董寒杰,孫健,王冠華,馬暢
(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì), 河南 鄭州 450016; 2.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測(cè)工程技術(shù)研究中心, 河南 鄭州 450016; 3.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì), 河南 鄭州 450016; 4.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊(duì), 河南 鄭州 450016)
地?zé)崮苁且环N儲(chǔ)量豐富、分布較廣、穩(wěn)定可靠的可再生能源。地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用有助于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、提高環(huán)境質(zhì)量和治污防霾,大力開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮?,?duì)深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想,落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)具有重要意義(黃建軍等,2021)。河南省位于華北平原南部,中深層地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)分布面積約占整個(gè)省內(nèi)國(guó)土面積的四分之一,主要分沉積盆地傳導(dǎo)型和隆起山地對(duì)流型兩大地?zé)豳Y源類(lèi)型,多以地?zé)崴姆绞匠霈F(xiàn)(周強(qiáng),2018)。目前已探明的經(jīng)濟(jì)型地?zé)豳Y源總量折合115億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,可減少CO2排放301億噸、SO2排放9770萬(wàn)噸。積極開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮埽瓤梢宰鳛榍鍧嵞茉丛诎l(fā)電、供暖、洗浴、生態(tài)種養(yǎng)殖等方面直接利用,又可以在治理霧霾、節(jié)能減排等方面起到巨大的作用,為大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)提供能源替代,對(duì)促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和黃河流域高質(zhì)量發(fā)展等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義(張維等,2020)。
河南地?zé)豳Y源豐富,但勘查程度較低,開(kāi)發(fā)利用方式較為單一,嚴(yán)重制約地?zé)豳Y源規(guī)?;a(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。筆者立足河南地?zé)豳Y源稟賦條件,總結(jié)河南中深層地?zé)豳Y源分布規(guī)律和資源潛力,詳細(xì)分析了雄安模式和天津經(jīng)驗(yàn)的借鑒意義,探討適合河南地?zé)岙a(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的開(kāi)發(fā)利用模式,對(duì)河南中深層地?zé)岷侠黹_(kāi)發(fā)和可持續(xù)發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。
河南省位于華北陸塊南部,處于我國(guó)第二階梯向第三階梯的過(guò)渡地帶。以欒川—確山—固始深大斷裂為界,可分為中朝準(zhǔn)地臺(tái)和秦嶺褶皺系兩個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元。在基底構(gòu)造及深大斷裂控制作用下,形成了一系列的次級(jí)坳陷盆地和斷塊隆起。以近東西向的新鄉(xiāng)—商丘深大斷裂為界,斷裂以北凹陷和凸起多呈北北東向相間分布,自西向東分別為湯陰斷陷、內(nèi)黃凸起、東明斷陷等。新商斷裂以南地區(qū),由于受近東西向基底構(gòu)造線方向影響和深大斷裂控制,凹陷和凸起多呈東西向或北西向展布,自北向南分別為濟(jì)源—開(kāi)封凹陷、通許凸起、周口凹陷等(圖1)(魏慶龍等,2018;王現(xiàn)國(guó),2020)。在凸起區(qū)大部分地段缺失古近系地層,而凹陷區(qū)古近系厚度最厚可達(dá)4000 m以上。古近系以后,本區(qū)繼續(xù)大幅度下降接受沉積,堆積了厚度500~1000 m 不等的新近系、第四系松散堆積物(宇潔等,2011)。本區(qū)熱儲(chǔ)地層由老至新主要為古生界寒武系、奧陶系,新生界新近系(王現(xiàn)國(guó),2020)。
