0前言

2023年10月《鄭州都市圈發(fā)展規(guī)劃》正式獲國(guó)家發(fā)展改革委復(fù)函,為河南省的經(jīng)濟(jì)再次崛起提供了新的契機(jī),同時(shí)也提出了新的挑戰(zhàn)———“如何既滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)資源的巨大需求,又能保障生態(tài)安全,應(yīng)對(duì)資源短缺、環(huán)境污染等,保護(hù)并擴(kuò)大綠色生態(tài)空間”。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)大量地質(zhì)研究成果的搜集梳理,對(duì)鄭州市地?zé)豳Y源類型、分布及其資源量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。闡明了鄭州市地?zé)嵯到y(tǒng)類型,刻畫了鄭州市熱儲(chǔ)平面展布特征,劃分了鄭州市地?zé)?/a>分區(qū),最后分區(qū)評(píng)價(jià)計(jì)算了鄭州市地?zé)豳Y源量。

1區(qū)域構(gòu)造與地層

鄭州市位于華北地臺(tái)南部邊緣黃淮中斷坳內(nèi), 南部嵩山-新鄭一帶為嵩箕臺(tái)隆區(qū)嵩箕穹褶斷束, 北部為洛陽(yáng)-開(kāi)封臺(tái)陷區(qū),洛陽(yáng)-開(kāi)封臺(tái)陷又可劃分為鄭州斷階、沁陽(yáng)臺(tái)凹、開(kāi)封臺(tái)凹、新鞏臺(tái)穹、澠池臺(tái)凹。鄭州市屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū),具明顯的基底和蓋層二元結(jié)構(gòu),基底由太古界-下元古界構(gòu)成。蓋層由中元古界-新生界組成,各時(shí)代地層的巖相及厚度穩(wěn)定,地層序列清楚,地層褶皺微弱,基本未受區(qū)域變質(zhì)。

2地?zé)嵯到y(tǒng)類型

根據(jù)地質(zhì)環(huán)境、熱儲(chǔ)能量傳遞方式,鄭州市地?zé)?/a>類型可劃分為2種:斷裂對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)和盆地熱傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)。

2.1斷裂對(duì)流型地?zé)?/a>系統(tǒng)

主要分布于嵩箕臺(tái)隆地區(qū),主要有嵩山背斜北翼滎鞏煤田區(qū)、新密向斜新密—新鄭煤田區(qū)兩大斷裂對(duì)流型地?zé)?/a>系統(tǒng),分別以鄭州西南三李溫泉地?zé)崽?/a>和新鄭市區(qū)西部新鄭礦區(qū)地?zé)崽?/a>為代表。

三李地?zé)崽?/a>位于嵩山復(fù)背斜東傾末端東北翼, 嵩山復(fù)背斜東段軸部出露地層為寒武系-奧陶系碳酸鹽巖,巖溶發(fā)育,接受地下水入滲補(bǔ)給,形成巖溶地下水,順著地層傾斜向下運(yùn)移,運(yùn)移過(guò)程中受到深部地層加熱。受到北部賈峪斷裂阻擋之后,在地形高差造成的水壓作用下,巖溶水被迫沿著三李斷層向上運(yùn)移,出露地表形成溫泉和地?zé)岙惓^(qū)。

新鄭礦區(qū)地?zé)崽?/a>位于嵩箕臺(tái)隆區(qū)東端沒(méi)入平原部分,新密向斜南翼東段,在新密超化以西地區(qū)寒武系-石炭系碳酸鹽巖出露地表,巖溶裂隙發(fā)育,接受大氣降水入滲,形成巖溶裂隙水的補(bǔ)給區(qū)。受構(gòu)造和地層巖性控制,巖溶裂隙水沿著下古生界碳酸鹽巖含水層自西向東向新鄭礦區(qū)一帶徑流,隨著含水層埋深增大,巖溶裂隙水不斷吸收巖層中的熱能而增溫。曲梁斷裂以東新鄭礦區(qū)東側(cè)由于受崗李斷層、大隗斷層、雞冠山斷層阻水,不能側(cè)向徑流,而向上通過(guò)背斜軸部斷裂裂隙和缺失形成下古生界與新生界之間的天窗,向上部新生界含水層排泄,形成新鄭礦區(qū)地?zé)崽?/a>。

