临沂市温泉(井)成热机制分析及找热方向研究

王宏雷,祝丽媛

(山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队,山东 临沂 276006)

地热资源作为一种清洁能源受到各级政府重视，并在21世纪初掀起一股找热高潮。临沂市地处山东省的南端，地热资源丰富，是全国闻名的“地热城”，该地著名汤头温泉具有两千多年的历史，为“琅琊八景”之首(临沂市古称琅琊郡)[1]。近二十多年，临沂市为做大做强温泉文章，在地热勘探方面做了不少工作，累计投入约1.2亿元，打地热井20余眼，其中有成功的经验，也有失败的教训。为此，对这些年来的地热地质工作进行总结和梳理是十分必要的。该文在分析总结当地成热机制基础上，尝试从大地构造角度探讨该地区地热资源的成热规律和找热方向，为地热研究工作抛砖引玉。

1 地热地质条件概况

临沂市大部分位于鲁西隆起区的南部，东侧的莒南县、临沭县属胶辽隆起区，区内沂沭断裂带纵贯南北，将临沂分为东、西2个地块(西侧鲁西隆起区属华北地台范畴；东侧胶辽隆起区属秦岭-大别-苏鲁造山带范畴)，控制了东、西截然不同地块的地层沉积、岩浆活动和构造运动。

1.1 地层

临沂市地层区划属华北地层大区，鲁西地层分区，其分布明显受构造控制，沂沭断裂之昌邑-大店断裂以东，长期遭受剥蚀作用，在漫长的古生代没有接受沉积，至中生代中期，随胶莱盆地的下沉，形成了侏罗系及白垩系地层；沂沭断裂带以西的地层，除上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统、三叠系及中、下侏罗统、古近系古新统、新近系缺失以外，其他地层均有发育。全市自老至新可分为太古界沂水岩群、泰山岩群，元古代荆山群、土门群，古生代长清群、九龙群、马家沟群、月门沟群，中生代淄博群、莱阳群、青山群、大盛群、王氏群，新生代官庄群、临朐群及第四纪松散堆积物等，共计有群级地层单位15个、组级地层单位60个，组成了该市辖区内复杂的地层系统。受到构造的影响，特别是古生代地层，多呈NW-SE向展布，单斜断块状产出，在凹陷区上覆有较厚的中生代地层(图1)。

1--第四系；2--白垩系；3--奥陶系；4--寒武系；5--花岗岩；6--断裂；7--点位名称井深(m)图1 临沂市地热地质构造略图

1.2 岩浆岩

全市岩浆分布较广，约占总面积的六分之一[2]。岩石类型发育齐全，从超基性—基性—中性—酸性均有发育[2]。大部分属鲁西隆起区岩石区，沂沭断裂带以东的部分属胶南-威海隆起区岩石区。形成时代自太古代到中生代均有，由早到晚分为迁西期、阜平期、五台期、吕梁期、四堡期、晋宁期、震旦期、加里东期、印支期、燕山期十一个岩浆活动期，以燕山期活动最为强烈。依据山东省地层、侵入岩、构造单元划分方案，全市内岩浆岩划分为18个序列、81个单元。区内岩浆岩主要出露于各凸起断块上，如：尼山凸起、蒙山凸起、沂山凸起等地，在凹陷区深部也有埋藏，如平邑凹陷、蒙阴凹陷、临沭凹陷。岩性以花岗闪长岩、闪长岩、二长花岗岩为主。

1.3 构造

临沂市大地构造区划大部分属华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)，仅莒南县和临沭县位于苏鲁造山带的胶南-威海隆起区(Ⅱ)，二者被沂沭断裂带分开(图1)。全市共分为鲁中隆起(Ⅱa)、沂沭断裂带(Ⅱc)、胶南隆起(Ⅳc)3个三级单元，又细分为12个Ⅳ级单元和23个Ⅴ级单元[3]。

