商丘市虞城县地热资源潜力分析

赵立敏

（湖北煤炭地质物探测量队，湖北 武汉 430200）

地热是地球内部蕴含的自然能源，是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源，属宝贵的矿产资源。主要来源于地球内部长寿命放射性元素衰变产生的热能。地热一般按呈现形式和温度高低进行分类：如蒸汽型高温地热、热水型中温地热等，它具有水资源和清洁能源的双重属性。在助力碳达峰、碳中和目标实现，促进生态城市和美丽乡村建设，广泛形成绿色生产生活方式，根本好转生态环境的前提下，地热资源的开发利用有其天然的前景优势。开发利用地热资源除解决城市供热取暖外，还可以服务种植养殖、养生保健，促进旅游业、带动地方经济的发展。

虞城县属河南省商丘市管辖，处于黄河冲积平原的中部，华北平原南部，鲁西台地的西缘，地势由西北向东南微倾。从区域地质构造来看，位于华北中、新生代盆地南部边缘，覆盖着巨厚的新生界黏土、粉质黏土及粉细砂等松散沉积物。虞城县地热资源主要受区域地质构造控制，初步认为具备热矿水的形成条件（徐连利等，2004）。为此，有必要对虞城县地热资源潜力进行分析。

通过对虞城县区域地质背景和地热地质条件的现场踏勘、走访对比、查阅资料和分析研究等手段，详细研究了虞城县地下水水文地质特征、地温场特征和热储层特征，划分其地热资源的类别、热储形状；通过计算不同热储层的地层温度及井口出水温度，指出了不同热储层开发利用的优缺点，进而分析虞城县地热资源开发利用的潜力和前景，对今后虞城县地热资源的开发利用具有现实指导意义。

1 地热资源开发利用程度

商丘市开发利用低温地热水资源自20世纪70年代中期开始，主要用于灌溉、养殖及生活用水，少量用于洗浴、休闲等。据不完全统计，截至2017年，共有地热井约125眼，深度在5OO m左右，主要分布在城区160 km2范围内，井口出水温度25～34℃（商真平等，2007）。近年来，商丘市保有地热井数量有所增加，最大开采深度达到800～1000 m，分布范围遍及商丘市区和广大农村地区。多年来，由于人们对地热能源的认识还存在着一定的局限性，管理体制方面也存在一些问题，导致水资源开采无序无节制，使地热水水位快速下降，1993—1999年7年间水位下降11.71 m，下降速率达1.67 m·a-1；地热水集中开采区域形成地下水降落漏斗，漏斗面积逐渐扩大，漏斗中心水位持续下降。如此现状，从根本上阻碍了地热能更大规模和更高质量的开发利用。

虞城县供水井施工众多，井深300～500 m，仅有少量地热井开发利用。据实地调查，在虞城县林业局对面、现好又多超市原址，20世纪90年代末曾施工一口地热井用于洗浴休闲，井深856 m，井口水温36℃，水量未具体测量，但足够正常经营。现已封堵，未再开采。

近年来，我国社会发展日新月异，人民生活水平不断提高，助推了人们对绿色低碳能源需求的不断增长，对地热能的认识也在逐步提高。八部委在《关于促进地热能开发利用的若干意见》（国能发新能规〔2021〕43号）中明确提出“立足新发展阶段，完整、准确、全面贯彻新发展理念”，强调要“以调整能源结构、增加可再生能源供应、减少温室气体排放、实现可持续发展为目标”，“稳妥推进地热能资源勘查和项目建设”，从而有效“保障地热能开发利用高质量发展”。因此，对地热能这种清洁、可再生能源的开发利用，将迎来一个新高潮。

2 区域地质背景及地热地质条件

2.1 区域地质背景

商丘市地层属华北平原地层分区之豫东小区及鲁西地层分区之徐州小区（苏媛媛，2017）。区内大部分被厚度150～1000 m的新生代河湖相沉积的松散物所覆盖，仅在永城市东北、东南角部分区域有古生代基岩裸露。地层从新太古界到新生界，与华北其他地区基本类似，缺失上奥陶统到下石炭统，自下而上依次有新太古界泰山岩群、寒武—奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。虞城县地层发育情况见表1。

