南阳盆地地热地质特征研究

2011-02-23韩国童张富有

地下水 2011年6期

韩国童，张富有，彭妮

(河南省地质测绘总院，河南郑州450006)

地热是一种新型清洁能源，同时也是可再生绿色环保能源，具有“热、矿、水”三种基本特征。它可广泛应用于发电、供热供暖、温泉洗浴、医疗保健、种植养殖、旅游等领域，因而地热资源的开发和利用具有光明的前途和可观的经济效益，受到世界各国的重视。位于河南省西南部的南阳盆地，地热成矿地质条件有利，热储层埋深适当，水量大，水温较高，充分开发本区域的地热资源，对改善生态环境、提高人民生活质量、促进经济社会可持续健康发展都具有重要意义。

1 区域地质背景

南阳盆地位于河南省西南部，北靠伏牛山，东扶桐柏山，西依秦岭，南临汉江，东界河南省泌阳县、桐柏县，南接湖北省襄樊市、郧阳地区，西与河南省淅川县相连。南阳盆地属秦岭地层区，该地层区断裂发育，特别是长期活动的深断裂十分发育，对各地质时期的沉积作用、岩浆活动和变质作用有着十分重要的控制作用，也影响着区域地下水的分布和富集。

1.1 地层

根据普查区地形地貌、钻孔揭露，结合水文地质物探测井资料，区域地层层序自下而上为中元古界定远组，新元古界耀岭河组，古生界下寒武统、中寒武统、上寒武统、下奥陶统、中奥陶统、下志留统、上志留统、中上泥盆统、下石炭统、上石炭统，中生界上白垩统，新生界古近系始新统、新近系，第四系下更新统、中更新统、上更新统、全新统。与地热资源有关的地层为主要为古近系、新近系和第四系。

1.1.1 古近系(E)

主要为廖庄组、核桃园组。主要岩性上部为紫红色泥岩夹粉砂岩，中部以灰色泥岩为主夹砂岩，下部为深灰色泥灰岩、泥岩、灰质砂岩不等厚互层夹油页岩及含油砂岩，厚762～2 700 m。

1.1.2 新近系(N)

主要为上寺组，岩性为红棕色砂质泥岩含砾岩。据钻孔揭露岩性为橄榄绿色、兰灰色及灰兰色泥岩、砂岩及含砾泥质粗砂岩，具细而清晰的水平层理，厚30～932 m。

1.1.3 第四系地层(Q)

主要为中粗砂或泥质砂砾石、细砂、粉细砂、粉砂、粘土质粉砂、粉质粘土、粘土等，厚约100 m。

1.2 构造

南阳盆地是燕山构造运动晚期形成的以古近系为主的中、新生代陆相断陷盆地，面积为 1.7×104km2［1］。盆地的基底岩石为太古代太华杂岩，沉积盖层主要有中—晚元古代官道口群、栾川群、汝阳群和洛峪群。盆地沉积层在中部较厚，最厚超过6 000 m，向盆地边缘渐薄。南阳盆地内呈两隆(师岗、新野凸起、唐河低凸起)、三凹(南阳、泌阳、襄枣断陷)基本构造格架［2］。其中南阳断陷、新野凸起和枣—襄断陷位于盆地的中部。

本区对中、新生代沉积特征起控制作用且与地热有密切关系的大型断裂有6条，各断层特征如表1所示。

表1 断层特征表

2 地热地质条件

2.1 热源

南阳盆地是河南省最大的一个山间盆地，地热系统属沉积盆地型［3］(传导型)。沉积盆地型是地球内的热能通过传导方式传递到地表，地表一般无地热显示，自恒温带以下温度随深度的增加而升高。南阳盆地热储类型属层状松散岩类孔隙热储。热源主要来自地壳深处及上地幔的传导热。根据物探资料，该区为莫霍面相对隆起区，可从地球内部向地表传导相对较高的热流，最有利于地下水升温。另外，靠近本区的6条断裂，有利于深部热量的传导和对流，对该区增温也起到了重要作用。

2.2 盖层

本区地热盖层为第四系、新近系上寺组、古近系廖庄组。第四系主要由粘土、砂质粘土和粉细砂组成;新近系上寺组主要由粘土、粉质粘土、砂质粘土、粉细砂构成;古近系廖庄组主要由泥岩、粉砂岩、泥岩组成。粘土、粉质粘土、砂质粘土、泥岩和粉砂岩单层厚度大，一般在10～37 m左右，热导率低，是良好的隔水层和不透水层，使热能得以保存和储集。视开采层段的不同，它们可单独也可共同构成热储层的盖层。本区第四系、新近系上寺组和古近系廖庄组地层的总厚度为550～1 200 m。