(1)沂沭断裂带

是郯-庐深大断裂在山东部分的称谓，它从郯城入界，大致沿临沂市中东部的沂河、沭河分布，走向NE 10°～25°，由4条主干断裂组成，从西至东依次为鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂、安丘-莒县断裂、昌邑-大店断裂，四条主干断裂形成“两堑夹一垒”的构造格局，形态上南窄北宽，是该地区的主干大断裂，对两侧的主要构造、沉积作用、岩浆活动、地形地貌都起着明显的控制作用[4]。

(2)NW—SE向断裂

多分布于沂沭断裂带西侧，由北至南的主要断裂有：沂水-沂源断裂、姚店子-崔家峪断裂、沂南-马牧池断裂、铜冶店-孙祖断裂、新泰-蒙阴断裂、蒙山断裂、苍山-尼山断裂、峄城断裂。均呈NW—SE走向。

(3)NE—SW向断裂：主要分布于沂沭断裂带的东侧，大至平行于沂沭断裂，主要断裂有莒南断裂、相邸-高阁庄断裂等。

1.4 区域地热地质背景

临沂市大部分地区为花岗岩、灰岩、砂页岩裸露区，地增温梯度在2.3～2.7℃/100m间，地温异常区可达3℃以上。

该地区温泉水多在28～75℃，属中低温型热矿水，地热流体类型多为Cl-Na·Ca，Cl·SO4-Na，Cl·HCO3-Na·Ca，氟、偏硅酸含量高是主要特征，矿化度多在0.6～3.8g/L，pH一般在7.0～8.5之间。

根据地热形成的4个条件“储、盖、通、源”[5]，该地区可成为“热储”层的岩层，以深埋于断陷盆地内的太古代花岗岩裂隙、中下寒武纪的砂岩、灰岩裂隙及中生代火山岩裂隙为主；“盖层”以为中生代的砂(砾)岩、火山凝灰(角砾)岩为主；断裂构造为主要通道，或以人工井凿通；“水源”以大气降水为主要补给源，经远距离深循环后形成热水资源；“热源”则以深大断裂沟通大地深部，通过热传导形成热源，该地区可沟通深部热源的断裂主要有“沂沭断裂带”的四条断裂，及NW向的蒙山断裂、铜冶店-孙祖断裂、苍山-尼山断裂、峄城断裂。特别是“沂沭断裂带”自中生代以来构造活动十分频繁，新构造运动明显，伴有岩浆侵入和火山喷发，形成“两堑夹一垒”的构造格局。大地电磁测深资料表明，上述四条断裂均切穿地壳，深达上地幔。其莫霍面埋深33～34km，而鲁西为34～38km,鲁东为32～34km[6]，存在地幔隆起，是大地热流高值区，其热流平均值在67.67mW/m2，高于其他地区。

2 温泉(井)介绍

目前，临沂市共有地热泉(井)20余眼，分布在12个县区(表1)。

表1 临沂市地热温泉(井)统计

从地质构造上看，地热井多沿大的构造断裂分布，特别是沿沂沭断裂带分布较多，水温水量也较好，如铜井地热井、汤坊崖地热井、汤头温泉等，以西、以东地热井分布较小，水温水量也较差。其他如沿蒙山断裂分布邢家庄地热井、薛庄地热井、汪家坡地热井。

按其发现过程可分为3类，一类是自然形成，如汤头温泉，自然出露于汤河边(由于近年水头下降，现已转为井采)，已有两千余年的利用史；第二类为生产中无意发现的，如张庄松山温泉井、铜井温泉井、汪家坡温泉井，是人民在工作、生产中偶然打出的地热井，其井深一般较浅(小于300m)；第三类是地质工作者通过地质勘探发现的，如汤坊崖地热井、白塔地热井、新村地热井等，其井深较大，一般在1800～2300m不等(除一、二类的4眼泉(井)外,其余地热井均属第三类)。

20余眼温泉(井)中，水温、水量较好的有7眼，分别处在河东区(汤头温泉、汤头知春湖地热井、汤坊崖地热井、白塔地热井)、沂南县(张庄温泉、铜井温泉)和郯城县(新村地热井)。

