中國為實現“碳達峰、碳中和”目標,亟須低碳、 清潔、多元的現代能源體系,如風能、太陽能、地熱能等,其中,地熱能因具有高發電利用率而受到廣泛關注。地熱資源按照熱儲的溫度和埋深分為淺層地熱能、水熱型地熱能和干熱巖3種,其中, 水熱型地熱能作為目前主要的可利用資源,在地熱供暖、減排降碳方面越來越受到關注。河南省地熱資源豐富,并且利用較早,但主要以洗浴、康養等為目的溫泉開發為主,至20世紀90 年代末,基本未開展區域性地熱資源勘查工作。

20世紀初,地熱能作為“綠色能源”受到廣泛的重視,河南省開展了一系列以區域性及以重點城市為主的地熱地質勘查工作,但主要以熱儲條件較好、 分布穩定的新近系砂巖熱儲為勘查目標,未能形成全面的、系統的摸底排查,并且勘查精度低,并沒有改變地熱資源儲量不明的狀態,在找熱方向、找熱效果方面尚未有重大突破。

2010年以來河南省財政共安排地熱地質調查項目超過20多項,對中深層地熱資源的分布規律和賦存條件以及產水量有了進一步的了解,基本查明了河南省地熱資源情況,估算全省新近系地熱資源量830×101 5kJ,古近系地熱資源量1 500×10 15kJ, 地熱可采流體量為9.15×108m 3/a。在經濟條件較好的豫北、豫中地區如鄭州、開封、商丘等城市,地熱資源勘查、開發程度目前已相對較高(已采量與可采量比值大于0.73),但在豫南地區如周口、駐馬店、南陽等低開采區(已采量與可采量比值小于 0.05),地熱資源勘查程度相對較低,研究工作表現為面多點少,資源情況仍不明確,尤其在城區供暖需求迫切地區,針對熱儲層的評價更少,難滿足產業化、規模化開發的需要。

現基于駐馬店地區的區域地質特征,在大量收集南華北盆地和泌陽凹陷油區的二維、三維地震資料、油氣井數據(鉆井、測井、錄井等)的基礎上,結合地勘井資料和現有地熱井鉆探開發成果,對駐馬店市全區開展中深層地熱資源潛力評價,系統論述影響該區熱儲成因的地熱地質背景、熱儲特征、地溫場特征、水化學性質等地熱地質條件,評價了全區地熱資源開發潛力,指出地熱資源潛在有利區, 為該區中深層地熱資源開發提供地質依據。

1 區域地質概況

駐馬店市轄1區9縣,面積15 000 km2,西部被伏牛山東南延和桐柏山西延余脈分隔,橫跨南陽盆地東緣和淮北平原。構造位置主體位于南華北盆地周口坳陷的舞陽凹陷、平輿—太和凸起、駐馬店—淮濱凹陷和豫西—長山隆起、南襄盆地東部的泌陽凹陷。其中確山、正陽位于豫西—長山隆起區,基巖出露蓋層不發育導致地熱資源形成條件受限,而其他地區地熱資源開發潛力較大。其中驛城區(中西部)位于板橋凹陷,西平、上蔡縣位于舞陽凹陷,遂平(西)、平輿、新蔡位于平輿—太和凸起,汝南、遂平(東)及驛城區(東部) 位于駐馬店—淮濱凹陷,泌陽縣則位于泌陽凹陷東北部,均發育沉積盆地型地熱資源(圖1)。

