山東費縣上冶地區地熱資源特征研究

韓昱，劉玉仙，申丹丹，劉玉想，李波，孫中瑾

(1.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東省地礦工程勘察院,山東 濟南 250014;2.山東省交通科學研究院,山東 濟南 250031)

0 引言

臨沂市地熱資源豐富，溫泉歷史源遠流長，目前已發現地熱異常點49處，地熱資源分布面廣，遍布全市每個縣(區)，開發潛力大，利用前景廣闊[1]。費縣上冶地區巖溶熱儲埋藏深度大、地質條件較為復雜，以往的深部地熱勘探工作較少，研究程度不高。受蒙山斷裂及其次級構造的影響，該區深部巖溶熱儲隱伏于巨厚的古近系、白堊系、侏羅石炭系之下奧陶紀馬家溝群灰巖之中，地熱資源類型為低溫地熱資源溫熱水。費縣上冶地區熱儲埋深大，受斷裂構造控制明顯，屬于深部巖溶熱儲。深部巖溶熱儲主要指埋深500m以下賦存于寒武-奧陶紀碳酸鹽巖地層中的巖溶熱儲。受斷裂構造控制明顯，在空間上具層狀兼帶狀特征[2]。

費縣上冶地區具有較強的區位優勢，日蘭高速橫穿東西，S234省道縱貫南北，交通極其便利。屬于暖溫帶半溫潤大陸性季風氣候區，四季分明，大陸性氣候明顯，多年平均氣溫14.2℃，多年平均降水量841.5mm，多年平均蒸發量1187.53mm，多年平均無霜期為198d。地貌類型為殘丘及山間洼地。區內地表水系發育，主要為浚河及其支流。

1 區域地質背景

1.1 地層

費縣上冶地區地處沂蒙山區南部沂沭斷裂帶外圍的西部，在地層分區上屬魯西地層分區泰山地層小區。區域上地層出露較全，自太古界、古生界、中生界至新生界均有出露。各地層或斷塊呈NW—SE向及EW向展布，第四系多分布于山前及山間河谷地帶。根據區內鉆孔及地質資料，地層由老至新有新太古代泰山巖群、寒武系、奧陶系、石炭系、侏羅系、白堊系、古近系及第四系。

(1)泰山巖群：分布在費縣上冶地區北部蒙山斷裂以北地區，其巖性為黑云母斜長片麻巖、角閃石巖、黑云母變粒巖等，厚度>100m。

(2)奧陶系：主要出露于浚河以南的較廣地區，基本沿走向呈近NW—SE向分布，巖層傾向NE，傾角11°～23°之間，巖性以灰巖、白云巖、白云質灰巖為主，是區內的主要熱儲層，厚度800m左右。

(3)石炭系：區內零星出露于奧陶紀灰巖北部，與奧陶紀馬家溝群呈平行不整合接觸。巖性主要為鋁土質、鐵質泥巖，鐵礦層，厚度0～15m。

(4)侏羅系：只在區內西南部一帶少量出露。巖性主要為礫巖、砂礫巖，砂巖發育，地層厚度47m左右。

(5)白堊系：主要沿東管莊、萬泉莊、武家匯一線出露。上部巖性為黃綠色安山凝灰質含集塊火山角礫巖，安山凝灰質火山角礫巖，熔安山凝灰質火山礫巖，中部為紫紅色、黃綠色泥質粉砂巖，發育交錯層理，夾少量雜色礫巖，下部黃綠色砂巖、巖屑晶屑砂巖、凝灰質砂巖，發育交錯層理及槽狀層理，地層總厚度約1565m。

(6)古近系：分布于區域中北部，與下伏地層呈不整合接觸，上部被第四系松散堆積物覆蓋，上部巖性為石灰巖質礫巖、砂礫巖、復成分礫巖，含鈣質結核，中部巖性為磚紅色、灰色、灰紫色、灰綠色砂質泥巖、泥質灰巖、泥巖、鈣質砂巖等，下部巖性為磚紅色、灰紫色的礫巖、含礫粗砂巖，礫石成分安山質，厚度約900m。

