地下热水分布的地质背景 区域地质背景对城市浅层地热能分布的控制因素

地热资源的形成和分布受到地质构造的控制。其中高温地热带(或地热田)的形成和展布与岩石圈板块的发生和演化有着密切的联系。根据板块构造学说，在漫长的地球发展过程中，地球表层岩石圈分成若干板块(图4.1)，板块之间经常发生规模不等的相对位移或错动，板块内部的构造运动则比较弱。

现代岩石圈板块的边缘地带必然是活动性最强的地带，既有历史上岩浆侵入、造山运动、变质作用、成矿作用等事件的发生，也是现代火山、地震活动的活跃地带，具有高热流的异常显示(图4.1)。从已知的全球高温地热带的分布位置来看，它们一般都出现在各大板块的边缘，成为板缘地热活动带。高温地热带大致分布在以下类型的地带(陈墨香等，1994)。

1)陆－陆碰撞带，即板块与板块之间的碰撞带。是板块会聚、碰撞带或造山带，岩石圈变形强烈，容易诱发深部的热量上升到地表，例如地中海－喜马拉雅地热带(图4.1)。

图4.1 岩石圈板块边界主要高温水热系统的全球分布(转引自Bowen，1989)

2)岛弧型地带。是板块消减带、俯冲带。岛弧是俯冲板块重熔部位，常形成火山岛弧型地热带(图4.2)，例如西太平洋岛弧地热带(图4.1)。

3)洋中脊。是新板块的滋生和扩张带，形成大洋洋中隆起带(图4.2)，例如大西洋中脊地热带(图4.1)。

图4.2 地幔对流和俯冲作用以及洋中脊、岛弧示意图(据Albu等，1997)

高温地热带的水热活动除了分布有不同温度的温泉外，大多具有各种高温地热显示，包括沸泉、间歇喷泉、喷泉、喷气孔、冒气地面、泥盆、硫气孔、水热爆炸等以及与上述显示有关的钙华、硅华、硫华、盐华等泉华沉积物。

板块内部是相对比较刚性的块体，也受到拉伸、剪切、挤压等地质作用，也发生过强烈的褶皱和升降运动，有岩浆侵入和变质作用，也有火山和地震活动，但与板缘地带相比要弱得多。已知的板块内部的水热活动区，绝大多数分布的是中低温地下热水，分布在地壳隆起区、褶皱山系和沉积盆地，无明显的带状分布，水热活动的热量主要来源于正常的或略为偏高的地热增温。板内地热活动区主要分布在以下地区或地带。

1)沉积盆地:是地壳的沉降区，在地下深处的含水层赋存的地下水往往具有较高的温度，成为中低温地下热水。例如我国的华北盆地、匈牙利的潘诺宁盆地、法国的巴黎盆地、俄罗斯西西伯利亚盆地等。

2)断裂带:在地壳隆起区沿一定规模的某些断裂带分布有中低温温泉。例如我国东南部(特别是福建、广东省)的众多温泉。

板块内部的水热活动在地表的地热显示，在隆起区主要是出露各种温泉，其水温一般均低于当地沸点，在少数温泉的泉口附近沉积有钙华。在沉积盆地内的深层地下热水在人工钻井揭露之前，在地表通常没有地热显示，或者只在盆地边缘有温泉出露，在钻井揭露之后可以抽吸出地下热水，有些钻井能自流热水。

我国的板块、亚板块和块体如图4.3所示。我国地处欧亚板块的东部，以大陆为主体，为印度板块、太平洋板块及菲律宾海板块所夹持。新生代以来，印度板块与欧亚板块的碰撞，使青藏高原不断隆升。台湾岛是环太平洋岛弧的一环，受菲律宾海板块和欧亚板块东侧碰撞的影响，中央山脉隆起成山。

中国大陆内部属于欧亚板块的东侧，在欧亚板块、印度板块、太平洋板块和菲律宾海板块的碰撞和俯冲机制作用下，由于有西伯利亚块体的阻抗，加上大陆内部各块体之间的相互作用，造成垂直与水平运动及内部显著变形，形成隆起、断陷相间的复杂而有序的构造格局。

