洛阳龙门地热田地热地质特征及开发利用对策.docx

洛阳龙门地热田地热地质特征及开发利用对策 王现国 李扬 张晓丽 罗锐 叶建 何佳晨摘 要：洛阳龙门地热田位于洛阳断陷盆地西南部，依据地热地质资料，分析研究了龙门地热田边界、空间分布特征、形成机制、地球物理化学特征、地热水温度场、热储构造发育特征，同时对龙门地热田地热水的赋存、运移条件等进行了分析探讨。该地热田的形成受地质构造控制，属构造热储对流型地热田，草店断裂（F1）和魏湾断裂（F2）为龙门地热田的控热构造，伊河断层（F3）、朝阳首阳山断层（F4）为地热田的导热、导水构造，寒武系灰岩为龙门地热田的热储层，上覆数百米的二叠系、三叠系砂岩、泥岩互层为该地热田热储层的盖层，龙门地热田地热水水温高达98.5 ，开发利用前景广阔。关键词：地热地质;形成条件;龙门地热田中图分类号：P314.1;TV211.1+2 文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.08.018引用格式：王现国，李扬，张晓丽，等.洛阳龙门地热田地热地质特征及开发利用对策J.人民黄河，2021，43（8）：96-101.Abstract： The Luoyang Longmen geothermal field is located in the southwestern part of the Luoyang fault basin. The formation conditions are strictly controlled by geological structures. It belongs to the convective geothermal field of structural thermal storage. The heat conduction and water conducting structure， 3 is the thermal reservoir of the Longmen geothermal field， and the overlying hundreds of meters of P2 and T1+2 become its thermal reservoir cap layer. The discovery of the warm geothermal water （98.5 ） in the Longmen geothermal field provides broad prospects for the development and utilization of the geothermal field. Based on the geothermal exploration data over the years， starting from the analysis of the boundary， spatial distribution characteristics， and thermal storage structure development characteristics of the Longmen geothermal field， the paper analyzed and discussed the formation mechanism of the Longmen geothermal field， geophysics， geochemistry， geothermal water temperature field characteristics， geothermal water， storage and transportation conditions， etc.Key words： geothermal geology; formation conditions; Longmen geothermal field洛阳龙门地热田位于世界文化遗产龙门石窟风景区内，属构造热储对流型地热田，温泉沿长1 400 m、宽300 m的伊河河漫滩及两岸坡脚分布，面积约0.42 km2，共出露温泉19处，泉水温度多为2426 ，最高为43 。