斷層、基底埋深及巖性的控制;古生界巖溶裂隙熱儲(chǔ)層主要為寒武、奧陶系巖溶,西部比東部更具開發(fā)價(jià)值。

(3)地溫異常展布特征與基底埋深、基底巖性、斷層有關(guān)。基底埋深越淺,異常越明顯;基底巖石越致密,異常越發(fā)育。斷層兩側(cè)異常也較其它地段發(fā)育。鄢陵凸起和斷層附近是尋找地?zé)豳Y源的經(jīng)濟(jì)合理地段。

(4)館陶組熱儲(chǔ)層是研究區(qū)重點(diǎn)熱儲(chǔ)層,熱儲(chǔ)層厚度99.26～398.35 m,頂板埋深496.00～1 065.00 m,砂層厚度40.10～168.30 m,單位產(chǎn)量4.56～68.65 m3/d·m,滲透系數(shù)0.09～0.71 m/d,導(dǎo)水系數(shù)6.46～72.42 m2/d;水溫35.5℃～62℃;地溫梯度3.05～4.81℃/100m。地?zé)崃黧w水化學(xué)類型為Cl-K+Na型、HCO3·SO4-K+Na型、SO4·Cl·HCO3-K+Na型水。

(5)地?zé)崴山邓霛B補(bǔ)給形成,補(bǔ)給、徑流方向由西北向東南,補(bǔ)給來源較遠(yuǎn),補(bǔ)給量不太充分,更新周期較長(zhǎng),以靜儲(chǔ)量為主。