洛阳市龙门地热田成因及热源地质条件分析

摘要：洛阳市盆地传导型和隆起山地对流型两种类型地热田以宜阳—偃师断层为分界线。NNW向的襄县—郏县断裂和鲁山—三门峡断裂之间的渑池—确山陷褶断束为一完整的地热系统，两大断裂为其控热断裂构造，与之平行的次级断裂和其它走向断裂为导热断裂构造。其以汝州温泉街、龙门伊河湿地和新安暖泉沟3处温泉的出露为特点，并于龙门西山双高地热井和伊川锦绣龙都地热井等水温异常井的发现为楔机，分析认为其热源很可能与汝阳—伊川一带新生代构造裂隙火山喷发活动有关，是其火山活动的深部余热热源。

Abstract： The two types of geothermal fields in the convective type and the uplifted mountainous area of Luoyang City are divided into Yiyang-Yanshi fault. The Dianchi-Queshan depression to NNW is a complete geothermal system between the Xiangxian-Jiaxian fault and the Lushan-Sanmenxia fault，  and the two major faults are their thermal-controlled fracture structures， and the secondary fractures and other strike faults parallel to them are thermally fractured structures. It is characterized by the exposure of three hot springs in Ruzhou Hot Spring Street， Longmen Yihe Wetland and Xin"an Warm Spring Ditch， and the water temperature anomaly wells such as the Longmen Xishan Double High Ground Hot Well and the Yichuan Jinxiu Longdu Geothermal Well are used as wedge machines. The analysis suggests that the heat source is likely to be related to the Cenozoic tectonic fissure volcanic eruption activity in the Ruyang-Yichuan area， and it is the deep residual heat source of its volcanic activity.

关键词：地热田;控热构造;导热构造;地热通道;热源

Key words： geothermal field;heat control structure;heat conduction structure;geothermal channel;heat source

中图分类号：P314.1                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）28-0255-04

1  洛阳市地热资源类型

洛阳市地热资源勘查研究表明，洛阳市具有沉积盆地传导型和隆起山地对流型两种地热田类型。宜阳—关林（亦称宜阳—偃师）断层（F3）为洛阳市两类地热田的分界断层，以北为沉积盆地型地热田，以南为隆起山地型地热田。我们认为这一界线是合理的，目前，沉积盆地型地热田内除洛河以北市区内的地热井外仅见2个地热开采井，其一，张庄地热田探采结合井，井深1500m，热储层为古近系砂砾岩，终孔时水头压力+28.1m，自流量5.59m3/h，井口水溫60.2℃，水化学类型为Cl、SO4—Na型水，矿化度9.61g/L，F：2.2mg/L，Br：15.02mg/L，I：3.75mg/L。其二，关林地调一队地热井，井深1600m，热储为古近系砂砾岩（底部见三叠系），降深100m，涌水量65m3/h左右，井口水温54.5℃，矿化度大于6.0g/L。因此，高矿化度是该地热田的主要特征，涌水量一般较小，为低温温热水地热资源类型。

宜阳—偃师断层以南为隆起山地型地热田，已施工探采结合井及其它开采地热井较多，井深不一，从几十米到数百米，最深2352m（棕榈泉小区地热井，水温65℃），井深一般较浅。除玉隆苑园区966m深井，水温98.5℃，出水量96m3/h和洛阳风翔温泉1200m深井，水温91℃，出水量120m3/h，水温较高（梦桃源2眼井水温95℃）、出水量较大外，其余水温均低于60℃，为中温及低温地热资源类型。该地热田水化学类型以SO4·Cl-Na型水为主，矿化度多在1.0-1.5g/L之间，偏硅酸与F-含量较高。风翔温泉2号井偏硅酸含量达156mg/L之间，F-含量7.2mg/L。该地热田具有中温和低温温热水两种地热资源类型，且矿化度较低，偏硅酸和F-含量高的地热资源特点。