温泉多从寒武系灰岩中涌出，在温泉出露南端伊河河漫滩上有一处热水湖沼地，长约60 m、宽约20 m。龙门玉隆苑园区地热井水温达98.5 ，涌水流量达96 m3/h，而豫西地区温泉水温一般不超过60 ，龙门地热田这一中温地热井的钻探成功，表明洛阳市区地热资源开發利用前景广阔1-2。1 区域地质构造龙门地热田所在的洛阳盆地由华北地台发展而成。洛阳盆地四周被断裂围限，形成于晚侏罗纪，定型于早第三纪的中、新生代断陷盆地。盆地内发育着一套地台型中、上元古界和海相碳酸盐岩地层。自太古界以来，该区域经历了多期次的构造运动，燕山运动对该区域构造格局的形成起着决定作用，这次构造运动使前期地层褶皱形成发育了一系列北东、北西和近东西向的大断裂，周围山地抬升，盆地内部沉降，沉积了侏罗系和下白垩系碎屑岩类地层。在早第三纪，该区域处于强烈拉张作用下，断裂活动强烈，发生了大规模、不均一的断陷活动，形成一系列断陷与隆起，如洛河断陷与东花坛隆起、张庄断陷与关林隆起。自晚第三纪开始，全面进入了以沉降为主的时期，沉积面积迅速扩大，洛阳盆地普遍接受晚第三纪和第四纪沉积，地层岩性为泥岩、砂岩及沙砾岩，地层沉积厚度达858 m3-7。控制洛阳盆地边界的断层主要有龙门地热田的朝阳首阳山断层（F4）、龙门米庙（吕店）断裂带（F1、F2）、伊河断层（F3）、龙潭沟断层（F5）、伊川断层（F7）和殷桥断层（F9），各断层特征如下8-9。（1）龙门米庙（吕店）断裂带（F1、F2）。龙门米庙（吕店）断裂带由草店断裂（F1）和魏湾断裂（F2）两条平行的北西向正断层组成（见图1），走向北西，倾向均为南西，相距500 m左右，落差在2 000 m以上，形成于燕山期。在北西向地质应力作用下，该断裂发生了左型平移，从而使断层具有压扭性质，该断裂带于龙门一带向北西方向延伸进入洛阳盆地，规模大、延伸远，具有多期活动的特征，龙门地热田的分布与断裂密切相关。龙门粮库院钻孔水温为40 ，伊河西岸钻孔水温为49 ，证明热水遇该断裂带在龙门伊河河床及两岸附近上溢，形成龙门地热田。（2）伊川断层（F7）和殷桥断层（F9）。伊川断层为一正断层，走向近东西，倾向南，落差在2 000 m以上。殷桥断层是龙门地热田西侧边界断层，为一大型推覆构造，走向北西南东，倾向南西，延伸长度达百余千米，这两条区域断层为龙门地热田的形成起到导水储水作用。（3）伊河断层（F3）和朝阳首阳山断层（F4）。伊河断层为洛阳盆地南侧边界断层，走向北东东、倾向北北西，为正断层，向北东复合于朝阳首阳山断层，向西复合于宜阳锦屏山断层，延伸长度达6 km，落差约2 500 m，形成于燕山晚期。朝阳首阳山断层为洛阳盆地北侧的边界断裂，走向近东西，倾向南，形成于印支期喜山期，落差4 000 m以上，控制着洛阳盆地巨厚沉积和盆地的形成，沿断层带有寺沟温泉出露。（4）龙潭沟断层（F5）。龙潭沟断层为一具左型平移的正断层，走向北西，倾向北东，落差1 500 m左右。向南东被推覆构造（殷桥断层F9）所掩盖，形迹不清，沿断层带展布方向有周村温泉出露。2 龙门地热田形成条件2.1 地热地质特征龙门地热田位于洛阳盆地边山隆起嵩山隆起西北倾伏端，四周被断裂所围限，北侧伊河断层控制着盆地的沉积厚度。南边为伊川断层。西边为龙潭沟断层。东边以嵩山断裂为界，嵩山断裂为一具左型平移的正断层，倾向北西。