(7)第四系：分布于盆地及山麓低洼處，由殘積、坡積、沖積等松散物構成，厚度約20m左右。巖性以砂質、粉砂質粘土組成，局部夾礫石層。

1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭系；6—奧陶系；7—實測及推測地質界線；8—實測及推測角度不整合界線；9—實測性質不明斷層；10—推測性質不明斷層；11—張扭性斷裂；12—角礫巖帶；13—地熱井位置及編號；14—費縣上冶研究區范圍圖1 區域地質構造簡圖

1.2 地質構造

研究區在大地構造單元上位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)尼山-平邑斷隆(Ⅳ)平邑凹陷(Ⅴ)的中部。該區部分基巖裸露，基底由泰山巖群變質巖組成，蓋層為古生界碳酸鹽巖，中生界和新生界地層僅山間谷地和山前麓坡地帶分布。

該區地處沂沭斷裂帶外圍的西部，區內褶皺不發育，以斷裂構造為主(圖1)，主要為NW向蒙山斷裂、NNE向上冶東嶺斷裂及其次生NNW向構造。

(1)蒙山斷裂：位于蒙山南麓，走向290°，傾向SW，傾角60°。全長125km，斷裂帶寬度100m左右，東北盤為新太古代泰山巖群變質巖，西南盤為古近系礫巖。構造帶主要由碎裂巖、斷層角礫巖組成，局部地段可見充填石英巖脈。角礫巖多呈透鏡體，顯示的力學性質為早期張性，后期右行壓扭性，末期顯示的是張性—張扭性。該斷裂活動時期主要在中生代早期，新生代有繼承性活動，控制著區內中、新生代地層的沉積。

(2)上冶東嶺斷裂：位于工作區偏東部，經過上冶鎮，延長約4.5km，走向9°左右，傾向NE，兩盤巖性為古近紀地層，斷距較小，為正斷層。

區內的斷裂構造對地下熱水的形成、運移和分布起著重要作用，其切割了深部巖層，是地球深部熱源向上傳導的重要通道。

1.3 巖漿巖

區內巖漿巖比較發育，主要活動時期為晚太古代和中生代。主要分布于蒙山斷裂以北，以南零星有噴出巖(安山玢巖)出露。晚太古代主要分為阜平期和五臺期，阜平期侵入巖巖性主要為條帶狀中?；◢忛W長巖、條帶狀中粒英云閃長巖及角閃巖；五臺期侵入巖主要為中粒含黑云花崗閃長巖、中粒片麻狀黑云英云閃長巖。

2 地熱地質條件

臨沂市處于沂沭斷裂帶中、南段,區域地質演化受到區內斷裂構造帶的強烈控制,經歷了復雜的沉積、巖漿、變質、構造等地質事件,形成了一套較為完整的巖石和構造體系,為地熱資源的形成提供了有利的地質、構造和水文地質條件[3]。費縣上冶地區位于蒙山斷裂以南，近SN的上冶東嶺斷裂及其次級斷裂與蒙山斷裂溝通，熱儲上覆地層具備一定的保溫能力，使得該區具備地熱形成的地質條件(圖1)。深部裂隙-巖溶熱儲主要賦存于古生代奧陶系中，熱儲巖溶形態以溶蝕裂隙、溶孔、溶洞為主，構造裂隙次之，空間上多呈層狀或似層狀分布，代表性巖性為灰巖、白云質灰巖、灰質白云巖、白云巖等[4]。

2.1 邊界條件

根據《山東省地熱地質圖》(2008年編制)，費縣上冶地區在區域上屬于魯西地熱區(Ⅲ)，調查區及其附近利用的熱儲層為受斷裂構造控制的層狀兼帶狀熱儲，蒙山斷裂以南基巖大多出露，自南向北基本以單斜構造展布，南邊地層為較老的寒武奧陶紀灰巖，往北為較新地層，項目區南部奧陶紀、寒武紀灰巖裸露，大氣降水一部分通過淺部巖石溶蝕裂隙、溶洞由南向北徑流，受淺部古近系、侏羅系的阻擋，形成淺部巖溶地下水滯留環境，即形成淺部巖溶地下水的富水地段。另一部分通過各斷裂構造、巖石裂隙繼續向北緩慢徑流，進行深部循環，當徑流至蒙山斷裂附近，受蒙山斷裂北部不透水花崗巖、花崗片麻巖層的阻擋，在蒙山斷裂南側深部形成滯流承壓水。

