永城市寒武奧陶系地熱資源賦存特征

李華坤

（河南省第四地質礦產調查院有限公司，鄭州 450000）

永城市是河南省轄縣級市，由商丘市代管。永城市位于河南省東部，地處河南省與安徽省交界處，擁有豐富的地熱資源[1-2]，尤其是寒武奧陶系地層。隴海、京滬、京九、徐阜四大鐵路干線在永城市四周環繞，連霍高速、永登高速東西貫穿全境，濟祁高速自北向南與連霍高速、永登高速成工字形相交，交通發達。永城市屬于黃淮沖積平原區，十八里鎮至芒山鎮一帶屬黃河沖積平原地貌單元，南部龍崗鎮和馬橋鎮屬淮河沖積平原地貌單元。地勢開闊，西高東低，平均海拔為31.9 m。地熱資源是一種可再生能源，是未來能源供應的重要組成部分。淺層地熱能可經熱泵系統采集提取后用于建筑供熱（冷）。隨著永城市城鎮化建設的推進，居民供暖需求日益增加。利用淺層地熱能，不僅能降低供暖能耗，也減少傳統供熱帶來的燃煤污染[3-6]。因此，有必要結合區域地質背景，分析地熱地質特征，計算地熱資源儲量，從而明確寒武奧陶系地熱資源賦存特征，推進地熱資源可持續開發利用。

1 區域地質背景

1.1 地層

地層分區屬華北地層區魯西分區徐州小區，其地層展布特征整體上與永城背斜基本一致，兩翼有一定的變化。研究區地層自下而上依次為震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系。震旦系鉆孔揭露厚度為83.51 m，為肉紅色花崗巖夾石英砂巖及片巖和深灰色變質砂泥巖。寒武系為主要的熱儲層段，地層沉積齊全。它僅在芒山鎮及柏山有出露，隱伏分布于背斜兩側，地層厚度為730～1 101 m。下統厚度為251～290 m，以灰巖和灰質白云巖為主。中統厚度為322～488 m，上部灰色白云巖為熱水賦存段，厚度為178～221 m；中下部為淺灰色白云質灰巖、生物碎屑灰巖等。上統厚度為157～323 m，為中厚層狀灰巖及白云巖。奧陶系僅分布有下統和中統，厚度為325～602 m。下統為白云質灰巖及灰巖夾泥巖。中統為白云巖夾泥質灰巖。石炭系僅分布有石炭系上統，缺失下統。厚度為6～30 m，巖性為鋁土質泥巖及黑色泥巖夾鐵鋁層。二疊系總厚度介于573.24～1 423.71 m，永城背斜兩側廣泛分布，面積約為1 500 km2。下統含一煤組和二煤組，中統含三煤組、四煤組、五煤組和六煤組，上統含七煤組和八煤組。新近系厚度為233～287 m，巖性為砂層、雜色黏土、亞黏土、次生碳酸鹽巖等，底部呈半固結狀。第四系厚度為17.0～460.3 m，背斜軸部薄，兩翼厚度大。巖性為雜色黏土、粉細砂，含鈣質結核。

1.2 構造

永城市地處中朝準地臺魯西臺隆西緣次級構造單元永城斷陷褶皺帶上，八里莊斷層（焦作-商丘深大斷裂的東延部分）將區域劃分為南北兩個構造單元。北部為軸向北西西的芒山背斜，南翼被八里莊斷層切割，北翼完整。八里莊斷層以南為軸向近南北的永城隱伏復式背斜，兩翼延展較遠，且發育北北東向緊閉的小型背斜和寬緩向斜，伴隨發育北東東向高角度正斷層和北西向正斷層。深大斷裂為控熱構造，次級斷層為導熱構造。研究區內落差大于500 m 的有11 條，小于500 m 的有19 條，較小斷層也比較發育。永城背斜軸部外多是煤系地層，區內巖漿巖比較發育，以花崗巖、輝（長）巖及閃長（玢）巖為主。奧陶系及煤系地層侵入的為輝長巖及閃長巖類。巖漿巖多呈巖脈、巖席狀產出。

1.3 熱儲類型

根據成因類型、熱儲模式、儲層時代、分布及儲水介質特征，研究區內熱儲類型主要為新近系孔隙裂隙熱儲與寒武奧陶系灰巖巖溶裂隙熱儲。一是新近系孔隙裂隙熱儲。該熱儲層分布于整個研究區，東薄西厚，熱儲巖性為粉細中粒砂巖和含礫砂巖，砂巖孔隙度為25.5%～40.5%。二是寒武奧陶系灰巖巖溶裂隙熱儲。熱儲層巖性主要為奧陶系灰巖和寒武系白云質灰巖、白云巖，頂板埋深為100～1 960 m，參考永城市地熱資源調查資料，水化學類型為SO4-Ca·Na型和SO4·HCO3-Na·Ca 型。

2 地熱地質特征

研究區熱儲層巖溶和裂隙發育具有水平分帶性，其在灰巖面以下廣泛發育，溶洞直徑一般為1 m 左右，最大為4 m，蜂窩狀溶洞十分發育。熱儲層灰巖質純且致密、性脆，多組交錯裂隙發育，脈寬不等，并充填方解石脈。永城市區內地熱流體在背斜軸部埋深較小，兩翼埋藏漸深，儲水層具承壓性，與上覆松散孔隙含水層無水力聯系。水位受動態開采影響而變化，呈下降趨勢，每年下降1.7 m 左右。