这些断裂为地下热水的循环创造了基础条件。基岩主要为元古界，地热田东部有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系分布，其上覆盖层为上第三系和第四系10-11。龙门地热田地表大部分被新生界覆盖，仅龙门的东山、西山及其附近有基岩出露。钻探揭露的地层：元古界震旦系（Z）石英砂岩等，古生界寒武系（）石灰岩、白云岩等，上石炭统（C3）石灰岩，二叠系（P）和三叠系（T）砂岩、页岩煤系地层，上第三系洛阳组（N1）及第四系（Q）砂、砾岩等。奥陶系、志留系、泥盆系及下、中石炭统缺失。地层总厚为2 100 m。寒武系石灰岩、白云岩含水层，石炭系石灰岩含水层为岩溶裂隙承压水，含水性和导水性极不均一。两者之间虽然有石炭系上统本溪组（C3b）铝质岩隔水层，但是断裂、裂隙沟通，往往发生垂直水力联系，可视为一个含水层组，总厚800 m以上。第三、四系砂、砾岩含水层厚30 m左右，为孔隙潜水含水层，与地表伊河水关系密切，两者常发生互补。该含水层与石炭系含水层之间因有二叠、三叠系巨厚泥质岩类隔水层的阻隔而无水力联系2-3。龙门地热田热储层为寒武系上统岩溶裂隙含水层。在龙门地热田内，东部寒武系岩溶裂隙含水层属嵩山北麓单斜构造水文地质单元佛光龙门水文地质亚单元。在该亚单元内，地下水自嵩山断层向西流动，至龙门一带排泄，在伊河两岸形成上升泉，现存9个泉，总涌水流量在300 L/s以上，为浅部常温水循环系统（见图2）。深部地下水经过深循环运移至区内草店断裂和魏湾断裂两条平行的北西向正断层，被岩浆岩体中长寿命放射性元素的蜕变所产生的热加热，因断层导水性好而产生了热对流，为地下水提供了向上部运移的通道。地下水沿F1、F2断裂破碎带或导水岩层（如3）向北流动至区内寺沟断层（F41），走向北东，倾向北西，其北侧为巨厚的弱透水层，地下水運移受阻。即沿F1破碎带向上运移，从而形成龙门地热田。西部寒武系岩溶裂隙含水层属熊耳山余脉褶断构造水文地质单元殷桥龙门水文地质亚单元。在该亚单元内，殷桥断层魏湾断裂之间为地下水的补给区。F1与F2之间为地下水升温区，这是寒武系的温热水循环系统。1973年在龙门山口南伊河滩，沿F1两侧钻孔7个，其中热2号孔在孔深49.29 m处见温热水，水温为51.5 ，取水层位为3，涌水流量约45 m3/h。在龙门煤矿多次勘查中，先后在地热田内钻孔30余个，其中3严重漏水钻孔5个，仅04-5孔在井深191.69 m遇温热水，水温为51 ，涌水流量为22 m3/h。1992年河南煤田二队为1303国有粮库施钻地热井一眼（见图2），取水层位仍为3，井深为230.82 m，水温为52 ，涌水流量为50 m3/h。1993年海校施钻地热井一眼，井深为392.43 m，终孔于3，井底温度为45 。根据资料分析，岩溶裂隙常温水系统与温热水系统无直接水力联系。如1992年，位于地热田东约5 km的诸葛煤矿井下突水，涌水流量达2 700 m3/h，矿上强排水使龙门伊河两岸泉水大部分干涸，但位于伊河滩的热2号孔和位于龙门以西的1303井的水位、涌水流量却无变化12-13。2.2 地热田地球物理特征据地球物理重力、地磁勘探实测资料和放射性物探测量资料，该地热田沿断裂带（F1、F2）有低量级的重磁异常，埋藏浅的壳内低速体（即隐伏岩浆岩体）为龙门地热田的形成提供了热源，龙门地热田热水在F1、F2组成的深大断裂带及次级断裂带的灰岩岩溶裂隙带中分布。龙门西山玉隆苑园区内地热水井位于该断裂带（F1、F2）上，地球物理特征表现为视电阻率低值异常和氡气、汞气高值异常，表明F1、F2为龙门地热田的控热、导热构造，岩溶裂隙含水层为热储层，岩溶裂隙含水层上覆数百米的二叠系、三叠系地层为盖层14-15。伊河断层（F3）为地热田北边界控制构造，基本呈东西向展布。