2.3 热储层

本区常被利用的有新近系上寺组、古近系廖庄组及古近系核桃园组一段三个热储层。

1)上寺组热储层:顶板埋深为78～220 m，底板埋深为550～1 200 m，地层厚度为50～300 m，热储累计厚度为30～150 m。含水层单层厚度为1～20 m，可采层数一般为22～24层。岩性以粉砂、中砂和细砂为主，含水丰富。孔隙度值相对较高，基本在27.6%左右，渗透系数平均值为0.412～0.82 m/d。热储层温度32～51℃，单井出水量为160～530 m3/d(降深20 m时)。

2)廖庄组热储层:顶板埋深为780～1 100 m，底板埋深为1 200～1 330 m，地层厚度330～550 m，热储层累计厚度为32～110 m，含水层单层厚度为1～20 m，可采层数一般为22～24层。岩性以粉砂岩、细砂岩为主，含水丰富。孔隙度值相对较高，基本在19.4% ～23.7%之间。单井出水量不详。

3)核桃园组一段热储层:顶板埋深为78～220 m，底板埋深为150～1 900 m，地层厚度为130～430 m，热储累计厚度为26～350 m。含水层单层厚度为1～20 m，可采层数一般为5～12层。岩性以细砂岩、中砂岩及粉砂岩为主，含水丰富。孔隙度值相对较高，基本在16.8～24.4%左右，渗透系数平均值为0.11～0.412 m/d。热储层温度40～74℃，单井出水量为162～460 m3/d(降深20 m时)。

2.4 传热导水通道

南阳盆地地热田内目前尚无大地热流测点，依据中国大陆地区大地热流值统计结果进行的构造分区，南阳盆地位于华北—东北构造区［4］，平均热流值为59～63 mw/m2，与全国平均值相接近，属正常地热区域。这意味着不存在深部高热背景，上部地壳不存在侵位的岩浆囊一类的高温热源，区域大地热流是本区的供热热源，在可及深度范围内(以3 000 m深度为准)，不具有高温地热资源形成的条件，属低温(25℃～90℃)地热资源。

赋存于新近系热储层中的地下热水，起源于大气降水。然而，普查区热储层埋藏较深，上部还有80～800 m厚的第四系覆盖层，新近系热储层不大可能直接接受大气降水的补给，而是通过侧向径流方式获取上游方向径流来的地下水的补给。赋存于古近系热储层中的地下热水，起源于山前大气降水入渗，通过地下水侧向径流和断裂带入渗后侧向径流方式获得补给。

3 南阳盆地地球物理特征

3.1 地温梯度特征

由本区钻孔地温点测资料及测井地温变化曲线可知:南阳盆地恒温带深度30 m，恒温带温度16.6℃。地温梯度是指恒温带以下单位深度内地温增加值，一般用℃/100 m表示。在不同地区，地温梯度值有很大的变化，地壳的近似平均地热梯度是每千米25℃，即2.5℃/100 m。一般地温梯度接近或者高于地温梯度平均值的地区称为地热异常区。地温梯度一般根据下式进行计算:

式中:T为地温梯度(℃/100m);Tm为孔底温度(℃)，如无孔底温度，可用井口水温代替;T0为恒温带温度(℃);Hm为孔深(m);H0为恒温带深度(m)。

依据区内地热井调查资料，结合恒温带温度，采用式(1)计算南阳盆地增温带地层的地温梯度值，计算成果见表2。

表2 南阳盆地地温梯度表

上述资料表明，南阳盆地地温梯度为1.5℃ ～3.9℃/100 m，1000 m 深度的温度达34.2℃ ～69.0℃，推测1 500 m 深度的地热温度达43.2℃ ～96.0℃。南阳盆地地层地温剃度平均为2.6℃/100 m，大于地壳的近似平均地温梯度2.5 C/100 m，表明该区存在地热异常。

