山东费县上冶地区地热资源特征研究

韩昱，刘玉仙，申丹丹，刘玉想，李波，孙中瑾

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东省地矿工程勘察院,山东 济南 250014;2.山东省交通科学研究院,山东 济南 250031)

0 引言

临沂市地热资源丰富，温泉历史源远流长，目前已发现地热异常点49处，地热资源分布面广，遍布全市每个县(区)，开发潜力大，利用前景广阔[1]。费县上冶地区岩溶热储埋藏深度大、地质条件较为复杂，以往的深部地热勘探工作较少，研究程度不高。受蒙山断裂及其次级构造的影响，该区深部岩溶热储隐伏于巨厚的古近系、白垩系、侏罗石炭系之下奥陶纪马家沟群灰岩之中，地热资源类型为低温地热资源温热水。费县上冶地区热储埋深大，受断裂构造控制明显，属于深部岩溶热储。深部岩溶热储主要指埋深500m以下赋存于寒武-奥陶纪碳酸盐岩地层中的岩溶热储。受断裂构造控制明显，在空间上具层状兼带状特征[2]。

费县上冶地区具有较强的区位优势，日兰高速横穿东西，S234省道纵贯南北，交通极其便利。属于暖温带半温润大陆性季风气候区，四季分明，大陆性气候明显，多年平均气温14.2℃，多年平均降水量841.5mm，多年平均蒸发量1187.53mm，多年平均无霜期为198d。地貌类型为残丘及山间洼地。区内地表水系发育，主要为浚河及其支流。

1 区域地质背景

1.1 地层

费县上冶地区地处沂蒙山区南部沂沭断裂带外围的西部，在地层分区上属鲁西地层分区泰山地层小区。区域上地层出露较全，自太古界、古生界、中生界至新生界均有出露。各地层或断块呈NW—SE向及EW向展布，第四系多分布于山前及山间河谷地带。根据区内钻孔及地质资料，地层由老至新有新太古代泰山岩群、寒武系、奥陶系、石炭系、侏罗系、白垩系、古近系及第四系。

(1)泰山岩群：分布在费县上冶地区北部蒙山断裂以北地区，其岩性为黑云母斜长片麻岩、角闪石岩、黑云母变粒岩等，厚度>100m。

(2)奥陶系：主要出露于浚河以南的较广地区，基本沿走向呈近NW—SE向分布，岩层倾向NE，倾角11°～23°之间，岩性以灰岩、白云岩、白云质灰岩为主，是区内的主要热储层，厚度800m左右。

(3)石炭系：区内零星出露于奥陶纪灰岩北部，与奥陶纪马家沟群呈平行不整合接触。岩性主要为铝土质、铁质泥岩，铁矿层，厚度0～15m。

(4)侏罗系：只在区内西南部一带少量出露。岩性主要为砾岩、砂砾岩，砂岩发育，地层厚度47m左右。

(5)白垩系：主要沿东管庄、万泉庄、武家汇一线出露。上部岩性为黄绿色安山凝灰质含集块火山角砾岩，安山凝灰质火山角砾岩，熔安山凝灰质火山砾岩，中部为紫红色、黄绿色泥质粉砂岩，发育交错层理，夹少量杂色砾岩，下部黄绿色砂岩、岩屑晶屑砂岩、凝灰质砂岩，发育交错层理及槽状层理，地层总厚度约1565m。

(6)古近系：分布于区域中北部，与下伏地层呈不整合接触，上部被第四系松散堆积物覆盖，上部岩性为石灰岩质砾岩、砂砾岩、复成分砾岩，含钙质结核，中部岩性为砖红色、灰色、灰紫色、灰绿色砂质泥岩、泥质灰岩、泥岩、钙质砂岩等，下部岩性为砖红色、灰紫色的砾岩、含砾粗砂岩，砾石成分安山质，厚度约900m。

(7)第四系：分布于盆地及山麓低洼处，由残积、坡积、冲积等松散物构成，厚度约20m左右。岩性以砂质、粉砂质粘土组成，局部夹砾石层。

1—第四系；2—古近系；3—白垩系；4—侏罗系；5—石炭系；6—奥陶系；7—实测及推测地质界线；8—实测及推测角度不整合界线；9—实测性质不明断层；10—推测性质不明断层；11—张扭性断裂；12—角砾岩带；13—地热井位置及编号；14—费县上冶研究区范围图1 区域地质构造简图

1.2 地质构造

研究区在大地构造单元上位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)尼山-平邑断隆(Ⅳ)平邑凹陷(Ⅴ)的中部。该区部分基岩裸露，基底由泰山岩群变质岩组成，盖层为古生界碳酸盐岩，中生界和新生界地层仅山间谷地和山前麓坡地带分布。