區域性的深大斷裂不僅控制構造格局及沉積演化,也是主要的控熱斷裂[ 16]。影響駐馬店地區的深大斷裂主要有NW走向的駐馬店—息縣斷裂、舞陽斷裂,NE走向的泌陽—栗園斷裂、臨泉斷裂。其中,駐馬店—息縣斷裂是駐馬店—淮濱凹陷的西南和平輿凸起西北部邊界斷層,屬區域活動性斷裂,該斷裂全長120 km,斷距大于1 000 m,斷裂下盤為淺山丘陵、 山前崗地或隱伏崗地,上盤自燕山運動以來一直處于長期沉降狀態,新生界厚度多在1 000~2 000 m,為駐馬店—淮濱凹陷地熱資源的形成與賦存提供了極為有利的條件[ 17-18][圖2(a)中A′-A剖面]。舞陽斷裂為舞陽凹陷南部邊界斷層,與平輿凸起相接,由葉縣田莊以東、舞陽辛店、西平譚店向南東延展,傾向北東,該斷裂全長90 km,傾角65°~80°,斷距300~1 500 m[ 19],為區域繼承性活動斷裂,形成時間較早, 控制著中新生代以來的構造及沉積[圖2(b)中B′ B′剖面]。臨泉斷裂為臨泉凹陷北界,全長80 km, 為犁式滑脫正斷層,控制臨泉凹陷發展的主要斷層,其形成時間較晚,喜山期活動強烈,斷層上延至新近系,主要控制新生代構造及沉積,控水作用不明顯[圖2(c)中C′-C剖面]。泌陽—栗園斷裂是泌陽凹陷東緣邊界基底大斷裂,屬區域活動性斷裂, 該斷裂走向由南段的北北東向轉為北段的北東東向,傾向北西,延伸長度3 1 km,最大斷距8 km以上,斷層傾角上緩下陡,平面上呈弧形延伸,泌陽城區臨近栗園—泌陽斷層的北部,地熱資源受該斷裂控制作用明顯[圖2(d)中D′-D剖面]。

駐馬店中東部地區主體位于淮河平原,西部泌陽縣緊鄰南陽盆地東側,該區主要發育地層從上到下有第四系、上第三系、下第三系、白堊-侏羅系、古石炭-二疊系、寒武-奧陶系、元古界、太古界。駐馬店地區主要發育兩種類型熱儲:一是新生界砂巖孔隙型熱儲,二是寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲(圖2)。

2 熱儲特征

由表1可知,駐馬店地區地熱井鉆探較多,主要集中在上蔡縣城區,其他如新蔡、汝南、驛城區、遂平、泌陽城區也有少量地熱井鉆探,但多以新生界砂巖熱儲為勘探目標,只有WT1井在舞陽凹陷內揭露寒武-奧陶系熱儲,顯示涌水量較大、溫度較高。

通過收集該區已有地質、鉆井資料,初步查明地熱地質特征,熱儲類型分為砂巖孔隙型層狀熱儲和碳酸鹽巖巖溶熱儲兩種類型,其中砂巖孔隙型層狀熱儲包括新近系和古近系兩套熱儲。

2.1 新近系砂巖熱儲

新近系砂巖層狀熱儲分布范圍較廣,呈毯式覆蓋分布于各凹陷、凸起之上,沉積中心位于周口地區,地層厚度超過2 000 m。駐馬店地區殘余地層厚度介于0~1 800 m,自北東向南西逐漸減薄。構造分析結果顯示上蔡西北部埋深最大,超過1 800 m, 西平、平輿東北部埋深也超過1 300 m。從各區縣城區來看,西平、上蔡、平輿、新蔡城區新近系底界埋深介于900~1 100 m,汝南縣城區埋深700~750 m,其他區縣城區埋深均小于500 m或地層缺失(圖3)。 該區有多口井(上蔡地區地熱井、汝熱1、新熱1、平熱 1井)鉆遇該套熱儲,巖性為細砂、中砂、中粗砂巖,底部發育一套厚層礫巖,熱儲層厚80~150 m,單砂層最厚可達25 m,平均10 m左右,孔隙度15%~30%。

