河南濟(jì)源五龍口地?zé)豳Y源特征與產(chǎn)業(yè)化研究

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)地處中期準(zhǔn)地臺(tái)華北臺(tái)坳濟(jì)源—開封凹陷西北部，區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，主要以燕山期以來的高角度正斷層及平緩開闊褶皺為主要構(gòu)造特征。

1.1 地層巖性

研究區(qū)區(qū)域地層屬于華北地層區(qū)，豫西北地層分區(qū)太行山地層小區(qū)，主要出露新生界、古生界、元古界及太古界地層，地層簡(jiǎn)介如下。

1.1.1 新生界

第四系巖性為上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)的黃土狀粉土、粉質(zhì)粘土、粘土及砂礫卵石，主要分布于河谷兩岸及山前傾斜平原，其成因?yàn)闆_積、沖洪積和洪積，鉆孔揭露第四系厚約280 m;

古近系巖性主要為礫巖，鉆孔揭露本系厚約293 m。

1.1.2 古生界

二疊系主要巖性為長石石英砂巖、碳質(zhì)頁巖，零星出露于盤古寺斷裂帶附近，厚度不詳；石炭系，主要巖性為團(tuán)塊狀石灰?guī)r（含燧石）、粘土巖，零星分布于盤古寺斷層附近，厚度不詳；

奧陶系，巖性底部為頁巖、泥灰?guī)r，中下部為白云巖，上部為厚層狀灰?guī)r，主要發(fā)育奧陶系中統(tǒng)地層，分布于研究區(qū)北部，盤古寺斷層帶南部，五龍口斷層帶內(nèi)，厚約300 m;

寒武系，巖性自下而上分別為頁巖、白云巖，灰?guī)r，白云巖，分布于沁河兩岸及盤古寺斷斷裂帶內(nèi)，厚約660 m。

1.1.3 元古界

巖性主要為粉砂巖夾石英巖及砂巖、礫巖，底部為巨礫巖，分布于山口、白澗河溝口，厚0～40 m。

1.1.4 太古界

巖性為花崗巖、云母綠泥巖、角閃片巖等，分布于山口、白澗河溝口，呈條帶狀展布，厚約715 m。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)處于新華夏系太行山隆起的南端與晉東南山字型構(gòu)造東翼反射弧的前緣和東秦嶺緯向構(gòu)造帶北緣相交聯(lián)合弧地帶，區(qū)內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造形跡多為燕山運(yùn)動(dòng)以來形成[區(qū)域構(gòu)造單元位置屬于山西陸臺(tái)東南部。主要構(gòu)造有盤古寺、五龍口斷裂帶；位于研究區(qū)北部的盤古寺斷裂帶，是區(qū)域性大斷層，為高角度的正斷層，次級(jí)斷裂發(fā)育，走向近EW，傾角50°～60°，斷層帶寬約600～900 m，斷距550～800 m，上升盤地層有太古界、元古界、寒武系，下降盤底層為寒武系、奧陶系；五龍口斷裂帶位于研究區(qū)的南部，同樣屬于區(qū)域性大斷裂，正斷層，次級(jí)斷裂發(fā)育，走向NEE，傾向SSE，傾角50°～55°，斷距>500 m（圖1）。區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙及巖溶發(fā)育，主要熱儲(chǔ)含水巖層為寒武-奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，巖性為灰?guī)r、碳酸鹽巖。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 地?zé)?/a>區(qū)邊界條件

研究區(qū)南部邊界五龍口斷層帶（F17）上盤上部為第四系松散層，下部為古近系、二疊系砂巖、泥巖等隔水地層，下盤上部為第四系松散層，下部為寒武、奧陶系灰?guī)r及太古界片麻巖等含水巖層，由于斷層上盤巖性阻水，導(dǎo)致斷層兩側(cè)地下水無法發(fā)生水力聯(lián)系，因此將南部F17斷層概化為隔水邊界；北部盤古寺斷層（F3、F4）由于南北兩盤巖性差異，是阻水性質(zhì)的斷層，屬于地?zé)?/a>區(qū)的隔水邊界；地?zé)崃黧w從研究區(qū)西北向東南方向徑流，至區(qū)內(nèi)東部的白澗河作為排泄邊界，將西部沁河概化為定水頭邊界（參見圖1）。