圖1 河南省構(gòu)造單元簡(jiǎn)圖(據(jù)龔曉潔等,2019修改)
地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地?zé)豳Y源具有明顯控制作用,特別是一些深大斷裂往往成為導(dǎo)水、導(dǎo)熱的地下熱源通道。研究區(qū)對(duì)地?zé)豳Y源影響較大的主要控?zé)?、?dǎo)熱斷裂有青羊口斷裂、太行山東麓斷裂、聊城—蘭考斷裂、盤(pán)古寺—新鄉(xiāng)斷裂、新鄉(xiāng)—商丘斷裂、五指嶺斷裂、三門(mén)峽—魯山斷裂等。
據(jù)《河南省地?zé)豳Y源調(diào)查與開(kāi)發(fā)利用保護(hù)區(qū)劃報(bào)告》資料,全省大地?zé)崃髦底畹忘c(diǎn)為21.9 mw/m2,位于駐馬店凹陷區(qū)的確山縣;大地?zé)崃髦底罡唿c(diǎn)為92.1 mw/m2,分布在菏澤凸起區(qū)的范縣。全省大地?zé)崃髌骄?3.97 mw/m2,略低于華北盆地大地?zé)崃髦?8.6 mw/m2。河南省大地?zé)崃髦悼傮w分布趨勢(shì)為:在坳陷盆地內(nèi),凸起區(qū)大地?zé)崃髦蹈哂诎枷輩^(qū),構(gòu)造發(fā)育部位大地?zé)崃髦迪鄬?duì)較高;而隆起區(qū)和山前地帶除局部地段外,一般大地?zé)崃髦递^低。
圖2 河南省主要熱儲(chǔ)特征簡(jiǎn)圖
根據(jù)地?zé)崽锼幍拇蟮貥?gòu)造環(huán)境、沉積相特征及地溫場(chǎng)成因機(jī)制,地?zé)崽镱?lèi)型可分為沉積盆地傳導(dǎo)型和隆起山地對(duì)流型兩種。另外,在隆起山地和沉積盆地的局部地區(qū)存在受沉積盆地和斷裂構(gòu)造雙重作用控制的對(duì)流—傳導(dǎo)混合型地?zé)崽?王現(xiàn)國(guó),2020)。
(1)沉積盆地型地?zé)豳Y源分布規(guī)律:主要分布在河南省東部的黃淮海沖積平原及西部的山間盆地,為河南省主要地?zé)豳Y源類(lèi)型(王繼華等,2009;黃光壽等,2019),其熱儲(chǔ)介質(zhì)為膠結(jié)較弱的砂巖和碳酸鹽巖(圖2),多呈層狀產(chǎn)出,地?zé)崴酁榭紫端驇r溶裂隙水,深大斷裂往往構(gòu)成地?zé)崽锏倪吔纭T诔练e盆地區(qū),新生界熱儲(chǔ)層主要分布在凹(斷)陷區(qū)。華北斷坳盆地的湯陰斷陷、東明斷陷、濟(jì)源—開(kāi)封凹陷、周口凹陷、駐馬店凹陷及洛陽(yáng)盆地均有新生界熱儲(chǔ)分布且厚度巨大。其中東明斷陷、濟(jì)源—開(kāi)封凹陷、周口凹陷內(nèi),新生界最大厚度超過(guò)4000 m,根據(jù)地溫梯度推算,4000 m深度熱儲(chǔ)溫度一般大于90 ℃;新生界熱儲(chǔ)層在凹(斷)陷、凸起區(qū)分布差異明顯。東部沉降平原新生界儲(chǔ)層的厚度、涌水量均優(yōu)于山間盆地區(qū),東部沉降平原內(nèi)的凹(斷)陷區(qū)又優(yōu)于凸起區(qū),凹陷盆地與凸起的過(guò)渡地帶尤其較好,如周口凹陷南北部的周口、上蔡等地,地?zé)峋克肯鄬?duì)豐富。
(2)隆起山地型地?zé)豳Y源分布規(guī)律:主要分布在河南省西部隆起的基巖山區(qū),地表多以溫泉的形式出露或顯示。熱儲(chǔ)介質(zhì)主要由巖漿巖、變質(zhì)巖和古生代沉積巖組成,蓋層較薄,隔水性能稍差。地?zé)崴ǖ乐饕蓴嗔鸭捌浯紊严稑?gòu)成,熱源主要通過(guò)地下水深循環(huán)后沿?cái)嗔淹ǖ阑蛉芟读严秾?duì)流傳遞,局部地區(qū)深部斷裂和次生裂隙將地殼深部的熱水直接導(dǎo)出地表,與地表冷水混合后溢出成為溫泉(黃光壽等,2019)。
河南省中深層(水熱型)地?zé)峥刹少Y源主要分布于沉積盆地、隆起山地,呈帶(點(diǎn))狀分布。在不考慮回灌前提下,按100年開(kāi)采年限計(jì),估算全省地?zé)峥刹闪黧w量為9.15×108m3a-1,可利用熱能量為198.73×1012KJ a-1,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1151.84×104t a-1。其中,沉積盆地型地?zé)峥砷_(kāi)采流體量為9.09×108m3a-1,可利用熱能量為197.78×1012KJ a-1,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1146.44×104t a-1;隆起山地型地?zé)峥砷_(kāi)采流體量為569.2×104m3a-1,可利用熱能量為0.95×1012KJ a-1,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為5.40×104t a-1。
