孫軍勝，李 波，白何領(lǐng)

(1.河南省金屬礦產(chǎn)深孔鉆探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 第三地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000)

開(kāi)封市作為河南省重要城市，其處于開(kāi)封凹陷區(qū)的核心部位和中心區(qū)域，地?zé)峋植济芏却螅責(zé)嵫芯砍潭雀?，地?zé)峁┡幸欢ǖ幕A(chǔ)，作為城市集中供暖對(duì)象研究，具有較強(qiáng)的代表性和示范作用[1-5]。為此，以開(kāi)封市區(qū)為例，分析了開(kāi)封凹陷區(qū)深層地?zé)豳Y源地質(zhì)條件，研究為后期地?zé)豳Y源的開(kāi)采提供了技術(shù)支持。

1 區(qū)域地質(zhì)概述

1.1 地形地貌

開(kāi)封市地處豫東平原，黃河下游沖積平原，地表為第四系全新統(tǒng)沖積物，地形平坦而廣闊，呈西北向東南傾斜，土層深厚，土質(zhì)良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其土壤成因?yàn)辄S河沖積物，土質(zhì)疏松。境內(nèi)無(wú)山，地形西北高東南低，坡降1/2 000～1/4 000，黃河大堤以北河漫灘灘區(qū)地勢(shì)偏高，最高海拔+90 m；大堤以南，地面高程+70～+78 m。區(qū)域地貌處于黃河沖積平原沖積扇的軸部，現(xiàn)狀地貌主要是黃河歷次泛濫改道所留下的遺跡，按形態(tài)劃分為4類(圖1)。

(1)黃河漫灘區(qū)(Ⅰ)。分布于黃河大堤以北地區(qū)，地面高程+78～+85 m，地面微向黃河傾斜，灘面一般高出水面2～3 m，比大堤南側(cè)高出6～8 m，東部有半固定沙丘。

(2)背河洼地區(qū)(Ⅱ)。沿黃河大堤南側(cè)呈東西向帶狀分布，寬1～3 km，地面高程+70～+77 m。其特征是地勢(shì)低洼，流水不暢，易澇堿。在黃河側(cè)滲補(bǔ)給下，使地下水位抬升，部分地區(qū)形成了大片的積水洼地。

(3)沙丘分布微起伏地區(qū)(Ⅲ)。分布于研究區(qū)中部。地面高程為+70～+78 m，坡降為1/2 000～1/3 000。其主要特征是水系發(fā)育，灌渠縱橫。西部沙丘、沙崗較多，沙丘一般高出地面2～4 m，沙崗多呈近南北向延伸。

(4)泛流平地(Ⅳ)。該區(qū)總體地形較平坦，地勢(shì)由西北向東南微傾，自然坡降為0.15/1 000～0.1/1 000，高程為+64～+75 m，地表巖性以粉土為主。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

該區(qū)含水層為松散巖類孔隙含水巖(組)，現(xiàn)分別對(duì)淺層潛水和深層承壓水的水文地質(zhì)條件進(jìn)行簡(jiǎn)述。

(1)潛水含水層及其富水性。淺層水是指50 m深度以內(nèi)含水層中的潛水或微承壓水。含水層主要由全新統(tǒng)黃河沖積層構(gòu)成，沉積物呈現(xiàn)上細(xì)下粗典型的“二元結(jié)構(gòu)”和粗、細(xì)相間的“多元結(jié)構(gòu)”特征，巖性主要為細(xì)砂、粉砂，局部有中砂，頂板埋深為0.8～5.5 m，底板埋深為40～50 m，砂層累計(jì)厚度為20～30 m。直接接受大氣降水、河渠滲入補(bǔ)給，排泄為蒸發(fā)和人工開(kāi)采，為典型的滲入—蒸發(fā)、開(kāi)采型。富水區(qū)單井涌水量為1 000～3 000 m3/d，中富水區(qū)單井涌水量為500～1 000 m3/d，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Na，礦化度一般小于1 g/L。

(2)承壓含水層特征及其富水性。承壓含水層主要分為淺層承壓含水層和地?zé)崴畬?部分：①淺層承壓含水層是指50～300 m深度內(nèi)含水層中的承壓水。含水層由上更新統(tǒng)至下更新統(tǒng)的沖洪積、冰湖積層構(gòu)成，巖性以細(xì)砂、粉砂為主，砂層與粉質(zhì)黏土、黏土呈互層狀，頂板埋深50～70 m，底板埋深280～400 m，砂層累計(jì)厚度100～140 m。主要接受上游徑流補(bǔ)給，以人工開(kāi)采方式排泄，為徑流—開(kāi)采型。極富水區(qū)單井涌水量3 000～5 000 m3/d，富水區(qū)單井涌水量1 000～3 000 m3/d，水化學(xué)類型主要為HCO3-Na·Mg，礦化度一般小于1 g/L。②地?zé)崴畬邮侵?00 m以下深度含水層中的承壓水。含水層主要由新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組和古近系細(xì)砂、中細(xì)砂、粉砂構(gòu)成，中間由黏土層或者泥巖隔開(kāi)。主要接受上游徑流補(bǔ)給，以人工開(kāi)采方式排泄，為開(kāi)采型。極富水區(qū)單井涌水量3 000～5 000 m3/d，富水區(qū)單井涌水量1 000～3 000 m3/d，水化學(xué)類型主要為HCO3-Na到Cl-Na型，溶解性總固體含量為363.0～17 421.7 mg/L。

