摘要
研究区位于河南省东部平原区,地处南华北盆地开封坳陷中部,区内断裂发育,地热井出水温度高、单井涌水量大,蕴藏着丰富的地热资源。但是,由于客观条件限制,区内地热勘察工作程度较低,成因机制的研究尚不深入,并且长期不合理的开发造成地热资源的浪费和一系列环境地质问题。因此研究中牟凹陷地热资源成因机理及其特征,对保障地热资源的可持续开发利用具有重要意义。本文以中牟凹陷为研究对象,在前人研究的基础上,通过采集、整理区内地热流体资料,对区内地热地质条件、水化学特征、同位素特征进行研究,计算出区内地下热水补给来源、补给区海拔高度、热储温度、循环深度及混合比例,最后总结了区内地热资源成因机理。通过上述研究得出以下主要结论:(1)中牟凹陷区四周均以断裂为界,幔源热为主要热源,区内盖层由隔热性能较好的第四系组成,主要热储层为新近系明化镇组、馆陶组和古近系地层,利用GOCAD建立的区内盖层及热储层模型很好的展现了各地层发育及分布。区内地温场分布与地质构造和断裂活动密切相关,地温梯度值一般分布在2.4℃/100m~3.8℃/100m,整体上是越靠近沉积中心和断裂发育带地温梯度越高。(2)水化学特征分析显示:区内地热流体均属弱碱性水,大多为淡水。区内主要离子浓度受区域断裂分布和径流影响,表现为主要离子浓度和TDS分布沿径流方向呈现逐渐增大的趋势,不同分区内离子浓度存在较大差别。阳离子以Na型为主,阴离子以HCO_3型为主,区内主要水化学类型为Na-HCO_3型,其次为Na-HCO_3-SO_4型。地热流体中离子主要来源于岩石风化作用,部分受蒸发浓缩作用,不受区内大气降水影响,主要来源于循环过程中水岩作用。(3)同位素特征分析显示:区内地热水均出现不同程度的“氧漂移”现象,东南部地热水横向漂移现象更明显,证明受热流体影响,氧-18同位素有富集现象,地热水的主要补给来源为附近山区大气降水。区域北部补给高程为705m~841m,西南部和东南部补给高程为292m~863m,结合地形地势及水文地质条件判断,北部地热流体补给区位于西北部太行山区一带,西南部和东南部地热流体补给区位于郑州西部嵩山区。(4)通过Na-K-Mg平衡图判断区内地热水水岩平衡状态,对处于部分平衡区水样选用阳离子温标法和Si O_2温标法,综合估算热储温度在67℃~101℃之间,循环深度在1998m~3933m之间。建立硅-焓模型计算区内地热流体中冷水混合比例为0.47~0.73,冷水混入前的热储温度在90℃~124℃之间。(5)综合前文分析,结合区域地热地质、水文地质条件、水化学和同位素特征及演化规律,确定地热系统的热源为地幔热能,水源来自凹陷西北部太行山区和西部嵩山区,基底热通道为凹陷周边与内部深大断裂带及其交汇部位,沉积层热能来源于基底热传导,建立了中牟凹陷北部和南部地热系统概念模型。概括中牟凹陷为断陷盆地型地热系统,属中低温传导型地热系统,基底断裂带属对流型地热系统。这一结论将为区内可持续开发利用地热资源提供重要的科学依据。