中國為實現“碳達峰、碳中和”目標,亟須低碳、 清潔、多元的現代能源體系,如風能、太陽能、地熱能等,其中,地熱能因具有高發(fā)電利用率而受到廣泛關注。地熱資源按照熱儲的溫度和埋深分為淺層地熱能、水熱型地熱能和干熱巖3種,其中, 水熱型地熱能作為目前主要的可利用資源,在地熱供暖、減排降碳方面越來越受到關注。河南省地熱資源豐富,并且利用較早,但主要以洗浴、康養(yǎng)等為目的溫泉開發(fā)為主,至20世紀90 年代末,基本未開展區(qū)域性地熱資源勘查工作。

20世紀初,地熱能作為“綠色能源”受到廣泛的重視,河南省開展了一系列以區(qū)域性及以重點城市為主的地熱地質勘查工作,但主要以熱儲條件較好、 分布穩(wěn)定的新近系砂巖熱儲為勘查目標,未能形成全面的、系統(tǒng)的摸底排查,并且勘查精度低,并沒有改變地熱資源儲量不明的狀態(tài),在找熱方向、找熱效果方面尚未有重大突破。

2010年以來河南省財政共安排地熱地質調查項目超過20多項,對中深層地熱資源的分布規(guī)律和賦存條件以及產水量有了進一步的了解,基本查明了河南省地熱資源情況,估算全省新近系地熱資源量830×101 5kJ,古近系地熱資源量1 500×10 15kJ, 地熱可采流體量為9.15×108m 3/a。在經濟條件較好的豫北、豫中地區(qū)如鄭州、開封、商丘等城市,地熱資源勘查、開發(fā)程度目前已相對較高(已采量與可采量比值大于0.73),但在豫南地區(qū)如周口、駐馬店、南陽等低開采區(qū)(已采量與可采量比值小于 0.05),地熱資源勘查程度相對較低,研究工作表現為面多點少,資源情況仍不明確,尤其在城區(qū)供暖需求迫切地區(qū),針對熱儲層的評價更少,難滿足產業(yè)化、規(guī)?；?a href="http://www.yzjxyxgs.com/t/開發(fā).html" >開發(fā)的需要。

現基于駐馬店地區(qū)的區(qū)域地質特征,在大量收集南華北盆地和泌陽凹陷油區(qū)的二維、三維地震資料、油氣井數據(鉆井、測井、錄井等)的基礎上,結合地勘井資料和現有地熱井鉆探開發(fā)成果,對駐馬店市全區(qū)開展中深層地熱資源潛力評價,系統(tǒng)論述影響該區(qū)熱儲成因的地熱地質背景、熱儲特征、地溫場特征、水化學性質等地熱地質條件,評價了全區(qū)地熱資源開發(fā)潛力,指出地熱資源潛在有利區(qū), 為該區(qū)中深層地熱資源開發(fā)提供地質依據。

1 區(qū)域地質概況

駐馬店市轄1區(qū)9縣,面積15 000 km2,西部被伏牛山東南延和桐柏山西延余脈分隔,橫跨南陽盆地東緣和淮北平原。構造位置主體位于南華北盆地周口坳陷的舞陽凹陷、平輿—太和凸起、駐馬店—淮濱凹陷和豫西—長山隆起、南襄盆地東部的泌陽凹陷。其中確山、正陽位于豫西—長山隆起區(qū),基巖出露蓋層不發(fā)育導致地熱資源形成條件受限,而其他地區(qū)地熱資源開發(fā)潛力較大。其中驛城區(qū)(中西部)位于板橋凹陷,西平、上蔡縣位于舞陽凹陷,遂平(西)、平輿、新蔡位于平輿—太和凸起,汝南、遂平(東)及驛城區(qū)(東部) 位于駐馬店—淮濱凹陷,泌陽縣則位于泌陽凹陷東北部,均發(fā)育沉積盆地型地熱資源(圖1)。

