河南新商断裂对地热资源形成的控制作用及资源潜力分析

张维，闫晋龙，马畅，孙健，张宁

（1.河南省地矿局测绘地理信息院，河南 郑州 450006；2.河南省有色金属地质矿产局第六地质大队，河南 郑州 450016）

0 引言

黄河流域（河南）生态保护和高质量发展、中原城市群、郑州大都市区和国家中心城市建设等都面临日益凸显的生态文明建设和清洁能源匮乏矛盾，要摆脱传统高污染、高能耗、高排放的粗放式发展，转换为环保、低碳的绿色发展模式（周倩倩，2013；曾鹏，2017；马晓东，2020），必须构建河南绿色低碳型能源体系。地热作为清洁能源在发电、供暖、洗浴、生态种养殖等方面直接利用，又可以在治理雾霾、节能减排等方面起到巨大的作用，为大气污染防治提供替代能源，对促进生态文明建设、促进经济可持续发展等具有重要的现实意义。

河南中东部平原热储埋藏深度适中、保温性能好、水量大、厚度稳定，未来在地热开发综合利用中潜力巨大。但各地热田水温水量差别较大，2000 m以浅最大水量可达100 m3/h，最小仅10～20 m3/h，水温最高可达89℃，低的竟不足40℃，开发利用前景各不相同。以往研究表明，地热资源受区域性大断裂构造的控制较为明显，因此查明深大断裂的构造特征，探讨新商断裂对地热田的控制作用，可以为地热靶区优选和区域性连片开发地热能提供较为可靠的理论依据。

1 区域地质概况

研究区位于华北平原地层分区，其地层具有明显的基底和盖层二元结构，为典型的台型沉积（张海娇，2019）。基底由太古宇—中元古界变质岩类构成，盖层由古生界—新生界组成（韩冀春等，2018）。古生界包括下古生界寒武系—中奥陶统，以及上古生界中石炭统—二叠系，本区缺失上奥陶统—下石炭系。中生界三叠系在大部分地区缺失，侏罗系—白垩系主要分布在东部的黄口凹陷内（魏延平，2012）。新生界古近系多分布于开封凹陷内，通许凸起多缺失，新近系岩相及厚度较为稳定。地表广为第四系覆盖，其余地层均为隐伏地层或零星出露。

2 新商断裂构造特征

2.1 构造地质

新乡-商丘深断裂带展布在新乡、封丘、兰考、商丘一带，省内长约240 km，该断裂隐伏于第四系之下，总体为一北西西向断裂，与济源-新乡断裂一起构成济源—开封凹陷北界（朱嘉伟，2006；潘澄雨，2013）（图1）。断面大部分向南陡倾，局部向北陡倾，南盘下降，北盘上升，断距1000～2000 m，最大可达6000 m。断裂带控制南北两侧中新生代沉积。断裂带及其附近不同地段发育有不同时期的岩浆岩，据钻孔资料，封丘—兰考一带分布有喜马拉雅期的玄武岩、安山岩及酸性火山岩，东部芒砀山一带则发育有燕山期花岗闪长岩、辉长岩等。同时，新乡—商丘断裂带是本省中朝准地台区2 种不同方向构造线的分界线，北侧以北北东向或近南北向为主；南侧以近东西或北西西向构造为主。综上，新乡-商丘深断裂带可能在晋宁期以前已经存在，燕山期—喜马拉雅中期活动强烈，且近代仍在活动。断裂带切割莫霍面，属长期活动的壳断裂（张建斌和李莲花，2004；高亮，2013）。该深断裂带形成较早，活动时期长，对中元古代以来中朝准地台南缘地质构造发展演化具有一定控制作用。

图1 华北盆地南部基底构造略图

2.2 地球物理

豫东通许凸起（睢县-商丘段）深部地热资源调查项目为更精确地控制新乡-商丘断裂，精准确定勘探井的有利位置，在大地电磁测深的基础上，布设了1 条长度4 km，点距50 m 的可控源音频大地电磁测深测线。通过可控源音频大地电磁测深KL1线二维反演电阻率剖面等值线图（图2）在52 号点两侧明显存在电性差异，表明该断裂为高角度正断层。可控源音频大地电磁测深一维电阻率反演显示，新乡-商丘断裂以南，整体可分为3 个电性层，第一电性层整体电阻率小于40 Ω·m，对应地层为新生界第四系和新近系，厚约850 m（任鸿飞等，2019）；第二电性层视电阻率在40～100 Ω·m 之间，对应地层为奥陶-寒武系，厚约800 m，第三电性层视电阻率大于100 Ω·m，对应地层为太古界，顶板埋深约1650 m。综合分析可知，新乡-商丘断裂走向NW、倾向NE，倾角上陡下缓，上部可达80°左右，下部60°左右，为一张性断裂。