近年来，临沂发挥独特的地热资源优势，突出地热资源特色，大力发展温泉疗养、温泉旅游、温泉休闲、温泉文化产业，现已建成河东汤头、沂南铜井、沂南松山、沂水许家湖、郯城新村、平邑汪家坡6个温泉开发利用示范区。

3 主要温泉(井)成热机制简介

临沂市现有地热泉(井)均属断裂带状分布的构造控热型地热田，热源多为深部热流的向上传导。热储多为深埋地下的灰岩裂隙或基岩裂隙，盖层多为寒武系砂页岩，或白垩系凝灰岩、砂砾岩。地下水沿断裂深循环对流，吸收深部岩体中的热能成为地热水。地热水再通过断裂或钻孔沟通至地面，形成可利用的温泉水。

3.1 汤头温泉

汤头温泉自然出露于汤头镇汤河的左岸边、汤山下(古火山口)，具有2600多年的历史，公元前86年即已建村，汉昭帝时封刘安国为温水侯，因处汤水源头，故名“汤头”。北魏水文学家郦道元的《水经注》有“汤泉入沂”之说，《沂州府志》将“野馆汤泉”列为“琅琊八景”之首。其形成于鄌郚-葛沟断裂与沂水-汤头断裂之间的地堑内(苏村凹陷)，控热断裂为汤头-郑家庄断裂，走向55°，倾向NW，倾角较陡约70°，断裂带宽80m左右，略呈弧形，断裂两盘均为白垩纪安山岩。目前水温在60℃左右，水量500m3/d。

其形成机制为：鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂沟通深部热源，汤头-郑家庄断裂的张性裂隙起到了地下水富集形成热储和沟通地面的作用。大气降水在补给区垂直入渗地下后，沿构造裂隙向汤头方向深循环径流，并沿途加热进入地热田后，在汤头-掷家庄断裂南盘的阻隔下，沿构造破碎带水位迅速抬升，于有利部位出露排泄，形成了古老的汤头温泉(图2)[注]山东省地质环境监测总站,临沂市河东区汤头镇地热资源调查与评价报告。。

1—灰岩；2—砂岩；3—安山岩；4—片麻岩；5—温泉；6—地热水开采井群图2 汤头地热地质构造略图

3.2 白塔地热井

白塔地热井深2030m，0～295m为白垩纪八亩地组安山质角砾岩；295～945m为侏罗纪三台子组粉砂岩；945～1950m为灰黑色安山玢岩；1950～2036m为灰白色、肉红色二长花岗岩。其热储为砂岩、安山岩构造裂隙，控热构造为白塔-徐家五湖断裂，走向68°，倾向SE，倾角72°～85°，为正断层。断裂东端止于汞丹山断凸，将沂水-汤头断裂左行错断，错距约1000m；西端延伸至鄌郚-葛沟断裂。开采水温49℃，可采量280m3/d。

白塔地热井的成热机制与汤头温泉相似，所处位置也是在鄌郚-葛沟断裂与沂水-汤头断裂形成的地堑中部，控热断裂走向均为NE—SW，但一个倾向NW(汤头温泉)，一个倾向SE。大气降水在补给区垂直入渗地下后，存贮于白塔-徐家五湖断裂的构造裂隙中，鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂沟通深部热源，通过热传导，形成地热水资源。

3.3 汤坊崖地热井

汤坊崖地热处在沂河东岸，井深1800m，17～947m为新近纪官庄组石灰质胶结砾岩，947～1187m为白垩纪青山群安山岩，太古界泰山岩群花岗变质岩，其热储为花岗变质岩断裂破碎带裂隙，控热构造为鄌郚-葛沟断裂和蒙山断裂。其水温52℃，可采量300m3/d。