2.2盆地熱傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)

盆地熱傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)主要分布于嵩箕臺(tái)隆以北的其他地區(qū)。根據(jù)目前鉆探和開(kāi)發(fā)利用情況,可以分為新近系弱固結(jié)砂巖泥巖熱儲(chǔ)層(東部又可分為明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)、館陶組熱儲(chǔ))、古近系砂巖泥巖熱儲(chǔ)層、二疊系-三疊系砂巖熱儲(chǔ)層、寒武系-石炭系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層。其熱能主要來(lái)自于自下而上的深部熱傳導(dǎo),除局部受斷裂影響外,大部分地區(qū)地溫為正常的梯度增溫。鄭州一帶恒溫帶深度為 27 m,恒溫帶溫度為17℃。新生界地溫梯度在開(kāi)封臺(tái)凹略小于3.0℃/(100 m),約2.96℃/(100 m);在鄭州斷階為3.0~3.5℃/(100 m),自山前向平原區(qū)逐漸減小;鄭州市區(qū)地溫梯度偏低,平均約2.8℃/(100 m)。新鄭北側(cè)地溫梯度約3.5℃/(100 m)。

3熱儲(chǔ)層分布及特征

3.1沉積盆地地區(qū)

鄭州市沉積盆地地區(qū)熱儲(chǔ)層主要?jiǎng)澐譃?層: 新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層、新近系館陶組熱儲(chǔ)層、古近系熱儲(chǔ)層、寒武系-石炭系巖溶熱儲(chǔ)層。

(1)新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層由新近系明化鎮(zhèn)組(N2m)承壓含水層組成,分布于鄭州斷階、開(kāi)封臺(tái)凹、澠池臺(tái)凹(鞏義回郭鎮(zhèn)一帶)地區(qū)。頂板埋深 300~350 m。底板埋深在澠池臺(tái)凹(鞏義回郭鎮(zhèn)一帶)一般為500~1 000 m;在鄭州斷階、開(kāi)封臺(tái)凹一帶,自西南向東北逐漸加深,西南地區(qū)500~700 m, 東北部埋深約800 m。該儲(chǔ)層大部分地區(qū)地?zé)峋?/a>地?zé)崃黧w單位產(chǎn)量大于50 m3/(d·m),為產(chǎn)流能力強(qiáng)區(qū), 水溫一般為25℃~40℃,為溫水儲(chǔ)層。

(2)新近系館陶組熱儲(chǔ)層由新近系館陶組 (N1g)承壓含水層組成,主要分布于京廣鐵路以東、 隴海鐵路以北范圍內(nèi),其分布主要受老鴉陳斷層和須水?dāng)鄬訓(xùn)|段控制。其頂板埋深大于800 m,底板埋深自西南鄭州斷階向東北中牟凹陷逐漸加深,西南深度800 m,東北以中牟萬(wàn)灘一帶底板埋深最大,達(dá)到2 800 m。本儲(chǔ)層溫度一般大于40℃。在中牟凹陷底板埋深最大處(中牟萬(wàn)灘一帶,深達(dá)2 800 m左右),根據(jù)地溫梯度計(jì)算,其水溫可超過(guò)90℃。因此本儲(chǔ)層自淺向深,從溫?zé)崴畠?chǔ)層轉(zhuǎn)為熱水儲(chǔ)層,中牟凹陷區(qū)深部可達(dá)到中溫地?zé)豳Y源(溫度≥90℃)。

(3)古近系熱儲(chǔ)層由古近系含水層組成,分布于中牟凹陷區(qū),其頂板埋深1 500~2 800 m,底板埋深2 000~4 000 m,在中牟萬(wàn)灘-東漳一帶大于4 000 m。 熱儲(chǔ)層儲(chǔ)水介質(zhì)為半膠結(jié)的砂、泥巖。該儲(chǔ)層在本區(qū)無(wú)鉆孔揭露。