该区地处沂沭断裂带外围的西部，区内褶皱不发育，以断裂构造为主(图1)，主要为NW向蒙山断裂、NNE向上冶东岭断裂及其次生NNW向构造。

(1)蒙山断裂：位于蒙山南麓，走向290°，倾向SW，倾角60°。全长125km，断裂带宽度100m左右，东北盘为新太古代泰山岩群变质岩，西南盘为古近系砾岩。构造带主要由碎裂岩、断层角砾岩组成，局部地段可见充填石英岩脉。角砾岩多呈透镜体，显示的力学性质为早期张性，后期右行压扭性，末期显示的是张性—张扭性。该断裂活动时期主要在中生代早期，新生代有继承性活动，控制着区内中、新生代地层的沉积。

(2)上冶东岭断裂：位于工作区偏东部，经过上冶镇，延长约4.5km，走向9°左右，倾向NE，两盘岩性为古近纪地层，断距较小，为正断层。

区内的断裂构造对地下热水的形成、运移和分布起着重要作用，其切割了深部岩层，是地球深部热源向上传导的重要通道。

1.3 岩浆岩

区内岩浆岩比较发育，主要活动时期为晚太古代和中生代。主要分布于蒙山断裂以北，以南零星有喷出岩(安山玢岩)出露。晚太古代主要分为阜平期和五台期，阜平期侵入岩岩性主要为条带状中粒花岗闪长岩、条带状中粒英云闪长岩及角闪岩；五台期侵入岩主要为中粒含黑云花岗闪长岩、中粒片麻状黑云英云闪长岩。

2 地热地质条件

临沂市处于沂沭断裂带中、南段,区域地质演化受到区内断裂构造带的强烈控制,经历了复杂的沉积、岩浆、变质、构造等地质事件,形成了一套较为完整的岩石和构造体系,为地热资源的形成提供了有利的地质、构造和水文地质条件[3]。费县上冶地区位于蒙山断裂以南，近SN的上冶东岭断裂及其次级断裂与蒙山断裂沟通，热储上覆地层具备一定的保温能力，使得该区具备地热形成的地质条件(图1)。深部裂隙-岩溶热储主要赋存于古生代奥陶系中，热储岩溶形态以溶蚀裂隙、溶孔、溶洞为主，构造裂隙次之，空间上多呈层状或似层状分布，代表性岩性为灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩、白云岩等[4]。

2.1 边界条件

根据《山东省地热地质图》(2008年编制)，费县上冶地区在区域上属于鲁西地热区(Ⅲ)，调查区及其附近利用的热储层为受断裂构造控制的层状兼带状热储，蒙山断裂以南基岩大多出露，自南向北基本以单斜构造展布，南边地层为较老的寒武奥陶纪灰岩，往北为较新地层，项目区南部奥陶纪、寒武纪灰岩裸露，大气降水一部分通过浅部岩石溶蚀裂隙、溶洞由南向北径流，受浅部古近系、侏罗系的阻挡，形成浅部岩溶地下水滞留环境，即形成浅部岩溶地下水的富水地段。另一部分通过各断裂构造、岩石裂隙继续向北缓慢径流，进行深部循环，当径流至蒙山断裂附近，受蒙山断裂北部不透水花岗岩、花岗片麻岩层的阻挡，在蒙山断裂南侧深部形成滞流承压水。

费县上冶地区地热资源重点研究区主要在蒙山断层西南、上冶东岭断裂及其次级断裂中北部区域，该区域热储盖层厚度大，受断裂构造的控制较为明显，是地热资源富集区。

2.2 热储特征

根据勘探钻孔资料，费县上冶地区揭露的地层主要为第四系、古近系、白垩系、侏罗石炭系及奥陶系(未揭穿)。地热资源主要赋存在奥陶纪灰岩中，属于受断裂构造控制的层状兼带状裂隙-岩溶型热储。费县上冶奥陶纪马家沟群热储具有以下特征：顶板埋深935.00m，热储的平均裂隙率为7%[5]，底板未揭穿，地层总厚度一般在800m左右，热储含水层厚度在50～100m，是区内较好的热储层。岩性上段为青灰色质纯石灰岩，局部方解石脉发育；上段岩性青灰色石灰岩、灰白色的白云质灰岩，局部夹浅黄色、紫红色的泥灰岩、白云质灰岩。单井涌水量约220m3/d，井口水温在41.5℃左右。

另外位于上冶地区东南约8.5km的费县薛庄XZ1地热井，奥陶纪灰岩热储顶板埋深为1657.00m，底板埋深1830.00m，钻探揭露厚度173.00m，由于该钻孔距离蒙山断裂较近，受岩浆岩和断裂构造的综合影响，只揭露了奥灰含水层的“肩部”，并未揭露奥陶纪灰岩的主要含水层。XZ1地热井成井井深2000.20m，自流量约24m3/d，抽水时水量约130.00m3/d，降深370.00m，水温43℃，该层灰岩由于埋深大，地下水循环条件差，导致肩部灰岩裂隙不发育，富水性差，含水量微弱。实际的揭露含水层位为泰山岩群顶部与奥陶纪灰岩接触的断裂构造带，该层岩石全风化呈粗砂状，埋深大，补给条件较差，水量较小。