表1 虞城县地层简表Tab.1 Formation Summary in Yucheng County

2.2 地热地质条件

2.2.1 区域地质构造

商丘市大地构造隶属于中朝准地台华北坳陷通许凸起与鲁西台隆永城陷褶断束结合部位，鲁西台隆之菏泽凸起。在后期构造作用下，断层两盘差异升降，加之构造之间相互切割交错，使隆起内又形成多个次级凸起和凹陷（王明明，2013），基本呈“两凹夹一隆”的棋盘式构造格局（图1）。

图1 区域构造地质简图Fig.1 Geological brief map of regional structure

虞城县位于次级构造黄口凹陷的虞城次凸（图2）。虞城次凸为近南北向的楔形隆起，东部以于贤集断层为界，紧邻杨集洼陷；西界与商丘次凹接壤；南界为商丘断裂，与商丘凸起相邻；北缘紧接杨楼洼陷。虞城次凸由于周缘断层的差异活动，导致形状不规则，表面起伏高低不平，凸起中部抬升最高（徐汉林等，2003）。

图2 黄口凹陷构造简图Fig.2 Brief diagram of yellow mouth depression

整个虞城县被第四系覆盖。据物探及钻孔资料分析，在厚数百米至千余米的新近系、第四系河湖相泥质、砂质碎屑沉积物之下，广泛分布着下古生界浅海相碳酸盐岩夹泥质岩系和上古生界海陆交互相—陆相含煤岩系，厚度在2500 m以上。

1）褶皱构造

本区最早的构造旋回发生于晚太古代末，使太古界地层强烈褶皱，形成以东西向为主的线型褶皱和穹隆构造。其后历次运动使本区不断发生沉陷、隆起、褶断、断块等，最终形成本区的台褶断带和菱形断块构造格局。

区域内褶皱多属平缓褶曲，按轴向分为两组：北北东向和近东西向。北北东向褶皱表现较明显，多呈线型或短轴状产出，短轴褶曲中的背斜构造按其长与宽的比例，可看作穹窿构造（潜伏凸起）（王明明，2013）。近东西向褶皱亦多呈线型产出，但表现不明显。永城背斜、杜集背斜为区内较大的背斜。

2）断裂构造

本区断裂与断块构造非常发育，按其断裂特点、空间展布和组合规律等，大致分为北北东向和北西西向两组。北北东向断裂带最初形成于燕山期，均是拉张状态下形成的高角度正断层，沿断裂带形成中新生代地堑式断陷，控制了中新生代地层的分布和岩相、厚度变化，代表性断裂为聊城-兰考深断裂。北西西向断裂表现为断续隐现，皆形成于晋宁旋回以前，具有规模大、形成早、切割深、活动时间长、性质多变、多旋回发展的特点，对本区的沉积建造、岩浆活动、构造变形等起着极为重要的作用，代表性断裂为焦作-商丘断裂。断裂导致下陷的地块为地堑，上覆较厚的沉积盖层。上升的地块为地垒（凸起），常为古老基底构造。

2.2.2 地下水水文地质特征

一般来讲，松散层的孔（空）隙、岩石中的裂隙、溶隙（洞）等，都是地下水的赋存空间。综合考虑虞城县地下水的埋藏深度、容纳地下水的岩性空间和水动力特征，将其地下水主要划分为3种类型。

1）松散岩类孔隙水

属第四系孔隙潜水含水岩组。主要赋存于第四系河流相沉积的松散堆积层中，由灰黄、灰绿色粉细砂、中细砂，局部夹薄层砂和砂砾石组成。补给来源主要是大气降水入渗，其次是回灌渗漏和河道侧向渗漏，其排泄途径除向地势低洼处排泄外，工、农业开采也是其主要排泄途径。含水岩组的累积厚度约8～65.9 m，水位埋深10～20 m（杨振威，2020），富水性中等偏下，单位涌水量1.02～4.35 m3·h-1·m-1（李贵明，2001）。

2）碎屑岩类裂隙水

属白垩—新近系裂隙承压含水岩组。地下水赋存于白垩—新近系河流-湖泊相沉积的地层中，埋藏于第四系黏土层之下，主要由浅棕红、浅灰色粉砂岩、砂岩及杂色含砾砂岩组成。接受地下水的侧向径流补给、浅层含水层的越流补给以及少量的人工回灌。该类型有多个含水岩组，累积厚度约74.1～210.7 m，水位埋深270～340 m，富水性中等，单位涌水量6～12 m3·h-1·m-1。