2  洛阳龙门西山隆起山地型地热资源形成条件

洛阳市龙门西山地热资源属隆起山地对流型地热田，具有中温和低温温热水两种地热资源类型。我们认为，龙门西山和龙门一带（合称为龙门地热田），虽然地貌类型不同，热储层也有差异（龙门一带热储层以寒武系为主，龙门西山为三叠系、石炭系和寒武系），但地热流体赋存与运移均严格受断裂构造控制，其地质构造和水热活动具有内在联系。因此，应将龙门西山和龙门一带地热资源作为统一的地热田进行系统分析。我们对“控热构造和导热构造”的概念理解为：所谓的控热构造是与热源有密切联系的断裂构造带，也是一级导热构造，具有延伸长、切割深、规模大的特点;所谓的导热构造是该断裂构造与热源并无直接联系，其中的地热流体来自控热（或一级导热）构造中，只是地热流体的二次或三次传导作用。导热构造可能是控热构造的次级派生构造，也可能是与控热构造相互交接、切截的其它断裂构造，也可能是岩石中的构造裂隙和层面裂隙等，一般规模较小。这一概念的提出，可以比较合理地解释隆起山地型地热资源的水温、水量复杂多变的赋存、运移和形成的客观情况。

故此，我们认为仅以洛阳一带构造特征来分析论证龙门西山地热田地热资源形成条件是困难的。因此，我们根据洛阳一带的地质构造与区域地质构造的联系性和相关性，以及区域地热、温泉出露的地质特点和龙门以南伊川—汝阳一带新生代构造裂隙火山喷发活动、演化，将研究区域适度放大来进行分析论证。

2.1 区域及龙门西山地质构造特征

区域上，研究区域为华熊台缘坳陷构造单元中的渑池—确山陷褶断束构造单元，NNW向、NE向、NWW向、近EW向断裂构造发育，不仅构造单元与洛阳一带相同，而且断裂“样式”也基本相近。其中，NNW向襄、郏断裂是嵩箕台隆的边界断裂，NNW向鲁山—三门峡断裂是渑池—确山陷褶断束与崤山—鲁山拱褶断束的边界断裂，两断裂均为区域性大断裂，两大断裂东西相望，平行展布，成为渑池—确山陷褶断束的边界，两大断裂之间NNW向、NE向断裂裂隙发育，其中NNW向断裂可能是两大断裂的次级断裂或派生断裂，从NE向断裂多处切错两大断裂推断，NE向断裂生成时间可能晚于NNW向断裂，也可能是后期活动所致。两组断裂相互切割，在该构造单元内形成众多三角形、菱形或不规则形小断块。该构造单元内前新生界地层以三叠系为主，在临汝镇以北，伊河以南的汝阳、伊川境内，多处分布新近系上新世“大安组”陆内裂隙火山喷出岩。

洛阳市一带位于渑池—确山陷褶断束构造单元内，据前期勘查研究NE向、NNW向、近EW向断裂发育，与区域断裂样式近似。其中洛阳北部的近EW向朝阳—偃师断裂和南部的宜阳—偃师（也有称宜阳—关林）断裂均规模较大、断距较大（在千米以上），是洛阳盆地的南北边界断裂。龙门南部的魏湾断层与草店断层平行展布，相距500m，均呈NNW向展布，倾向SW，为落差2000m以上的正断层，多数地质工作者认为这两条断层是吕店断裂（也有称襄、郏断裂）的组成部分，并有可能向北西延伸达新安县城。因此，魏湾、草店断层无论从其生成规模还是与区域构造相关性来看，无疑是龙门或龙门地热田的控热一级导热断裂构造。区内的NE向或近EW向的断层应为二级或三级导热断裂构造。据河南省地球物理工程勘察院对洛阳新区80km2面积的地球物理勘查研究，区内共查明9条NE、NW向断层，其中NE向5条，NW向4条，延伸长度1-10km，断距38-500m不等，倾角61-82°之间。表明洛阳一带不仅NE、NW向断层发育，而且密度较大。

