周口凹陷區地溫場特征及影響因素分析

楊義棟，劉彥兵，趙 盼，李芳芳

(1.中國地質大學(武漢)資源學院，湖北 武漢 430074；2.河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院，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熱異常區，而地熱異常區是開發地熱資源的主要對象[1]。周口凹陷區地處河南省東南部，新生界沉積厚度一般為1 500～4 000 m，地熱資源儲量豐富。以往涉及該區的地熱地質工作，多以定性分析為主，缺乏系統研究，地溫場空間變化規律、深部熱儲條件不甚清楚，制約區內地熱資源的合理開發利用。本文借助于周口凹陷區(周口段)地熱資源勘查項目，收集69口地熱井資料，對地溫場進行綜合分析，探討周口凹陷區地溫場的控制因素，為該區地熱資源開發提供參考。

1 地質特征

周口凹陷區北靠通許凸起，南臨平輿凸起，西鄰嵩萁臺隆，向東延伸至安徽境內，其間多凹凸相間，總體是呈近東西向展布的凹-凸-凹的復雜凹陷帶[2]；周口凹陷區斷裂構造較發育，構造線方向北部主要為北東向，南部主要為北西西向。斷裂發育方向與主構造線方向一致，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育，見圖1。全區被巨厚的新生界地層覆蓋，除缺失志留系、泥盆系外，其余地層發育較齊全。

圖1 區域構造略圖

2 恒溫帶深度及溫度的確定

恒溫帶的溫度和深度依據淺層地下水垂向水溫測量數據分析擬定。 測溫分冬、夏兩季，共測量井點45處、測溫535點次，最大測量深度為46 m，垂向溫度測量間距1～2 m。 利用部分典型測溫井點數據繪制的淺層水溫-深度關系圖，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-深度關系圖

3 地溫梯度的確定及分布特征

3.1 地溫梯度計算

不同地區地溫梯度不同，地溫梯度主要和控熱構造、熱儲結構、巖漿活動及地熱地質環境相關。依據69個地熱井調查資料，計算的地溫梯度及不同埋深的溫度結果，見表1。

表1 地溫梯度及不同埋深的溫度計算結果

續表1

3.2 地溫梯度分布規律

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

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。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，熱傳遞變好的緣故。據路晴晴等[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，這反映了在深處將會有一個地溫等值面，該面的深度取決于深部地質構造及其活動性。

圖4 地溫梯度-深度關系圖

4 地溫分布規律

4.1 大地熱流分布

地表熱流值用傅里葉公式估算，見式(1)。

(1)

式中：Q為大地熱流量，mW/m2；λ為測溫井段圍巖中巖層的熱導率，W/m·K；dT/dH為地溫梯度，℃/100 m。

根據表2和式(1)計算地表熱流值，結果表明：區內的大地熱流值為43.681 1～64.588 4 mW/m2，淮陽縣高中最低，魯臺鎮最高，全區平均值55.724 0 mW/m2，低于華北盆地大地熱流平均值(58.6 mW/m2)。總體分布情況：自沈丘-項城-商水，呈東南-西北向大地熱流值由低變高，由項城市區到魯臺鎮，大地熱流值由51.6 mW/m2升高到64.59 mW/m2；淮陽魯臺鎮的64.59 mW/m2至淮陽縣城-鹿邑縣城一線，降低為52 mW/m2左右。從構造單元上分析，鄲城凸起區較高，為57～64.59 mW/m2；鹿邑、沈丘凹陷較低，為52～57 mW/m2，大地熱流值與地溫梯度分布規律相一致[4]。

表2 典型地段巖層熱導率

4.2 地溫分布規律

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、1 000 m埋深地溫大于50 ℃的高溫區及1 500 m埋深地溫大于68 ℃的高溫區，主要分布在鄲城凸起區的魯臺鎮往東一帶，對應的大地熱流值也較高；低溫區主要分布在西南部沈丘凹陷及北東部的鹿邑凹陷區。

根據地熱井口溫度調查，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 ℃；根據不同深度熱儲溫度計算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的淺埋區主要分布在淮陽縣魯臺鎮及其以東一帶的鄲城凸起區；埋深較大區主要分布在南西部的沈丘凹陷及東北部的鹿邑凹陷區。