3.2 岩石物理特性

钻孔揭露的地层热储岩石主要为砂岩。为了弄清热储岩石物理特性，在钻孔时采集了7组岩芯样做岩矿分析，分析项目为热导率、孔隙度和密度。测试结果见表3。

表3 岩石物理特性表

根据对岩石物理特性分析，热储含水层平均热导率为2.623 W/mK，平均颗粒密度为 2.677 g/cm3，平均孔隙度为21.98% 。

3.3 大地热流值特征

大地热流是地球内部热能传输至地表的一种现象。大地热流的量值称大地热流量，它是地热场最重要的表征，也是反映一个地区地温场基本特征的综合参数，是地球内热在地表可直接测得的唯一物理量。热流量是由岩石导热率和垂直地温梯度的乘积计算而来，即:

式中:q为大地热流值，mW/m2;λ为岩石热导率，W/mK;G为地温梯度，℃/100 m。

本区岩石导热率值取用砂岩热导率(2.623 W/mK)，地温梯度取用本区计算平均值(2.6℃/100 m)。计算地热田平均大地热流值为68.2 mW/m2，即1.6HFU，略高于地球表面平均热流量(1.2 ～1.4HFU)。

4 热储层地热水化学成分特征

4.1 上寺组

该地层地热水中主要阳离子为Na+，其含量为375.2～380 mg/L;主要阴离子为SO42－和HCO3－，其含量分别为197～717.4 mg/L 和 284～673.7 mg/L;水化学类型 SO4·HCO3—Na型。热水矿化度为1 363～1 828 mg/L，属盐水;pH 值为 7.96 ～8.10，属中性水;总硬度(以 CaCO3计)为144.97 ～255.8 mg/L，属硬水。

地热水中氟含量达到了命名矿水浓度，偏硅酸含量达到了有医疗价值浓度和矿水浓度，且水温较高，并含有铁、锰、锂和放射性元素等多种对人体有益的微量元素，对人体具有一定的疗保健作用，可作为供暖、医疗及洗浴等用水开发。地热水对金属有中等腐蚀性，结垢性弱，不易形成锅垢。

4.2 廖庄组

该地层地热水中主要阳离子为Na+，其含量为336～350 mg/L;主要阴离子为 Cl－和 HCO3－，其含量分别为 293.5～362.6 mg/L 和 249.8 ～356.9 mg/L;水化学类型 HCO3·Cl—Na型。热水矿化度为1 115～1 160 mg/L，属盐水;pH值为8.20 ～8.48，属中性水;总硬度(以 CaCO3计)为 74.6 ～75.54 mg/L，属硬水。

地热水水温较高，并含有铁、锰、锂和放射性元素等多种对人体有益的微量元素，对人体具有一定的疗保健作用，可作为供暖、医疗及洗浴等用水开发。地热水对金属有中等腐蚀性，结垢性弱，不易形成锅垢。

4.3 核桃园组

该地层地热水中主要阳离子为Na+，其含量为266～335 mg/L;主要阴离子为HCO3－和SO42－，其含量分别为249.8 ～356.9 mg/L 和 119.6 ～574.7 mg/L;水化学类型 HCO3·SO4—Na型。热水矿化度为1 110～1 235 mg/L，属盐水;pH值为 7.46 ～8.50，属中性水;总硬度(以 CaCO3计)为 74.5 ～369.2 mg/L，属硬水。

地热水中偏硅酸含量达到了有医疗价值浓度和矿水浓度，水温较高，并含有铁、锰、锂和放射性元素等多种对人体有益的微量元素，对人体具有一定的疗保健作用，可作为供暖、医疗及洗浴等用水开发。地热水对金属有中等腐蚀性，结垢性弱，不易形成锅垢。

5 热储模型

本区属层状松散岩类孔隙型低温地热田，热储模型图如图1所示。热储层在地球内部传导热作用下，从地球深部源源不断获得热能。赋存于新近系热储层中的地下热水，起源于大气降水。然而，普查区热储层埋藏较深，上部还有80～800 m厚的第四系覆盖层，新近系热储层不大可能直接接受大气降水的补给，而是通过侧向径流方式获取上游方向径流来的地下水的补给。模型中，以近似水平的兰色箭头表示新近系热储层获取侧向径流的补给。赋存于古近系热储层中的地下热水，起源于山前大气降水入渗，通过地下水侧向径流和断裂带入渗后侧向径流方式获得补给。上部第四系、新近系和古近系所含多层厚层粘土、粉砂、粉砂岩、泥岩，是非常好的隔水层和保温盖层，使热能得以保存和储集。