2.2 熱儲(chǔ)埋藏條件及特征

根據(jù)地?zé)?/a>形成的地?zé)岬刭|(zhì)環(huán)境，我國地?zé)?/a>類型一般可分為3大類，分別是：斷裂深循環(huán)型（對(duì)流型）、沉積盆地型（傳導(dǎo)型）和近現(xiàn)代火山-巖漿巖型。根據(jù)地?zé)崃黧w賦存空間的不同，地?zé)釤醿?chǔ)層一般分為層狀熱儲(chǔ)和帶狀熱儲(chǔ)。

由有效空隙度和滲透性的地層構(gòu)成的熱儲(chǔ)是層狀熱儲(chǔ)，主要賦存在沉積盆地，熱量傳遞以傳導(dǎo)型為主，具有地層或儲(chǔ)層分布面積較大、產(chǎn)狀傾角較緩、地層沉積厚度大等特點(diǎn)；帶狀熱儲(chǔ)一般是指具有有效空隙和滲透性的斷裂帶構(gòu)成的熱儲(chǔ)，通過深大斷裂溝通地殼淺部巖漿熱源，分布于隆起山地或山前地帶，以對(duì)流方式傳遞熱量，一般具有傾角大、空間上成條帶狀延伸的特點(diǎn)。本次工作區(qū)位于濟(jì)源—開封沉積盆地地?zé)崽?/a>的西部，屬于斷裂深循環(huán)型（對(duì)流型）地?zé)?，具有明顯帶狀裂隙熱儲(chǔ)特征。

2.2.1 蓋層

根據(jù)已有地質(zhì)資料及研究區(qū)地?zé)衢_發(fā)現(xiàn)狀，區(qū)內(nèi)發(fā)育較厚的第四系粘性土和寒武系下統(tǒng)頁巖等不透水或弱透水巖層，覆蓋于主要熱儲(chǔ)層之上，形成良好的蓋層，使地熱流體在深部循環(huán)過程中獲得的熱量得以保存。

2.2.2 熱源

使地熱流體增溫的來源，有現(xiàn)代巖漿活動(dòng)形成的巖漿體，也有來自地殼深部的熱傳導(dǎo)或活動(dòng)性深大斷裂帶溝通地球深部熱源的熱對(duì)流。盤古寺斷裂帶、五龍口斷裂帶是多期次活動(dòng)的深大斷裂帶，延伸遠(yuǎn)，斷距大，一般斷達(dá)基巖底界。這些斷裂一直仍在活動(dòng)，據(jù)河南地震臺(tái)資料顯示，2012年9月12日在研究區(qū)附近（北緯35.16°，東經(jīng)112.23°）發(fā)生2.9級(jí)地震[地?zé)岬刭|(zhì)資料，及物化探和鉆孔資料綜合分析，區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層主要有3類，自下而上分別是太古界片麻巖裂隙熱儲(chǔ)層、寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)層、第四系松散巖類孔隙熱儲(chǔ)層。

2.2.3. 1 第四系熱儲(chǔ)層

整個(gè)研究區(qū)內(nèi)均分布有第四系松散巖類熱儲(chǔ)層，巖性為砂粘土互層和卵礫石，熱儲(chǔ)層在研究區(qū)北部埋深淺、厚度小，一般埋深在20 m左右，在白澗河沖洪積扇附近地帶埋深最大，最深處達(dá)200 m。本層熱儲(chǔ)為混合熱水，水溫25～40℃。

2.2.3. 2 寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層

熱儲(chǔ)層位于第四系熱儲(chǔ)層之下，是研究區(qū)目前開發(fā)利用的主要熱儲(chǔ)層，主要分布于五龍口斷裂帶以北，F(xiàn)25斷層以西的交匯處，熱儲(chǔ)層頂板埋深15～150 m，底板埋深280～300 m。受地質(zhì)構(gòu)造影響，熱儲(chǔ)層裂隙及巖溶發(fā)育程度不均一，富水性差距大，地?zé)崴?/a>富集在斷裂帶附近和裂隙巖溶發(fā)育程度大的部位。地?zé)崃黧w以裂隙巖溶水為主，主要含水巖組為碳酸鹽巖夾碎屑巖類和巖溶類含水巖組，地?zé)崃黧w溫度60℃≤T<90℃。