2.1 地熱流體化學特征

根據鉆孔化驗成果，按舒卡列夫分類法進行分類。地熱流體的水化學類型為SO4-Ca·Na 型，總硬度為1 171.0～1 671.5 mg/L，pH 為7.3～8.1，溶解總固體濃度為2 798.79～3 465.80 mg/L，偏硅酸濃度為20.8～23.4 mg/L。它屬弱堿性特硬水。如表1所示，深度690～860 m 的含水層和900 m 以深的含水層水化學類型基本一致，水化學成分變化較小，這說明含水層在垂直方向上有水力聯系。對比鉆孔與上覆松散層含水層的水質特征，鉆孔溶解總固體、K+、Na+、Cl-、SO42-等的濃度呈現增大的趨勢，而HCO3-濃度則呈現減小趨勢，除NO3-與HCO3-較低外，其余離子含量均較高。

表1 鉆孔地熱水分析成果

氘（D）是氫元素的穩定同位素，18O 是氧元素的穩定同位素。地熱流體中，D 含量不隨時間變化而出現衰變，也不會蒸發分餾，即不受地層影響；18O 含量受補給源元素、氣候、水滲流等因素影響而發生變化。由于相態轉變、與地層中的元素發生交換作用，同位素會在水蒸發時富集，凝結時貧化。

2.2 熱儲特征

地熱資源的成因模式有傳導型和對流型兩種。永城市寒武奧陶系賦存大量地熱資源，受埋藏深度的影響，深部熱源向上傳導而影響熱儲層，地熱資源的成因模式是傳導型。永城市寒武奧陶系熱儲層為溶蝕裂隙熱儲，其成因模式為傳導型。熱儲層為灰巖、白云質灰巖和白云巖等，裂隙和溶洞發育，充填方解石脈及晶體。寒武奧陶系埋深在665～1 198 m，熱儲層厚度為350 m 左右。地熱井監測數據顯示，熱水水溫為31.6 ℃左右，單位涌水量最大為342 m3/（d·m），滲透系數為0.35 m/d 左右，水化學類型以SO4-Ca·Na 型為主。研究區恒溫帶深度約為23 m，溫度為16.5 ℃。恒溫帶以下，平均地溫梯度為1.42 ℃/100 m。

3 地熱資源儲量計算

本次評價以地熱流體積存量為基礎，計算可采量，而不考慮地熱流體資源動態補給量。地熱流體開采年限以100年計算。僅對永城市背斜軸部121 km2的面積進行評價，背斜兩翼暫不考慮。根據地質構造、熱儲結構及熱儲埋藏分布特征，將熱儲層分為Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區。Ⅰ區面積為40.74 km2，占比為33.70%；Ⅱ區面積為48.33 km2，占比為39.98%；Ⅲ區面積為31.82 km2，占比為26.32%。

3.1 主要計算參數

一是地熱井參數。地熱井深度為1 280.96 m，取水段埋深為665.45～1 197.45 m，利用厚度為350 m，其為承壓完整井，靜水位為62.44 m。二是水文地質基本參數。通過抽水試驗和回灌試驗，采用裘布依公式和吉哈爾經驗公式獲取滲透系數，其滲透系數為0.24 m/d。開展承壓完整井非穩定流抽水試驗，根據降深及時間數據，繪制關系曲線，利用雅柯布近似公式求取彈性釋水系數，鉆孔彈性釋水系數為4.359×10-3。熱參數主要有熱儲幾何參數、熱儲物理性質參數、熱儲滲透性和貯存能力參數等，熱參數值如表2所示。

表2 熱儲法計算參數

3.2 計算結果

選用熱儲法計算地熱儲量，熱儲層儲存的熱量為4 124 億GJ，熱儲層儲存的水量為49 050 億m3，水儲存熱量為4 106 億GJ，巖石儲存熱量為17.27 億GJ。地熱資源儲量如表3所示。采用最大允許降深法計算（允許降深100 m），地熱流體可開采量為51.8 萬m3/a，可采量產能為1 271.85 kW，可利用熱能為6.68×107MJ，折合標準煤2 279.52 t/a。

表3 地熱資源儲量計算結果

4 結論

根據鉆孔水質檢測結果，熱水中氟離子含量（3.2 mg/L）達到命名礦泉水的標準，它具有一定醫療價值，可作為理療熱礦水。盡管鋰、鍶、鋅、溶解性總固體含量達到飲用天然礦泉水標準，但濁度不符合感官要求，氟化物含量超過相關標準，因此不能作為飲用天然礦泉水，經處理后可作為灌溉用水及漁業用水。本研究僅選擇永城市背斜軸部寒武奧陶系地層開展地熱資源評價，初步了解寒武奧陶系熱儲層埋深、厚度、巖性和賦水條件。經確定，熱儲區為層狀與帶狀混合熱儲，水化學類型為SO4-Ca·Na 型，屬特硬的弱堿性水，可作為理療熱礦水、農業灌溉用水和漁業用水等。未來，應加快開展地熱資源勘查，盡早全面評價區域地熱地質特征，為開發利用提供決策依據。