河南省中深層地?zé)豳Y源分布廣泛,全省25%的國(guó)土面積均蘊(yùn)藏水熱型地?zé)豳Y源(蘇燦民,2016)。中東部平原地區(qū)新近系孔隙性熱儲(chǔ)厚度穩(wěn)定,水溫水量均能滿足開(kāi)發(fā)利用需要,周口凹陷之鄲城凸起最高地溫梯度為3.81 ℃/100 m,最高水溫可達(dá) 85 ℃,水量60~80 m3d-1;北部和中東部平原區(qū)中生界以下奧陶—寒武系灰?guī)r埋藏深度適中(多不超過(guò)3000 m),厚度大,在近構(gòu)造部位巖溶裂隙更為發(fā)育,易于回灌,是較為理想的熱儲(chǔ)層,在通許凸起西部新鄭市五指嶺斷層附近一地?zé)峋?,最高出水溫度可達(dá)89 ℃。天津市利用地板采暖、熱泵等相關(guān)技術(shù),多級(jí)次地從地?zé)崃黧w中提取熱能,使熱能得到充分利用。目前已形成以地?zé)峁┡癁橹黧w,集溫泉理療、旅游度假、生活洗浴、種植養(yǎng)殖等多領(lǐng)域綜合利用(王安民等,2014)。據(jù)此推斷,河南省中深層地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用前景十分廣闊。
中深層地?zé)峥辈?012年之前,河南省主要以區(qū)域性及重點(diǎn)城市的地?zé)岬刭|(zhì)勘查為主,典型的地?zé)豳Y源勘查區(qū)主要集中在熱儲(chǔ)條件較好、分布集中穩(wěn)定且民采利用較為密集的區(qū)域進(jìn)行,未能形成全面的、系統(tǒng)的摸底排查,且勘查層位大多以新近系孔隙型熱儲(chǔ)為主,勘查精度低,地?zé)豳Y源勘查技術(shù)手段單一,沒(méi)有針對(duì)地?zé)崽镞M(jìn)行詳細(xì)的勘查工作,地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)工作較為滯后。2011—2018年省財(cái)政共安排地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查項(xiàng)目22項(xiàng)(圖3),地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查項(xiàng)目主要以巖溶熱儲(chǔ)為重點(diǎn),一般都設(shè)計(jì)實(shí)施了地?zé)峋こ?,?duì)中深層地?zé)豳Y源的分布規(guī)律和賦存條件以及地?zé)崃黧w產(chǎn)量,有了進(jìn)一步的了解,但尚難滿足產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?;_(kāi)發(fā)的需要。
河南省目前中深層地?zé)衢_(kāi)發(fā)形式分為溫泉利用和井采,全省總體以開(kāi)采新近系松散巖熱儲(chǔ)層地?zé)崴疄橹?,開(kāi)采總量約為6781.03×104m3a-1。地?zé)峋疃仍?00~3318 m之間,以開(kāi)采低溫地?zé)豳Y源為主,開(kāi)采深度多為800~1300 m,深度大于 1500 m 的地?zé)峋當(dāng)?shù)量較少(龔曉潔等,2019)。主要分布在鄭州、開(kāi)封、濮陽(yáng)、新鄉(xiāng)、漯河、許昌、洛陽(yáng)、安陽(yáng)等主要城市城區(qū)及東部平原中部的部分縣市。地?zé)衢_(kāi)發(fā)用途除部分地區(qū)用于城市供水外,其它地區(qū)主要利用于洗浴及浴療,其次為養(yǎng)殖、礦泉水生產(chǎn)、旅游、供暖(如濮陽(yáng)市清豐縣、開(kāi)封市蘭考縣等)等方面(圖4,圖5)。河南地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)存在勘查投入不足、資源家底不清(王繼華,2009)、開(kāi)發(fā)利用模式單一、地?zé)岙a(chǎn)業(yè)化和規(guī)?;潭鹊?、管理體制不順,制約著地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的發(fā)展,無(wú)統(tǒng)一規(guī)劃,難以形成良性發(fā)展等主要問(wèn)題。
圖3 河南省地?zé)峥辈椴渴鸪潭葓D(據(jù)張維等,2020修改)
圖4 地?zé)豳Y源可采量和折合標(biāo)準(zhǔn)煤對(duì)比圖
圖5 地?zé)峁┡娣e和利用率對(duì)比圖