2 研究區(qū)熱儲(chǔ)層埋藏條件及劃分

研究區(qū)包含開(kāi)封次凹陷的東南部和通許凸起西北部，地?zé)犷愋蛯俪练e盆地傳導(dǎo)型，熱儲(chǔ)類型為層狀熱儲(chǔ)，熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)完整，熱儲(chǔ)層、蓋層齊全。熱源供給主要為大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)，深部古近系熱儲(chǔ)層存在沿?cái)嗔淹ǖ缹?duì)流的熱傳導(dǎo)形式[6-9]。

2.1 蓋層及熱源

區(qū)內(nèi)熱源為來(lái)自地球深部的熱能，傳導(dǎo)方式主要是巖石的熱傳導(dǎo)，巖體的熱量再傳輸給深埋的地下水，形成地?zé)崃黧w。

2.2 熱儲(chǔ)層垂向劃分

根據(jù)超低頻電磁探測(cè)解譯結(jié)果，對(duì)于研究區(qū)內(nèi)大于5 m的含水層和隔水層進(jìn)行了劃分，結(jié)合地?zé)峋删Y料和區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件綜合分析，對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行修正后，最終將研究區(qū)400～3 000 m埋深范圍內(nèi)熱儲(chǔ)分為3大熱儲(chǔ)層，即新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層、新近系館陶組熱儲(chǔ)層和古近系熱儲(chǔ)層，此次研究重點(diǎn)為新近系熱儲(chǔ)層，新近系熱儲(chǔ)層劃分信息見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)新近系熱儲(chǔ)層信息Tab.1 Neogene thermal reservoir information in the study area

3 研究區(qū)地球物理特征

地球物理測(cè)量主要是查明研究區(qū)隱伏深大斷裂、活動(dòng)性斷裂、控?zé)釘嗔押蛯?dǎo)熱斷裂的空間展布和產(chǎn)狀、影響寬度，確定地層巖性、熱儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等，此次研究就是利用物探方法查明研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件、熱儲(chǔ)特征、對(duì)研究區(qū)內(nèi)400～3 000 m深度范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層及熱儲(chǔ)層埋藏深度進(jìn)行探測(cè)和劃分，并根據(jù)物探解譯結(jié)果圈定地溫異常范圍。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要，此次研究以超長(zhǎng)電磁波測(cè)量為主要物探測(cè)量方法，大地電磁法(MT)方法為輔助工作方法[10-12]。此次超長(zhǎng)電磁波測(cè)量使用BD-7型超低頻電磁探測(cè)儀，根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)和地形特征共布設(shè)5條探測(cè)剖面線，分別是WT001線、WT004線、WT005線、WT006線及WT008線，BD-7型儀器探測(cè)了120個(gè)點(diǎn)，網(wǎng)密度13 km×2 km。大地電磁法(MT)驗(yàn)證完成測(cè)點(diǎn)27個(gè)，質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)2個(gè)，全長(zhǎng)34.8 km。

3.1 物探解譯標(biāo)志

(1)超低頻電磁探測(cè)地層劃分標(biāo)志。結(jié)合研究區(qū)鉆孔資料，根據(jù)“由已知到未知”的原則，為建立解譯標(biāo)志，特別在地質(zhì)鉆孔開(kāi)參1井、開(kāi)參2、開(kāi)參3井附近布設(shè)有探測(cè)點(diǎn)，以這3個(gè)鉆孔的已知地層深度對(duì)應(yīng)探測(cè)曲線深度的特征，建立了地層解譯標(biāo)志。地層的解釋劃分主要依據(jù)超低頻電磁波曲線形態(tài)特征，即幅值、均勻度、平穩(wěn)度、疏密程度、平均幅值、幅值變化幅度等基本要素。其中，曲線幅值是進(jìn)行地質(zhì)解譯的重要物理量。該研究區(qū)地層的探測(cè)曲線特征是隨著深度、壓力、密度增加而幅值增加，不同的地層探測(cè)曲線也有不同的特征。第四系地層比較松散，探測(cè)曲線幅值最低的探測(cè)曲線幅值高。