區(qū)域性的深大斷裂不僅控制構造格局及沉積演化,也是主要的控熱斷裂[ 16]。影響駐馬店地區(qū)的深大斷裂主要有NW走向的駐馬店—息縣斷裂、舞陽斷裂,NE走向的泌陽—栗園斷裂、臨泉斷裂。其中,駐馬店—息縣斷裂是駐馬店—淮濱凹陷的西南和平輿凸起西北部邊界斷層,屬區(qū)域活動性斷裂,該斷裂全長120 km,斷距大于1 000 m,斷裂下盤為淺山丘陵、 山前崗地或隱伏崗地,上盤自燕山運動以來一直處于長期沉降狀態(tài),新生界厚度多在1 000~2 000 m,為駐馬店—淮濱凹陷地熱資源的形成與賦存提供了極為有利的條件[ 17-18][圖2(a)中A′-A剖面]。舞陽斷裂為舞陽凹陷南部邊界斷層,與平輿凸起相接,由葉縣田莊以東、舞陽辛店、西平譚店向南東延展,傾向北東,該斷裂全長90 km,傾角65°~80°,斷距300~1 500 m[ 19],為區(qū)域繼承性活動斷裂,形成時間較早, 控制著中新生代以來的構造及沉積[圖2(b)中B′ B′剖面]。臨泉斷裂為臨泉凹陷北界,全長80 km, 為犁式滑脫正斷層,控制臨泉凹陷發(fā)展的主要斷層,其形成時間較晚,喜山期活動強烈,斷層上延至新近系,主要控制新生代構造及沉積,控水作用不明顯[圖2(c)中C′-C剖面]。泌陽—栗園斷裂是泌陽凹陷東緣邊界基底大斷裂,屬區(qū)域活動性斷裂, 該斷裂走向由南段的北北東向轉為北段的北東東向,傾向北西,延伸長度3 1 km,最大斷距8 km以上,斷層傾角上緩下陡,平面上呈弧形延伸,泌陽城區(qū)臨近栗園—泌陽斷層的北部,地熱資源受該斷裂控制作用明顯[圖2(d)中D′-D剖面]。

駐馬店中東部地區(qū)主體位于淮河平原,西部泌陽縣緊鄰南陽盆地東側,該區(qū)主要發(fā)育地層從上到下有第四系、上第三系、下第三系、白堊-侏羅系、古石炭-二疊系、寒武-奧陶系、元古界、太古界。駐馬店地區(qū)主要發(fā)育兩種類型熱儲:一是新生界砂巖孔隙型熱儲,二是寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲(圖2)。

2 熱儲特征

由表1可知,駐馬店地區(qū)地熱井鉆探較多,主要集中在上蔡縣城區(qū),其他如新蔡、汝南、驛城區(qū)、遂平、泌陽城區(qū)也有少量地熱井鉆探,但多以新生界砂巖熱儲為勘探目標,只有WT1井在舞陽凹陷內揭露寒武-奧陶系熱儲,顯示涌水量較大、溫度較高。

通過收集該區(qū)已有地質、鉆井資料,初步查明地熱地質特征,熱儲類型分為砂巖孔隙型層狀熱儲和碳酸鹽巖巖溶熱儲兩種類型,其中砂巖孔隙型層狀熱儲包括新近系和古近系兩套熱儲。

2.1 新近系砂巖熱儲

新近系砂巖層狀熱儲分布范圍較廣,呈毯式覆蓋分布于各凹陷、凸起之上,沉積中心位于周口地區(qū),地層厚度超過2 000 m。駐馬店地區(qū)殘余地層厚度介于0~1 800 m,自北東向南西逐漸減薄。構造分析結果顯示上蔡西北部埋深最大,超過1 800 m, 西平、平輿東北部埋深也超過1 300 m。從各區(qū)縣城區(qū)來看,西平、上蔡、平輿、新蔡城區(qū)新近系底界埋深介于900~1 100 m,汝南縣城區(qū)埋深700~750 m,其他區(qū)縣城區(qū)埋深均小于500 m或地層缺失(圖3)。 該區(qū)有多口井(上蔡地區(qū)地熱井、汝熱1、新熱1、平熱 1井)鉆遇該套熱儲,巖性為細砂、中砂、中粗砂巖,底部發(fā)育一套厚層礫巖,熱儲層厚80~150 m,單砂層最厚可達25 m,平均10 m左右,孔隙度15%~30%。