汤坊崖地热井在大地构造上处在鄌郚-葛沟断裂与蒙山断裂交会处，此两条断裂均是该地区较大的深大断裂，起到了沟通深部热源作用，断裂交会处的裂隙利于地下水的富集。

3.4 铜井地热井、松山地热井

2个地热井均是农民为生活、生产用水无意中打出的，两井南北相距约15km。在构造上，两井均处在鄌郚-葛沟断裂的西侧(分别相距约2km和8km)(图3)。

1—第四系；2—白垩系；3—奥陶系；4—寒武系；5—断裂；6—地热井图3 铜井、松山地热井区域构造图

铜井地热井深258m，水量737m3/d，水温72℃，为上升泉；其热储为带状兼具层状，为隐伏于铜井岩体下的中、下寒武系地层，岩性以大理岩、灰岩为主。盖层为铜井岩体，岩性为闪长岩、闪长玢岩。控热断裂为铜井断裂，断裂走向NW—SE，倾向NE，倾角75°。铜井地热井位于铜井断裂东端与铜井-松山断裂及鄌郚-葛沟断裂的交会处，此处破碎带较发育，利于地下水的富集，后两条断裂则起到阻水和沟通深部热源作用[9-11]。

松山地热井处在铜冶店-孙祖断裂与铜井-松山断裂交会处，井深280m，水量1200m3/d，水温51℃，为上升泉。盖层为李官组的泥岩、砂岩，热储层为二长花岗岩破碎带。控热断裂为铜冶店-孙祖断裂，走向NW,倾向NE，倾角大于80°；铜井-松山断裂，北起铜井地热田，南至松山，NE走向，分布于寒武系地层中，断裂近直立，为一阻水断裂。铜冶店-孙祖断裂是一条规模较大的区域深大断裂，总长约21km，略呈弧形展布，走向NW,主要倾向SW,倾角60°～78°，局部倾向NE，推测是在基底构造的基础上发展而来，其力学性质受到沂沭断裂带左行活动影响较大。松山地热井的成热机制为，地下水沿铜冶店-孙祖断裂由西向东径流过程中，经深循环而受热，遇铜井-松山断裂的阻隔而富集上升。

3.5 新村地热井

新村地热井处在沂河东岸，东距鄌郚-葛沟断裂约8km，井深1897m，水量约1249m3/d，水温52℃。0～640m为白垩纪砂岩、安山岩；640～1800m为寒武纪页岩、灰岩、白云岩；1800～1870m为震旦纪佟家庄组砂岩；1870～1897m为老基底二长花岗岩。热储为佟庄组的砂岩构造裂隙，控热构造为峄城断裂。

3.6 西高都地热井

该井处在鄌郚-葛沟断裂附近，井深2501m，水温40℃，水量136.32m3/d。盖层为第四系和白垩系青山群八亩地组，热储为奥陶-寒武系灰岩、白云岩岩溶裂隙及断裂破碎带。其控热构造为鄌郚-葛沟断裂西侧的NW向次级构造。地下水沿岩层倾向或构造裂隙带由西向东进行径流，经大地热流深循环加热后形成地热水，在岩溶裂隙和断裂破碎带中储集，呈层状兼带状热储。

4 成热机制规律性初探

通过对以上水温、水量较好温泉(井)的成热机制分析，可发现该地区温泉(井)的一些共性特点：

(1)地下水补给。温泉(井)的地下水补给多沿NW—SE断裂，由NW向SE深循环径流补给，此主要受到当地构造格局的影响(临沂市在构造上多为NW向的凸起与凹陷相间分布)。

(2)控热断裂。沂沭断裂带内部，以NE—SW向断裂为主(汤头温泉的汤头-郑家庄断裂、白塔地热井的白塔-徐家五湖断裂)；沂沭断裂带以西，以NW—SE深大断裂以主(铜井地热井的铜井断裂、松山地热井的孙祖断裂、新村地热井的峄城断裂)。

(3)热源以深大断裂沟通深部热源，向上热传导为主。主要体现在沂沭断裂带之鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂，以及NW—SE向的铜冶店-孙祖断裂、新泰-蒙阴断裂、蒙山断裂、苍山-尼山断裂、峄城断裂上。

