河南新商斷裂對地熱資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礦產局第六地質大隊，河南 鄭州 450016）

0 引言

黃河流域（河南）生態保護和高質量發展、中原城市群、鄭州大都市區和國家中心城市建設等都面臨日益凸顯的生態文明建設和清潔能源匱乏矛盾，要擺脫傳統高污染、高能耗、高排放的粗放式發展，轉換為環保、低碳的綠色發展模式（周倩倩，2013；曾鵬，2017；馬曉東，2020），必須構建河南綠色低碳型能源體系。地熱作為清潔能源在發電、供暖、洗浴、生態種養殖等方面直接利用，又可以在治理霧霾、節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，對促進生態文明建設、促進經濟可持續發展等具有重要的現實意義。

河南中東部平原熱儲埋藏深度適中、保溫性能好、水量大、厚度穩定，未來在地熱開發綜合利用中潛力巨大。但各地熱田水溫水量差別較大，2000 m以淺最大水量可達100 m3/h，最小僅10～20 m3/h，水溫最高可達89℃，低的竟不足40℃，開發利用前景各不相同。以往研究表明，地熱資源受區域性大斷裂構造的控制較為明顯，因此查明深大斷裂的構造特征，探討新商斷裂對地熱田的控制作用，可以為地熱靶區優選和區域性連片開發地熱能提供較為可靠的理論依據。

1 區域地質概況

研究區位于華北平原地層分區，其地層具有明顯的基底和蓋層二元結構，為典型的臺型沉積（張海嬌，2019）。基底由太古宇—中元古界變質巖類構成，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，以及上古生界中石炭統—二疊系，本區缺失上奧陶統—下石炭系。中生界三疊系在大部分地區缺失，侏羅系—白堊系主要分布在東部的黃口凹陷內（魏延平，2012）。新生界古近系多分布于開封凹陷內，通許凸起多缺失，新近系巖相及厚度較為穩定。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 新商斷裂構造特征

2.1 構造地質

新鄉-商丘深斷裂帶展布在新鄉、封丘、蘭考、商丘一帶，省內長約240 km，該斷裂隱伏于第四系之下，總體為一北西西向斷裂，與濟源-新鄉斷裂一起構成濟源—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6000 m。斷裂帶控制南北兩側中新生代沉積。斷裂帶及其附近不同地段發育有不同時期的巖漿巖，據鉆孔資料，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育有燕山期花崗閃長巖、輝長巖等。同時，新鄉—商丘斷裂帶是本省中朝準地臺區2 種不同方向構造線的分界線，北側以北北東向或近南北向為主；南側以近東西或北西西向構造為主。綜上，新鄉-商丘深斷裂帶可能在晉寧期以前已經存在，燕山期—喜馬拉雅中期活動強烈，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，活動時期長，對中元古代以來中朝準地臺南緣地質構造發展演化具有一定控制作用。

圖1 華北盆地南部基底構造略圖

2.2 地球物理

豫東通許凸起（睢縣-商丘段）深部地熱資源調查項目為更精確地控制新鄉-商丘斷裂，精準確定勘探井的有利位置，在大地電磁測深的基礎上，布設了1 條長度4 km，點距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 號點兩側明顯存在電性差異，表明該斷裂為高角度正斷層。可控源音頻大地電磁測深一維電阻率反演顯示，新鄉-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，對應地層為太古界，頂板埋深約1650 m。綜合分析可知，新鄉-商丘斷裂走向NW、傾向NE，傾角上陡下緩，上部可達80°左右，下部60°左右，為一張性斷裂。

2.3 地熱異常

新商斷裂為區域性深大斷裂，構造帶及其附近具有明顯的地熱異常。新鄉醫學院1#深1350 m，水溫高達73℃，地溫梯度最高可達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3.681℃/100 m（王小青等，2017）；蘭考縣東壩頭地熱井井深2200 m，水溫高達76℃，水量可達120 m3/h（表1）。區域性深大斷裂不僅在地熱資源形成過程中其主控作用，同時也往往形成熱礦水的帶狀熱儲。地質構造不僅是地熱資源中水源和熱儲層的間接創造者，構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）和地質解譯圖（b）

表1 新商斷裂附近地熱水資源

3 新商斷裂對地熱資源的控制作用

3.1 地熱流體循環特征

據豫東通許凸起（睢縣-商丘段）深部地熱資源調查項目同位素測深資料顯示，研究區地熱流體的補給源是位于區外西部山區的大氣降水（齊玉峰等，2017）。降雨入滲后，沿構造發育強烈的新商斷裂帶滲入到變質巖深部，經深部加熱后形成中高溫熱水（圖3）。天然條件下，地熱流體徑流較為緩慢，地熱流體水頭高于或接近地表，至東部的商丘地區幾乎處于停滯狀態，據商丘SR-1 井水質分析資料，深部巖溶熱儲溶解性總固體高達5468.83 mg/L，地熱水流動性很差。受開采影響，地熱流體總體由西向東或由西北向東南微弱徑流。人工開采為地熱水的主要排泄方式。在新鄉洪門、封丘縣、蘭考縣等新商斷裂構造影響區地熱井出水溫度最高可達88℃，出水量120 m3/h。

圖3 地熱水成因模式示意圖

3.2 地熱水成因機理

地下熱水特征和演化機制的研究不僅對于熱水資源的合理利用與開發具有重要的指導意義，而且可以為日后的地熱資源勘查評價提供重要信息（王奎峰等，2014）。新商斷裂對研究區對地熱形成起著關鍵性控制作用。深大斷裂不僅是地熱資源中水源和熱儲層的間接創造者，構造斷裂亦為水源與熱源的流通提供了有利通道。新商斷裂幾經多期構造活動且新構造活動仍然頻繁強烈，為地熱水的形成提供了充足的熱能，同時斷裂帶裂隙發育，巖石破碎又為地下水儲存提供了場所（梅惠呈，2016）。研究區地熱水的形成，是大氣降水沿著斷裂滲入地下深處加熱后，由于水溫升高發生膨脹，比重減輕，產生熱對流，沿一定構造部位向上運移，冷水自上而下不斷補充，如此反復循環。地熱水遇著透水性較好的巖層，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 新商斷裂帶地熱資源潛力分析

新商斷裂帶地跨湯陰斷陷、開封凹陷和通許凸起3 個地熱單元，地熱類型為沉積盆地傳導型，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，構造帶及其附近地熱井水溫水量均明顯高于其他地區。以2018 年開展的豫東通許凸起（睢縣-商丘段）深部地熱資源調查項目為例，對斷裂帶地熱資源潛力分析如下：該區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-睢縣，東到工作區邊界，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SR-1 地熱井）。采用熱儲法計算本區地熱可采資源量約140.37×104m3/a，地熱流體含熱能量71.94×1012J/a，折合標準煤2454.6 t/a，可減少CO2排放5856.8 t/a，經濟環境效益明顯，地熱資源潛力巨大。

5 結論

新商斷裂為區域活動性深大斷裂，控制著研究區的地熱形成和運移。該斷裂具有多期次活動特征，且切割較深，構造斷裂發育（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創造了有利條件。西部山區的大氣降水沿著斷裂滲入地下深處加熱形成熱水，同時斷裂帶裂隙發育，巖石破碎又為地下水儲存提供了場所，形成中高溫熱儲層（朱中道和甄習春，1999；杜麗等，2019），蘊含豐富的地熱資源。建議進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，為區域性連片開發地熱能提供較為可靠的理論依據。