我国作为欧亚板块的一部分，进一步可以分为黑龙江、华北、南华、南海、新疆、青藏等亚板块。每个亚板块内又可以分为若干块体，例如华北亚板块内有胶东－苏北－南黄海块体、河淮块体和鄂尔多斯块体;南华亚板块内包含有华南－东海块体、台湾块体等(图4.3)。

青藏亚板块内的西藏块体和喜马拉雅块体，特别是在两者的交界处，由于印度板块向北推挤和西伯利亚块体的阻抗，形成一系列规模巨大的断裂。台湾块体是菲律宾海板块与陆弧碰撞的边沿造山带，有3组规模巨大、活动性强的断裂，与地震、水热活动关系密切。在上述两个地带分布有高温地热系统。南华亚板块内的华南块体岩石圈厚度大，现代构造活动微弱，是比较稳定的块体，但处于张应力状态，发育有一系列以北东向为主的活动断裂，控制着许多中低温温泉的分布。其他块体内多是隆起与断陷相间，在断陷盆地深处多有中低温热水分布，在隆起山区则零星分布有中低温温泉。

图4.3 中国及邻区活动板块、亚板块和块体分布(据马杏垣等，1987，转引自陈墨香等，1994)

我国地下热水分布的基本特点~

1)在板块边界附近水热活动强烈，其强度随着远离板块边界而减弱。一个地区的水热活动强度，可以根据温泉的数量、密度、温度、流量或放热量及有无高温地热显示等来判别。板块边界或碰撞带具有产生强烈水热活动和孕育高温热水系统必要的地质构造条件和热背景。远离板块边界的板内广大地区，构造活动减弱或为稳定块体，热背景正常或偏低，水热活动减弱，一般在局部地区形成中低温热水系统，在大多数地区甚至缺乏地下热水。
2)高温热水区与晚新生代火山分布并不完全吻合。我国高温热水区的分布与新生代火山、甚至晚新生代火山的分布不吻合(图4.5)。例如黑龙江五大连池火山群非常年轻，有些在16世纪还喷发，但附近没有地下热水，深孔的地温梯度也正常，地表出露有冷矿泉(3℃)。雷州半岛和琼北火山区地下局部分布有低温热水，与火山的分布没有直接的关系。

图4.5 中国晚新生代火山群和现代高温地热系统(斜线区)(据佟伟等，1990，转引自陈墨香等，1994)图中圆点表示火山群位置

火山与地热异常的关系，一方面取决于火山活动的时代和规模，一般来说火山的时代越新规模越大，在火山附近形成高温地热异常的可能性越大;另一方面取决于火山的类型，是消减型或扩张型酸性火山，还是板内型基性火山，前者与地热异常有关系，后者没有直接关系。我国缺少年轻的酸性火山，晚新生代以来虽然有基性火山，但基性火山喷发形成的岩被散热条件好，岩体余热已全部散失(陈墨香等，1994)。
3)大型盆地有利于中低温热水的赋存。我国板块内部的构造沉降区，分布有中、新生代以来演化形成的沉积盆地。在大型沉积盆地(例如华北盆地)内深处分布的地下热水是我国地下热水的重要组成部分。大型沉积盆地内深处热储层通常厚度大、分布面积广，热水储存资源比较丰富。