有专家认为：地震对热储的形成具有一定贡献，同样地，新构造尤其是断裂新构造活动对热储形成和地热流体赋存、运移更具有重要意义。在区域上，汝阳、伊川等地在新近系上更新统构造裂隙火山喷发岩（大安组玄武岩）和温泉出露均是新构造活动的有力证据，有关地震资料及前期勘查研究成果均认为洛阳一带各方向的断层都有新构造活动的迹象，如NW向的曹店断层F1、魏湾断层F2于燕山运动早期发育，并经历了多期构造复合迭加。1921年甘肃山丹（永登）大地震曾诱发F1断层的活动，据洛阳地震台的观测，F1断层为迄今仍在活动的深断裂。北东向的滑动构造HF3形成于喜山运动早期，滑动方向自北向南、滑面向北倾，滑面倾角6-40°，切割深度50-500m。我们完全认同这一认识，卢积堂在2012、2013年两次参与了洛阳风翔山庄深水井和热水井的物探定井工作，地面调查中多处见到第四纪断层。风翔温泉位于洛阳市区南部与伊川交界处，洛伊公路西侧的张沟行政村境内，地貌类型为由新近系与下更新统为主体的岗状丘陵，上更新统仅在冲沟或洼地中呈不连续分布。断层位于新近系与下更新统地层中，以地层不连续和局部地层变陡为特征，走向以NE向居多。另一新构造活动形式為龙门西山抬升，调查发现在张沟村一带新近系和下更新统地层中伊河古河道形成的砾卵石透镜体众多，由此推测，伊河在早更新世以前是由该地呈SW—NE向进入洛阳盆地的，现今的伊河在其东部的龙门近南北向横切寒武系灰岩进入洛阳盆地，有欺硬怕软现象（断层作用）。一方面说明龙门西山在早更新世后期或中更新世为急剧上升运动，同时也说明龙门峡谷可能为一NNE向活动断层形成的破碎带（相当新华夏系断层），龙门西山第四纪断层及抬升运动在时间上很可能是同时的。该地区强烈的新构造活动对龙门温泉出露、龙门街及龙门西山地热田的形成以及地热流体赋存、运移是极为有利的。

2.2 地热地质特征

研究区区域地热显示以温泉（群）出露为特征。临汝镇温泉街温泉群（有7个泉眼）出露于渑池—确山陷褶断束西缘的鲁山—三门峡大断裂带内，龙门温泉群（有19个泉眼）出露于该陷褶断束东缘襄、郏断裂北延带内，暖水沟温泉（有2个泉眼）出露于鲁山—三门峡大断裂的分支断裂伊川—新安断裂（也称吕店或新安—半坡断裂）带内，3处温泉群的出露明显受两大断裂控制。我们认为，此3个温泉群同处于一个构造单元之内，它们的出露与形成并非是孤立或偶然的，应具有一定的内在联系，是一个较为完整的地热系统;它们在形成上很可能具有同时性，而且共同拥有一个热源（即新生代构造裂隙火山活动的深部余热）。

2.3 热储特点

2.3.1 地热流体、温度空间分布的不均一性

隆起山地型地热田严格受断裂构造控制。断裂构造活动形成的次级断层、各类构造裂隙、层面裂隙以及构造岩是地热流体储存、运移的空间，热储一般呈带状展布（局部呈线性），而且具有较陡的倾角。无论控热断裂构造还是导热断裂构造，由于规模、性质以及局部应力的不同，其形成的次级断层、构造裂隙以及构造岩的空间分布、发育程度、密度的不均一性，加上后期充填物、充填程度以及构造岩岩性、成岩程度的差异，其热储的导热、导水能力千差万别，从而造成同一地热田中不同地段的勘查、开采地热井钻井涌水量和井口温度的极大差异。龙门南河床中2-Ⅱ、2-Ⅰ地热井相距仅4.9m，深49m的2-Ⅱ井水温度高于深135m的2-Ⅰ井10℃以上。同期施工27个勘探孔，其中4個勘探孔因水温低、水量小而不能成井。这种不均一现象在鲁山五大温泉地热田中也普遍存在。故此，有学者提出“地热通道”的概念，并指出“两组断层交汇部位、断层拐弯部位以及断层起始端部有利于“地热通道”的形成。同时，在隆起山地型地热田中并不完全服从地热增温率，在同一地热田中，开采井只要施工在“地热通道”上，较浅的井也可获得较高温度和大水量的地热资源;反之，开采井再深也不一定能获得较高温度和大水量的地热资源。2006年洛阳玉隆苑园区966m地热井井口出水温度98.5℃，水量96m3/h和2013年洛阳风翔温泉施工的1200m地热井井口出水温度91℃，水量120m3/h，因此，我们推断龙门西山这两眼双高地热井很可能与宜阳—偃师断层和魏湾断层交汇形成的地热通道有关。