該套熱儲出水溫度38~45℃,涌水量30~95.9 m3/h (新熱1井),為優(yōu)質低溫溫水、溫熱水砂巖熱儲。

2.2 古近系砂巖熱儲

古近系砂巖層狀熱儲主要受新生代構造格架控制,駐馬店地區(qū)古近系地層主要分布在舞陽、駐馬店—淮濱、臨泉、板橋和泌陽等各次凹內(圖1)。 該套熱儲殘余地層厚度0~2 000 m,其中驛城區(qū)西部、汝南縣區(qū)及泌陽凹陷南部地厚度均超過2 000 m,遂平地區(qū)地層厚度接近500 m,其他地區(qū)如西平、上蔡、新蔡地層厚度則小于200 m,而在確山、平輿、正陽地區(qū)該套地層缺失(圖4)。綜合構造分析表明驛城區(qū)埋深最大,超過2 500 m,次為汝南縣城區(qū)埋深也接近2 000 m,泌陽城區(qū)南部埋深也超過1 900 m,除確山、正陽及遂平縣西部埋深較淺或地層缺失外,其他縣城區(qū)埋深均在1 000~1 800 m。從鉆遇該套熱儲較厚的駐熱1井、上熱1井、遂熱1井、假日廣場溫泉井看,熱儲平面和縱向上巖性變化較大,其中板橋凹陷的驛城區(qū)和泌陽凹陷泌陽縣城區(qū)因靠近物源,熱儲巖性以中厚層細砂巖、中砂巖為主,而遂平、汝南等地區(qū)則為遠源薄層粉細砂巖為主, 熱儲厚度小于100 m。統(tǒng)計表明,該套熱儲層厚度 50~350 m,其中驛城區(qū)西部熱儲厚度超過350 m,泌陽、汝南地區(qū)熱儲厚度也超過150 m,遂平地區(qū)該套熱儲層厚近100 m,而平輿凸起上如西平、上蔡、新蔡熱儲厚度普遍小于50 m。古近系熱儲層單砂層厚度 1.5~19 m,平均4 m左右,孔隙度15%~25%。該套熱儲出水溫度43~60℃,涌水量14~60 m3/h, 為低溫溫熱水砂巖熱儲。

2.3 寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲

駐馬店地區(qū)寒武-奧陶系熱儲主要分布在舞陽凹陷南部、駐馬店—淮濱及臨泉凹陷內,其中駐馬店中南部地區(qū)殘余地層厚度最大,如新蔡地區(qū)厚度超過1 000 m,駐馬店北部西平地區(qū)地層厚度介于 0~600 m,并且自北向南逐漸減薄,驛城區(qū)、遂平、汝南、新蔡、正陽地區(qū)該套地層殘余大于800 m,其他地區(qū)如西平南部、上蔡、平輿、確山和泌陽城區(qū)該套熱儲缺失(圖5)。綜合構造分析認為驛城區(qū)東部埋深最大,超過3 500 m,其次為新蔡縣城區(qū),埋深超過 3 300 m,汝南縣城區(qū)西部埋深也超過2 800 m,西平城區(qū)北部埋深1 600 m,但厚度不足200 m,正陽城區(qū)埋深則小于500 m。從鉆遇該套熱儲較厚的WT1 井、皖亳地1井看,熱儲巖性以白云質灰?guī)r、灰?guī)r為主,由于該套熱儲經歷多期抬升剝蝕事件,遭受了廣泛而強烈的剝蝕,受風化淋濾和溶蝕作用影響,碳酸鹽巖中產生了大量溶蝕孔縫,具有較好的熱儲形成條件。該套熱儲平均孔隙度1.21%~2.79%, 出水溫度超過80℃,涌為量60~75 m3/h,為低溫熱水碳酸鹽巖巖溶熱儲。

3 地溫場特征

地溫梯度變化與活動性深大斷裂以及基巖埋深有關,斷裂帶附近或基巖埋深較淺的負向構造地溫梯度相對較高,反之則呈現低地溫梯度。駐馬店地區(qū)位于華北準地臺南緣,以欒川—確山—固始深大斷裂為界與秦嶺褶皺系相鄰,該區(qū)發(fā)育大量北西向深大斷裂,并且斷裂具有規(guī)模大、切割深、活動時期長等特征。區(qū)域地溫梯度研究表明,該區(qū)地溫梯度介于2.0~2.5℃/100 m,但大量鉆井證實,該區(qū)地溫梯度介于2.8~3.3℃/100 m,明顯高于該區(qū)域背景值。甚至在汝南、遂平等深大斷裂發(fā)育區(qū),局部地溫梯度超過3.8℃/100 m。駐馬店中東部地區(qū)新近系、古近系地溫梯度一般介于3.1~3.3℃/100 m。