該套熱儲出水溫度38~45℃,涌水量30~95.9 m3/h (新熱1井),為優質低溫溫水、溫熱水砂巖熱儲。

2.2 古近系砂巖熱儲

古近系砂巖層狀熱儲主要受新生代構造格架控制,駐馬店地區古近系地層主要分布在舞陽、駐馬店—淮濱、臨泉、板橋和泌陽等各次凹內(圖1)。 該套熱儲殘余地層厚度0~2 000 m,其中驛城區西部、汝南縣區及泌陽凹陷南部地厚度均超過2 000 m,遂平地區地層厚度接近500 m,其他地區如西平、上蔡、新蔡地層厚度則小于200 m,而在確山、平輿、正陽地區該套地層缺失(圖4)。綜合構造分析表明驛城區埋深最大,超過2 500 m,次為汝南縣城區埋深也接近2 000 m,泌陽城區南部埋深也超過1 900 m,除確山、正陽及遂平縣西部埋深較淺或地層缺失外,其他縣城區埋深均在1 000~1 800 m。從鉆遇該套熱儲較厚的駐熱1井、上熱1井、遂熱1井、假日廣場溫泉井看,熱儲平面和縱向上巖性變化較大,其中板橋凹陷的驛城區和泌陽凹陷泌陽縣城區因靠近物源,熱儲巖性以中厚層細砂巖、中砂巖為主,而遂平、汝南等地區則為遠源薄層粉細砂巖為主, 熱儲厚度小于100 m。統計表明,該套熱儲層厚度 50~350 m,其中驛城區西部熱儲厚度超過350 m,泌陽、汝南地區熱儲厚度也超過150 m,遂平地區該套熱儲層厚近100 m,而平輿凸起上如西平、上蔡、新蔡熱儲厚度普遍小于50 m。古近系熱儲層單砂層厚度 1.5~19 m,平均4 m左右,孔隙度15%~25%。該套熱儲出水溫度43~60℃,涌水量14~60 m3/h, 為低溫溫熱水砂巖熱儲。

2.3 寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲

駐馬店地區寒武-奧陶系熱儲主要分布在舞陽凹陷南部、駐馬店—淮濱及臨泉凹陷內,其中駐馬店中南部地區殘余地層厚度最大,如新蔡地區厚度超過1 000 m,駐馬店北部西平地區地層厚度介于 0~600 m,并且自北向南逐漸減薄,驛城區、遂平、汝南、新蔡、正陽地區該套地層殘余大于800 m,其他地區如西平南部、上蔡、平輿、確山和泌陽城區該套熱儲缺失(圖5)。綜合構造分析認為驛城區東部埋深最大,超過3 500 m,其次為新蔡縣城區,埋深超過 3 300 m,汝南縣城區西部埋深也超過2 800 m,西平城區北部埋深1 600 m,但厚度不足200 m,正陽城區埋深則小于500 m。從鉆遇該套熱儲較厚的WT1 井、皖亳地1井看,熱儲巖性以白云質灰巖、灰巖為主,由于該套熱儲經歷多期抬升剝蝕事件,遭受了廣泛而強烈的剝蝕,受風化淋濾和溶蝕作用影響,碳酸鹽巖中產生了大量溶蝕孔縫,具有較好的熱儲形成條件。該套熱儲平均孔隙度1.21%~2.79%, 出水溫度超過80℃,涌為量60~75 m3/h,為低溫熱水碳酸鹽巖巖溶熱儲。

3 地溫場特征

地溫梯度變化與活動性深大斷裂以及基巖埋深有關,斷裂帶附近或基巖埋深較淺的負向構造地溫梯度相對較高,反之則呈現低地溫梯度。駐馬店地區位于華北準地臺南緣,以欒川—確山—固始深大斷裂為界與秦嶺褶皺系相鄰,該區發育大量北西向深大斷裂,并且斷裂具有規模大、切割深、活動時期長等特征。區域地溫梯度研究表明,該區地溫梯度介于2.0~2.5℃/100 m,但大量鉆井證實,該區地溫梯度介于2.8~3.3℃/100 m,明顯高于該區域背景值。甚至在汝南、遂平等深大斷裂發育區,局部地溫梯度超過3.8℃/100 m。駐馬店中東部地區新近系、古近系地溫梯度一般介于3.1~3.3℃/100 m。