2.3.2 具有深浅两类不同性质的热储

隆起山地型地热田热储的形成严格受断裂构造控制，一般位于深大断裂带上盘的断裂带上，呈带状或线状展布，并具较陡的倾角;其上延部分可能接近地表，并无良好的盖层。这一特征在鲁山五大温泉地热田中即是很好的例证，通过对鲁山五大温泉地热地质特征研究，我们认为，隆起山地型地热田热储层可划分为深部热储层和浅部热储层两类热储层。深部热储层地热流体形成相似于灶与锅（或壶）及水的关系，热储围岩（相当锅或壶）对进入其中的凉水有加热增温效应，是地热流体或温泉形成的本质。而浅部热储相似于水与保温瓶关系，它只是深部形成的地热流体（或热水）在浅部的储存、运移场所，热储围岩（或保温瓶）对其中的水无增温效应。鲁山碱场地热田最早施工的深80m左右的地热开采井，无论井深、水温、出水量是该地热田中其它开采井无法相比的，是原先主要地热开采井。2010年调查已成凉水井停采，该热水井变为凉水井的原因可能是地热流体压力降低，凉水侵入造成的。说明浅部热储当有地热流体供给时即成热储，无地热流体供给时则变成“冷储”，我们称该类热储为“水热型热储”，该类热储不适于回灌补源管理措施。

洛阳龙门及龙门西山地热田与鲁山五大温泉地热田具有相似性和差异性，相似性主要表现在同属浅部热储或称“水热型热储”;差异性表现在：①龙门地热田热储地层以寒武系为主，局部为石炭、二迭或三叠系地层，而鲁山五大温泉热储岩层为花岗岩或火山岩;②鲁山五大温泉浅部热储无盖层，而龙门地热田大部有不同厚度的盖层;③龙门地热田热储层位于控热构造魏湾、草店断层的下盘而不在上盘，与深部热储有不对应地偏离错位现象，这一现象可能是该地热田地热流体温度偏低（均小于60℃）、涌水量偏小的主要原因。龙门地热田形成的概念模型见图1。

2.4 热源和补给源分析

2.4.1 热源

地热专家一致认为：“能够形成大型地热田的热源类型包括地幔柱、老源岩浆热、地壳放射性元素生热、新生代火山热源、板块挤压壳内磨擦热、裂谷盆地幔源热等”。

牛志刚等、李宏伟等、冯跃封（2004）、苗冬寒（2014）、杨国华等以及庞平等对龙门地热田形成的热源进行了分析，大致有两种意见。牛志刚等、李宏伟等和冯跃封（2004）、苗冬寒（2014）认为龙门地热田的热源是岩浆的热作用，牛志刚等采用地热流体中的U（铀）、Tn（钍）、K（钾）、Ra（镭）、F（氟）等水文地球化学资料分析成果证实深部加热区有岩浆体（大型酸性岩基）的存在。此外，早期李清林等经地球物理勘查成果认为龙门山一带地下存在隐伏岩体。杨国华等及庞平等认为放射性元素生热构不成龙门地热田的特殊热源，而热源主要来自地下水的对流深循环或地壳较深部位。同时，杨国华等利用二氧化硅地热温标计算热储温度为120℃左右，并以地热增温率7.3℃/100m计算出地下水温度的循环深度至少在1400m深。

我们认同牛志刚等、李宏伟等和冯跃封（2004）岩浆余热热源的认识，但其隐伏岩体为基性侵入岩的可能性大，应为地幔岩浆沿构造裂隙侵入形成的岩株或岩墙，而非大型酸性岩基（花岗岩）。其理由有二：一是从区域地热地质分析，温泉街温泉群、龙门温泉群以及暖水沟温泉同处于渑池—确山陷褶断束构造单元内，3处温泉群的出露严格受NNW向两大边界断裂的控制，它们同属一个地热系统，3处温泉群的出露或形成并非孤立的，具有一定的内在联系，故在形成上很可能具有同时性，并共同拥有一个热源;在两大断裂之间的汝阳、伊川及汝州境内，多处分布有新近系上新统陆内构造裂隙火山喷发岩（大安组玄武岩）。本文作者之一在1971年前后，曾参与临汝镇附近一项军工建设，在临汝镇东北部山前一带农村民用水中发现有火山岩作为含水层夹于中、下更新统粘性土地层中。由此，该区域的火山岩（活动）在第四纪的早、中更新世有可能还有活动。因此，我们认为临汝镇以北至伊河以南构造裂隙火山喷发活动的深部余热很可能成为3处温泉群地热形成的共同热源。其二是大量地热流体水化学分析表明，沉积盆地型地热田地热流体F含量一般较低，多小于2mg/L;而隆起山地型地热田地热流体中F及可溶性SiO2含量较高，鲁山五大温泉F含量一般在5-24.85mg/L，栾川汤池寺F含量为13mg/L、卢氏汤河泉F含量为18.75mg/L、嵩县汤池沟F含量为9.5mg/L、汝州温泉街为7.8mg/L，龙门温泉与暖水沟温泉F含量低很可能是凉水混入影响造成的，洛阳风翔温泉地热井温度较高，F含量为7.2mg/L。我们认为，温泉中高F含量来源于深部，也是岩浆活动的产物。因此，高F地热流体可作为岩浆活动一个标志。洛阳风翔温泉地热井F含量为7.2mg/L，可作为龙门及龙门西山地热田地热流体F含量的代表，它与温泉街温泉地热流体比较接近，从而也预示了这两地地热流体的同源地热特征。

