洛阳市常袋断裂带地热资源特征及成因分析

0引言

地热能作为绿色、安全、环保的可再生稳定能源,可供发电、采暖,是提取溴、碘、硼砂、钾盐、铵盐等工业原料和天然肥水的资源,以及宝贵的医疗、饮用矿泉水与生活供水资源,在助力碳达峰、碳中和及促进经济可持续发展等方面发挥着重要作用。

洛阳市地热地质条件优越,浅层及中深层地热资源丰富,具有开发地热资源的天然优势。研究区涉及洛阳市孟津区西部,以及新安县、宜阳县东部,面积为296.22 km2,以往未开展过系统的地热调查、可行性勘查工作,地热地质研究水平较低。本文以常袋断裂带为研究对象,通过1∶50 000水文地质调查(草测)、微动测量、大地电磁测深法测量、井水样化验等方法,系统分析研究区的地热资源特征,论述常袋断裂带对研究区地热资源的控水控热作用,为研究区地热资源开发利用提供参考。

 

1研究区地质背景

研究区大地构造位置处于华北地台区的渑临台坳,黛眉—西沃隆褶断区与洛阳凹陷带的交接部位,西南邻义马凹陷带。构造线以北西、近东西和北东向为主。常袋断裂是黛眉—西沃隆褶断区与洛阳凹陷带的分界断裂。区内及周边的较大断裂主要有北西向的龙潭沟断裂,近东西向的麻屯—首阳山断裂,北东向的常袋断裂、孟津断裂、宜阳—孟州断裂等。常袋断裂是一条走向北东、倾向南东的正断层,倾角为66°~76°,落差在202~1 000 m,东北落差大,西南落差小,区内延伸约50 km。从东北的孟津县焦枝铁路黄河大桥附近,一直延伸至新安县南部,被龙潭沟断裂错断。常袋断裂在孟津县白鹤镇西部的曙光村、王良村等地表有出露,西侧为三叠系和尚沟组红色砂泥岩,东侧为新近系洛阳组灰~灰白色砾岩及砂泥岩。

 

2研究区地热地质特征

2.1边界条件

根据麻屯镇银溪湖西岸麻屯地热井资料及其他煤勘水文资料,研究区奥陶系以上地层含水性较差, 不能成为地热水有利储层,奥陶系和寒武系岩溶含水层为研究区主要热储层位。而常袋断裂以东奥陶系地层埋深推测为2 000~4 400 m,东部奥陶系以浅地层中有热少水,不利于地热开发,由此可见常袋断裂为研究区地热发育的东部边界。

依据洛阳市既有地热研究成果,洛阳市正常地温梯度为1.3~2.5℃/100 m,即地温梯度大于2.5℃/ 100 m为梯度异常区。从研究区地温梯度图上可看出,研究区地温梯度呈现自西北向东南逐渐增大、 向常袋断裂方向逐渐增大的趋势,因此将梯度值 2.6℃/100 m等值线作为研究区地热发育的西部及北部边界。

现有资料认为,研究区南部龙潭沟断裂为区域控热导热断裂,根据研究区地温梯度图,发现地温梯度值沿常袋断裂走向往龙潭沟断裂方向呈现递增趋势。因此,可将龙潭沟断裂作为研究区地热发育的南部边界。

 

2.2热储结构

2.2.1控热、导热断裂

龙潭沟断裂和首阳山断裂均为洛阳盆地区域性导热控热断裂;而常袋断裂在研究区内西南部与首阳山断裂交汇,在研究区南部磁涧镇一带与龙潭沟断裂交汇。研究区南部麻屯地热井的深度为2 139.90 m, 终孔层位为古近系地层,西距常袋断裂约800 m。测井资料显示井深2 120 m对应温度为74.24℃。全井地温梯度平均值为3.42℃/100 m,最高值达6℃/100 m,地温异常明显。且通过本次对区内民用机井水温的测量发现,区内机井水温大部分高于17.5℃ (按高于年平均气温2℃为水温异常计,即17.5℃为水温异常界线值),温度变化呈现东西低、中间高,北部低、南部高的特点。常袋断裂附近水温明显高于其他地区的水温。通过分析,发现研究区地热异常均围绕常袋断裂发育,可见常袋断裂为研究区主要控热导热断裂。