3）碳酸盐岩裂隙岩溶水

属寒武—奥陶系裂隙岩溶含水岩组。地下水主要赋存于深部寒武、奥陶系地台相沉积的碳酸盐岩裂隙岩溶中。含水岩组的岩性主要由灰黄、灰白色白云岩、白云质灰岩和灰色、深灰、灰黑色石灰岩、泥晶灰岩组成。该类型也含有多个含水层组，埋藏深度多在4000 m左右，由于远源补给特性，地下水水位（水压）高，富水性中等—强，单位涌水量10～50 m3·h-1·m-1。

3 地热资源潜力分析

3.1 地温场特征

通过对虞城县及周边煤田钻孔和地热井资料调查，可以确定虞城县恒温带温度为16.5℃，恒温带深度则采用永城实际测量的恒温带数值23 m与山东聊城第四系地热井所测恒温层数值40 m的距离加权平均值，即27 m。

近年来，研究人员通过对大量钻孔测温资料分析，得知柘城湖襄地区地温梯度2.09～3.48℃·（100 m）-1，平均2.82℃·（100 m）-1；睢县西部范围地温梯度2.14～3.76℃·（100 m）-1，平均2.79℃·（100 m）-1；永城地区地温梯度1.73～3.48℃·（100 m）-1，平均2.41℃·（100 m）-1；夏邑韩口地区地温梯度2.15～3.14℃·（100 m）-1，平均2.67℃·（100 m）-1。

由此可以看出，豫东地区各地地温梯度为2.1～3.8℃·（100 m）-1，平均地温梯度为2.4～2.8℃·（100 m）-1。虞城县位于睢县与永城市之间，其平均地温梯度取睢县西部与永城地区平均地温梯度的距离加权平均值，即2.6℃·（100 m）-1。

在详细研究过程中，人们发现，地温梯度在不同地区、不同深度也会有所不同。地温梯度随深度的变化主要体现在：随深度的增加逐渐变小，并且随深度的增加温度增速变缓。这种变化规律是因为随着埋藏深度的增加，下部岩石在上覆地层重力的作用下，结构逐渐密实，成岩作用好，使其孔隙变小，热传导性能变好，从而导致增温率减小，热流传递加快的原因。

寒武—奥陶系在本区的顶板埋深大多在4000 m左右，统计分析资料表明，本区寒武—奥陶系顶板地温分布如图3所示。

由图3可以看出：在焦作-商丘深断裂以南、宁陵凸起和永城隐伏背斜轴部等区域，地温为30～44℃；在通许凸起南部的柘城斜坡带、永城断褶带以及通许凸起西部等区域，地温为37～72℃；在周口坳陷的扶沟、淮阳、鹿邑等深覆盖区地温为60～96℃。

图3 寒武—奥陶系顶板地层温度分布图Fig.3 Temperature distribution diagram of Cambrian-Ordovician roof strata

3.2 热储层特征

商丘市城区地热资源的开发利用已有近50年的历史，一直以来，绝大部分都只开采600 m以浅的地热水，对中深部及深部地热水的开发利用较少。地热水水位、水量及水温动态相对稳定，动水位的变化多受开采量大小的制约，热储层的补给多为侧向流入和漏斗周边补给，排泄多为人工开采和侧向流出（商真平等，2007）。

虞城县地热资源按其赋存条件可划分为以下3种：一种是赋存于新生界松散堆积层中的孔隙水，另一种是碎屑岩裂隙水，再一种是赋存于下部碳酸盐岩中的岩溶裂隙水。根据水文地质特征的不同，虞城县热储层自上而下主要分为3个：新近系馆陶组热储层（因明化镇组在本区埋藏相对较浅，地温较低，经济价值不大，本文不作重点论述）、古近系沙河街组3-4段热储层和寒武—奥陶系灰岩热储层。

3.2.1 新近系馆陶组热储层

馆陶组顶板埋深795～1798 m，底板埋深1045～2713 m，沉积厚度250～915 m。岩性为浅棕红、浅灰色粉砂岩、砂岩及杂色含砾砂岩。

粉砂岩、砂岩为泥质胶结，质地较为疏松，具备良好的储热空隙，井口水温30～41℃。水质pH值7.0～8.7，呈弱碱性，是虞城县重要的热储层，目前商丘市及周边地热开采的目标层。

3.2.2 古近系沙河街组3-4段热储层

沙河街组3-4段顶板埋深1967～5045 m，底板埋深2090～5522 m，沉积厚度约123～477 m，岩性主要为深灰、灰褐色黏土岩夹浅灰、灰白色细砂岩及钙质砂岩。