(2)大地電磁測(cè)深地層劃分標(biāo)志。地層的解釋劃分主要依據(jù)電阻率剖面變化形態(tài)特征的基本要素，研究區(qū)地層的電阻率特征是隨著深度增加而增加，不同的地層探測(cè)電阻率也有不同的特征。第四系(Q)地層比較松散，含水性較好，新近系(N)地層未成巖，所以其在電阻率表現(xiàn)形式為低阻。古近系(E)主要有紅色(棕、棕紅、紫紅)泥巖和灰白色、灰綠色、棕色砂巖和粉砂巖組成，電阻率呈現(xiàn)中阻。二疊系P位于古近系底部，表現(xiàn)為中高阻。研究區(qū)最底部高阻為石炭系和奧陶系表現(xiàn)。MT視電阻率檢查對(duì)比如圖2所示。

圖2 MT視電阻率檢查對(duì)比Fig.2 Inspection comparison of MT apparent resistivity

(3)砂層的解釋劃分標(biāo)志。研究區(qū)不同的地層探測(cè)曲線有不同的特征，主要依據(jù)和相鄰曲線幅值作對(duì)比，探測(cè)曲線幅值相對(duì)較高區(qū)間解釋為砂層。為了更準(zhǔn)確地建立砂層的解譯標(biāo)準(zhǔn)，把和超低頻電磁探測(cè)點(diǎn)相近的地?zé)峋疁y(cè)井曲線砂層解釋結(jié)果和超低頻電磁探測(cè)曲線解釋結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2，平均誤差為11.6%。

表2 超低頻電磁探測(cè)曲線與測(cè)井曲線砂層解釋對(duì)比 Tab.2 Comparison of sand interpretation between ultra-low frequency electromagnetic detection curve and logging curve sand layer

(4)地溫異常的解譯標(biāo)志。關(guān)于BD-7型超低頻電磁探測(cè)儀在地?zé)岙惓Ｌ綔y(cè)中的解譯標(biāo)志特征，根據(jù)在魯山堿場(chǎng)溫泉地?zé)峋⑾聹珳厝?zhèn)政府、南京小湯山、鎮(zhèn)江鐵礦、嵩縣湯池溝、招遠(yuǎn)金礦、西寧南郊地?zé)峋纫阎責(zé)峋?泉)附近進(jìn)行過(guò)超低頻電磁波探測(cè)成果。建立了地?zé)岙惓＝庾g標(biāo)志，同類地層探測(cè)曲線相對(duì)異常升高和地溫升高有關(guān)系。

3.2 地層及構(gòu)造綜合解譯

3.2.1 超低頻電磁探測(cè)地層及構(gòu)造解譯

(1)地層解譯劃分。依據(jù)該區(qū)域曲線類型及特征，結(jié)合附近已知鉆孔資料研究區(qū)地層可劃分為5段。從上到下依次為：①第1段第四系(Q)。該段探測(cè)曲線幅值整體較低，跳躍較小。推測(cè)為第四系(Q)，主要由黃土、卵石、砂土、亞砂土層、砂質(zhì)黏土及沖積礫石組成，該地層覆蓋全區(qū)，由西、南向東、北厚度逐漸增大，厚度180～320 m。②第2段新生界新近系(N)。探測(cè)曲線幅值較低，整體比第四系(Q)探測(cè)曲線高，推測(cè)為新生界新近系(N)。主要有紅色(棕、棕紅、紫紅)和灰綠色厚層黏土及棕黃色厚層中細(xì)砂，夾有亞黏土和少量亞砂土、砂巖、黏土巖組成。該地層覆蓋全區(qū)，由西南向東北厚度逐漸增大，厚度900～2 100 m。③第3段古近系(E)，依據(jù)曲線特征及類型，推測(cè)解譯為主要有砂巖、黏土巖組成。厚度變化很大，探測(cè)區(qū)南部缺失，往北越來(lái)越厚。④第4段三疊系(T)。在探測(cè)區(qū)西南角部分點(diǎn)探測(cè)到該地層。⑤第5段二疊系(P)、石炭系(C)、奧陶系(O)、寒武系(∈)。在探測(cè)區(qū)南部探測(cè)到該地層。中部和北部埋深大于3 000 m。

(2)地質(zhì)構(gòu)造綜合解譯。開(kāi)封凹陷處于南華北盆地北西向構(gòu)造帶和華北盆地北東向構(gòu)造帶的交叉疊合部位，構(gòu)造作用強(qiáng)裂，斷層比較發(fā)育，其走向主要有3組：北西向、北東向和東西向，控制著凹陷的形成及中、新生界地層的發(fā)育。地質(zhì)構(gòu)造解譯主要是通過(guò)和其他相鄰探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)曲線對(duì)比分析，解釋相鄰探測(cè)點(diǎn)之間是否存在斷層(圖3)。該探測(cè)區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)基本上是在新生界形成以前發(fā)生的，所以在新生界大部分區(qū)域沒(méi)有斷層反應(yīng)，在新生界底部有異常反應(yīng)。