費縣上冶地區地熱資源重點研究區主要在蒙山斷層西南、上冶東嶺斷裂及其次級斷裂中北部區域，該區域熱儲蓋層厚度大，受斷裂構造的控制較為明顯，是地熱資源富集區。

2.2 熱儲特征

根據勘探鉆孔資料，費縣上冶地區揭露的地層主要為第四系、古近系、白堊系、侏羅石炭系及奧陶系(未揭穿)。地熱資源主要賦存在奧陶紀灰巖中，屬于受斷裂構造控制的層狀兼帶狀裂隙-巖溶型熱儲。費縣上冶奧陶紀馬家溝群熱儲具有以下特征：頂板埋深935.00m，熱儲的平均裂隙率為7%[5]，底板未揭穿，地層總厚度一般在800m左右，熱儲含水層厚度在50～100m，是區內較好的熱儲層。巖性上段為青灰色質純石灰巖，局部方解石脈發育；上段巖性青灰色石灰巖、灰白色的白云質灰巖，局部夾淺黃色、紫紅色的泥灰巖、白云質灰巖。單井涌水量約220m3/d，井口水溫在41.5℃左右。

另外位于上冶地區東南約8.5km的費縣薛莊XZ1地熱井，奧陶紀灰巖熱儲頂板埋深為1657.00m，底板埋深1830.00m，鉆探揭露厚度173.00m，由于該鉆孔距離蒙山斷裂較近，受巖漿巖和斷裂構造的綜合影響，只揭露了奧灰含水層的“肩部”，并未揭露奧陶紀灰巖的主要含水層。XZ1地熱井成井井深2000.20m，自流量約24m3/d，抽水時水量約130.00m3/d，降深370.00m，水溫43℃，該層灰巖由于埋深大，地下水循環條件差，導致肩部灰巖裂隙不發育，富水性差，含水量微弱。實際的揭露含水層位為泰山巖群頂部與奧陶紀灰巖接觸的斷裂構造帶，該層巖石全風化呈粗砂狀，埋深大，補給條件較差，水量較小。

綜合分析費縣上冶地區奧灰熱儲的埋深，總體分布規律為西南淺東北深，局部受斷裂構造影響較大，熱儲埋藏深度大，富水性一般，地熱資源類型為熱對流型低溫地熱資源溫熱水。

2.3 地溫梯度特征

2.3.1 恒溫帶地溫及深度

根據費縣上冶地區系統測溫資料統計分析(圖2)，結合區域地熱地質條件，得出項目區的恒溫帶深度為15m，地溫為15.5℃。

圖2 費縣上冶地區測溫曲線圖

2.3.2 地溫場的水平分布特征

地溫梯度值主要與基巖頂板埋藏深度和斷裂發育情況有關，費縣上冶地區基巖頂板埋深分布規律為南淺北深。一般說來,蓋層薄,熱傳導快,蓋層地溫梯度值大，基巖頂板埋藏深,蓋層厚,熱傳導較慢,蓋層地溫梯度值相對較小。在靠近活動斷裂的附近地溫梯度高,遠離斷裂帶則地溫梯度低[6]。根據相關資料，上冶地區的地溫梯度一般在1.43～2.00℃/100m。

2.3.3 地溫場的垂直分布特征

從費縣上冶ZK1地熱井測溫曲線圖可以看出(圖3)，孔底地熱水溫為56.1℃，0～100m地溫上升較快，100～1640m地溫梯度明顯減小，為1.62℃/100m，測溫曲線總體上呈一條近似傾斜的直線。在垂直方向上，地溫在恒溫帶15m埋深以下的變化趨勢為地溫隨著深度的增加而遞增，綜合計算地溫梯度為1.62℃/100m。

