日照市管帥地區地熱資源特征分析

白平，楊崇敬

(山東省第八地質礦產勘查院,山東 日照 276826)

圖1 研究區地熱地質略圖

地熱資源作為一種清潔能源，在熱量采取速率小于補給速率的情況下，具有可再生、節能環保、利用方便等特點，現已廣泛利用于醫療保健、洗浴、供暖、養殖等領域。合理開發利用地熱資源對改善能源結構、促進地方招商引資具有重要意義。山東省日照市管帥地區屬沂沭斷裂帶裂隙型地熱區[1]，蘊含豐富的地熱資源，2011年5月成功鉆探出一口地熱井，該井的鉆探成功不僅填補了日照市地熱資源的空白，同時對利用沂沭斷裂帶尋找地熱資源具有示范作用。因此，探討其地熱資源特征，對類似地區利用深大構造勘查地熱資源具有一定指導意義。

1 區域地質特征

1.1 地層巖性

研究區內出露地層主要以中生代青山群、大盛群，新生代王氏群為主，局部上覆第四紀沂河組。以昌邑-大店斷裂為界，地層呈現一定差異性，斷裂以東主要為較老的方戈莊組粗安巖、凝灰巖等；以西為一套較新的白堊紀大盛群、王氏群地層，巖性以黃綠色砂礫巖、紫紅色粉砂巖為主，偶夾礫巖、頁巖；西北角出露少量寒武紀灰巖。受多期斷裂構造影響，局部地層出現反復、缺失現象。

1.2 地質構造

管帥地區地質構造主要受沂沭斷裂帶活動控制。沂沭斷裂帶是一條長期活動的深大斷裂帶，由4條主干斷裂組成，自東向西依次為：昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、沂水-湯頭斷裂、鄌郚-葛溝斷裂，4條主干斷裂構成了二塹一壘的格局。其中昌邑-大店斷裂和安丘-莒縣斷裂自研究區中西部穿過。由于中生代太平洋板塊的向西俯沖，該2條斷裂近代活動劇烈。據日照市地震局資料，1999年1月—2006年1月，昌邑-大店斷裂和莒縣-安丘斷裂周圍共發生2級以上地震48余次。研究區內地震動峰值加速度為0.15～0.20g。

受昌邑-大店和安丘-莒縣斷裂運動控制，管帥地區斷裂構造可分為NE及NW兩組。①NE向以昌邑-大店斷裂為代表。昌邑-大店斷裂走向NE 10°～30°，傾向NW，傾角65°左右，東盤上升，西盤下降。影響寬度達數百米以上，性質以壓扭性為主。帶內擠壓片理、擠壓扁豆體發育，主斷面呈舒緩波狀，斷面上擦痕、階步明顯，牽引小褶皺發育，受NW向構造活動切割，呈斷續狀。區內NE向斷裂性質基本與其相同。②NW向斷裂總體走向NW 40°～70°，傾向NE，出露長度不一，以張扭性為主，多為昌邑-大店和莒縣-安丘斷裂派生的次生斷裂，發育年代較晚，為良好的地下水運移通道。受多期構造運動影響，兩組構造常呈折線狀相交，斷裂之間互相切割、錯斷，地質構造十分復雜(圖1)。

F1，F2，F3斷裂為物探推斷隱伏斷層，F1斷裂走向NW，-800m以上傾角較陡，下部傾向NE，發育深度大于2000m，破碎帶寬度100m左右；F2走向NW,傾向SW,發育深度大于1500m；F3斷裂走向NE，傾向NW，傾角較陡，發育深度大于2000m，推測為昌邑-大店主斷裂(圖1)。

1.3 水文地質

研究區位于汞丹山-沂水隆起東緣，整體地勢西高東低，地表水體多為人工修筑水庫和季節性河流。根據含水介質類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和構造裂隙水3種類型。

①松散巖類孔隙水：一般分布于河流兩側第四紀地層中。水位埋深0.5～2.5m，年變幅2～3m，單位涌水量小于3m3/h·m,礦化度小于0.5g/L。②碎屑巖類孔隙裂隙水：含水層主要為白堊系，是該地區的主要含水層，富水性較差。水位埋深2～7m，年變幅3m左右，單位涌水量小于2m3/h·m,水質一般較好，礦化度小于0.5g/L。③構造裂隙水：研究區斷裂構造極為發育，其中NW向斷裂多數為張性、張扭性斷裂，寬度大切割深，導水、富水性強，形成脈狀構造水，單井涌水量大于50m3/d,礦化度小于1g/L。

管帥地區地下水的補給來源以大氣降水為主，同時由于地表水體較發育，可接受其沿構造有利部位的長距離補給。受構造切割影響區域內地勢相對高差較大，下切性溝谷發育。地下水徑流方向與地表水基本一致，在重力及水力坡降的作用下，自西向東徑流補給地表水或以季節性泉水排泄。