2.2.3. 3 太古界片麻巖熱儲(chǔ)層

該熱儲(chǔ)層地?zé)峋?/a>出水溫度一般在90～120℃之間，是研究區(qū)所有熱儲(chǔ)層中地熱流體溫度最高的，地熱流體以裂隙水為主，含水巖組為碳酸鹽巖夾碎屑巖類含水巖組、變質(zhì)巖裂隙類含水巖組。分布范圍與寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層一致，位于五龍口斷層（F17）以北、F25斷層以西的山前地帶，富水性隨斷裂的發(fā)育程度呈現(xiàn)較強(qiáng)的不均一性。熱儲(chǔ)頂板埋深在300 m左右，由于該熱儲(chǔ)層埋深較大，目前地?zé)釁^(qū)內(nèi)地?zé)峋?/a>與鉆孔深度<500 m，均未揭穿該熱儲(chǔ)層。

2.2.4 熱儲(chǔ)及地?zé)崃黧w特征

2.2.4. 1 熱儲(chǔ)模型

研究區(qū)裂隙巖溶水在接受大氣降水入滲補(bǔ)給之后，沿盤古寺深大斷裂深部徑流，遇到深部熱源或受熱源影響的圍巖被加熱升溫，沿F21、F22等斷層向南徑流。徑流至F17、F25斷層交匯處附近，由于斷層上盤巖性阻水，地?zé)崃黧w在靜水壓力作用下，沿?cái)鄬佑嫔仙c太古界片麻巖、寒武-奧陶系碳酸鹽巖中冷水混合，形成中低溫熱儲(chǔ)區(qū)；與第四系松散巖類中冷水混合形成低溫熱儲(chǔ)區(qū)，總體屬于受斷裂構(gòu)造控制呈帶狀分布的對(duì)流型中低溫地?zé)崽?/a>（圖2）。

2.2.4. 2 地?zé)豳Y源產(chǎn)能

研究區(qū)地?zé)釋儆谑軘嗔褬?gòu)造控制呈帶狀分布的對(duì)流型中低溫地?zé)崽?/a>，地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源是通過熱水資源的開發(fā)利用而實(shí)現(xiàn)的。利用“熱儲(chǔ)法”、“回采系數(shù)法”等方法計(jì)算地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源儲(chǔ)量、可采量。經(jīng)計(jì)算，濟(jì)源市盤古寺—五龍口斷裂帶地?zé)豳Y源可開采量為4.8×1015 J，地?zé)崃黧w可開采熱量為8.6×1014 J/a，地?zé)崽?/a>產(chǎn)能為27.5 MW，屬中型地?zé)崽?/a>。

依據(jù)研究區(qū)地?zé)峋?/a>降壓試驗(yàn)，第四系熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w單位產(chǎn)量為28.11 m3/d·m，寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)層為483.35 m3/d·m，太古界片麻巖裂隙熱儲(chǔ)層為445.68 m3/d·m，目前開采的井深基本在200 m以上，地?zé)峋?/a>流量均在50 m3/d·m以上，根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB 11615—2010)[化學(xué)特征及質(zhì)量評(píng)價(jià)

對(duì)研究區(qū)內(nèi)3種熱儲(chǔ)層的地?zé)崃黧w分別取樣化驗(yàn)，分述地?zé)崴?/a>化學(xué)類型及質(zhì)量評(píng)價(jià)如下：

(1）第四系熱儲(chǔ)層，地?zé)崃黧w水化學(xué)類型HCO3·SO4-Ca·Mg型，PH值7.7，溶解性總固體569 mg/l；該熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w中鍶含量為0.61 mg/l，達(dá)到飲用天然礦泉水標(biāo)準(zhǔn)（國家標(biāo)準(zhǔn)≥0.2 mg/l[地下水在北部山區(qū)的盤古寺斷裂帶接受大氣降水、地表水補(bǔ)給，沿?cái)嗔褞驏|南徑流，經(jīng)深部循環(huán)遇熱源加熱，使地?zé)崃黧w水溫變高，然后沿?cái)嗔训韧ǖ老蚰蠌搅?，在五龍口斷層（F17）處的迎水面匯集，形成了地?zé)釁^(qū)。

天然狀態(tài)下，以側(cè)向徑流的方式向下排泄，遇地?zé)峋衣恫?a href="http://www.cityofbrews.com/t/開發(fā).html" >開發(fā)利用熱儲(chǔ)含水層，則受人為影響排出地表。根據(jù)區(qū)內(nèi)地?zé)峋^測(cè)，水位埋深范圍為30.7～12.87 m，主要受大氣降水量與地?zé)崃黧w開采量綜合影響。