圖3 53號(hào)和54號(hào)探測(cè)點(diǎn)地層及構(gòu)造解譯Fig.3 Stratigraphic and tectonic interpretation of No.53 and No.54 exploration sets

從探測(cè)曲線上分析和參考其他已知資料推測(cè)，發(fā)現(xiàn)有8個(gè)埋深3 000 m以淺的隱伏斷層位置：①43—44號(hào)點(diǎn)，正斷層，斷距約230 m，走向東北，傾向西北；②45—46號(hào)點(diǎn)，正斷層，斷距約105 m，走向東北，傾向西北；③46—47號(hào)點(diǎn)，正斷層，斷距約160 m，走向東北，傾向西北；④67—68號(hào)點(diǎn)，正斷層，斷距約385 m，走向東北，傾向西北；⑤53—54號(hào)點(diǎn)間，正斷層，斷距約205 m，走向東北，傾向西北；⑥74—75號(hào)點(diǎn)，正斷層，斷距約250 m，走向東北，傾向西北；⑦96—98號(hào)點(diǎn)，正斷層，斷距約660 m，走向西北，傾向東北；⑧111—112號(hào)點(diǎn)，正斷層，斷距約660 m，走向西北，傾向北東。

3.2.2 大地電磁測(cè)深地層及構(gòu)造解譯

本區(qū)第四系主要巖性為細(xì)砂、粉細(xì)砂、中砂、黏土及粉土，電阻率一般為低阻，總體上表現(xiàn)為電性不均；新近系分為明化鎮(zhèn)組和館陶組，巖性主要為細(xì)砂、中砂、砂礫、黏土及砂質(zhì)黏土，電阻率也表現(xiàn)為低阻，所以明化鎮(zhèn)組與第四系之間的電性界線并不清楚，跟館陶組電性差異也極小，很難單獨(dú)劃分出一層來(lái)，故以Q+N來(lái)代表第四系到館陶組。古近系以砂巖、泥巖為主，古近系電阻率表現(xiàn)為中低阻，相對(duì)較容易劃分同上部地層的邊界。

大地電磁測(cè)深剖面上各段的地層結(jié)構(gòu)及電阻率有一定的規(guī)律性變化。結(jié)合電阻率反演剖面圖來(lái)說(shuō)，橫向代表探測(cè)點(diǎn)號(hào)，縱向代表探測(cè)深度，電阻率從低到高，分別以藍(lán)綠黃紅進(jìn)行區(qū)分表達(dá)(圖4)。

圖4 大地電磁測(cè)深剖面解譯Fig.4 Interpretation of magnetotelluric sounding profiles

研究區(qū)內(nèi)大地電磁測(cè)深剖面總體呈南北向，北起柳園口鄉(xiāng)，經(jīng)開(kāi)封市區(qū)、范村鄉(xiāng)、萬(wàn)隆鄉(xiāng)，至研究區(qū)南部邊界，全長(zhǎng)34.8 km。從剖面上可見(jiàn)，67號(hào)和68號(hào)點(diǎn)存在一斷層，斷層位置在埋深2 500～3 000 m。整體上區(qū)域地層分層表現(xiàn)突出，從上到下依次為第四系、新近系、古近系、二疊系、石炭系和奧陶系。2 200 m以淺地層為第四系和新近系，橫向上分析，第四系和新近系覆蓋全區(qū)，沿測(cè)線方向(近北南向)呈現(xiàn)厚度逐漸減小，南部新近系的底部在1 500 m左右；古近系地層在探測(cè)線北部巨厚，南部缺失；二疊系、石炭系和奧陶系在北部的埋深在3 000 m以深，南部埋深在3 000 m以淺，在局部存在斷層的區(qū)域，存在電阻率下凹，符合地質(zhì)規(guī)律。通過(guò)對(duì)比大地電磁測(cè)深與超長(zhǎng)電磁波解譯結(jié)果，二者在地層劃分及對(duì)斷層的探測(cè)上基本相符。

3.3 地質(zhì)分區(qū)

結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造和物探解譯構(gòu)造結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)存在的開(kāi)封斷裂和祥符—?jiǎng)⒌陻嗔寻蜒芯繀^(qū)切割為4個(gè)區(qū)塊，各區(qū)塊內(nèi)含水層厚度、埋藏條件明顯不同，故將研究區(qū)分為4個(gè)區(qū)塊進(jìn)行研究。研究區(qū)地質(zhì)分區(qū)見(jiàn)表3。