地球是一个庞大的热库，其散热和吸热之间的平衡关系决定了地壳浅部的温度场，夏季呈吸热状态，冬季呈散热状态。地壳浅部的温度场，从地表向下可分为3个带，即变温带（外热带），恒温带（中性带）和增温带（内热带）。据有关资料估算，以传导方式来自地球内部，而后通过其表面散发到太空中的总热量为2.45×1020卡/年，而地球表面接受太阳辐射的总能量为5.6×1023卡。因此地壳最表层的温度场，主要是受太阳辐射的影响而发生变化，故变温带也随时间变化而变化。
地下某一深度，地球内部热与太阳辐射热相互达到平衡时，这个带就是恒温带，其受太阳辐射热的影响逐渐减弱，温度相对保持恒定，地温变幅接近零。年恒温带的温度各地变化较大，主要与地区的纬度、高程、地表水体的分布、植被覆盖面积大小、小气候等条件有关。年恒温带温度一般高于当地年平均气温1～3℃。
增温带的温度状况和温度场主要受制于地球内热，随深度增加，地温增高。据河南省地热井测温资料，河南地区地热正常增温率一般在3℃/100m左右，局部受地质构造影响地温较高，属地热异常区。由此可见，浅层地温场的变化是地球内部热与太阳辐射热综合作用的结果，随着深度的增加前者逐渐起主导作用，后者的影响逐步减小。
一、控制和影响浅层地温分布的主要因素
大量研究成果证实，一个地区的地温状况是该区的地质构造条件和地质历史的综合反映。对地壳浅部几千米以内的地温，其影响因素一般为基岩面的起伏和构造形态、地下水的活动和岩浆活动等。大量实际资料表明，基岩面的起伏和构造形态对地温的分布的影响是区域性的，对地壳浅部地温起着主导的作用；地下水活动对山前平原和某些大的活动断裂带附近的地温有着重要的影响，而岩浆活动的影响可能仅限于A近期发生较大规模岩浆活动的局部地段。
1.基岩的起伏和构造形态
河南省大部分地区位于华北陆块的西南部，以太古宇变质岩为基底，其上发育着一套地台型的中新元古界和以海相碳酸盐岩为主的下古生界，以及海陆交互相到陆相的上古生界和中生界。自太古宙以来，该地区经历了多次构造运动，对其前期的构造格局和盖层都有不同程度的改造，其中对该区现今构造格局的形成起决定作用的是燕山运动，前期整个华北陆块开始解体，并发育了一系列NW 向、近EW向及NNE向的张性断裂，形成断块山和裂谷盆地。太行山、嵩山等山地隆升，华北裂谷盆地沉降形成坳陷，坳陷中心沉积有侏罗系和下白垩统，奠定了该区地质结构的雏形。新生代以来，盆地继续下降接受沉积，沉积了一套以河湖相为主的巨厚的相对松散地层，深度越大，固结成岩作用越强。
河南省城市除洛阳、南阳、三门峡位于内陆河谷盆地外，其他城市均处于华北平原上，且多数处于山前地带。自山前向平原新生界厚度增大，城市区厚度一般大于500m。新生界之下为巨厚的中生代和晚古生代碎屑岩沉积。大量实际资料表明，基岩面的起伏变化对地温的分布有一定的影响，新生界盖层在一定深度范围内，正向构造的地温高，地温梯度大；负向构造的地温低，地温梯度小；地壳浅部地温分布与基岩面的起伏呈正相关关系。同时，在构造形态大致相同的情况下，由于高的或较高的热导率的岩层之上覆盖着不同厚度低热导率的新生界盖层，地壳浅部地温和地温梯度也有相当大的差异。如郑州市松散层之下基岩均为三叠纪砂页岩，其热导率高于上覆松散层，因此，郑州市松散层中相同深度地温和地温增温率西郊高于东郊。如东北郊黄庄一带200m以上的地温增温率只有1～2℃/100m，而西郊的地温增温率为2～3℃/100m。
2.隐伏断裂构造