駐馬店西南部地區如泌陽凹陷地溫梯度介于 2.8~4.0℃/100 m,并且地溫場與凹陷正向構造具有一致性特征,地溫梯度整體隨著埋深增大而逐漸減小,平面上呈現由北向南減小的趨勢。從泌陽縣城區實鉆地熱井假日廣場溫泉井來看,其古近系地溫梯度為2.8℃/100 m,明顯低于油區區域背景值,推測可能與靠近豫西長山隆起區有關。

4 水化學特征

共收集水樣7組,其中新近系水樣3組,古近系水樣2組,寒武-奧陶系水樣1組,另外還收集到地表徑流水樣1組。根據水化學組分測試結果,駐馬店地區均為弱堿性水,其中新近系水化學類型為 HCO3-Na型,主要陽離子是Na+,平均含量1 83.5~342.3 mg/L,主要陰離子是HCO-3,平均含量 292.6~544.7 mg/L,溶解性總固體(TDS)含量為 540.5~639.1 mg/L,與地表淺層水基本相同,屬于淡水;古近系水化學類型為SO4-Na型,主要陽離子是Na+,平均含量955.2 mg/L,主要陰離子是SO 2- 4, 平均含量1 840 mg/L,TDS含量為3 328.9 mg/L,屬于微咸水;上熱1井水樣表現為新近系和古近系混合水樣特征,其水樣化學組分界于兩者之間;寒武-奧陶系水化學類型為SO4-Na、Cl·SO 4-Na型,TDS含量為3 980~6 541 mg/L,屬于咸水。

根據遂熱1井、汝熱1井、上熱1井、平熱1井和淺層地層水的地熱流體同位素δ2D、δ 18O測試分析,遂平、汝南和上蔡、平輿、新蔡地熱流體均來源于大氣降水。14C地熱流體年齡測定表明,駐馬店地區新生界地層水形成齡26~44 ka,屬次現代水,并且距伏牛山區補給區越遠,其地熱水形成年齡越大,說明側向徑流是主要天然補給方式。

5 地熱資源開發潛力

5.1 地熱資源潛力

駐馬店地區以確山—固始深大斷裂為邊界,向西、南、東、北為無限開放的含水系統。其補給來源主要是北西走向伏牛山東西兩側山前地帶,主要自然排泄方式是向東、向西的徑流排泄。

駐馬店地區主要發育新近系砂巖、古近系砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽巖三套層狀熱儲,其中驛城區、新蔡縣、汝南縣、遂平縣、西平縣城區三套熱儲均有發育,上蔡縣城區則發育新近系和古近系砂巖兩套砂巖熱儲,平輿縣城區和泌陽縣城區分別只發育新近系熱儲和古近系熱儲,其他縣城區如確山、 正陽縣城區地熱資源不發育。

在對駐馬店區域地質背景和地熱地質特征研究的基礎上,按照地礦部1985年發布的《地熱資源評價方法》(DZ40-85)規范中地熱能儲量計算方法和參數,采用熱儲法估算了駐馬店地區地熱靜態資源量,其中分兩類地熱資源三套熱儲分別估算。

新近系砂巖熱儲靜態資源量。駐馬店新近系砂巖熱儲分布面積4 200 km2,平均厚度120 m,平均埋深900 m,平均熱水溫度43℃,靜態資源量為35.6×101 5kJ,折合標準煤12.1×10 8t,水量1 260× 108m 3。按可采系數20%計算,可采資源量7.1×101 5kJ,折合標準煤2.4×10 8t。

古近系砂巖熱儲靜態資源量。駐馬店古近系砂巖熱儲分布面積6 400 km2,平均厚度100 m,平均埋深1 400 m,平均熱水溫度56℃,靜態資源量為62.0×101 5kJ,折合標準煤21.2×10 8t,水量1 152× 108m 3。按可采系數20%計算,可采資源量12.4×101 5kJ,折合標準煤4.2×10 8t。

寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲靜態資源量。駐馬店寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲分布面積550 km2,平均厚度200 m,平均埋深2 950 m,平均熱水溫度75℃,靜態資源量為17.4×101 5kJ,折合標準煤 5.9×108t,水量22.0×10 8m 3。按可采系數20%計算,可采資源量3.5×101 5kJ,折合標準煤1.2×10 8t。駐馬店地區地熱資源量較大,總靜態資源量約為115×101 5kJ,折合標準煤39×10 8t,水量2 434×10 8m 3。可采資源量23×101 5kJ,折合標準煤7.8×10 8t。