 

2.2.2盖层、储层

燕山运动早期,北西向控热断裂生成后,洛阳盆地经后期多次差异升降,接受了巨厚的新生代沉积, 形成了天然的地热保护层,使沿控热断裂破碎带上涌的热能受阻而不散失。分析既有调查资料,认为区内奥陶系以上地层含水性均差,为弱赋水性含水层, 仅寒武系—奥陶系灰岩为中等~强赋水性含水层。奥陶系含水层一般为浅部岩溶裂隙发育,富水性强,向深部变弱,富水性极不均匀,与寒武系岩溶裂隙含水层连续分布,二者往往存在很强的水力联系。据本次物探成果分析,由于受常袋断裂影响,控热断裂两侧岩性较为破碎,石炭系及以浅地层电阻率与围岩相比差异较小,说明含水性较差;石炭系以下,在常袋断裂附近出现明显的低阻现象,富水性变好,其中最为典型的富水位置位于L2线点号1 400~1 900区域及L3线点号1 120~1 600区域,这些区域的奥陶系和寒武系地层呈相对低阻反应,说明其有较好的富水条件,为相对可靠的富水区域。因此,对于研究区而言,最可靠的热储层为奥陶系及寒武系灰岩岩溶裂隙含水层,其上覆二叠系、三叠系及新生界地层为盖层。

 

2.3地温场特征

(1)地温梯度变化特征。常袋断裂西侧以往地质勘查47个钻孔测温资料以及麻屯地热井测温资料显示,研究区地温梯度介于2.37~3.50℃/100 m,新安县东部及东南部附近最高,横水镇附近最低,地温梯度变化呈现自西北向东南逐渐增加、向常袋断裂方向增大的特征。

 

(2)机井水温异常特征。本次共测得水温数据 391个,其中河流水温、提灌井水温以及60 m以浅的民用机井水温受季节、气温变化影响较大,不参与本次调查水温数据分析。剩余有代表性的机井水温数据 277个,水温整体介于16.1~23.0℃。水温介于16.1~ 17.0℃(不含)的机井有71眼,占总数的25.63%;水温介于17.0~17.5℃(不含)的机井有117眼,占总数的42.24%;水温在17.5℃以上的机井有89眼,占总数的32.13%。经分析,研究区内机井水温整体呈现东西低、中间高,北部低、南部高的特点,常袋断裂附近水温要明显高于其他地区。水温异常机井主要集中分布在研究区中北部以及南部边界处,分散于常袋断裂两侧。

 

(3)深部地温特征。对测温资料进行分析,发现埋深1 200 m时的地温与地温梯度有相似特征。埋深1 200 m时的地温介于41~54℃,新安县城东部及东南部附近最高,横水镇附近最低,地温变化呈现自西北向东南逐渐增加、向常袋断裂方向增大的特征。

综上,研究区存在一定的地温高异常,可能由岸上—襄郏断裂主导,常袋断裂、麻屯—首阳山断裂等深大断裂发挥导通作用,从而形成上述地温变化特征。

 

2.4水化学特征及水质评价

2.4.1水化学组分

根据Piper水化学类型三线图(图1)及舒卡列夫分类法对常袋断裂地下水的水化学类型和水化学组分进行分析,发现其呈现规律性变化。

 

从Piper水化学类型三线图看,水样点集中分布在阳离子Ca2 + 、Mg2 + 端元、阴离子HCO3-、SO 4 2- 端元附近,表明碳酸盐矿物和硫酸盐矿物溶解是研究区的主要水岩作用,为HCO3-和SO 4 2- 离子的主要来源,并且碳酸盐矿物溶解占主导地位。

结合舒卡列夫分类结果,可知研究区地下水为中性至弱碱性淡水,阴离子以HCO3-和SO 4 2- 为主,阳离子以Ca2 + 、Mg2 + 为主,Na+和K + 含量偏低。地下水的水化学类型以HCO3-Ca型、HCO 3 -Ca·Mg型为主,少部分水样SO42 - 或Na+含量偏高,表现为HCO3·SO 4 -Ca、 HCO3·SO 4 -Ca·Mg或HCO3-Ca·Na·Mg型水。