以地?zé)峁┡弦?guī)模、資源開(kāi)發(fā)利用取熱不取水、尾水百分百回灌為標(biāo)志,河北雄縣開(kāi)創(chuàng)了“政府主導(dǎo)、政企合作、技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境友好、造福百姓”的地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用“雄縣模式”(朱樹(shù)源等,2018)。2014年,國(guó)家能源局把雄縣作為北方地區(qū)地?zé)峁┡氖痉秴^(qū)。2016年,雄縣縣城人口9萬(wàn),擁有地?zé)峋?8口,其中回灌井24口,形成供暖能力450×104m2,基本實(shí)現(xiàn)了地?zé)峒泄┡采w。實(shí)現(xiàn)了近100%回灌,做到了“取熱不取水”。通過(guò)充分發(fā)揮示范區(qū)的帶動(dòng)作用,充分發(fā)揮地質(zhì)勘查的先行作用和把地?zé)崮芸沙掷m(xù)利用融入雄安新區(qū)規(guī)劃等措施,科學(xué)利用區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源,建設(shè)清潔環(huán)保的供熱系統(tǒng)。
天津市位于華北平原東北部,地?zé)犷?lèi)型屬于中低溫沉積盆地型。天津市因地?zé)豳Y源豐富、開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)成果顯著以及國(guó)土資源管理部門(mén)的創(chuàng)新管理工作,被自然資源部命名為全國(guó)首批“中國(guó)溫泉之都”(茹洪久等,2019)。天津市建設(shè)中國(guó)溫泉之都的主要經(jīng)驗(yàn)有以下4點(diǎn):
(1)高度重視地?zé)豳Y源勘查,以政府資金在勘查上的投入拉動(dòng)社會(huì)資金在開(kāi)發(fā)上的投入。至2015年原國(guó)土資源部、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、天津市累計(jì)投入地?zé)峥辈橘Y金超過(guò)4億元。截至2016年天津市已經(jīng)勘查評(píng)價(jià)并經(jīng)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量管理部門(mén)評(píng)審備案的8個(gè)地?zé)崽锟偣蔡峤坏責(zé)崃黧w可采量 7606×104m3a-1,折合標(biāo)準(zhǔn)煤44.3×104t a-1(茹洪久等,2019)。
(2)高度重視地?zé)衢_(kāi)發(fā)規(guī)劃,促進(jìn)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的規(guī)?;a(chǎn)業(yè)化。天津市組織編制了多輪地?zé)釋?zhuān)項(xiàng)規(guī)劃,強(qiáng)化對(duì)地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用的宏觀控制,提出了地?zé)豳Y源勘查、開(kāi)發(fā)的原則和目標(biāo),以總量控制為主線,提高地?zé)豳Y源的保障能力和節(jié)約集約利用水平,效果較為明顯(李波,2016)。
(3)高度重視地?zé)豳Y源管理,充分發(fā)揮市場(chǎng)在資源配置中的決定性作用。天津市建立了較為完善的地?zé)豳Y源管理制度,發(fā)布實(shí)施了《天津市地?zé)豳Y源管理規(guī)定》和《天津市礦產(chǎn)資源管理?xiàng)l例》,進(jìn)一步明確了地?zé)峁芾淼穆氊?zé)分工。
圖6 天津市地?zé)豳Y源開(kāi)采與回灌示意圖
(4)高度重視地?zé)豳Y源保護(hù),形成了“以灌定采”的開(kāi)發(fā)體系(圖6)。天津市是全國(guó)最早進(jìn)行地?zé)嵛菜毓嘌芯康牡貐^(qū)之一,自1996年開(kāi)始研究基巖地?zé)峄毓嘌芯?,并逐步推廣使用對(duì)井采灌技術(shù),確保地?zé)豳Y源在保護(hù)中開(kāi)發(fā)和綜合利用。目前,天津市采取的“以灌定采”和“對(duì)井采灌”等保護(hù)措施,取得了良好的效果,回灌技術(shù)水平和規(guī)模在全國(guó)居于領(lǐng)先地位。
隨著國(guó)家地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃和推進(jìn)北方地區(qū)冬季清潔取暖等一系列政策的出臺(tái),地?zé)崮苡瓉?lái)歷史性重大發(fā)展機(jī)遇期(韓二帥等,2019)。中石化在濮陽(yáng)清豐、中石油在開(kāi)封、萬(wàn)江集團(tuán)在周口開(kāi)展了中深層地?zé)峁┡膰L試和示范,特別是在開(kāi)封市蘭考縣,中石化和浙江綠特聯(lián)合對(duì)整個(gè)縣城實(shí)施清潔能源供暖,是河南規(guī)?;_(kāi)發(fā)中深層地?zé)岬拈_(kāi)端。