细砂岩为泥质胶结，质地较为疏松，具备良好的储热空隙，井深2000 m时，井口水温48～62℃，水质pH值在7.0～8.8之间，呈弱碱性。

3.2.3 基岩热储层

位于深部寒武—奥陶系碳酸盐岩中，顶板埋深3122～7652 m，底板埋深3753～9189 m，沉积厚度646～1427 m，岩性主要为灰黄、灰白色白云岩、白云质灰岩和灰色、深灰、灰黑色石灰岩、泥晶灰岩。井深4500 m时，井口水温可达65～120℃。水质pH值7.0～8.8，呈弱碱性，水化学类型SO4·HCO3～Na·Ca型，矿化度小于1.0 g·L-1（苏媛媛，2017）。热储在构造带附近及溶蚀孔洞、裂隙较发育部位地热流体井产量较大，富水性较好（闫晋龙等，2020）。

本区热储层平均温度梯度为2.6℃·（100 m）-1，大气降水及地表水以及一定程度的渗透是本地区地热水的主要补给来源。

依据地温梯度的计算公式：

式中，G代表地温梯度，单位为℃·（100 m）-1，分别取值2.2和3.0；t代表井深H处的温度，单位为℃，为计算目标值；t0代表地面温度或者恒温带温度，单位为℃，按上述分析取16.5℃；H代表井下测温点与恒温带的深度差，单位为m，分别取值973、1973和4473；研究区的取水温度损耗，考虑地温梯度、水在井筒中的流动速度及地下岩土体的热导率等因素，按0.5℃·（100 m）-1取值，由此计算得到研究区3个热储层的地层温度及井口出水温度：1）新近系馆陶组热储层井深1000 m时温度为38～46℃，井口出水温度为33～41℃；2）古近系沙河街组3-4段热储层井深2000 m时温度为60～76℃，井口出水温度为50～66℃；3）寒武—奥陶系基岩热储层井深4500 m时温度为115～151℃，井口出水温度为92～128℃。

3.3 潜力分析

1）虞城县位于焦作-商丘深断裂以北，聊城-兰考深断裂以东，新近系馆陶组热储层最具开发价值。该热储层水量较大，埋藏不深，开采方便；但其水温不够高，井口水温33～41℃，相对于洗浴休闲、养生保健等用途来说，水温偏低。

2）古近系沙河街组3-4段热储层具有良好的储热空隙。其水温较高，井口水温50～66℃，满足洗浴休闲、养生保健的用途；然而，热储层岩性主要为黏土岩、砂岩，水量难以准确预测。

3）寒武—奥陶系热储层热储溶隙发育程度随深度增加逐渐减弱，其水温、水质和水量随构造位置不同而有较大差异。该热储层埋藏深，厚度大，储热性能强，井口水温可达92～128℃；由于其埋藏深，施工难度很大，开采成本过高，开发利用前景有待进一步探讨。

通过地质资料分析，本区按照DZ 40—4985《地热资源评价方法》分类属于中低温地热资源，热储形状为层状兼具带状，分布较广。

综上所述，本区古近系及新近系热储层具有较好的地热资源利用前景，寒武—奥陶系热储层开发利用前景尚不明确。

4 结论

1）通过分析虞城县及周边煤田钻孔和地热井资料，确定虞城县恒温带温度为16.5℃，恒温带深度为27 m，进而计算虞城县中深部地热资源不同热储层的地层温度及井口出水温度，为虞城县未来地热资源的开发利用奠定了理论上的基础。

2）通过计算及分析得出：虞城地区新近系馆陶组热储层最具开发价值，其出水量较大，埋藏不深，开采方便，但井口出水水温偏低，不能满足用途预期；古近系沙河街组3-4段热储层具有良好的储热空隙，其水温较高，可以满足一定的用途预期。寒武—奥陶系基岩热储层水温、水质和水量随构造位置不同而有较大差异，该层埋藏深，厚度大，储热性能强，但由于埋藏深，施工难度大，开采成本过高，开发利用前景有待进一步探讨。

3）建议进一步采用大地电磁测深法（AMT/MT），确定目标靶区第四纪覆盖层厚度，探测地热水的埋藏深度，确定含水层厚度，以指导实际的地热井施工。同时充分考虑深部地质情况的复杂性及热储层分布的不稳定性，做好项目规划、技术经济评价和环境保护措施，真正达到节能、高效、绿色开发的目的。