研究區3種地下水涌水量、水質的不同，表明其循環途徑各不相同。其中構造裂隙水徑流途徑長、水量來源充足、排泄條件較單一，地下水易凝滯加熱并富集礦物質。

2 成熱地質特征

研究區地熱田屬深循環對流型水熱系統，按照山東省地熱地質條件分區，研究區屬于沂沭斷裂帶熱儲區[2]；根據管帥地熱井鉆探資料，該區熱儲層主要為含礫砂巖，埋藏深度大，孔隙裂隙發育，綜合判斷屬斷控型帶狀兼層狀熱儲。區內地下水通過一系列NW向張性斷裂向SE徑流，遇昌邑-大店等NE向阻水構造或巖體后，淺部位以泉水形式出露地表排泄，深部則沿深大構造、地層傾向向地下深處運移，逐漸形成地下水蓄積區，凝滯不前。受地溫加熱和斷裂活動影響，地殼中來自下部的傳導熱流分量增大，使水溫升高，同時地熱流體與圍巖發生水蝕、交代作用，使地下熱水中富集多種礦物質。地熱流體蓄積至一定程度后，受靜水壓力的影響，沿構造有利部位，向地表淺部運移，從而導致斷裂帶地熱異常的出現。

2.1 地溫場特征

通過對研究區內40眼機民井、測溫孔的地溫測量資料統計分析，研究區內地溫場特征大致相同，恒溫帶埋藏深度15～25m左右，平均溫度14.6℃。根據地區構造發育情況的差異及距離構造的遠近程度，變溫帶、恒溫帶、增溫帶的溫度呈2種趨勢：構造發育，地質結構復雜的地區，溫度較高；距離構造較遠的地區反之。以134號民井和123號民井為例，134號民井位緊鄰昌邑-大店斷裂以西，并受到NW向構造影響，25m測溫15.9℃；123號民井距離構造斷裂較遠，25m時測溫為15.1℃[3]。兩者地溫曲線變化關系見圖2。

圖2 134號、123號民井測溫曲線對比圖

構造形態對地溫分布的影響是區域性的，對地殼淺部地溫分布起著主導作用[4]。研究區內地溫梯度根據受斷裂構造發育的不同情況，呈明顯差異性。構造分布密集、發育深度大的地區，地溫梯度較高，一般大于2.5℃/100m，構造發育簡單的地區地溫梯度則較低，僅1～2℃/100m。根據管帥地熱井測溫資料，1516m時溫度為56.0℃，按公式Δt/Δh=(T-t)/(H-h)計算，地溫梯度達2.78℃/100m，驗證了區域地熱異常的特征。

2.2 熱源及水源

研究區熱源主要為正常地溫梯度增溫熱、放射性物質衰變熱以及壓性斷裂的摩擦熱。受昌邑-大店及其次級斷裂構造的影響，地殼深部熱能通過深大斷裂對地下水進行熱傳導，使水溫增高。大氣降水為研究區內地熱流體的主要補給來源，另外研究區西部人工修筑水庫較多，地表水體也可通過構造通道經過地下深循環富集加熱，形成地熱流體的重要水源。

2.3 蓋層

根據機民井鉆孔資料揭露，研究區內上部巖層主要為王氏群、大盛群，其中夾雜的薄層狀紫紅色粉細砂巖、粉砂巖，巖石致密不透水，熱導率低，既可有效阻止淺部地下水入滲稀釋地熱流體，又能避免深部地熱流體垂向熱對流造成的能量損耗，為良好的保溫隔水蓋層。

2.4 熱儲層

研究區內不同走向斷裂縱橫交錯，破碎帶發育，為地下水的儲存、運移和深循環加熱提供了空間。熱儲層為受斷裂構造斷裂影響的王氏群黃綠色砂礫巖破碎部位。根據管帥地熱井鉆探資料，熱儲層埋藏深度821～1502m，厚度217m。通過化驗結果，取鉀、鎂溫標計算，熱儲溫度108℃，屬中溫地熱田。

2.5 通道

研究區位于昌邑-大店斷裂附近，NW向斷裂構造以張性為主，其中隱伏斷裂F1，F2發育深度均大于1500m，是地熱流體的主要導水和重要導熱通道。NE向的昌邑-大店斷裂主要為壓扭性，在此處為阻水性質，但溝通了地殼深部熱源，是區內重要導熱通道，為地熱流體的深循環，水溫的增加和礦物質富集提供了條件。

2.6 熱儲概念模型

研究區熱儲概念模型見圖3。

3 反演電阻率特征

圖3 管帥地熱田熱儲概念模型

研究區內地層主要有第四紀沂河組、王氏群、大盛群及青山群地層，根據管帥地熱井CSAMT測量資料，可對各地層不同巖性反演電阻率特征歸納如下：由圖4看出，縱向上可分為4個電性層，高程+100～-100m之間，視電阻率表現整體低阻特性，推測上部可能為巖石風化、裂隙發育所致，賦存松散巖類孔隙水；第二層高程-100～-300m左右，除受F1斷裂影響部位，視電阻率平均為100Ω·m，為薄層狀粉砂巖、完整砂礫巖、凝灰巖等的綜合反映，該段巖石較致密不透水；第三層為高程-300～-1000m左右，反演電阻率均小于30Ω·m，該段由于受斷裂構造的影響，巖石破碎，裂隙發育，富水性好；第四層為高程-1000m以下，該段巖層視電阻率逐漸增高至50Ω·m以上，且出現凸起狀相對高阻體，推測為受構造活動影響，深部巖漿活動入侵形成巖脈，巖石相對致密不透水。