据有关地质资料，洛阳以南新生代的构造裂隙火山喷发活动可以确定下来的火山熔岩喷出口自南往北有汝阳大虎岭火山口、大安东侧火山口（2个）、伊川何村、吴起岭火山口，其中，距离龙门地热田最近的火山口是最晚期喷发的伊川何村、吴起岭火山口，其距离龙门山直线距离只有26km。另据该地区地表水和地下水的总体流向，其也是龙门地热田的补给区，因此，洛阳以南新生代的火山活动对龙门地热田的形成从“热源”条件分析值得地热地质工作者去进一步勘查证实和研究。该区域新生代沿深大断裂发生的大规模火山喷溢活动是河南省地质历史上最近的一个重大热事件，也为喜马拉雅运动对河南省的影响提供了最直接的证据。至于其火山活动的喷发期次、演化过程和火山机构及其周边断裂构造的发育情况，隐伏侵入岩体以及该区域的新构造活动等有待进一步研究和认识。

2.4.2 补给区

地热地质学家一致认为，无论沉积盆地型还是隆起山地型地热田地热流体的补给均来自大气降水。沉积盆地型地热田热储中的地热流体以热传导方式增温，服从地热增温的规律，而且需要一定厚度的盖层以保热储温度。因此，热储埋藏一般较深，故当地降水不易补给，以地下缓慢迳流补给为主。故地热流体形成年龄较长，补给区一般较远。

隆起山地型地热田严格受断裂构造控制，多呈带状展布，且具较陡倾角，其上部热储有时接近地表，甚至无盖层。因此，具有当地降水直接补给和远处经过深大断裂对流深循环形成地热流体的大气降水补给两种方式。当地降水补给只能补给浅部热储，可增大浅部热储地热流体资源量，但也可降低浅部热储地热流体温度的作用，称为“凉水混入”。而经过断裂深循环形成地热流体的远处大气降水补给应该为隆起山地型地热田研究的重点内容，其研究方法是采用稳定同位素和放射性同位素两种研究方法，由于该区域缺乏相关这方面的分析测试资料，本文不予讨论。

多数地热地质工作者认为魏湾、草店断层是龙门地热田的控热构造，我们认同这一观点，但同时我们认为龙门地热田的地热资源主要是来自控热构造的地热资源通过二次导热构造补给形成的。因此，魏湾、草店断层应该成为龙门地热田的补给边界，其补给方式很可能是与魏湾、草店断层相交的其它走向断层、构造裂隙、层面裂隙形成的通道完成的，其补给源区、补给能力和补给强度应是今后地热勘查、研究的重要内容和方向。

3  洛阳市地热资源勘查、开发利用建议

近十多年来，洛阳市进行了“龙门地热田勘查”，“洛阳市地热地质调查”、“洛阳市张庄地热田勘查”、“洛阳新区地热资源综合研究”等勘查项目，虽然取得了大量地热地质资料，对地热资源进行了初步评价，但其研究范围和深度有待加大、加强的必要。在范围上，北部邙山和魏湾断裂以南地热勘查资料极少，尤其是魏湾深大断裂为龙门地热田的控热构造，应加强对其的进一步勘查。在勘查深度上，应加强热储层孔隙率、有效孔隙度、渗透系数、弹性释水系数、压力传导系数等测试或试验，为地热资源评价提供可靠的参数。地热热源和地热流体的补给是地热资源形成的基本条件，也是地热资源潜力评价的基础，应在预测位置，尤其区域上应适当投入相应勘探方法和工作量。

从目前看，洛阳市地热资源相对丰富，但是龙门西山中温地热资源的利用方式较为原始低效，其地热能的利用功效有待借鉴研究。为此，建议进一步加强龙门地热资源的勘查和开发利用研究及管理，对地热资源开采量进行调查统计，并对其温度、压力、单井涌水量进行观测，根据其动态变化调整开采地段或开采量，充分保护该区域地热资源的合理开发利用。

参考文献：

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