(4)寒武系-石炭系熱儲(chǔ)層由石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)灰?guī)r含水層、奧陶系、寒武系灰?guī)r、白云巖含水層以及碎屑巖含水層組成,上下層水力聯(lián)系緊密,形成寒武系-石炭系含水層組。全區(qū)廣為分布, 深埋于二疊系之下,屬于層狀熱儲(chǔ)兼具帶狀熱儲(chǔ)特征,由于埋深較大,目前鄭州市尚未開(kāi)發(fā)。根據(jù)巖溶含水層一般規(guī)律,推測(cè)該熱儲(chǔ)層具有水溫高、富水性強(qiáng)、回灌能力強(qiáng)的特征,但同時(shí)也具有巖溶發(fā)育程度極不均勻的缺點(diǎn)。

3.2隆起山地地區(qū)

嚴(yán)格地說(shuō),任何地層巖性都可成為斷裂對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)帶狀熱儲(chǔ),但從富水性和地?zé)衢_(kāi)發(fā)的角度來(lái)看,寒武系-石炭系碳酸鹽巖是嵩箕臺(tái)隆區(qū)主要熱儲(chǔ),鄭州三李、新鄭礦區(qū)兩地對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)均以寒武系-石炭系碳酸鹽巖為主要熱儲(chǔ)。此外,在滎鞏煤田西部大峪溝煤礦等地也形成巖溶地層對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)。該熱儲(chǔ)水溫多在25℃~48℃,為溫水、溫?zé)崴畠?chǔ)層。滎鞏煤田2008年所施工地?zé)?井,在深度為1 218~1 400 m的奧陶系灰?guī)r含水層中取得了溫度為64℃的熱水,說(shuō)明該區(qū)深部熱儲(chǔ)可達(dá)到熱水儲(chǔ)層。

4地?zé)岱謪^(qū)

根據(jù)主要地?zé)嵯到y(tǒng)類型將鄭州市劃分為構(gòu)造隆起斷裂對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)(嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū))、構(gòu)造沉陷層狀熱儲(chǔ)傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)(洛陽(yáng)-開(kāi)封臺(tái)凹地?zé)釁^(qū))兩大分區(qū);在構(gòu)造沉陷層狀熱儲(chǔ)傳導(dǎo)型地?zé)釁^(qū) (洛陽(yáng)-開(kāi)封臺(tái)凹地?zé)釁^(qū)),結(jié)合次級(jí)凹陷、凸起構(gòu)造分區(qū)、熱儲(chǔ)層的平面展布與垂向疊置關(guān)系,進(jìn)行二級(jí)分區(qū);在構(gòu)造隆起斷裂對(duì)流型地?zé)釁^(qū)(嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū)),考慮地?zé)崃黧w的形成與運(yùn)移、儲(chǔ)存,結(jié)合巖溶水系統(tǒng)劃分,進(jìn)行二級(jí)分區(qū)。

依據(jù)上述地?zé)釁^(qū)劃分原則,鄭州市地?zé)岱謪^(qū)結(jié)果,如表1所示。

5地?zé)豳Y源評(píng)價(jià) 

5.1資源量評(píng)價(jià)原則

地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)限定為地下熱水資源,以具有實(shí)際開(kāi)發(fā)利用前景的新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層、館陶組熱儲(chǔ)層和寒武系-石炭系熱儲(chǔ)層資源量進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。

嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū)斷裂對(duì)流型地?zé)岱植疾痪①Y料較少,僅對(duì)三李地?zé)崽铩⑿锣嵉V區(qū)地?zé)崽镔Y源量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.2地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)

5.2.1新近系熱儲(chǔ)層資源量評(píng)價(jià)

(1)熱儲(chǔ)概念模型對(duì)于新近系砂巖層與泥巖層頻繁交互疊置的復(fù)雜沉積結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化為如下熱儲(chǔ)概念模型:在平面上為無(wú)限伸展的,在垂直剖面上為 1個(gè)主要含水砂層,其上、下為相對(duì)隔水的泥巖層所組成的3層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