圖3 費縣上冶地區ZK1地熱井測溫曲線圖

2.4 地熱水水化學特征

熱水的形成一般是地下水通過斷裂等通道與來自深部的熱水發生對流和巖石的熱傳導,被加溫后儲集或經通道泄出地面。熱水在形成和運移過程中溶濾了巖石的各種化學成分，尤其是熱儲巖石成分,熱水循環途徑和循環時間等因素決定了熱水的化學成分[7]。

水化學場的形成受水的補給來源、徑流途徑等控制。該區地下熱水主要賦存于奧陶紀的石灰巖中，其常規離子含量隨枯、豐水期變化不大，由于埋深大等因素的影響，該區地下水處于一種半封閉狀態，水交替循環微弱，經深循環的地下熱水在該區聚集，受水溫影響，地下水的溶解能力增大，使各種離子成分含量增加，其礦化度較高(圖4)。

圖4 ZK1，ZK2井δD，δO18值與標準曲線對比圖

表1 費縣上冶地區ZK1地熱井水質分析

注：由國土資源部濟南礦產資源監督檢測中心測試。

2.5 地熱流體質量評價

上冶地區地熱水中含有豐富的微量元素及其他化學組分。其中F-含量為3.26mg/L，達到國家標準命名礦水濃度標準,偏硅酸含量25.56mg/L,達到國家標準礦水濃度，偏硼酸含量1.44mg/L，達到國家標準有醫療價值濃度標準。地熱水中對人體有害的毒理性元素含量很低，可作為醫療保健用水。

該地熱水不宜作為生活飲用水、農業灌溉用水和漁業用水，工業利用可提取的有用元素均未達到國家標準，為腐蝕性、結垢性大的地熱水，主要的開發利用方向為理療洗浴、采暖等。

2.6 地熱水氫氧同位素特征

ZK1地熱水同位素測試分析項目δD為-73×10-3，δ18O為-10.0×10-3，距離ZK1地熱井西南約4.5km灰巖直接出露區(補給區地下冷水)的寧國莊村ZK2井，其主要含水層為奧陶紀馬家溝群八陡組灰巖，δD值為-59×10-3，δ18O值為-8.1×10-3，ZK1，ZK2井水的δD，δ18O同位素均分布于全球雨水線和我國雨水線附近，說明其補給直接或間接來源于當地大氣降水的入滲補給，該區地下熱水主要為大氣降水成因，通過深循環在地溫作用下加熱而形成的[8]。ZK1井較西南部地下冷水的δD，δ18O值明顯偏低，這說明上冶地區的地下熱水不是直接來源于當地大氣降水的就近入滲補給，而是經過較長距離的徑流，發生了明顯的氫氧同位素漂移。

為了評價地下熱水的可更新能力，引入定義為d=δD—8δ18O的2H過量參數d[9]，d可以作為水巖反應中18O同位素交換程度的衡量指標。d值越小，水文地質環境越封閉，水在含水層中滯留時間愈長，地下水徑流速度愈慢，地下熱水的可更新能力越弱[10]。d值表征了某水樣同位素對現代大氣降水的偏離程度，當d<10%，表明為正常大氣降水；當d<-10%時，表明干熱氣候條件下(蒸發濃縮)的降水；當d>+10%時，表明是與現今不同氣候條件下的降水[11]。經過計算，ZK1地熱水的d值為7，ZK2井冷水的d值為5.8，說明均為現今氣候條件下正常大氣降水補給形成。d值的不同說明了ZK1井相比西南部的冷水的可更新能力弱，地下熱水的補給路徑更長，地質環境更封閉，水巖反應更強烈。

3 地熱概念模型

地熱形成的基本要素為：“儲、蓋、通、源”。建立地熱概念模型,必須要查明儲熱蓋層、導水通道以及熱量來源,依據區域地質地熱背景,通過水化學、同位素資料進行地下熱水流動系統分析[12],明確上冶地區地熱概念模型的各個因素,最終綜合建立地熱概念模型。