3条勘探线共91个勘探点测得全区土壤中汞含量平均值为40.78 ng/g，大于平均值的为高值点，大于平均值2倍的为高值异常点。土壤汞含量测量高值点反映基岩构造裂隙发育情况，高值异常点与断裂构造破碎带有关（见图3）。东勘探线1、2、4、8、17、21、25、26、30号点为高值点，6、23、24号点为高值异常点;中勘探线18号点为高值点，17、19、21号点为高值异常点，17号点至21号点为高值异常段;西勘探线1、4、11、13、21、24、26、30号点为高值点，3、8、12、14、16、25号点为高值异常点。伊河断层（F3）2条勘探线共63个勘探点，全区土壤氡含量平均值为2 488.95 Bq/m3，大于平均值2倍的为高值点，大于平均值3倍的为高值异常点。土壤氡含量测量高值点反映基岩构造裂隙发育情况，高值异常点与断裂构造破碎带有关。疗养院东勘探线5、8号点为高值点，10、25号点为高值异常点;疗养院西勘探线12、32号点为高值点，9、13、15号点为高值异常点。根据汞、氡含量勘探结果（见图3），综合分析认为：东勘探线6号点、中勘探线7号点、西勘探线25号点为伊河断层在浅地表的反映，东勘探线10号点、中勘探线17号点、西勘探线13号点为寺沟断层在浅地表的反映。采用微动探测技术，针对F41断层、F3断层进行了探测，地表反映清晰。微动探测技术不需要反演出S波速度值，只要得到S波速度剖面上速度的相对变化规律即可（似横波速度结构），从而达到探测构造的目的。微动剖面探测技术是在已经得到的瑞雷波频散曲线的基础上，通过对频散曲线的计算得到各点下方的视S波速度，进而在剖面上进行插值，得到视S波速度剖面，用于进行地质推断和解释。解释断层位置的依据：明显的梯级带、等值线的同形扭曲或同向扭曲部位。微动探测剖面长1.2 km，探测物理点7个，微动反演剖面（见图4）显示：从上到下，似横波速度从100 m/s逐渐增大至8 400 m/s，地表以下似横波速度小于1 200 m/s、深度为120390 m推断为新生界;似横波速度小于3 200 m/s、深度约610 m推断为三叠系;似横波速度为3 2004 400 m/s、深度为200 m推断为二叠系和石炭系（P+C）;似横波速度大于4 400 m/s，推断为寒武系（），厚度较大。从左到右，2 000 m以浅范围内，似横波速度变化不大，近似水平层状;距测点0点位置430700、730 1170 m位置，视横波速度变化呈明显梯级带，推断为F41、F3断层。F41断层为正断层，倾向北，倾角为77，断距约为80 m;F3断层为正断层，倾向北，倾角为68，断距约为680 m。2.3 地热田地球化学特征龙门地热田沿伊河龙门河段分布19处温泉，泉水温度为21.025.5 ，经松散层中流出，其为HCO3-Ca、HCO3-CaMg型水，矿化度为0.350.80 g/L。根据水化学资料统计，Na+、Ca2+、Cl-、SO2-4、SiO2浓度明显偏高，矿化度偏低，由于与第四系松散岩类孔隙水混合，因此其水化学类型与第四系松散岩类孔隙水的相似12。龙门口南及龙门镇西地热井水温为47.051.5 ，矿化度为0.601.43 g/L，为HCO3SO4-CaMg、SO4CL-NaCa型水，其化学成分中的气体以N2为主，其次为CO2、O2、Rn等。煤田二队地热井取水为寒武系（3）岩溶裂隙水，井深1 040.94 m，上覆地层为煤系碎屑岩类地层，井口水温为45.5 ，涌水流量为40 m3/h，为HCO3SO4-CaMg型水，水中氡浓度为29 mg/L，偏硅酸和锶浓度分别为31.25、0.54 mg/L，说明该井温热水来自F1的深层循环系统。