5.2 地熱資源有利區評價

駐馬店地區發育新近系、古近系砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖3套層狀熱儲。其中華北地區新近系砂巖層狀熱儲,為區域含水層,熱儲物性條件較好,產水量大,其底界埋深決定了地層厚度和溫度, 因此有利區劃分主要參考地層埋深;古近系砂巖熱儲主要受控于局部構造,其有利區劃分主要考慮熱儲頂面埋深、巖性及地層厚度;寒武-奧陶系碳酸鹽巖熱儲分布范圍主要受控于沉積環境,有利區劃分影響因素主要是厚度及埋深。這里以熱儲埋深、熱儲厚度、涌水量和出水溫度為主要技術指標,兼顧儲層物性、斷裂展布、補給條件、熱傳遞方式和熱儲規模等因素,結合該區實際地熱地質特征,將駐馬店地區按不同熱儲類型劃分為Ⅰ類區、Ⅱ類區和Ⅲ 類區(圖6)。

(1)地熱資源Ⅰ類區。砂巖熱儲底界埋深大于 1 500 m,地層厚度大于1 000 m,平均水溫大于60 ℃;碳酸鹽巖熱儲埋深1 500~2 500 m,平均水溫 60~80℃,熱儲物性好,單井涌水量大于60 m3/h。Ⅰ類區主要分布在駐馬店市東北部(新近系砂巖熱儲)、驛城區中西部地區(古近系砂巖熱儲),總面積約1 660 km2,其中驛城區中西部的古近系熱儲最具開發潛力。

(2)地熱資源Ⅱ類區。砂巖熱儲底界埋深 800~1 500 m,地層厚度500~1 000 m,平均水溫40~60℃;碳酸鹽巖熱儲埋深800~1 500 m或 2 500~3 000 m,平均水溫40~60℃或80~90℃。 熱儲物性較好,單井涌水量大于30~60 m3/h。Ⅱ 類區主要分布在駐馬店市中東部地區(新近系砂巖熱儲)、泌陽城區中南部(古近系砂巖熱儲)和汝南東部及平輿南部(寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲),總面積約5 240 km2,其中西平、上蔡、汝南、平輿、新蔡、泌陽縣城區均具地熱開發條件,但泌陽縣城區古近系、新蔡縣城區新近系砂巖熱儲和汝南縣城區碳酸鹽巖熱儲最具開發潛力。

地熱資源Ⅲ類區。砂巖熱儲底界埋深500~ 800 m,地層厚度大于500 m,平均水溫30~40℃;碳酸鹽巖熱儲埋深500~800 m或大于3 000 m,平均水溫40~60℃或大于90℃。熱儲物性一般,單井涌水量小于30 m3/h。Ⅲ類區主要分布在駐馬店市中東部地區(古近系砂巖熱儲和寒武-奧陶系碳酸鹽巖巖溶熱儲),總面積約4 420 km2,其中遂平、汝南、新蔡縣城區古近系具有一定的地熱開發前景。

6 結論

(1)駐馬店地區位于周口坳陷西南部的舞陽凹陷、駐馬店—準濱凹陷、平輿凸起、長山隆起區和南襄盆地東部的泌陽凹陷5個二級構造單元。

(2)駐馬店地區除正陽、確山縣位于長山隆起區地熱地質條件較差外,其余地區均具有一定的地熱資源開發條件,該區發育新近系、古近系砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽3套層狀熱儲,總靜態資源量約為1 15×101 5kJ,水量為2 434×10 8m 3。

(3)依據熱儲埋深、熱儲厚度、涌水量為主要技術指標,綜合評價駐馬店市泌陽縣城區和驛城區西部的古近系、新蔡縣城區新近系和汝南縣城區寒武- 奧陶系碳酸鹽巖熱儲為最有利地熱資源開發目標區。