 

2.4.2水质状况分析

本次共化验分析民用机井水样18个。根据化验结果,18个水样水温度介于16.4~23.0℃,平均值为 19.7℃;溶解性固体质量浓度介于290.2~801.5 mg/L, 平均值为446.44 mg/L,为淡水;pH介于7.2~8.35,平均值为7.76,呈中性或弱碱性。根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017),J330、J394、J155、J146、J126 机井水样的偏硅酸质量浓度超过25 mg/L,达到饮用天然矿泉水标准,可定为偏硅酸型天然矿泉水。

 

3地热流体化学特征

3.1地热流体化学组分特征

地下水的某些特征组分及矿化度,可以作为寻找地下热水的标志。分析研究区18个机井水样水质全分析结果,水温高于17.5℃的水样水化学组分中,K+、Na + 、SO42 - 、SiO2、F-的区间值和平均值都偏高,说明地下热水已经通过断裂通道上涌至浅部, 地下热水水化学组分已经影响到了浅层地下水的水化学组分。Na+/K + 比值介于8/1~20/1,一般指示为重要地热田[4]。研究区水样中Na/K比值变化范围为7.76~30.94,其中J439和J330机井水样的Na+/K + 比值分别为14.95和16.80,意味着研究区存在地热水。

 

3.2热储温度预测

地热温标类型众多,常用的定量地球化学温标有SiO2温标(包括石英温标、玉髓温标)和阳离子温标(包括Na-K温标、K-Mg温标等),各种温标适用条件不同。

根据研究区的地热地质特征,结合麻屯地热井的深度、温度、地温梯度等数据,热储埋深较深处选用无蒸汽损失的石英温标,热储埋深较浅处选用玉髓温标计算热储基础温度。石英温标计算如式(1)所示,玉髓温标如式(2)所示。

 

式中:t———热储温度,℃;CS iO2———SiO2质量浓度,mg/L。

 

经计算,深部热储温度预计为49.55~85.64℃, 中部热储温度预计为17.03~54.63℃。研究区地温梯度处于2.37~3.5℃/100 m,设计成孔深度按2 000 m 计算,恒温带温度按17.5℃计算,则设计孔底温度为 63.48~85.4℃,平均温度为77.64℃,与石英温标计算结果相符。 4成因模式根据研究区特定的地质构造、地热资源特征及地热水的补给来源等方面,研究常袋断裂带地热田的成因机制。研究区地热田为常袋断裂控制的断裂深循环型地热田,属带状热储类型。常袋断裂提供导水与导热通道,来自地壳深部或上地幔的地热流体沿断层面上涌散逸,对沿途含水层加热,形成地热水;大气降水及盖层里的少量地下水沿断裂向下运移,对奥陶系、寒武系岩溶含水层水量进行补给。依据研究区地热特征建立以下概念模型:第四系、新近系、三叠系、二叠系以及石炭系地层合并为其盖层; 奥陶系、寒武系上统岩溶含水层为主要热储层;底部寒武系中、下统以及上元古界震旦系上统为基底,常袋断裂居中起导热导水作用。

 

5结论

对常袋断裂带地热资源特征及成因进行研究, 得出结论如下:①研究区为带状热储类型(断裂深循环型)地热,常袋断裂为研究区控热导热断裂,地下热水沿断裂通道从深部向地表运移,在盖层上方形成地热异常带,奥陶系和寒武系灰岩岩溶含水层为主要热储层位,其上覆石炭系至第四系地层为盖层; ②地温梯度值及地温均呈现自西北向东南逐渐增加、向常袋断裂方向增大的特征;③水温异常机井集中分布在研究区中北部以及南部边界处,分散于常袋断裂两侧;④地下水的水化学类型以HCO3-Ca型、 HCO3-Ca·Mg型为主;⑤研究区中部热储温度计算采用玉髓温标,预计为17.03~54.63℃,深层热储温度计算采用石英温标,预计为49.55~85.64℃,深部平均温度推测为77.64℃。