由圖4可以看出，研究區內整體巖層視電阻率一般介于50～250Ω·m之間，巖石致密完整。當有斷裂構造通過時，反演電阻率等值線發生突變，形成明顯分界面，若斷層附近巖性為含礫砂巖等較松散巖性，且構造活動形成良好的導水通道時，巖石破碎富水，呈相對低阻區，阻值一般小于50Ω·m。

對比管帥地熱井鉆井過程中穿過的含水段(表1)，基本印證了該地區反演電阻率特征。

圖4 管帥地熱井反演電阻率斷面圖

4 地熱流體化學特征

地熱流體的化學特征，反應了地下熱水與圍巖之間的溶濾、交代作用，同時也是受巖漿活動的影響、大氣降水入滲及含水層之間補給的綜合體現。

表1 鉆進穿過含水層情況

注：786.4m以上進行固井止水處理

地熱井地熱流體井口溫度56℃，腐蝕系數Kk=-4.89，KK+0.0503Ca2+=-2.637<0，為非腐蝕性水。地熱流體中F含量3.30mg/L，達到命名礦水濃度和有醫療價值濃度，可命名為氟水；Li含量2.27mg/L，H2SiO3含量26.10mg/L，HBO219.54mg/L,達到礦水濃度和有醫療價值濃度，為Li.H2SiO3.HBO2型醫療熱礦水；Sr含量7.92mg/L，綜合評價管帥地區地熱流體屬溫熱水[4]，富含F，Li，H2SiO3，HBO2，Sr等多種對人體有益組分，不宜作為生活飲用水、飲用天然礦泉水、漁業用水和農田灌溉使用，可作為具有較高醫療價值的理療熱礦水開發使用。

接近有醫療價值濃度。同時地熱水中各種有害元素(As，Hg，Pb，Cr6+，Cd)等，均遠低于國家標準。

表2 管帥地熱井水質成分含量

注：由國土資源部濟南礦產資源監督檢測中心檢測

5 研究區地熱資源量評價

管帥地熱井揭露熱儲層厚度217m，巖性為砂礫巖，空隙度0.15。采用熱儲體積[5]法計算該區地熱資源量為7.30×1018J。地熱回收率取0.15，研究區可利用地熱資源量為1.10×1018J，折合標準煤3.75×103萬t(表3)。

6 結語

日照市管帥地區位于沂沭斷裂帶之昌邑-大店斷裂附近，區域地層以白堊紀含礫砂巖、粉砂巖、粉細砂巖為主。構造主要發育NE向和NW向2組。

圖5 管帥地熱井Q=f(s)曲線

靜止水位埋深/m降深次序降深/m涌水量L/S單位涌水量/L/s·m抽水延續時間/h穩定時間/h恢復時間/h水溫℃41.81S360.0252.630.87751482.056S240.0635.120.876262456S120.117.510.87114121.056

注:壓風機LGAC-26套管為出水管84m,測水管136m。區內地下水分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和構造裂隙水3種。管帥地熱田蓋層為薄層狀紫紅色粉細砂巖，NW和NE向構造為導水導熱通道，熱儲層為大盛群含礫砂巖，主要接受大氣降水補給，地下水隨地形坡度自西向東徑流，沿NW向構造深循環加熱、富集礦物質，遇NE向阻水斷裂后凝滯不前，形成地熱異常。管帥地區反演電阻率一般介于50～250Ω·m之間，遇構造斷裂通過時，反演電阻率等值線突變形成明顯分界面，破碎富水地段呈相對低阻區，阻值一般小于30Ω·m。地熱流體為弱堿性半咸水，井口溫度56℃，富含F，Li，HBO2，H2SiO3等微量元素。研究區可利用資源量1.10×1018J，折合標準煤3.75×103萬t。

參考文獻：

[1] 徐軍祥，康鳳新.山東省地熱資源[J].中國地質，1999，(9)：30-31.

[2] 楊啟儉，楊明，李寧.沂沭斷裂帶成熱地質條件研究[J].地質調查與研究，2008,31(3):278-284.

[3] 相其科，韓建江，李春林，等.淄博張店地區地熱資源形成條件研究[J].山東國土資源，2009,25(9):33-36.

[4] GB/T11615-2010.地熱資源地質勘查規范[S].

[5] 朱昶，費若強，宋帥良，等.山東省曹縣城區地熱資源評價[J].山東國土資源，2013,29(7)：42-47.