龙门西山森林公园玉隆苑园区地热井水温达98.5 、涌水流量达96 m3/h，井深966 m，为寒武系（3）岩溶裂隙水，上覆地层为煤系碎屑岩类地层，为SO4Cl-NaCa型水，其化學成分中的气体以N2为主，其次为CO2、Rn等，特殊组分SiO2、F浓度较高，达到医疗矿泉水水质标准。据统计，龙门地热区地热流体钠浓度为541.53 mg/L（占阳离子的84.0%），硫酸盐浓度为715.65 mg/L（占阴离子的54.3%），氯化物浓度为379.67 mg/L（占阴离子的39.0%），溶解性总固体浓度为1 928.54 mg/L，总硬度为192.5 mg/L，pH值为7.90，属中性水，以SO4Cl-Na型水为主，见表1。龙门地热田热水井均位于草店断裂（F1）、魏湾断裂（F2）上，更加充分地说明龙门地热田温热水是沿龙门米庙（吕店）断裂（即F1、F2）由深部循环而来的。从其化学成分看，它们都富含大气成因气体N2和O2，并含有大量与温度有关的组分SiO2、F。由此可见，龙门地热田中温水是受深断裂控制的深循环中温地热水，即大气降水渗入形成的地下水沿深断裂带向深部运移，受深部热源加热升温，随着循环距离的增加和深度的加大，以及水文地质条件和水文地球化学环境的改变，水与围岩发生了盐分的淋滤、溶解、阳离子交换和浓缩作用，稳定组分在地下水中逐渐积累，不稳定组分发生沉淀，从而形成了现今地热水的水文地球化学特征，然后沿断裂上升到地表或地表附近形成温泉或被人工揭露成井。通常地热水的含硫酸盐度越高，硫酸盐的还原作用越强3-4。龙门地热田地热水硫酸盐浓度普遍较高，矿化度也偏高，尤其龙门西山森林公园玉隆苑园区地热井水硫酸盐浓度更高，达到命名标准，为SO4CL-NaCa型水，表明其地热水处在封闭程度较好的还原水文地质环境，在运移过程中地下水主要发生了变质和浓缩作用，也说明龙门地热田中温热水是沿龙门米庙（吕店）断裂带经深部循环而形成的。2.4 地热田地温梯度特征研究区年平均气温14.7 ，将17.0 以下视为正常水温、高于17.0 视为异常水温。据龙门一带机井、民井和浅层地下水水温，龙门地热田浅层地下水温异常，浅层地下水异常水温（17.020.5 ）有规律地分布于北东向寺沟断层两侧（见图5），表明深部地下流体沿北东向寺沟断层运移，寺沟断层为龙门地热区重要导水构造之一。2005年以前钻探的地热井均位于北西向区域性控热断裂以东，钻探目标多为北东向、北北东向导热断裂带，地处地热流体径流区，热储温度、地热流体温度相对较低，说明深部地热流体在北西向控热断裂获得热源补给，在沿北东向导热、导水断裂运移过程中存在热量消耗，并伴有常温地下水混入，同时表明龙门地热区的岩溶水系统侧向径流补给明显;2005年以前钻探的所有地热井井深为几十米至1 040.94 m，井口温度一般为42.051.0 ，最高为52.0 。根据这些地热井地热流体采样分析结果，用钾镁温标计算的热储温度为66 左右。根据我国大地热流值统计结果，洛阳盆地属地热正常区域，不具备高温地热资源形成的条件。根据全国温泉调查统计资料，碳酸盐岩出露及隐伏区泉水温度一般都不太高，很少超过60.0 ，龙门温泉也不例外，出露泉群最高水温仅43.0 ，龙门地热田一般地温梯度为2.53.1 /100 m，洛阳盆地周边偃龙煤田地温梯度为1.31.5 /100 m，宜洛煤田地温梯度为2.24 /100 m，新安煤田地温梯度为1.75 /100 m。龙门地热田地热梯度相对偏高的原因是，龙门地热田控热构造（F1、F2）发育，同时存在导水导热和热对流作用，将地下热水导入深层热储层循环而成。2005年在龙门地热区西部王城大道西侧玉隆苑施工一眼地热井，井深996 m，涌水流量96 m3/h，井口水温98.5 ，钾钠温标计算的热储温度为85.3 。经分析认为，玉隆苑地热井位于北西向区域性控热断裂带（F1、F2）内，热储温度较高，高于90.0 ，属中温地热资源。