但由于新近系孔隙型熱儲(chǔ)回灌較為困難以及未能開(kāi)展梯級(jí)利用技術(shù),存在地?zé)豳Y源利用不盡充分等問(wèn)題。2018年5月河南省發(fā)改委等四部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展地?zé)崮芮鍧嵐┡?guī)?;迷圏c(diǎn)工作的通知》(豫發(fā)改能源【2018】406號(hào))指出為緩解環(huán)境資源壓力,有序推進(jìn)河南省地?zé)崮芾贸掷m(xù)健康發(fā)展,決定組織開(kāi)展地?zé)崮芮鍧嵐┡?guī)模化利用試點(diǎn)工作,將優(yōu)先選擇在地?zé)豳Y源較為富集的地區(qū),創(chuàng)建一批地?zé)崮芮鍧嵐┡?guī)?;迷圏c(diǎn)區(qū)域。出臺(tái)了縣域清潔能源供暖特許經(jīng)營(yíng)權(quán)和能源補(bǔ)貼等一系列政策措施,力求加快推進(jìn)地?zé)岙a(chǎn)業(yè)化、規(guī)?;M(jìn)程。
因此,應(yīng)當(dāng)在編制地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上,開(kāi)展重點(diǎn)城市、縣(市)地?zé)峁┡_(kāi)發(fā)區(qū)及高溫地?zé)崽菁?jí)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)地?zé)豳Y源可行性勘查,以滿足供暖開(kāi)發(fā)選區(qū)和指導(dǎo)商業(yè)性地?zé)岬刭|(zhì)工作的需要。應(yīng)設(shè)立地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)基金,出臺(tái)鼓勵(lì)性政策,支持有條件的地區(qū)在推進(jìn)地?zé)豳Y源規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)中先行先試,建設(shè)省級(jí)地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)示范區(qū),探索形成可復(fù)制推廣的開(kāi)發(fā)模式,如地?zé)峁┡B片開(kāi)發(fā)、溫泉小鎮(zhèn)建設(shè)。借鑒天津經(jīng)驗(yàn)和雄安模式,開(kāi)展以地?zé)峁┡癁橹黧w,發(fā)展集溫泉理療、旅游度假、生活洗浴、種植養(yǎng)殖等多領(lǐng)域綜合利用,為合理、有效、全面的開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮苜Y源,實(shí)現(xiàn)河南省調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、治理大氣污染、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略目標(biāo)提供政策與技術(shù)支撐。
河南省中深層地?zé)崽N(yùn)藏豐富,開(kāi)發(fā)潛力巨大,與雄安新區(qū)和天津市有著極為相似的地?zé)衢_(kāi)發(fā)條件和地?zé)衢_(kāi)發(fā)需求,非常適合借鑒“雄安模式”和“天津經(jīng)驗(yàn)”。為合理、有效、全面的開(kāi)發(fā)利用地?zé)崮苜Y源,實(shí)現(xiàn)河南省調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、治理大氣污染、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略目標(biāo)提供政策與技術(shù)支撐,現(xiàn)提出河南省中深層地?zé)豳Y源勘查開(kāi)發(fā)建議如下:
(1)提高地?zé)豳Y源勘查程度,以政府資金在勘查上的投入拉動(dòng)社會(huì)資金在開(kāi)發(fā)上的投入,盡快查明地?zé)豳Y源家底;
(2)鼓勵(lì)有條件的地區(qū)先行先試,選擇不同的利用領(lǐng)域類(lèi)型,培養(yǎng)建立起集約化利用方式的地?zé)崾痉豆こ?,充分發(fā)揮示范引領(lǐng)作用;
(3)制定全省地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)統(tǒng)一規(guī)劃,促進(jìn)規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化利用;
(4)大力開(kāi)展回灌技術(shù)應(yīng)用研究,加強(qiáng)地?zé)豳Y源保護(hù),建立“以灌定采”的開(kāi)發(fā)體系;
(5)建立適合河南發(fā)展的地?zé)豳Y源管理制度,形成權(quán)責(zé)清晰的管理體系。