0前言

2023年10月《鄭州都市圈發(fā)展規(guī)劃》正式獲國家發(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-開封臺(tái)陷區(qū),洛陽-開封臺(tái)陷又可劃分為鄭州斷階、沁陽臺(tái)凹、開封臺(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,目前鄭州市尚未開發(fā)。根據(jù)巖溶含水層一般規(guī)律,推測該熱儲(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,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_發(fā)的角度來看,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-開封臺(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-開封臺(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),簡化為如下熱儲(chǔ)概念模型:在平面上為無限伸展的,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

(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-開封臺(tái)凹地?zé)釁^(qū))兩大分區(qū)。

(2)洛陽-開封臺(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,有利于回灌開采,具有較好的地?zé)衢_發(fā)前景。

(5)地?zé)釕?yīng)用中要開展地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作, 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源開發(fā)管理與保護(hù),提供更加充實(shí)的監(jiān)測資料。

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