表3 地質(zhì)分區(qū)Tab.3 Geological division

3.4 地?zé)岙惓＝庾g

本次地?zé)岙惓＝庾g(圖5)根據(jù)探測(cè)點(diǎn)曲線上是否出現(xiàn)明顯變化來(lái)確定是否存在地?zé)岙惓?，然后再由點(diǎn)到線，最后結(jié)合研究區(qū)地?zé)嵩鰷芈?.2～3.9 ℃/hm等值線圈定地?zé)岙惓^(qū)域。以69號(hào)、70號(hào)、71號(hào)3個(gè)相鄰的探測(cè)點(diǎn)為例，71號(hào)點(diǎn)的探測(cè)曲線幅值變化由低到高，解釋為地層受壓力的影響密度由低到高，屬于正常地層。69號(hào)點(diǎn)探測(cè)曲線從深度804～925 m、1 140～1 500 m、1 726～2 446 m探測(cè)曲線幅值異常升高，解釋為地溫異常升高影響出現(xiàn)異常高幅值曲線。70號(hào)點(diǎn)探測(cè)曲線在深度1 240～1 391 m、1 641～1 741 m、2 060～2 088 m出現(xiàn)局部異常高幅值曲線，解釋為局部地層有高溫異常，也可以解釋為地層高溫異常邊沿。

圖5 研究區(qū)超長(zhǎng)電波物探解譯地?zé)岙惓ig.5 Interpretation of geothermal anomalies by ultra-long radio wave geophysical exploration in the study area

WT001剖面：58號(hào)—69號(hào)點(diǎn)在深度800～1 200 m和1 400～2 600 m有地?zé)岙惓！T004剖面：112號(hào)和116號(hào)點(diǎn)地?zé)岙惓２幻黠@，其他探測(cè)點(diǎn)在深度800～2 600 m有地?zé)岙惓?。WT005剖面：33號(hào)至46號(hào)點(diǎn)和48號(hào)、49號(hào)點(diǎn)在深度1 200～2 600 m有地?zé)岙惓?。WT006剖面：86號(hào)和87號(hào)點(diǎn)地?zé)岙惓２幻黠@，其他探測(cè)點(diǎn)在深度800～2 600 m有地?zé)岙惓?。WT008剖面：1號(hào)至33號(hào)點(diǎn)在深度600～2 800 m有地?zé)岙惓?。從地?zé)岙惓D上明顯看出研究區(qū)地?zé)岙惓^(qū)域主要分布在開(kāi)封市至陳留鎮(zhèn)一帶，地?zé)岙惓８邊^(qū)域在研究區(qū)西北部，即開(kāi)封市城區(qū)一帶，西南區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯地?zé)岣弋惓^(qū)域。

4 地溫場(chǎng)特征

4.1 恒溫帶深度及溫度

地球表面的熱源主要來(lái)源于2個(gè)方面：①太陽(yáng)的輻射熱;②地球內(nèi)部的巨大內(nèi)熱。這2種反向傳輸?shù)臒崃吭诓煌貐^(qū)和不同部位，存在著不同的平衡關(guān)系，這種平衡關(guān)系決定了各地區(qū)地殼淺部熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)的特征。盡管各地區(qū)熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)特征有所不同，但從地表向下大致可以分為3個(gè)帶：變溫帶、恒溫帶、增溫帶。由于受高度、緯度、巖性、地表水，植被及小氣候等諸多因素影響，各地恒溫帶深度及溫度不一，同一地區(qū)不同部位也略有差異。此次恒溫帶深度及溫度主要依據(jù)淺層地下水垂向水溫測(cè)量數(shù)據(jù)確定。共測(cè)量井點(diǎn)57眼，測(cè)溫318點(diǎn)次，自上而下進(jìn)行垂向測(cè)溫，最大測(cè)量深度44.2 m，垂向溫度測(cè)量間距4～5 m，后期根據(jù)工作需要對(duì)重點(diǎn)井進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，垂向溫度測(cè)量間距為1 m。

通過(guò)實(shí)際機(jī)民井測(cè)溫并結(jié)合區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，研究區(qū)地表淺層由變溫帶→恒溫帶→增溫帶，淺層地下水溫冬季測(cè)量數(shù)據(jù)由淺至深為小→恒定→大的規(guī)律，夏季為大→恒定→大的規(guī)律，據(jù)此確定本區(qū)的恒溫帶溫度及深度。

4.2 地溫梯度

自恒溫帶以下，深度每增加1 m(或100 m)，溫度增加的度數(shù)稱為地?zé)嵩鰷芈剩吹販靥荻?。根?jù)確定的恒溫帶溫度、深度及取水段平均深度，取水段實(shí)測(cè)抽水溫度，利用式(1)計(jì)算地溫梯度值。

G=100×(T-T0)/(Z-Z0)

(1)