2.3 地热异常

新商断裂为区域性深大断裂，构造带及其附近具有明显的地热异常。新乡医学院1#深1350 m，水温高达73℃，地温梯度最高可达4.824℃/100 m；延津县城北延电1#，取水段埋深915.4～1032.5 m，水温50.5℃，地温梯度达3.681℃/100 m（王小青等，2017）；兰考县东坝头地热井井深2200 m，水温高达76℃，水量可达120 m3/h（表1）。区域性深大断裂不仅在地热资源形成过程中其主控作用，同时也往往形成热矿水的带状热储。地质构造不仅是地热资源中水源和热储层的间接创造者，构造断裂亦为水源与热源的流通提供了有利通道（段启杉等，2015；王永波等，2016；郭宇明等，2017）。

图2 新商断裂二维反演电阻率剖面等值线图（a）和地质解译图（b）

表1 新商断裂附近地热水资源

3 新商断裂对地热资源的控制作用

3.1 地热流体循环特征

据豫东通许凸起（睢县-商丘段）深部地热资源调查项目同位素测深资料显示，研究区地热流体的补给源是位于区外西部山区的大气降水（齐玉峰等，2017）。降雨入渗后，沿构造发育强烈的新商断裂带渗入到变质岩深部，经深部加热后形成中高温热水（图3）。天然条件下，地热流体径流较为缓慢，地热流体水头高于或接近地表，至东部的商丘地区几乎处于停滞状态，据商丘SR-1 井水质分析资料，深部岩溶热储溶解性总固体高达5468.83 mg/L，地热水流动性很差。受开采影响，地热流体总体由西向东或由西北向东南微弱径流。人工开采为地热水的主要排泄方式。在新乡洪门、封丘县、兰考县等新商断裂构造影响区地热井出水温度最高可达88℃，出水量120 m3/h。

图3 地热水成因模式示意图

3.2 地热水成因机理

地下热水特征和演化机制的研究不仅对于热水资源的合理利用与开发具有重要的指导意义，而且可以为日后的地热资源勘查评价提供重要信息（王奎峰等，2014）。新商断裂对研究区对地热形成起着关键性控制作用。深大断裂不仅是地热资源中水源和热储层的间接创造者，构造断裂亦为水源与热源的流通提供了有利通道。新商断裂几经多期构造活动且新构造活动仍然频繁强烈，为地热水的形成提供了充足的热能，同时断裂带裂隙发育，岩石破碎又为地下水储存提供了场所（梅惠呈，2016）。研究区地热水的形成，是大气降水沿着断裂渗入地下深处加热后，由于水温升高发生膨胀，比重减轻，产生热对流，沿一定构造部位向上运移，冷水自上而下不断补充，如此反复循环。地热水遇着透水性较好的岩层，隔水条件亦好的部位而储存下来形成隐伏的地下热水（图3）。

4 新商断裂带地热资源潜力分析

新商断裂带地跨汤阴断陷、开封凹陷和通许凸起3 个地热单元，地热类型为沉积盆地传导型，热储以新近系孔隙型和新近系孔隙型+寒武系岩溶裂隙型为主，构造带及其附近地热井水温水量均明显高于其他地区。以2018 年开展的豫东通许凸起（睢县-商丘段）深部地热资源调查项目为例，对断裂带地热资源潜力分析如下：该区北部边界为新商断裂，估算新商断裂及其影响带宽度5 km，西至民权-睢县，东到工作区边界，估算面积约93.63 km2。分布有新近系孔隙型和寒武系岩溶裂隙型两层热储：新近系热储有效厚度52～282 m，平均温度32℃，最大36℃；寒武系热储，有效厚度550～581 m，热储温度51.5℃（据SR-1 地热井）。采用热储法计算本区地热可采资源量约140.37×104m3/a，地热流体含热能量71.94×1012J/a，折合标准煤2454.6 t/a，可减少CO2排放5856.8 t/a，经济环境效益明显，地热资源潜力巨大。

5 结论

新商断裂为区域活动性深大断裂，控制着研究区的地热形成和运移。该断裂具有多期次活动特征，且切割较深，构造断裂发育（仲佳鑫等，2012），为水源与热源的流通提供了有利通道，为深部地下热能的传导创造了有利条件。西部山区的大气降水沿着断裂渗入地下深处加热形成热水，同时断裂带裂隙发育，岩石破碎又为地下水储存提供了场所，形成中高温热储层（朱中道和甄习春，1999；杜丽等，2019），蕴含丰富的地热资源。建议进一步提高新商断裂带及其影响带的勘查程度，摸清资源家底，为区域性连片开发地热能提供较为可靠的理论依据。