地下温度场不仅受构造单元影响，还受隐伏断裂构造控制。主要是断裂一般都有利于水热活动，尤其是活动性断裂更是如此。起控制作用的断裂有控热断裂和导热断裂。深切地壳达地幔的区域活动性大断裂和破碎带岩石裂隙发育，是深部热能上涌的良好通道。当深部热能沿破碎带上涌时被水和岩石吸收，形成一定宽度的地下热水储集带，因此这些断裂属控热断裂。这些断裂多呈NW向和近EW向。成生于燕山运动晚期至喜马拉雅期的NE向及NEE向断裂，也是活动性断裂，既控制了新生代盖层沉积，又在后期继承性活动中错断盖层。这些新断裂的活动，打开了盖层通道，使地下热水沿NE向及NEE向断裂破碎带上涌，形成一定宽度的低温热水储集带，影响浅层地温场的分布，这些断裂属导热断裂。洛阳盆地、南阳盆地均有隐伏断裂分布，断裂附近多有地温异常分布，浅层地下水水温高于正常水温1～3℃。
3.地下水的活动
广泛分布于地壳浅部的地下水，易于流动且热容量大，对地温场有着重要影响。其影响的程度取决于沉积盆地的规模、地貌单元及特征、含水层的分布（厚度和连续性）及其水动力特性等。通常，在受冷水源补给的地下水补给区和强径流区，地下水的活动往往使地温出现负异常；而在热水排泄区或某些深大活动性断裂带附近，则形成正异常；远离地下水补给区的大型盆地腹地，地下水径流缓慢甚至处于停滞状态，这种影响即逐渐减弱以至消失。
地下水补给区和径流区之所以出现地温负异常，是由于从补给区进入较低温的地下水，在快速地流动过程中与围岩进行热交换，并不断把热量带走，对围岩起着冷却作用，从而降低了地温。郑州市处于山前冲洪积倾斜平原前缘，虽然水力坡度较大，但含水层渗透系数较小，故地温基本未出现负异常，只是地温梯度略低，尤其是黄河岸边近河地带，受黄河补给，加上含水层颗粒较粗，冬季受河水冷水补给，故浅层地温较低。
二、区域地质背景对城市浅层地热能分布与利用的控制因素
1.气象水文及地形地貌对浅层地热能分布的影响
（1）气象水文对浅层地热能分布的影响
河南省处于暖温带和亚热带气候过渡地区，气候具有明显的过渡性特征。河南的气候特点是：冬季寒冷、夏季炎热。多年年平均气温12.8～15.5℃。7月份月平均气温27～28℃；1月份月平均气温为－2～2℃。全省极端最低气温大都在－15～－20℃之间。全省极端最高气温除山区外，各地均在40℃以上，洛阳盆地最高。受纬度和气候条件控制，河南城市的恒温带温度一般在15.5～17℃，北部低，南部高，因此浅层地热能的分布亦受气候影响。
由于河南多属暖温带大陆季风气候，冬季干燥寒冷，夏季炎热多雨，从气候上要求冬季供暖夏季制冷，该地区供冷和供暖天数大致相当，冷暖负荷基本相同。浅层地热能的利用需要在冬季提取地下热能用于冬季供暖，而在夏季则需要向地下储存热能，这样可保持地下温度场平衡，使其对环境的影响最小。
河南省地处黄淮海及长江四大流域，河流众多，由西向北、东、南呈放射状分流。黄河、淮河是河南省的主要河流，除黄河流经三门峡、郑州外，流经城市且水量较大的河流主要有洛阳的洛河，南阳的白河，信阳的浉河，平顶山、漯河、周口的沙河等，其他流经城市的河流流量较小且以城市污水为主。河流对城市浅层地热能的分布有一定的影响，不仅地表水中蕴藏有一定的地热能，还对沿河地带中岩土层和地下水中浅层地热能的分布、运移、赋存具有一定的影响。近年来，河水源热泵系统、湖水源热泵系统和污水源热泵系统的运用，使地表水中的浅层地热能得到充分利用。因此，地表水中分布的浅层地热能不容忽视，尤其是经过处理的城市污水应当鼓励利用。
（2）地形地貌对浅层地热能分布的影响
河南省地处我国第二阶梯向第三阶梯的过渡地带。其地形地貌的显著特点是北、西、南三面为山地、丘陵和台地，东部为坦荡辽阔的大平原。山地、丘陵面积7.40×104km2，平原面积9.30×104km2。其地势总体上西高东低，从西向东呈阶梯状下降，由西部的中低山向东过渡到丘陵、台地和平原。