3 地?zé)岢梢蚍治?/strong>

為分析研究區(qū)地?zé)岢梢?，采?種熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w測(cè)試樣品各1組，做同位素化學(xué)特征分析，測(cè)試項(xiàng)目氘、18O。測(cè)試結(jié)果見表1。

4 地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源產(chǎn)業(yè)化研究及建議

地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/資源.html" >資源產(chǎn)業(yè)化是指參與地?zé)豳Y源勘探、開發(fā)、應(yīng)用等一系列過程活動(dòng)的企事業(yè)單位集合體。地?zé)岙a(chǎn)業(yè)主要由地?zé)嵴{(diào)查評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)、地?zé)釕?yīng)用技術(shù)、地?zé)崛瞬排囵B(yǎng)體系、地?zé)嵩O(shè)備制造、地?zé)峁こ淘O(shè)計(jì)施工以及地?zé)岘h(huán)境管理等要素構(gòu)成。

4.1 地?zé)豳Y源勘查

研究區(qū)地層、構(gòu)造和熱儲(chǔ)埋深基本查清，下一步的地?zé)豳Y源勘查，根據(jù)地質(zhì)條件選擇不同的鉆井工藝，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的快速鉆井是關(guān)鍵。目前已知3種類型的熱儲(chǔ)埋深較淺（300～500 m），屬于覆蓋層薄，地層堅(jiān)硬、漏失的類型。

空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)是一種低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、高沖擊破巖回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)技術(shù)，與常規(guī)正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)相比，空氣潛孔錘鉆進(jìn)效率高10～20倍，而且地層硬度越大，鉆效優(yōu)勢(shì)越明顯；另外空氣潛孔錘鉆進(jìn)采用氣體作為鉆井介質(zhì)，鉆井過程能始終保持井孔內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)，能減少對(duì)含水層的損害，同時(shí)破碎的巖屑會(huì)被空氣由環(huán)空從井眼帶出，相當(dāng)于邊鉆進(jìn)邊洗井。

所以，在研究區(qū)采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查開發(fā)，是最佳選擇，可以解決鉆井效率低、熱儲(chǔ)污染、洗井困難等問題，實(shí)現(xiàn)綠色高效勘查開發(fā)目的。

4.2 地?zé)豳Y源應(yīng)用領(lǐng)域

第四系松散巖熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w可作為飲用天然礦泉水進(jìn)行開發(fā)利用；寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)與太古界片麻巖熱儲(chǔ)層地?zé)崃黧w氟、偏硅酸含量均達(dá)到理療熱礦水指標(biāo)，為氟硅復(fù)合型理療熱礦水，溫度>60℃，可用于供暖、地?zé)峥叼B(yǎng)、溫泉度假、觀光農(nóng)業(yè)等產(chǎn)業(yè)。

4.3 建議

(1）利用人工智能和深部鉆探技術(shù)，進(jìn)一步查明500～1500 m深部高溫地?zé)豳Y源，擴(kuò)大該區(qū)的地?zé)豳Y源量，當(dāng)溫度≥150℃時(shí)優(yōu)先地?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)。

(2）編制研究區(qū)地?zé)豳Y源勘查開發(fā)利用規(guī)劃，對(duì)優(yōu)質(zhì)地?zé)豳Y源實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一利用，實(shí)現(xiàn)資源的高效、持續(xù)、穩(wěn)定利用。

(3）針對(duì)地?zé)崃黧w特點(diǎn)，采用供暖、康養(yǎng)、溫泉度假、溫室大棚梯級(jí)綜合利用，避免資源浪費(fèi)。

5 結(jié)論

(1）研究區(qū)地?zé)釋儆谑軘嗔褬?gòu)造控制呈帶狀分布的對(duì)流型中低溫地?zé)?/a>田。熱儲(chǔ)類型有3個(gè)，分別為第四系松散巖類孔隙熱儲(chǔ)、寒武-奧陶系裂隙巖溶熱儲(chǔ)和太古界片麻巖裂隙熱儲(chǔ)層。熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)完整，控?zé)釋?dǎo)熱斷裂、熱儲(chǔ)及蓋層齊全。

(2）經(jīng)地?zé)崃黧w產(chǎn)能計(jì)算及開發(fā)經(jīng)濟(jì)性分析，研究區(qū)屬中型地?zé)崽?/a>，為適宜開采區(qū)。

(3）不同熱儲(chǔ)層的地?zé)崃黧w，可用于飲用天然礦泉水、供暖、理療康養(yǎng)、農(nóng)業(yè)等，應(yīng)開展綜合梯級(jí)利用。