駐馬店西南部地區(qū)如泌陽凹陷地溫梯度介于 2.8~4.0℃/100 m,并且地溫場與凹陷正向構造具有一致性特征,地溫梯度整體隨著埋深增大而逐漸減小,平面上呈現由北向南減小的趨勢。從泌陽縣城區(qū)實鉆地熱井假日廣場溫泉井來看,其古近系地溫梯度為2.8℃/100 m,明顯低于油區(qū)區(qū)域背景值,推測可能與靠近豫西長山隆起區(qū)有關。

4 水化學特征

共收集水樣7組,其中新近系水樣3組,古近系水樣2組,寒武-奧陶系水樣1組,另外還收集到地表徑流水樣1組。根據水化學組分測試結果,駐馬店地區(qū)均為弱堿性水,其中新近系水化學類型為 HCO3-Na型,主要陽離子是Na+,平均含量1 83.5~342.3 mg/L,主要陰離子是HCO-3,平均含量 292.6~544.7 mg/L,溶解性總固體(TDS)含量為 540.5~639.1 mg/L,與地表淺層水基本相同,屬于淡水;古近系水化學類型為SO4-Na型,主要陽離子是Na+,平均含量955.2 mg/L,主要陰離子是SO 2- 4, 平均含量1 840 mg/L,TDS含量為3 328.9 mg/L,屬于微咸水;上熱1井水樣表現為新近系和古近系混合水樣特征,其水樣化學組分界于兩者之間;寒武-奧陶系水化學類型為SO4-Na、Cl·SO 4-Na型,TDS含量為3 980~6 541 mg/L,屬于咸水。

根據遂熱1井、汝熱1井、上熱1井、平熱1井和淺層地層水的地熱流體同位素δ2D、δ 18O測試分析,遂平、汝南和上蔡、平輿、新蔡地熱流體均來源于大氣降水。14C地熱流體年齡測定表明,駐馬店地區(qū)新生界地層水形成齡26~44 ka,屬次現代水,并且距伏牛山區(qū)補給區(qū)越遠,其地熱水形成年齡越大,說明側向徑流是主要天然補給方式。

5 地熱資源開發(fā)潛力

5.1 地熱資源潛力

駐馬店地區(qū)以確山—固始深大斷裂為邊界,向西、南、東、北為無限開放的含水系統(tǒng)。其補給來源主要是北西走向伏牛山東西兩側山前地帶,主要自然排泄方式是向東、向西的徑流排泄。

駐馬店地區(qū)主要發(fā)育新近系砂巖、古近系砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽巖三套層狀熱儲,其中驛城區(qū)、新蔡縣、汝南縣、遂平縣、西平縣城區(qū)三套熱儲均有發(fā)育,上蔡縣城區(qū)則發(fā)育新近系和古近系砂巖兩套砂巖熱儲,平輿縣城區(qū)和泌陽縣城區(qū)分別只發(fā)育新近系熱儲和古近系熱儲,其他縣城區(qū)如確山、 正陽縣城區(qū)地熱資源不發(fā)育。

在對駐馬店區(qū)域地質背景和地熱地質特征研究的基礎上,按照地礦部1985年發(fā)布的《地熱資源評價方法》(DZ40-85)規(guī)范中地熱能儲量計算方法和參數,采用熱儲法估算了駐馬店地區(qū)地熱靜態(tài)資源量,其中分兩類地熱資源三套熱儲分別估算。

新近系砂巖熱儲靜態(tài)資源量。駐馬店新近系砂巖熱儲分布面積4 200 km2,平均厚度120 m,平均埋深900 m,平均熱水溫度43℃,靜態(tài)資源量為35.6×101 5kJ,折合標準煤12.1×10 8t,水量1 260× 108m 3。按可采系數20%計算,可采資源量7.1×101 5kJ,折合標準煤2.4×10 8t。

古近系砂巖熱儲靜態(tài)資源量。駐馬店古近系砂巖熱儲分布面積6 400 km2,平均厚度100 m,平均埋深1 400 m,平均熱水溫度56℃,靜態(tài)資源量為62.0×101 5kJ,折合標準煤21.2×10 8t,水量1 152× 108m 3。按可采系數20%計算,可采資源量12.4×101 5kJ,折合標準煤4.2×10 8t。

寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲靜態(tài)資源量。駐馬店寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲分布面積550 km2,平均厚度200 m,平均埋深2 950 m,平均熱水溫度75℃,靜態(tài)資源量為17.4×101 5kJ,折合標準煤 5.9×108t,水量22.0×10 8m 3。按可采系數20%計算,可采資源量3.5×101 5kJ,折合標準煤1.2×10 8t。駐馬店地區(qū)地熱資源量較大,總靜態(tài)資源量約為115×101 5kJ,折合標準煤39×10 8t,水量2 434×10 8m 3?？刹少Y源量23×101 5kJ,折合標準煤7.8×10 8t。