综合分析费县上冶地区奥灰热储的埋深，总体分布规律为西南浅东北深，局部受断裂构造影响较大，热储埋藏深度大，富水性一般，地热资源类型为热对流型低温地热资源温热水。

2.3 地温梯度特征

2.3.1 恒温带地温及深度

根据费县上冶地区系统测温资料统计分析(图2)，结合区域地热地质条件，得出项目区的恒温带深度为15m，地温为15.5℃。

图2 费县上冶地区测温曲线图

2.3.2 地温场的水平分布特征

地温梯度值主要与基岩顶板埋藏深度和断裂发育情况有关，费县上冶地区基岩顶板埋深分布规律为南浅北深。一般说来,盖层薄,热传导快,盖层地温梯度值大，基岩顶板埋藏深,盖层厚,热传导较慢,盖层地温梯度值相对较小。在靠近活动断裂的附近地温梯度高,远离断裂带则地温梯度低[6]。根据相关资料，上冶地区的地温梯度一般在1.43～2.00℃/100m。

2.3.3 地温场的垂直分布特征

从费县上冶ZK1地热井测温曲线图可以看出(图3)，孔底地热水温为56.1℃，0～100m地温上升较快，100～1640m地温梯度明显减小，为1.62℃/100m，测温曲线总体上呈一条近似倾斜的直线。在垂直方向上，地温在恒温带15m埋深以下的变化趋势为地温随着深度的增加而递增，综合计算地温梯度为1.62℃/100m。

图3 费县上冶地区ZK1地热井测温曲线图

2.4 地热水水化学特征

热水的形成一般是地下水通过断裂等通道与来自深部的热水发生对流和岩石的热传导,被加温后储集或经通道泄出地面。热水在形成和运移过程中溶滤了岩石的各种化学成分，尤其是热储岩石成分,热水循环途径和循环时间等因素决定了热水的化学成分[7]。

水化学场的形成受水的补给来源、径流途径等控制。该区地下热水主要赋存于奥陶纪的石灰岩中，其常规离子含量随枯、丰水期变化不大，由于埋深大等因素的影响，该区地下水处于一种半封闭状态，水交替循环微弱，经深循环的地下热水在该区聚集，受水温影响，地下水的溶解能力增大，使各种离子成分含量增加，其矿化度较高(图4)。

图4 ZK1，ZK2井δD，δO18值与标准曲线对比图

表1 费县上冶地区ZK1地热井水质分析

注：由国土资源部济南矿产资源监督检测中心测试。

2.5 地热流体质量评价

上冶地区地热水中含有丰富的微量元素及其他化学组分。其中F-含量为3.26mg/L，达到国家标准命名矿水浓度标准,偏硅酸含量25.56mg/L,达到国家标准矿水浓度，偏硼酸含量1.44mg/L，达到国家标准有医疗价值浓度标准。地热水中对人体有害的毒理性元素含量很低，可作为医疗保健用水。

该地热水不宜作为生活饮用水、农业灌溉用水和渔业用水，工业利用可提取的有用元素均未达到国家标准，为腐蚀性、结垢性大的地热水，主要的开发利用方向为理疗洗浴、采暖等。

2.6 地热水氢氧同位素特征

ZK1地热水同位素测试分析项目δD为-73×10-3，δ18O为-10.0×10-3，距离ZK1地热井西南约4.5km灰岩直接出露区(补给区地下冷水)的宁国庄村ZK2井，其主要含水层为奥陶纪马家沟群八陡组灰岩，δD值为-59×10-3，δ18O值为-8.1×10-3，ZK1，ZK2井水的δD，δ18O同位素均分布于全球雨水线和我国雨水线附近，说明其补给直接或间接来源于当地大气降水的入渗补给，该区地下热水主要为大气降水成因，通过深循环在地温作用下加热而形成的[8]。ZK1井较西南部地下冷水的δD，δ18O值明显偏低，这说明上冶地区的地下热水不是直接来源于当地大气降水的就近入渗补给，而是经过较长距离的径流，发生了明显的氢氧同位素漂移。

