0前言

2023年10月《鄭州都市圈發展規劃》正式獲國家發展改革委復函,為河南省的經濟再次崛起提供了新的契機,同時也提出了新的挑戰———“如何既滿足社會經濟發展對資源的巨大需求,又能保障生態安全,應對資源短缺、環境污染等,保護并擴大綠色生態空間”。

本文在前人研究的基礎上,通過對大量地質研究成果的搜集梳理,對鄭州市地熱資源類型、分布及其資源量進行了系統的研究。闡明了鄭州市地熱系統類型,刻畫了鄭州市熱儲平面展布特征,劃分了鄭州市地熱分區,最后分區評價計算了鄭州市地熱資源量。

1區域構造與地層

鄭州市位于華北地臺南部邊緣黃淮中斷坳內, 南部嵩山-新鄭一帶為嵩箕臺隆區嵩箕穹褶斷束, 北部為洛陽-開封臺陷區,洛陽-開封臺陷又可劃分為鄭州斷階、沁陽臺凹、開封臺凹、新鞏臺穹、澠池臺凹。鄭州市屬華北地層大區晉冀魯豫地層區,具明顯的基底和蓋層二元結構,基底由太古界-下元古界構成。蓋層由中元古界-新生界組成,各時代地層的巖相及厚度穩定,地層序列清楚,地層褶皺微弱,基本未受區域變質。

2地熱系統類型

根據地質環境、熱儲能量傳遞方式,鄭州市地熱類型可劃分為2種:斷裂對流型地熱系統和盆地熱傳導型地熱系統。

2.1斷裂對流型地熱系統

主要分布于嵩箕臺隆地區,主要有嵩山背斜北翼滎鞏煤田區、新密向斜新密—新鄭煤田區兩大斷裂對流型地熱系統,分別以鄭州西南三李溫泉地熱田和新鄭市區西部新鄭礦區地熱田為代表。

三李地熱田位于嵩山復背斜東傾末端東北翼, 嵩山復背斜東段軸部出露地層為寒武系-奧陶系碳酸鹽巖,巖溶發育,接受地下水入滲補給,形成巖溶地下水,順著地層傾斜向下運移,運移過程中受到深部地層加熱。受到北部賈峪斷裂阻擋之后,在地形高差造成的水壓作用下,巖溶水被迫沿著三李斷層向上運移,出露地表形成溫泉和地熱異常區。

新鄭礦區地熱田位于嵩箕臺隆區東端沒入平原部分,新密向斜南翼東段,在新密超化以西地區寒武系-石炭系碳酸鹽巖出露地表,巖溶裂隙發育,接受大氣降水入滲,形成巖溶裂隙水的補給區。受構造和地層巖性控制,巖溶裂隙水沿著下古生界碳酸鹽巖含水層自西向東向新鄭礦區一帶徑流,隨著含水層埋深增大,巖溶裂隙水不斷吸收巖層中的熱能而增溫。曲梁斷裂以東新鄭礦區東側由于受崗李斷層、大隗斷層、雞冠山斷層阻水,不能側向徑流,而向上通過背斜軸部斷裂裂隙和缺失形成下古生界與新生界之間的天窗,向上部新生界含水層排泄,形成新鄭礦區地熱田。

2.2盆地熱傳導型地熱系統

盆地熱傳導型地熱系統主要分布于嵩箕臺隆以北的其他地區。根據目前鉆探和開發利用情況,可以分為新近系弱固結砂巖泥巖熱儲層(東部又可分為明化鎮組熱儲、館陶組熱儲)、古近系砂巖泥巖熱儲層、二疊系-三疊系砂巖熱儲層、寒武系-石炭系碳酸鹽巖熱儲層。其熱能主要來自于自下而上的深部熱傳導,除局部受斷裂影響外,大部分地區地溫為正常的梯度增溫。鄭州一帶恒溫帶深度為 27 m,恒溫帶溫度為17℃。新生界地溫梯度在開封臺凹略小于3.0℃/(100 m),約2.96℃/(100 m);在鄭州斷階為3.0~3.5℃/(100 m),自山前向平原區逐漸減小;鄭州市區地溫梯度偏低,平均約2.8℃/(100 m)。新鄭北側地溫梯度約3.5℃/(100 m)。