浅层地热能主要指蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。即指通过地源热泵换热技术利用的蕴藏在地表以下200m以内，温度低于25℃的热能。一般来说，各种地貌单元均有浅层地热能分布，单从开发利用条件和价值来看，平原区优于山丘区。豫西主要为基岩山区和黄土丘陵区，浅层地热能开发利用条件较差，而平原区人口密集，城镇密布，地质、水文地质和浅层地热能开发利用条件优越，是浅层地热能开发利用的重点地区。河南平原主要包括黄淮海平原河南部分，山前倾斜平原和南阳盆地、洛阳盆地、灵宝－三门峡盆地。河南省18个省辖市，有3个位于上述三大盆地（河谷平原），其他15个城市均位于山前冲洪积倾斜平原和河流冲积平原上，在一定程度上，浅层地热能的分布和利用受其所处的地貌位置控制。
2.地层及构造对浅层地热能分布及利用形式的控制作用分析
河南省18个省辖市均位于平原第四系分布区，浅层地热能的分布和赋存主要受第四系和其下伏的新近系的岩性结构控制。
（1）地层岩性
河南平原区浅层地热能主要赋存在第四系和新近系上段的松散地层中。新近系主要在盆地和东部平原区分布，岩性以冲湖积砂岩（砂层）、粉砂岩、泥岩、泥灰岩为主。第四系广泛分布于东部平原、山间盆地及山前丘陵一带。西部的山间盆地及山前丘陵区，下更新统（Qp1）为冲湖积砂及砂砾石、黏土等，黄河两岸有午城黄土；中更新统（Qp2）为冲湖积、冲洪积粉质黏土、砂及砂卵砾石，灵宝－郑州有离石黄土；上更新统（Qp3）豫西为冲积粉土、粉质黏土及砂层、砂砾石层，灵宝－郑州有马兰黄土；全新统（Qh）为河流冲积层，局部有风积物。具体各城市的地层岩性条件见表2-2。
由于各城市分布的地层岩性条件和成因不同，其浅层地热能的分布和利用方式也受其控制。一般来说，城市区分布的地层岩性以冲积、冲湖积、湖沼相等细粒相沉积为主的松散地层，包括第四系、新近系黏性土、粉土、细粒相砂土等，适宜于竖直地埋管换热系统。城市区分布的地层岩性以冲积、冲洪积为主的松散地层，且沉积物以粗粒相的砂卵石、砂砾石、粗砂、中砂为主或厚度较大时，考虑到地下水的影响，适宜于地下水换热方式。
（2）地质构造
从各城市的浅层地温场特征来看，受地质构造的影响略有差异，但影响不大。平原区新生界厚度大，当基岩基底为隆起或凸起时，地温梯度较大，浅层地温略高；当基岩基底为凹陷时，地温梯度较小，浅层地温略低。相同地区二者温度差一般不超过3℃。豫西三大盆地主要受隐伏断裂构造控制，一般活动断裂附近或交汇部位，浅层地温略高于其他地段，当覆盖层厚度较大时，温度差一般也不超过3℃。由此可见，城市区新生界厚度较大，地质构造对浅层地热能分布和利用的控制作用不明显。
3.水文地质条件对浅层地热能分布的控制
河南省黄准海平原、太行山前倾斜平原、南阳、洛阳、灵宝－三门峡盆地和淮河及其支流河谷地带，浅层含水层主要为冲积、冲洪积砂、砂砾、卵砾石，结构松散，分选性好，普遍为二元结构，具有埋藏浅、厚度大、分布广且稳定、渗透性强、补给快、储存条件好、富水性强等特点，单井涌水量1000～5000m3/d。尤其是太行山前洪积扇、黄河冲积扇、三大盆地中的河谷平原、淮河上游主要支流河谷等地段，水文地质条件优越，单井涌水量大于2000m3/d，最大可达5000m3/d以上。其地下水主要接受大气降水入渗补给、地表水入渗及侧渗补给，为浅层地热能开发利用的良好循环水源。浅层地下水一般为潜水－微承压水，局部为承压水。浅层地热能尤其是采用地下水源热泵系统利用浅层地热能的方式的，其分布、赋存、运移和利用方式等都受水文地质条件所控制，即使采用竖埋管换热方式，同样受地下水的影响。
河南省城市浅层地热能的赋存层位主要为第四系及新近系上部的各类松散堆积物，其所含地下水为松散岩类孔隙水，含水层分布广，厚度大，水量较丰富，易开采，可恢复性强。尤其是位于盆地的洛阳、南阳、三门峡和山前地带的安阳、鹤壁、新乡、焦作、济源、郑州、信阳、平顶山等水文地质条件优越的城市或地段，开发利用浅层地热能时，宜采用地下水换热方式。