(2)新近系熱儲(chǔ)層概念模型熱儲(chǔ)頂板、底板均為不透水邊界;忽略側(cè)向徑流量;熱儲(chǔ)層為彈性可壓縮的含水層。

(3)地?zé)豳Y源量計(jì)算方法新近系熱儲(chǔ)熱能、地熱流體儲(chǔ)量以體積法計(jì)算。新近系熱水資源包括含水層(砂巖)和相對(duì)含水層(泥質(zhì)巖)中兩部分。本次評(píng)價(jià)資源量包括了整個(gè)熱儲(chǔ)層(砂巖、泥質(zhì)巖)的所包含的地?zé)豳Y源。計(jì)算結(jié)果如表2所示。 5.2.2寒武系-石炭系層狀熱儲(chǔ)資源量評(píng)價(jià)

(1)熱儲(chǔ)概念模型盆地埋藏巖溶熱水儲(chǔ)層的概念模型包含了2層內(nèi)容:①儲(chǔ)層系數(shù),即儲(chǔ)集層占地層厚度之比;②儲(chǔ)集層的裂隙孔隙度分布模式。對(duì)下古生界儲(chǔ)層系數(shù)設(shè)定0.2,并設(shè)定碳酸鹽巖巖溶儲(chǔ)層的裂隙孔隙度分布由潛山表面向深處衰減,自潛山頂面至其下500 m深范圍內(nèi)為5%, 自該深度以下,衰減1/3,降為3.3%,直至計(jì)算熱儲(chǔ)層底板。

(2)評(píng)價(jià)方法熱儲(chǔ)熱能、地熱流體儲(chǔ)量以體積法計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3所示。 

5.2.3斷裂型熱儲(chǔ)資源量評(píng)價(jià)

斷裂型地?zé)豳Y源形成條件復(fù)雜,主要受斷裂控制, 熱儲(chǔ)分布面積、熱儲(chǔ)厚度不易確定,因此本次僅對(duì)三李溫泉及新鄭煤礦2處地?zé)犸@熱區(qū)計(jì)算。本次斷裂型熱儲(chǔ)資源量計(jì)算采用體積法進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)體積法,三李、新鄭煤礦2處地?zé)犸@熱區(qū)的地?zé)豳Y源量計(jì)算結(jié)果,如表4所示。

6結(jié)語(yǔ)

(1)鄭州市劃分為構(gòu)造隆起斷裂對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)(嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū))、構(gòu)造沉陷層狀熱儲(chǔ)傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)(洛陽(yáng)-開(kāi)封臺(tái)凹地?zé)釁^(qū))兩大分區(qū)。

(2)洛陽(yáng)-開(kāi)封臺(tái)凹地?zé)釁^(qū)主要熱儲(chǔ)層有新生界新近系熱儲(chǔ)層及下古生界碳酸鹽巖類熱儲(chǔ)層。新近系熱儲(chǔ)層地?zé)岙a(chǎn)流能力一般為中等-強(qiáng)。嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū)以碳酸鹽巖裂隙帶熱儲(chǔ)為主,地?zé)岙a(chǎn)流能力強(qiáng)。

(3)嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū)多處顯示斷裂對(duì)流型地?zé)岙惓?在三李、新鄭礦區(qū)形成具有一定面積的地?zé)崽铩?o:p>

(4)凹陷區(qū)寒武系-石炭系碳酸鹽巖熱儲(chǔ)層溫度高、地?zé)崃黧w產(chǎn)量大,且其巖溶裂隙滲透性好,有利于回灌開(kāi)采,具有較好的地?zé)衢_(kāi)發(fā)前景。

(5)地?zé)釕?yīng)用中要開(kāi)展地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作, 了解地熱流體壓力、溫度以及質(zhì)與量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)管理與保護(hù),提供更加充實(shí)的監(jiān)測(cè)資料。

(6)本次工作未對(duì)鄭州市區(qū)一帶集中開(kāi)采區(qū)采用數(shù)值法、統(tǒng)計(jì)法等進(jìn)行資源量計(jì)算,今后可以開(kāi)展此項(xiàng)工作。