3熱儲層分布及特征

3.1沉積盆地地區

鄭州市沉積盆地地區熱儲層主要劃分為4層: 新近系明化鎮組熱儲層、新近系館陶組熱儲層、古近系熱儲層、寒武系-石炭系巖溶熱儲層。

(1)新近系明化鎮組熱儲層由新近系明化鎮組(N2m)承壓含水層組成,分布于鄭州斷階、開封臺凹、澠池臺凹(鞏義回郭鎮一帶)地區。頂板埋深 300~350 m。底板埋深在澠池臺凹(鞏義回郭鎮一帶)一般為500~1 000 m;在鄭州斷階、開封臺凹一帶,自西南向東北逐漸加深,西南地區500~700 m, 東北部埋深約800 m。該儲層大部分地區地熱井地熱流體單位產量大于50 m3/(d·m),為產流能力強區, 水溫一般為25℃~40℃,為溫水儲層。

(2)新近系館陶組熱儲層由新近系館陶組 (N1g)承壓含水層組成,主要分布于京廣鐵路以東、 隴海鐵路以北范圍內,其分布主要受老鴉陳斷層和須水斷層東段控制。其頂板埋深大于800 m,底板埋深自西南鄭州斷階向東北中牟凹陷逐漸加深,西南深度800 m,東北以中牟萬灘一帶底板埋深最大,達到2 800 m。本儲層溫度一般大于40℃。在中牟凹陷底板埋深最大處(中牟萬灘一帶,深達2 800 m左右),根據地溫梯度計算,其水溫可超過90℃。因此本儲層自淺向深,從溫熱水儲層轉為熱水儲層,中牟凹陷區深部可達到中溫地熱資源(溫度≥90℃)。

(3)古近系熱儲層由古近系含水層組成,分布于中牟凹陷區,其頂板埋深1 500~2 800 m,底板埋深2 000~4 000 m,在中牟萬灘-東漳一帶大于4 000 m。 熱儲層儲水介質為半膠結的砂、泥巖。該儲層在本區無鉆孔揭露。

(4)寒武系-石炭系熱儲層由石炭系上統太原組(C3t)灰巖含水層、奧陶系、寒武系灰巖、白云巖含水層以及碎屑巖含水層組成,上下層水力聯系緊密,形成寒武系-石炭系含水層組。全區廣為分布, 深埋于二疊系之下,屬于層狀熱儲兼具帶狀熱儲特征,由于埋深較大,目前鄭州市尚未開發。根據巖溶含水層一般規律,推測該熱儲層具有水溫高、富水性強、回灌能力強的特征,但同時也具有巖溶發育程度極不均勻的缺點。

3.2隆起山地地區

嚴格地說,任何地層巖性都可成為斷裂對流型地熱系統帶狀熱儲,但從富水性和地熱開發的角度來看,寒武系-石炭系碳酸鹽巖是嵩箕臺隆區主要熱儲,鄭州三李、新鄭礦區兩地對流型地熱系統均以寒武系-石炭系碳酸鹽巖為主要熱儲。此外,在滎鞏煤田西部大峪溝煤礦等地也形成巖溶地層對流型地熱系統。該熱儲水溫多在25℃~48℃,為溫水、溫熱水儲層。滎鞏煤田2008年所施工地熱1井,在深度為1 218~1 400 m的奧陶系灰巖含水層中取得了溫度為64℃的熱水,說明該區深部熱儲可達到熱水儲層。

4地熱分區

根據主要地熱系統類型將鄭州市劃分為構造隆起斷裂對流型地熱系統(嵩箕臺隆地熱區)、構造沉陷層狀熱儲傳導型地熱系統(洛陽-開封臺凹地熱區)兩大分區;在構造沉陷層狀熱儲傳導型地熱區 (洛陽-開封臺凹地熱區),結合次級凹陷、凸起構造分區、熱儲層的平面展布與垂向疊置關系,進行二級分區;在構造隆起斷裂對流型地熱區(嵩箕臺隆地熱區),考慮地熱流體的形成與運移、儲存,結合巖溶水系統劃分,進行二級分區。

