日照市沿海地区地热资源特征研究

杨崇敬

(山东省第八地质矿产勘查院，山东 日照 276826)

地热资源的应用越来越广泛，具有成本低、无污染、一次开发长期利用的特点[1]，20世纪70年代世界石油危机之后，地热资源的开发利用经历了快速发展期，美国、日本、冰岛对地热资源的研究程度较高，很多经验和做法值得借鉴。近年来，我国做了大量的“断控型”地热资源研究，但基本处于“就热找热”阶段，系统勘查和开发阶段研究程度较低[2]。日照市沿海地区属鲁东隆起地热区，位于日照-青岛断裂两侧，区域性断裂构造较发育，具有较好的“断控型”地热成热地质条件，该区域开展了许多地热勘查工作，但是尚未取得突破性成果，为了系统地查明该区地热资源发育条件，研究地热资源特征，为下一步开展地热勘查工作提供依据，2016—2017年，山东省第八地质矿产勘查院开展了日照市东部地区地热资源调查工作，取得了较好的研究成果(1)山东省第八地质矿产勘查院，日照市东部地区地热资源调查报告，2017年。。

1 区域地质背景

日照市沿海地区大地构造位于苏鲁造山带(Ⅰ)、胶南-荣成隆起区(Ⅱ)、胶南隆起区(Ⅲ)、胶南凸起(Ⅴ)东部。研究区属鲁东地层分区，胶南-东海地层小区，区域断裂构造主要分为NE向和近EW向2组(图1)，其中NE向断裂延伸长度大、产状陡，主要包括日照-青岛断裂、花崖-徐家坪断裂；近EW向断裂包括五洞府断裂、大泉沟-庙山前断裂(F1断裂)等。NE向断裂常与近EW向和NW向断裂相互交会、错断，大气降水通过断裂或不同岩体接触带下渗至深部，经深循环加热，通过NE向主干断裂的沟通，上升至近地表形成热水，一般平面等温线长轴方向为控热断裂走向[3]。

图1 研究区区域构造图

2 地热地质条件

2.1 地温场特征

2.1.1 区域大地热流值

大地热流是表示地球热场基本特征参数，可以有效地评价区域地热资源潜力，但由于地表的热平衡主要受太阳辐射的影响，大地热流的测定还存在不少问题且难度较大，该次研究利用李学伦等人出版的《山东半岛硅热流值与区域地质条件的关系》一文，研究区附近大地热流值约60mW/m2，略低于山东半岛平均热流值[4]。

2.1.2 地温场特征

该次研究工作共完成机民井地温测量100眼，主要集中在研究区主要断裂构造附近，其中井深30m及以上的测温井96眼，这些井可以较完整的反映出恒温带和地温梯度情况。然后利用Minitab软件对测温数据分析整理，剔除部分异常数据后，采用置信区间的数据计算均值进行拟合(图2)，得出整个研究区恒温带埋深为17.84～26.15m，恒温带温度主要分布区间为14.12～16.37℃，恒温带平均温度为15.39℃。恒温带温度较高的地区主要有三柱山、南湖、高旺、汾水4个区域，恒温带温度均在15.39℃以上，其中三柱山区域恒温带温度一般在16℃以上，大泉沟地热井北的J52井恒温值为16.7℃；南湖区域恒温带温度为15.8℃左右，徐家坪嘉年华内测温井J27恒温带16.5℃，为该区最高值；汾水区域恒温带温度一般在16.0℃左右，沿海高速西的辛庄子村J49井达16.4℃；高旺区域经分析是由于调查井利用自吸泵常年抽水，对水温产生了加热效应。

图2 研究区恒温带温度及上、下限正态拟合曲线

从三柱山、南湖、汾水3个区域恒温带分布情况分析，高值区域往往与区内断裂发育区域重合，这也从浅部指示了区内的主要控热构造。如三柱山区域热异常主要沿大泉沟-庙山前断裂分布，向东温度有增高趋势；南湖区域15.6℃，15.8℃等值线圈定的异常区呈条带状[5]，大体沿着花崖-徐家坪断裂带的走向；汾水区域由于靠近城区，测温井控制数量较少，但热异常也出现梭罗树断裂附近。

2.1.3 地温梯度

以测温井孔地温梯度值为横坐标，出现频率为纵坐标，作出正态拟合曲线，得出研究区地温梯度平均值为1.46℃/100m。以全区地温梯度平均值为界，地温梯度呈明显偏高的主要有3个区域：南湖区域徐家坪-万家坪一带、三柱山区域及高旺区域(表1)；两城镇南和五洞府断裂北这2个区域地温梯度值较低。高旺区域地温梯度高值区仅由J34号一个测温井单点圈定，周边未能找到更多具有一定深度的井孔，异常难以验证，而南湖区域和三柱山区域地温梯度高值区则是由多个测温井圈定，可信度较高。

表1 热异常区地温梯度值

2.1.4 热储温度

地温梯度高值异常所在部位和恒温带高值异常区域基本一致，主要位于南湖区域和三柱山区域，高旺区域在恒温带和地温梯度上均是单点异常，而汾水区域地温梯度值与全区相比未见明显异常。

针对上述2个异常区域开展了音频大地电磁测量(AMT)并施工了2眼测温孔，编号分别为ZK1,ZK2。根据三柱山区域AMT物探解译成果和施工测温孔ZK1资料，该区域热储构造破碎带发育深度超过1800m，由于测温孔未完全穿透热储层，故利用地温梯度值对热储温度进行推算，测温孔ZK1测温曲线见图3。ZK1孔测温深度291m，恒温带位于15～25m，恒温带温度14.4℃，全孔地温梯度2.03℃/100m，按热储埋深1800m计算，三柱山区域的热储温度为50.43℃。