为了评价地下热水的可更新能力，引入定义为d=δD—8δ18O的2H过量参数d[9]，d可以作为水岩反应中18O同位素交换程度的衡量指标。d值越小，水文地质环境越封闭，水在含水层中滞留时间愈长，地下水径流速度愈慢，地下热水的可更新能力越弱[10]。d值表征了某水样同位素对现代大气降水的偏离程度，当d<10%，表明为正常大气降水；当d<-10%时，表明干热气候条件下(蒸发浓缩)的降水；当d>+10%时，表明是与现今不同气候条件下的降水[11]。经过计算，ZK1地热水的d值为7，ZK2井冷水的d值为5.8，说明均为现今气候条件下正常大气降水补给形成。d值的不同说明了ZK1井相比西南部的冷水的可更新能力弱，地下热水的补给路径更长，地质环境更封闭，水岩反应更强烈。

3 地热概念模型

地热形成的基本要素为：“储、盖、通、源”。建立地热概念模型,必须要查明储热盖层、导水通道以及热量来源,依据区域地质地热背景,通过水化学、同位素资料进行地下热水流动系统分析[12],明确上冶地区地热概念模型的各个因素,最终综合建立地热概念模型。

根据上冶地区地热地质条件与物探解译资料分析，该区地处蒙山断裂南侧，近SN向的上冶东岭断裂及其次级断裂与蒙山断裂沟通，具备地热形成的地热地质条件。

3.1 热储层

上冶地区南部奥陶纪马家沟群灰岩广泛出露，直接或者间接接受大气降水的补给，区内热储层隐伏于古近系、白垩系、侏罗石炭纪地层之下，受断裂构造的影响，岩溶裂隙较为发育，局部地层较为破碎，为地下水的储存、运移和深循环加温提供了条件。区内热储层主要为奥陶纪马家沟群的灰岩，岩性为灰岩及豹皮灰岩[13]，在蒙山断裂南侧，灰岩段岩溶较发育，且位于盆地深部，封闭性较好，是较为理想的热储层，钻孔揭露的厚度约650m。

3.2 盖层

本地区热储盖层为第四系的粉砂质粘土、古近系的砂岩、泥岩、碳酸岩、白垩系的粉细砂岩、砾岩、安山凝灰质角砾岩和侏罗石炭系的砂岩、泥岩、页岩，ZK1钻孔揭露厚度约935m，厚度大、连续性好、致密坚硬、热导率低、保温隔水性好，是良好的不透水盖层。

3.3 通道

区内蒙山断裂以及NNE向的上冶东岭断裂、NW向的次级断裂沟通了深部热源，形成地下水深循环和热对流,并且是地下水的良好储集场所及地下水运移通道。地下热水及热量在此处易集中,使水温增高[14]。

3.4 热源

该区地热类型为受断裂构造控制的层状兼带状型。位于地壳板块内部地壳的地热热源，通常是以来自地壳深部的热传导为主，也可通过导水导热的断裂带通过热对流传至浅部。工作区主要为热传导热源，在较厚的古近系、侏罗系、白垩系中，可以获得区域性的大地热流。另外根据物探资料上冶东岭断裂及其次级断裂切割深度较大，在一定程度上沟通了深部热源，获得对流热源。

1—第四系；2—古近系；3—白垩系；4—侏罗-石炭系；5—奥陶系；6—寒武系；7—新太古代泰山岩群；8—粉质粘土；9—砾岩；10—砂砾岩；11—粉细砂岩；12—安山凝灰质角砾岩；13—泥岩；14—页岩；15—灰岩；16—白云岩；17—闪长岩；18—断层；19—地层界线；20—大气降水；21—大地热流；22—地下水运移方向图5 费县上冶地区热储概念模型示意图

4 地热资源计算与评价

4.1 地热资源量计算

费县上冶地区重点研究范围采用热储法计算的地热资源总量为1.57×1017J，相当于535.84万t标准煤的产热量。按照《地热资源地质勘查规范》GB/T11615—2010进行计算，可采地热资源量为2.36×1016J，相当于80.55万t标准煤的产热量。

4.2 热水资源计算

根据ZK1地热井确定的开采100年排出热量对热储的影响半径等于615.07m，开采100年允许的开采量为58.50m3/d，合理布井数最终取值为11眼，故费县上冶地区重点研究范围内奥陶纪碳酸盐岩溶裂隙地下热水的可开采量为643.50m3/d。

5 结论

受蒙山断裂及其次级构造的影响，费县上冶地区的地热资源主要赋存在奥陶纪马家沟群灰岩中，属于受断裂构造控制的层状兼带状裂隙-岩溶型热储。该区奥灰热储的埋深总体分布规律为西南浅东北深，埋深大，富水性一般，地热资源类型为低温地热资源温热水。费县上冶地区地热水的补给直接或间接来源于当地大气降水的入渗补给，水化学类型为SO4-Na·Ca型，矿化度较高，具有大陆溶滤水的特征，富含多种有益的微量元素，可作为医疗保健用水，开发利用方向为理疗洗浴、采暖。

致谢：感谢费县国土资源局对此次工作的大力支持。