3 结论及建议龙门地热田为构造对流循环型，分布的控热、储水构造为龙门地热田地热资源的形成提供了良好的地质构造条件。龙门地热田的形成是该地区特殊地质构造制约水热活动的结果。位于龙门西山森林公园玉隆苑园区内地热井水温为98.5 ，充分说明龙门地热田深大断裂F1、F2为龙门地热田的控热构造，寒武系（3）碳酸盐岩为龙门地热田热储层，上覆数百米的二叠、三叠系则为龙门地热田的盖层，具备成为中温型地热田的温度条件，开发前景十分广阔。为了龙门地热田的生态环境保护及高质量可持续开发利用，提出如下建议：（1）加大地热资源勘查投入，提高地热资源勘查程度。除了该地热田进行过一些简单的地热地质勘查工作以外，其他各地基本未开展系统的地热勘查工作。应加强地热资源勘查、评价与规划工作，加大该地区热田地热水的补给、径流、排泄、动态特征研究，更好地引导地热资源开发利用市场的发展。（2）尽快制定地热资源开发利用规划。地热资源的开发利用与保护必须坚持可持续发展，全面规划，科学开发。对于龙门地热田，应坚持以探为主，以采为目的。应充分收集、分析、研究已有地质、物探等方面的地质资料，慎重布井。在开发出地下热水后，应在对地下热水全面研究与评价的基础上，编制全方位、多层次地下热水资源综合开发利用规划，以达到水的热能与理化成分资源的最有效利用。（3）加大地热资源开发利用模式研究与示范工程建设。龙门西山地热井水温达98.5 、涌水流量达96 m3/h，河南省内热水井井水温度为50.060.0 ，豫西地区温泉水温一般不超过60.0 ，龙门地热田高温地热水的发现表明，龙门地热田存在中温地热水，可用于烘干、发电和工业利用。应加强地热资源开发利用模式研究与示范工程建设，龙门地热田位于世界文化遗产龙门石窟保护区附近，其中温地热水可以为世界文化遗产的保护提供可靠的洁净能源。参考文献：1 阎留运，徐九儒.洛阳盆地地热资源与龙门地热田的关系J.中国煤田地质，2002，14（1）：37-41，56.2 赵东.对洛阳市南部万安山一带几个地质构造问题的探讨J.内蒙古煤炭经济，2019，37（4）：154-156.3 杨守渠，翟雷，铁健康，等.洛阳市龙门高温地热井的综合物探勘查J.物探与化探，2012，36（4）：562-566.4 徐九儒.洛阳龙门地热的形成及赋存特征的分析J.城市地质，2011，6（3）：40-42.5 王现国，董永志，杨现国，等.洛阳盆地地热资源形成条件与开发利用研究J.地下水，2007，29（4）：74-76，85.6 王建锋.洛阳龙门石窟地温场研究J.中国岩溶，1995，39（4）：9-12.7 王现国，彭涛，张领，等.洛阳盆地浅层地下水资源数值模拟评价J.工程勘察，2010，38（6）：38-43.8 许文峰，王现国，刘记成，等.洛阳盆地地下水动力场环境演化研究J.人民黄河，2007，29（2）：54-55.9 吕志涛，王伟峰.河南省洛阳盆地地热资源成因类型分析J.地下水，2006，28（1）：36-39，43.10 杨守渠，孙天立，邹乾胜，等.洛阳市龙门同一隐伏断裂构造上热水、凉水井勘探J.物探与化探，2005，29（4）：326-328.11 杨国华，吴奇.洛阳市龙门温泉成因探讨J.水文地质工程地质，2003，30（6）：58-61.12 王现国，谷芳莹，孙春叶，等.洛阳盆地地下水同位素特征分析J.人民黄河，2017，39（11）：95-98.13 詹亚輝，王现国，钱建立，等.豫北内黄凸起地热田成因机制分析J.人民黄河，2018，40（9）：74-77，88.14 龚晓凌，王现国，杨国华，等.渑池盆地岩溶含水系统地下水资源评价J.人民黄河，2018，40（8）：51-53.15 王现国，杨国华，谷芳莹，等.三门峡盆地地下水化学成分演化机理与模拟J.人民黄河，2018，40（6）：82-86.【责任编辑 吕艳梅】 -全文完-