式中，G為地溫梯度值；T為地?zé)峋鏊疁囟?；T0為恒溫帶溫度；Z為水段平均深度；Z0為恒溫帶深度。

(1)平面分布規(guī)律。根據(jù)地溫梯度計(jì)算結(jié)果，繪制成新生界地溫梯度等值線如圖6所示。由圖6可知，研究區(qū)新生界地溫梯度為3.2～3.9 ℃/hm，不同區(qū)域存在一定差異，總體具有市區(qū)大、外圍小的分布特征。區(qū)內(nèi)地溫場(chǎng)和區(qū)域規(guī)律基本一致。

圖6 新生界地溫梯度等值線Fig.6 Cenozoic geothermal gradient contour

開(kāi)封市區(qū)的地溫梯度范圍為3.2～3.9 ℃/hm，平均3.5 ℃/hm，大于3.50 ℃/hm的范圍主要集中在城區(qū)至范村鄉(xiāng)一帶；研究區(qū)東部、東南部地溫梯度偏低，在3.2～3.5 ℃/hm，平均3.35 ℃/hm，研究區(qū)北部，即開(kāi)封市城區(qū)區(qū)域，地溫梯度較高，最高可達(dá)3.9 ℃/hm，祥符區(qū)地溫梯度值為3.5～3.7 ℃/hm。地溫梯度的這種平面分布規(guī)律主要與地球物理場(chǎng)的差異及基底起伏、斷裂構(gòu)造、基巖裂隙的發(fā)育程度有關(guān)。

(2)垂向變化。3 000 m以淺地溫梯度總體隨深度增加略有減少趨勢(shì)，深度1 800 m地溫梯度突然增加，深度800～1 200 m地溫梯度值在3.2～3.9 ℃/hm，深度1 200～1 600 m地溫梯度值為3.0～3.6 ℃/hm；深度1 600～2 200 m的地溫梯度值為3.3～3.9 ℃/hm。地溫隨深度的增加而升高是一普遍規(guī)律。但由于不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件、深部地殼結(jié)構(gòu)及地下水活動(dòng)等等因素的影響，其表現(xiàn)的形式則有很大不同。研究區(qū)地溫梯度值隨深度增加而降低的規(guī)律，主要是由于隨著埋深的加深，下部地層在上覆地層的重力作用下，逐漸壓密，孔隙率變低，熱滲透率變強(qiáng)，熱傳遞較好的緣故。然而，在排除地下水的干擾影響后，從一定的深度開(kāi)始，地溫仍隨深度而正常增長(zhǎng)。

4.3 熱儲(chǔ)層溫度分布規(guī)律

(1)熱儲(chǔ)溫度平面分布。研究區(qū)內(nèi)的不同深度的熱儲(chǔ)溫度在區(qū)域上也存在差異，為研究深層地?zé)崴诓煌裆顭醿?chǔ)層的分布規(guī)律，本次工作對(duì)研究區(qū)不同熱儲(chǔ)層的地?zé)崴疁剡M(jìn)行了測(cè)量、收集和統(tǒng)計(jì)，并據(jù)此繪制了明化鎮(zhèn)組上段熱儲(chǔ)層、明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)層、館陶組上段熱儲(chǔ)層及館陶組下段熱儲(chǔ)層地?zé)崴疁囟绕矫娴戎稻€，其中明化鎮(zhèn)組上段和下段熱儲(chǔ)溫度等值線如圖7所示。

圖7 明化鎮(zhèn)組上段和下段熱儲(chǔ)溫度等值線Fig.7 Contours of thermal storage temperature in the upper and lower sections of Minghuazhen formation

根據(jù)圖7，研究區(qū)不同深度熱儲(chǔ)層地溫其平面分布存在一定差異，明化鎮(zhèn)組上段熱儲(chǔ)溫度為36～46 ℃，明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)溫度為48～56 ℃。明化鎮(zhèn)組上段熱儲(chǔ)溫度大于34 ℃的高溫區(qū)及明化鎮(zhèn)組下段熱儲(chǔ)溫度大于56 ℃的高溫區(qū)主要分布在開(kāi)封市城區(qū)及城區(qū)東北部一帶。低溫區(qū)主要分布在祥符區(qū)的南部及研究區(qū)的東北部。造成研究區(qū)地溫區(qū)域分布的差異主要原因是地質(zhì)構(gòu)造影響。研究區(qū)南部靠近通許隆起，新近系熱儲(chǔ)層在研究區(qū)南部埋藏深度較淺，北部靠近凹陷中心，新近系熱儲(chǔ)層埋藏較深，更易接受深部熱量傳導(dǎo)。

(2)熱儲(chǔ)溫度垂向分布。根據(jù)地?zé)峋樗疁囟日{(diào)查，地溫垂向上隨地層深度的增加而增大。深度400～800m熱儲(chǔ)層溫度為32～45℃；深度800～1 200 m熱儲(chǔ)層溫度為48～56 ℃；深度1 200～1 600 m熱儲(chǔ)層溫度為52～67 ℃；深度1 600～2 200 m熱儲(chǔ)層溫度為63～82 ℃；推算深度2 200～3 000 m熱儲(chǔ)層溫度達(dá)95 ℃左右。