5 地溫異常分析

5.1 地溫異常分布

根據區內地溫梯度分布，本次確定大于3.5 ℃/100 m者為異常。區內地溫異常區主要分布在鄲城凸起的周口-項城-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。本區西起周口市區南部往東經商水黃寨-項城北部-淮陽魯臺鎮南部-鄲城石槽-丁村一帶，呈帶狀展布。據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；往東到淮陽縣魯臺鎮地熱井深1 186.3 m，水溫57 ℃，地溫梯度3.81 ℃/100 m；鄲城城區地熱井深1 212 m，水溫58 ℃，地溫梯度3.73 ℃/100 m。

2) 淮陽縣城地熱異常區。淮陽城區西南部的淮陽高中新校區井深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，淮陽城區分布省地熱井10眼，地溫梯度平均為3.52 ℃/100 m。

3) 沈丘縣城地熱異常區。 沈丘城區第一高中井深508.5 m，水溫32.5 ℃，地溫梯度3.57 ℃/100 m；沈丘縣委新址地熱井深1 098.6 m，水溫52 ℃，地溫梯度3.62 ℃/100 m；沈丘縣城關鎮分布地熱井3眼，地溫梯度平均3.55 ℃/100 m。

5.2 地溫場異常影響因素

5.2.1 地溫異常成因分析

1) 基底褶皺構造影響。由圖3和4.2部分可知，地溫梯度、不同埋深的熱儲溫度及不同等溫面的埋深規律與基底起伏一致。周口凹陷區基底凹凸相間，基底褶皺構造直接影響深部的熱量的傳導、積累和散失。地熱異常的鄲城凸起區，由于太古界、古生界的基巖埋藏淺、地球深部熱源向上傳導性能強，形成淺部地溫異常。

2) 斷裂構造的影響。斷裂破碎影響帶較寬，受斷裂影響基底構造較為發育，斷裂向下深切，溝通深部熱源并成為熱流載體的通道，使深部地下熱水沿斷裂裂隙向上運移，使熱流體匯集于上部新生界地層，成為地熱異常區。如圖5中淮陽縣城地熱異常區、沈丘縣城地熱異常區均位于斷裂交匯處；鄲城凸起區的淮陽魯臺鎮也位于項城斷裂(F7)及分支魯臺斷裂交匯處。

5.2.2 地溫場形成影響因素分析

1) 區域構造影響。區內中部鄲城凸起區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2 000～7 000 m；凸起區基巖埋藏較淺，巖層結晶程度高，相同巖層的熱導率高于凹陷區，利于熱流傳導和富集，一般可形成較高的地溫梯度值。 新生界熱儲層直接覆蓋于古生界之上，保溫條件較好，形成大地熱流值(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。

2) 斷裂構造影響。區內斷裂構造多為多期活動性斷裂，對地溫場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。區內漯河-沈丘斷裂及周口-鹿邑斷裂，均為張性正斷層，向上切割至古近系，斷距較大，使斷裂兩側形成不同的構造單元，在斷裂裂隙發育段內，會形成地下熱流沿斷裂裂隙形成的通道向上運移，至上部地層中聚集、擴散、影響斷裂帶范圍內局部地溫場。

5.2.3 巖層性質影響

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

5.2.4 地熱流體活動影響

區內地熱流體經漫長的地質時代保存下來，水巖溫度已達到平衡，水溫即為巖溫。地熱流體為熱能的良好載體，富集增加，可動態儲熱，增加地熱資源儲量；在水源補給充沛、地下水徑流較強烈地區，補給的地下水溫較低，如沒有充分的加熱過程，徑流時不斷補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 論

1) 周口凹陷區地溫梯度變化在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，中部較高的分布規律。大地熱流密度在43.681 1～64.588 4 mW/m2之間,平均大地熱流密度為55.724 0 mW/m2，表明周口凹陷區是一個中溫型地溫場。地溫梯度和大地熱流密度具凸起區較高、凹陷區較低的特點，大地熱流值與地溫梯度分布規律相一致，造成差異的原因主要為巖性、基底構造及局部斷裂構造。

2) 周口凹陷區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。地溫異常區主要分布在鄲城凸起的周口-項城-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造及局部斷裂構造，其次為地熱流體活動等。