依據上述地熱區劃分原則,鄭州市地熱分區結果,如表1所示。

5地熱資源評價 

5.1資源量評價原則

地熱資源評價限定為地下熱水資源,以具有實際開發利用前景的新近系明化鎮組熱儲層、館陶組熱儲層和寒武系-石炭系熱儲層資源量進行計算評價。

嵩箕臺隆地熱區斷裂對流型地熱分布不均、資料較少,僅對三李地熱田、新鄭礦區地熱田資源量進行評價。

5.2地熱資源量評價

5.2.1新近系熱儲層資源量評價

(1)熱儲概念模型對于新近系砂巖層與泥巖層頻繁交互疊置的復雜沉積結構,簡化為如下熱儲概念模型:在平面上為無限伸展的,在垂直剖面上為 1個主要含水砂層,其上、下為相對隔水的泥巖層所組成的3層結構系統。

(2)新近系熱儲層概念模型熱儲頂板、底板均為不透水邊界;忽略側向徑流量;熱儲層為彈性可壓縮的含水層。

(3)地熱資源量計算方法新近系熱儲熱能、地熱流體儲量以體積法計算。新近系熱水資源包括含水層(砂巖)和相對含水層(泥質巖)中兩部分。本次評價資源量包括了整個熱儲層(砂巖、泥質巖)的所包含的地熱資源。計算結果如表2所示。 5.2.2寒武系-石炭系層狀熱儲資源量評價

(1)熱儲概念模型盆地埋藏巖溶熱水儲層的概念模型包含了2層內容:①儲層系數,即儲集層占地層厚度之比;②儲集層的裂隙孔隙度分布模式。對下古生界儲層系數設定0.2,并設定碳酸鹽巖巖溶儲層的裂隙孔隙度分布由潛山表面向深處衰減,自潛山頂面至其下500 m深范圍內為5%, 自該深度以下,衰減1/3,降為3.3%,直至計算熱儲層底板。

(2)評價方法熱儲熱能、地熱流體儲量以體積法計算。計算結果如表3所示。 

5.2.3斷裂型熱儲資源量評價

斷裂型地熱資源形成條件復雜,主要受斷裂控制, 熱儲分布面積、熱儲厚度不易確定,因此本次僅對三李溫泉及新鄭煤礦2處地熱顯熱區計算。本次斷裂型熱儲資源量計算采用體積法進行計算。依據體積法,三李、新鄭煤礦2處地熱顯熱區的地熱資源量計算結果,如表4所示。

6結語

(1)鄭州市劃分為構造隆起斷裂對流型地熱系統(嵩箕臺隆地熱區)、構造沉陷層狀熱儲傳導型地熱系統(洛陽-開封臺凹地熱區)兩大分區。

(2)洛陽-開封臺凹地熱區主要熱儲層有新生界新近系熱儲層及下古生界碳酸鹽巖類熱儲層。新近系熱儲層地熱產流能力一般為中等-強。嵩箕臺隆地熱區以碳酸鹽巖裂隙帶熱儲為主,地熱產流能力強。

(3)嵩箕臺隆地熱區多處顯示斷裂對流型地熱異常,在三李、新鄭礦區形成具有一定面積的地熱田。

(4)凹陷區寒武系-石炭系碳酸鹽巖熱儲層溫度高、地熱流體產量大,且其巖溶裂隙滲透性好,有利于回灌開采,具有較好的地熱開發前景。

(5)地熱應用中要開展地熱流體動態監測工作, 了解地熱流體壓力、溫度以及質與量的動態變化規律,為地熱資源開發管理與保護,提供更加充實的監測資料。

(6)本次工作未對鄭州市區一帶集中開采區采用數值法、統計法等進行資源量計算,今后可以開展此項工作。