根據上冶地區地熱地質條件與物探解譯資料分析，該區地處蒙山斷裂南側，近SN向的上冶東嶺斷裂及其次級斷裂與蒙山斷裂溝通，具備地熱形成的地熱地質條件。

3.1 熱儲層

上冶地區南部奧陶紀馬家溝群灰巖廣泛出露，直接或者間接接受大氣降水的補給，區內熱儲層隱伏于古近系、白堊系、侏羅石炭紀地層之下，受斷裂構造的影響，巖溶裂隙較為發育，局部地層較為破碎，為地下水的儲存、運移和深循環加溫提供了條件。區內熱儲層主要為奧陶紀馬家溝群的灰巖，巖性為灰巖及豹皮灰巖[13]，在蒙山斷裂南側，灰巖段巖溶較發育，且位于盆地深部，封閉性較好，是較為理想的熱儲層，鉆孔揭露的厚度約650m。

3.2 蓋層

本地區熱儲蓋層為第四系的粉砂質粘土、古近系的砂巖、泥巖、碳酸巖、白堊系的粉細砂巖、礫巖、安山凝灰質角礫巖和侏羅石炭系的砂巖、泥巖、頁巖，ZK1鉆孔揭露厚度約935m，厚度大、連續性好、致密堅硬、熱導率低、保溫隔水性好，是良好的不透水蓋層。

3.3 通道

區內蒙山斷裂以及NNE向的上冶東嶺斷裂、NW向的次級斷裂溝通了深部熱源，形成地下水深循環和熱對流,并且是地下水的良好儲集場所及地下水運移通道。地下熱水及熱量在此處易集中,使水溫增高[14]。

3.4 熱源

該區地熱類型為受斷裂構造控制的層狀兼帶狀型。位于地殼板塊內部地殼的地熱熱源，通常是以來自地殼深部的熱傳導為主，也可通過導水導熱的斷裂帶通過熱對流傳至淺部。工作區主要為熱傳導熱源，在較厚的古近系、侏羅系、白堊系中，可以獲得區域性的大地熱流。另外根據物探資料上冶東嶺斷裂及其次級斷裂切割深度較大，在一定程度上溝通了深部熱源，獲得對流熱源。

1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅-石炭系；5—奧陶系；6—寒武系；7—新太古代泰山巖群；8—粉質粘土；9—礫巖；10—砂礫巖；11—粉細砂巖；12—安山凝灰質角礫巖；13—泥巖；14—頁巖；15—灰巖；16—白云巖；17—閃長巖；18—斷層；19—地層界線；20—大氣降水；21—大地熱流；22—地下水運移方向圖5 費縣上冶地區熱儲概念模型示意圖

4 地熱資源計算與評價

4.1 地熱資源量計算

費縣上冶地區重點研究范圍采用熱儲法計算的地熱資源總量為1.57×1017J，相當于535.84萬t標準煤的產熱量。按照《地熱資源地質勘查規范》GB/T11615—2010進行計算，可采地熱資源量為2.36×1016J，相當于80.55萬t標準煤的產熱量。

4.2 熱水資源計算

根據ZK1地熱井確定的開采100年排出熱量對熱儲的影響半徑等于615.07m，開采100年允許的開采量為58.50m3/d，合理布井數最終取值為11眼，故費縣上冶地區重點研究范圍內奧陶紀碳酸鹽巖溶裂隙地下熱水的可開采量為643.50m3/d。

5 結論

受蒙山斷裂及其次級構造的影響，費縣上冶地區的地熱資源主要賦存在奧陶紀馬家溝群灰巖中，屬于受斷裂構造控制的層狀兼帶狀裂隙-巖溶型熱儲。該區奧灰熱儲的埋深總體分布規律為西南淺東北深，埋深大，富水性一般，地熱資源類型為低溫地熱資源溫熱水。費縣上冶地區地熱水的補給直接或間接來源于當地大氣降水的入滲補給，水化學類型為SO4-Na·Ca型，礦化度較高，具有大陸溶濾水的特征，富含多種有益的微量元素，可作為醫療保健用水，開發利用方向為理療洗浴、采暖。

致謝：感謝費縣國土資源局對此次工作的大力支持。