地下热水的形成
答：我国的地下热水资源极为丰富，目前已发现水温在25℃的热水点有2600多处，且具有明显的区域性分布规律，呈现出藏滇、台湾两个高温温泉密集带和东南沿海、滇川两个低温热水密集带。地下热水多形成于地热异常区（热流值或地热梯度高于区域背景值的地区即可看作地热异常区）。一般认为，地热异常与深部地幔熔融...

区域地质背景对城市浅层地热能分布的控制因素
答：豫西主要为基岩山区和黄土丘陵区,浅层地热能开发利用条件较差,而平原区人口密集,城镇密布,地质、水文地质和浅层地热能开发利用条件优越,是浅层地热能开发利用的重点地区。河南平原主要包括黄淮海平原河南部分,山前倾斜平原和南阳盆地、洛阳盆地、灵宝-三门峡盆地。河南省18个省辖市,有3个位于上述三大盆地(河谷平原),其他...

地下水形成的区域背景
答：根据垂向上的水质变化特征，地下水的分布可分为全淡水区、咸淡水重叠区和全咸水区。3.3.1.1 全淡水区 全淡水区分布在齐河-广饶断裂以南，在构造上处于鲁西台背斜的北缘。古近纪时，该区和整个鲁西台背斜一起上升隆起，经受剥蚀；自新近纪，才随同辽冀台向斜一起发生倾斜下降，但下降远小于断裂北侧...

我国地下热水分布的基本特点
答：板块边界或碰撞带具有产生强烈水热活动和孕育高温热水系统必要的地质构造条件和热背景。远离板块边界的板内广大地区，构造活动减弱或为稳定块体，热背景正常或偏低，水热活动减弱，一般在局部地区形成中低温热水系统，在大多数地区甚至缺乏地下热水。2)高温热水区与晚新生代火山分布并不完全吻合。我国高温热水...

地下水环境背景值形成分析
答：黄河冲积平原地下水的形成,是元素(组分)自身的物理化学性质,多沙性黄河多次泛滥改道的地质背景条件及人为影响因素等内、外因相互作用、相互影响、长期演化的结果,地下水环境背景分布综合反映了地下水化学成分形成的水文地球化学特征。 一、地下水环境背景值形成的影响因素 地下水环境背景值,除了其元素组分自身物理化学性质...

地下热水的赋存
答：(1)层状分布———热储层 沉积盆地内的地下热水通常呈层状分布，构成热储层。热储层有一定的厚度和展布范围，与地层的展布吻合。热储层通常埋藏深、规模较大。既有基岩类的裂隙型和裂隙岩溶型热储层，也有松散－半固结的孔隙型热储层。例如天津市深层分布有中新元古界蓟县系雾迷山组和下古生界...

地下热水的分布状况
答：图4.4 中国地下热水分布(据陈墨香等，1994;中国地质调查局，2006)高温地热带包括藏南－滇西地热带和台湾地热带。藏南－滇西地热带地处地中海－喜马拉雅地热带，位于西藏南部、四川西部和云南西部，分布有1000多个温泉，其中一部分为沸泉，并有少量间歇喷泉。台湾地热带分布有100余个温泉，在北部的大屯火山...

热水成矿地质环境
答：正如大量古今VMS矿床在弧后环境产出事实所证明的那样，冲绳海槽弧后扩张盆地，作为一级控矿要素，为区域热水活动提供了十分有利的地质环境。（2）大洋板块俯冲诱发弧后区下部地幔物质上涌，是形成弧后扩张盆地的重要动力机制。在冲绳海槽所实施的地球物理测量证实，海槽下部存在异常的热地幔上涌体。侯增谦等...

地下水引发地质环境分区及水环境治理措施
答：地质环境质量中等区、良好区分布于质量较差区外围、黄泛平原区和部分河谷及河流入海口滨海平原。地质环境质量优等区和良好区分布于胶东半岛低山陵区、鲁中南山前冲洪积平原南部和黄泛平原。 评价结果与工作区地质环境现状基本一致,质量差区地质环境背景条件较差,地质灾害较发育,地质环境破坏较强烈,如黄河三角洲沿岸地区...

浅层地下水地球化学背景及质量评价
答：受地质背景、土壤成因类型和地貌条件的影响,浅层地下水溶解性总固体含量表现出显著差异。由表4-33可见,本区浅层地下水中溶解性总固体(TDS)含量大部分<1000mg/L,属淡水区,微咸水区主要呈片状分布于胶莱盆地大部分区域以及呈带状分布在北部沿海一带;从昌邑北部沿海至昌邑市区呈条带状依次分布有卤水、盐水和咸水,...