(4)大部分水温、水量较好地热井均处在沂沭断裂带之沂水-汤头断裂以西。

(5)水温、水量较好温泉(井)的控热断裂均为张性断裂或张扭性断裂(汤头温泉、白塔地热井)，或处在两条深大断裂交会处(汤坊崖地热井、铜井地热井)。

(6)大部分控热断裂的倾角均较大(大于70°以上)。

(7)大部分水温、水量较好温泉(井)均位于凹陷区内(汤头温泉、汤坊崖地热井、白塔地热井位于苏村凹陷内，新村地热井位于马头凹陷)。

(8)倾向NE、NW的控热断裂出水量要好于倾向SW、SE的断裂。如汤头温泉与白塔地热井，铜井地热井与汤坊崖地热井。

5 找热方向探索

受太平洋板块向NWW扩张及印度洋-澳大利亚板块向北运动的影响，山东目前的最大主应力σ1方位为70°～80°，大小51.5MPa；最小主应力σ3方位为340°～350°，大小33.9MPa。造成沂沭断裂带现阶段表现为“左旋压性扭动”。造成沂沭断裂带内部断裂处在挤压状态(在南端郯城段表现尤为强烈)，此总体上不利于地下热水在断裂带内的运移和富集。

沂沭断裂带以西的断裂多呈NW—SE走向，力学性质各不相同，但受沂沭断裂带“左旋压扭”强烈影响，其东端走向明显向北偏移，部分地段表现出张性断裂性质，较利于地下水沿NW向断裂向东运移，并远距离深循环，通过鄌郚-葛沟深大断裂的阻隔及沟通深部热源，地热水得以富集于断裂交会处的裂隙中，从而形成温泉或地热资源。

通过以上大地构造分析，结合该地区地热形成规律。该文认为，临沂地区具备较好找热前景的靶区应位于沂沭断裂带与NW向深大断裂交会处。具体位于沂南至郯城，沿鄌郚-葛沟断裂附近的狭长地带。此地带受沂沭断裂带的影响，几条大的NW向断裂的东端表现为张扭性质，如姚店子-崔家峪断裂、沂南-马牧池断裂、铜冶店-孙祖断裂、新泰-蒙阴断裂、蒙山断裂、苍山-尼山断裂、峄城断裂，在与鄌郚-葛沟断裂交会附近张性裂隙较发育，有利于地下水的深循环、富集形成热储构造。此外，受沂沭断裂活动的影响，这些断裂与鄌郚-葛沟断裂交会处多处在凹陷区，如平邑凹陷的东端、马头凹陷、苏村凹陷等，其上覆盖有较厚的白垩纪凝灰岩、砂砾岩，从而形成热储盖层，均有利于地热资源的形成。

6 结论

临沂地区地热资源的分布是有一定的规律可寻的。以沂沭断裂带的“左旋压性扭动”构造特点及地热形成的4个条件，临沂地区地热资源主要分布于沂沭断裂带与NW向深大断裂交会处。根据这个成热规律，未来找热工作有利靶区应置于2个地方：①平邑凹陷东端靠近鄌郚-葛沟断裂附近，特别是蒙山断裂与鄌郚-葛沟断裂深部交会附近；②马头凹陷靠近鄌郚-葛沟断裂附近，特别是尼山断裂、峄城断裂与鄌郚-葛沟断裂交会附近。

受燕山晚期火山运动的影响，以上凹陷靶区上部覆盖有较厚的火山角砾岩、火山凝灰岩及安山岩岩体，深部还埋藏有寒武系、奥陶系的砂岩、灰岩、白云岩及花岗岩，以上岩体的裂隙均可成为地热水的热储层。在实际工作中，热储层的电性会因围岩的不同而各异，特别是与白垩系地层的电性差异性较小，加之凹陷区内地层分布的不规律性，都给地热勘探定井增加了困难，还需要地质工作者发挥智慧、努力探索，付出更多的辛勤才智，才能探寻出更多地下资源。

致谢：该文在写作过程中，得到山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队肖丙建研究员、葛君星工程师、祝丽媛工程师提供的帮助，在此深表感谢。