4.4 地溫場(chǎng)形成影響因素

(1)蓋層的性質(zhì)。蓋層的隔熱性能對(duì)地溫的分布有重要的影響，隔熱性能越好，同等埋深同等熱源條件下地溫越高。研究區(qū)蓋層厚度平均為400 m，且黏土層總厚度占蓋層總厚度的60%，黏土層具有較低的熱導(dǎo)性，其隔熱性能較好，有利于地?zé)釡囟鹊拇鎯?chǔ)。

(2)區(qū)域構(gòu)造影響。研究區(qū)處于開(kāi)封次凹陷南部，緊鄰?fù)ㄔS隆起，區(qū)域上為一較大規(guī)模的凹—凸構(gòu)造形態(tài)。構(gòu)造單元之間斷裂構(gòu)造較發(fā)育，研究區(qū)南北部沉降幅度相差大，開(kāi)封市地區(qū)古近系底板埋深超過(guò)3 000 m，南部靠近通許隆起地區(qū)古近系底板埋深在1 700 m左右，南北部地層埋深相差1 000 m以上。

(3)地下水活動(dòng)影響。地下水(地?zé)崃黧w)易于流動(dòng)，是熱能的良好載體，通過(guò)吸收和釋放熱量，對(duì)圍巖地溫場(chǎng)有明顯的影響。區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w大部為隨地層沉積保存下來(lái)的封閉水，或?yàn)槌练e形成后，經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代、通過(guò)各種途徑入滲至熱儲(chǔ)層中的大氣降水，具有徑流途徑深遠(yuǎn)、滯緩、具承壓的特點(diǎn)，水巖溫度達(dá)到平衡，溫度基本相當(dāng)。因?yàn)榈叵聼崴疄榱鲃?dòng)性的彈性體，可動(dòng)態(tài)儲(chǔ)熱，一旦富集，可增加地?zé)豳Y源儲(chǔ)量。

5 地?zé)崃黧w補(bǔ)、徑、排特征及其動(dòng)態(tài)特征

5.1 地?zé)崃黧w補(bǔ)、徑、排特征

(1)地?zé)崃黧w的補(bǔ)給。研究區(qū)地?zé)崃黧w主要補(bǔ)給源為大氣降水，大部分為隨地層沉積時(shí)形成的封閉水，部分為沉積形成后，經(jīng)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代，在長(zhǎng)期開(kāi)采作用影響下，存在微弱的側(cè)向徑流補(bǔ)給。

(2)地?zé)崃黧w的徑流。天然條件下，地?zé)崃黧w由西向東或由西北向東南徑流。在20世紀(jì)80年代中期開(kāi)采深部地?zé)崃黧w，地下水位高出地表十余米，處于承壓自流狀態(tài)；20世紀(jì)90年代以來(lái)的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致深層和超深層地下水位持續(xù)下降，在漏斗區(qū)北部和東南部分水嶺地帶以外的廣大地區(qū)，地下水向東、東南徑流排出區(qū)外。

(3)地?zé)崃黧w的排泄。研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的排泄方式目前主要是人工(工業(yè)、生活用水)開(kāi)采；其次為側(cè)向徑流排泄到區(qū)外。

5.2 地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)特征

此次工作對(duì)研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w的水位和溫度進(jìn)行了收集整理和監(jiān)測(cè)，然后根據(jù)部分地?zé)峋删畷r(shí)資料及此次調(diào)查結(jié)果，對(duì)研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w進(jìn)行水溫、水位動(dòng)態(tài)分析。明化鎮(zhèn)組地?zé)峋畠煽?，分別是圣地水務(wù)地?zé)峋? 000 m;宋都賓館地?zé)峋?，井? 000.7 m。館陶組地?zé)峋畠煽冢謩e是九鼎頌園地?zé)峋?，井? 350 m;興合熱力地?zé)峋?，井? 600 m。