5.2 地熱資源有利區(qū)評價

駐馬店地區(qū)發(fā)育新近系、古近系砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖3套層狀熱儲。其中華北地區(qū)新近系砂巖層狀熱儲,為區(qū)域含水層,熱儲物性條件較好,產水量大,其底界埋深決定了地層厚度和溫度, 因此有利區(qū)劃分主要參考地層埋深;古近系砂巖熱儲主要受控于局部構造,其有利區(qū)劃分主要考慮熱儲頂面埋深、巖性及地層厚度;寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲分布范圍主要受控于沉積環(huán)境,有利區(qū)劃分影響因素主要是厚度及埋深。這里以熱儲埋深、熱儲厚度、涌水量和出水溫度為主要技術指標,兼顧儲層物性、斷裂展布、補給條件、熱傳遞方式和熱儲規(guī)模等因素,結合該區(qū)實際地熱地質特征,將駐馬店地區(qū)按不同熱儲類型劃分為Ⅰ類區(qū)、Ⅱ類區(qū)和Ⅲ 類區(qū)(圖6)。

(1)地熱資源Ⅰ類區(qū)。砂巖熱儲底界埋深大于 1 500 m,地層厚度大于1 000 m,平均水溫大于60 ℃;碳酸鹽巖熱儲埋深1 500~2 500 m,平均水溫 60~80℃,熱儲物性好,單井涌水量大于60 m3/h。Ⅰ類區(qū)主要分布在駐馬店市東北部(新近系砂巖熱儲)、驛城區(qū)中西部地區(qū)(古近系砂巖熱儲),總面積約1 660 km2,其中驛城區(qū)中西部的古近系熱儲最具開發(fā)潛力。

(2)地熱資源Ⅱ類區(qū)。砂巖熱儲底界埋深 800~1 500 m,地層厚度500~1 000 m,平均水溫40~60℃;碳酸鹽巖熱儲埋深800~1 500 m或 2 500~3 000 m,平均水溫40~60℃或80~90℃。 熱儲物性較好,單井涌水量大于30~60 m3/h。Ⅱ 類區(qū)主要分布在駐馬店市中東部地區(qū)(新近系砂巖熱儲)、泌陽城區(qū)中南部(古近系砂巖熱儲)和汝南東部及平輿南部(寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲),總面積約5 240 km2,其中西平、上蔡、汝南、平輿、新蔡、泌陽縣城區(qū)均具地熱開發(fā)條件,但泌陽縣城區(qū)古近系、新蔡縣城區(qū)新近系砂巖熱儲和汝南縣城區(qū)碳酸鹽巖熱儲最具開發(fā)潛力。

地熱資源Ⅲ類區(qū)。砂巖熱儲底界埋深500~ 800 m,地層厚度大于500 m,平均水溫30~40℃;碳酸鹽巖熱儲埋深500~800 m或大于3 000 m,平均水溫40~60℃或大于90℃。熱儲物性一般,單井涌水量小于30 m3/h。Ⅲ類區(qū)主要分布在駐馬店市中東部地區(qū)(古近系砂巖熱儲和寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲),總面積約4 420 km2,其中遂平、汝南、新蔡縣城區(qū)古近系具有一定的地熱開發(fā)前景。

6 結論

(1)駐馬店地區(qū)位于周口坳陷西南部的舞陽凹陷、駐馬店—準濱凹陷、平輿凸起、長山隆起區(qū)和南襄盆地東部的泌陽凹陷5個二級構造單元。

(2)駐馬店地區(qū)除正陽、確山縣位于長山隆起區(qū)地熱地質條件較差外,其余地區(qū)均具有一定的地熱資源開發(fā)條件,該區(qū)發(fā)育新近系、古近系砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽3套層狀熱儲,總靜態(tài)資源量約為1 15×101 5kJ,水量為2 434×10 8m 3。

(3)依據熱儲埋深、熱儲厚度、涌水量為主要技術指標,綜合評價駐馬店市泌陽縣城區(qū)和驛城區(qū)西部的古近系、新蔡縣城區(qū)新近系和汝南縣城區(qū)寒武- 奧陶系碳酸鹽巖熱儲為最有利地熱資源開發(fā)目標區(qū)。