(1)水溫動(dòng)態(tài)。①明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層。研究區(qū)內(nèi)1 200 m以淺的地?zé)峋猿删詠?lái)水溫一般變化較大，溫度下降比較明顯，圣地水務(wù)地?zé)峋?，成井時(shí)間2009年，成井水溫48 ℃，2018年實(shí)測(cè)抽水溫度37.2 ℃，溫度下降11.2 ℃；宋都賓館地?zé)峋?，成井時(shí)間1996年，成井水溫51 ℃，2018年實(shí)測(cè)抽水溫度40 ℃，溫度下降10 ℃。地?zé)峋陜?nèi)動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定但有下降趨勢(shì)，變幅為±1 ℃。②館陶組熱儲(chǔ)層。1 200～2 200 m以深地?zé)峋壳八疁睾统删畷r(shí)相比下降2～3 ℃，但本次調(diào)查期間水溫相對(duì)穩(wěn)定。如九鼎頌園地?zé)峋?995年成井水溫為55 ℃，本次調(diào)查水溫為52.8 ℃(圖8(a))，較成井時(shí)下降約2.2 ℃；興合熱力地?zé)峋?009年成井水溫為60 ℃，本次調(diào)查水溫為(57±0.3) ℃，較成井時(shí)下降約3 ℃。地?zé)峋陜?nèi)動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定，變幅±1℃。

圖8 地?zé)峋陜?nèi)水溫和水位動(dòng)態(tài)曲線Fig.8 Dynamic curve of water temperature and water level in geothermal wells

(2)水位動(dòng)態(tài)。區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w埋藏較深，具承壓性，水位動(dòng)態(tài)主要受開(kāi)采影響，動(dòng)態(tài)類型為開(kāi)采型。資料表明，地?zé)崃黧w水位總體呈下降趨勢(shì)。①明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層。圣地水務(wù)地?zé)峋?009年7月靜水位埋深為50 m，2018年5月靜水位埋深為110 m，9年時(shí)間水位下降約60 m；宋都賓館地?zé)峋?009年6月靜水位埋深為27.9 m，2018年5月為89 m，9年時(shí)間水位下降約61.1 m?？梢?jiàn)明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層地下水水位下降比較明顯，年下降水位約6.7 m。②館陶組熱儲(chǔ)層。興合熱力地?zé)峋?009年5月成井時(shí)靜水位埋深為40 m，2018年5月興合熱力地?zé)峋o水位埋深為100 m；九鼎頌園地?zé)峋删畷r(shí)靜水位埋深為42 m，2018年6月地?zé)峋o水位埋深下降至102 m。根據(jù)上述地?zé)峋敬嗡槐O(jiān)測(cè)資料，研究區(qū)內(nèi)館陶組熱儲(chǔ)層地下水水位下降約60 m。地?zé)崃黧w年內(nèi)水位受開(kāi)采影響變化0.5～4.3 m，冬季開(kāi)采量較大，水位表現(xiàn)為下降(圖8(b))。

6 結(jié)論

(1)研究區(qū)地處開(kāi)封凹陷內(nèi)，為河南省地?zé)岬刭|(zhì)條件較好的地區(qū)，地?zé)豳Y源類型為沉降盆地轉(zhuǎn)導(dǎo)型。熱儲(chǔ)分布廣，呈層狀展布，主要有新生界新近系松散巖類孔隙熱儲(chǔ)層和古近系熱儲(chǔ)層。新近系熱儲(chǔ)厚度大，自上而下分為明化鎮(zhèn)組和館陶組兩個(gè)熱儲(chǔ)層。明化鎮(zhèn)組和館陶組上段為目前區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源主要開(kāi)采層，明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)埋藏深度400～1 200 m，地?zé)崃黧w屬溫水，主要開(kāi)采449～1 200 m熱儲(chǔ)段；館陶組熱儲(chǔ)埋藏深度1 200～2 200 m，地?zé)崃黧w屬溫?zé)崴?，主要開(kāi)采1 048～2 120 m熱儲(chǔ)段；古近系熱儲(chǔ)層埋藏深度2 200～3 000 m，地?zé)崃黧w屬熱水。

(2)通過(guò)對(duì)研究區(qū)地球物理特征的研究，研究區(qū)地?zé)岙惓^(qū)域主要分布在開(kāi)封市至陳留鎮(zhèn)一帶，地?zé)岙惓８邊^(qū)域在研究區(qū)西北部，即開(kāi)封市城區(qū)一帶，西南區(qū)域沒(méi)發(fā)現(xiàn)明顯地?zé)岣弋惓^(qū)域。

(3)區(qū)內(nèi)恒溫帶深度23 m，恒溫帶溫度16.0 ℃。開(kāi)封市區(qū)地溫梯度為3.2～3.9 ℃/hm，平均3.5 ℃/hm，地溫梯度大于3.50 ℃/hm的范圍為條帶狀，呈近南北向展布；東西向地溫梯度偏低，在3.3～3.5 ℃/hm，平均3.4 ℃/hm，地溫梯度大于3.50 ℃/hm的范圍較小。開(kāi)封市北部區(qū)域地溫梯度較高，可達(dá)3.9 ℃/hm，祥符區(qū)地溫梯度為3.2～3.7 ℃/hm。影響本區(qū)地溫場(chǎng)形成的主要因素為基底斷裂構(gòu)造、裂隙發(fā)育程度、地下水活動(dòng)及巖層性質(zhì)等。