南湖区域施工的测温孔ZK2虽然位于推断构造低阻带的上盘，但单井涌水量较小、地温梯度较低，而周边施工的J28井涌水量及地温梯度均较ZK2孔理想，物探解译低阻带发育，且位于恒温带和地温梯度圈定的高值区内，更能反映该区的热储情况，故利用J28井测温数据推算南湖重点调查区的热储温度，其测温曲线见图4。J28井测温深度305m，恒温带位于20～30m，恒温带温度16.2℃，全孔地温梯度为2.40℃/100m，该井位于南湖区域AMT-2线1600点处，低阻带发育深度约1700m，按热储埋深1700m计算，南湖区域热储温度为56.28℃。

图3 测温孔ZK1测温曲线

图4 测温孔J28测温曲线

3 热储概念模型

热储概念模型的建立要查明热源、水源、盖层、通道、热储层，根据研究区地热地质条件，明确热储概念模型的各项因子，最终完成模型建立[6]。通过对研究区地温场、地温梯度、热储温度等的研究，发现了三柱山和南湖区域2个地热异常区，下面以三柱山区域地热异常区热储特征为例进行分析。

三柱山区域整体地势东、西两侧高，中部略起伏，南北平坦开阔，形成NE向的山间负地形，延伸方向与重力解译的日照-青岛断裂基本重合。区内地表水系发育程度一般，大气降水沿地形坡度降至东西两侧的丘陵-低山地形区入渗补给地下水后，沿日照-青岛断裂两侧的次级断裂向中部逐渐汇集，形成集水廊道，地下水在日照-青岛断裂及其次级断裂(如大泉沟-庙山前断裂)交会部位深部加热并富集矿物质，形成地热资源，属断控半封闭型热储，其中东西两侧山岭形成小区域分水岭，为第二类零流量边界条件；南北两侧逐渐形成沙墩河及潮河支流，常年有水，为第二类定流量边界条件。通过物探解译成果，发现大泉沟-庙山前断裂整体走向NWW，倾向S，倾角为75°左右，发育深度1800m左右，向西发育隐伏段F7断裂，日照-青岛断裂次生断裂F8倾向E，倾角为75°左右。后期在在F7和F8断裂交会处偏东布设了测温孔ZK1，显示该区域含水层良好，东部山海天地区施工的大泉沟地热井也证实了该文分析的结论。根据上述分析，建立了三柱山区域热储概念模型(图5)。

1—山前组含砾砂质黏土；2—丝山单元角闪黑云二长花岗岩；3—构造破碎带；4—构造裂隙；5—大地深部热流；6—地表水流向；7—地下水流向图5 三柱山区域热储概念模型

(1)热源

地球内部热流主要通过传导、对流、热岩浆上移携带(岩浆侵入或火山喷发)3种形式向外传递，其中对流是地热流体向地表传递最有效的形式。三柱山区域发育大泉沟-庙山前断裂和日照-青岛断裂，低阻带发育深度1800m左右，宽度较大，断裂发育使完整基岩形成了自下而上的破碎带，为深部热流向地表传导提供对流通道，地下水在此富集，并受深部热流的“烘烤”加热，故形成地热资源[7]。

(2)水源

三柱山区域地热资源水源主要来源于大气降水，分别自东西两侧的分水岭下渗至深部补给地下水，经加热后形成地热流体。

(3)盖层

三柱山区域盖层为黑云二长花岗岩，该区断裂破碎带上部的岩体均相对完整致密，为隔水层，可避免浅部地下凉水与深部地热流体发生水体交换，防止热储层地热流体被混合降温，此外完整的花岗岩也具有一定的保温效果，防止深部热源散失。

(4)通道

三柱山区域的导水通道主要为大泉沟-庙山前断裂，该断裂走向NWW，倾向S，倾角75°左右，构造性质为张性，具有较好的导水、储水性能，由于该断裂周边地温梯度较高，因此大泉沟-庙山前断裂也是主要的导热构造；日照-青岛断裂的次级断裂F8为导热、阻水构造，倾向E，倾角约75°，该断裂产状陡直，物探解译切割深度大，可连同深部大地热流，由于该断裂为压扭性，断裂内部放射性衰变、摩擦产生的热量，也可沿该断裂破碎带向地表传导[8]。

(5)热储层

三柱山区域热储层为大泉沟-庙山前断裂和日照-青岛断裂的次级断裂F8共同影响的构造破碎带，发育深度约1800m。地下水沿地形坡降由四周向中部汇流，深部地下水自东向西沿大泉沟-庙山前断裂径流，遇F8断裂阻挡后形成凝滞区，地下水在断裂带内受深部热源加热、温度升高[9]，与周边围岩发生溶滤、交代作用富含多种矿物质，最终形成具有较高温度和矿物质的地热流体。

同理，南湖区域发育花崖-徐家坪断裂带，断裂带宽大，低阻带发育深度超过1700m，盖层为细粒二长花岗岩，导水通道主要为花崖-徐家坪断裂带的F2断裂，该断裂走向NNE，倾向SE，倾角约80°，富水性良好，具有较好的导水、储水性能，热储层为花崖-徐家坪断裂带3条构造影响的构造破碎带，发育深度约1700m，热储概念模型见图6。

1—沂河组含砾混砾砂、砂砾；2—青台山晶洞长花岗岩；3—云山单元细粒二长花岗岩；4—构造破碎带；5—构造裂隙；6—大地深部热流；7—地表水流向； 8—地下水流向图6 南湖区域热储概念模型

综上，日照市沿海地区地热异常区属“断控型”带状热储，地下水接受入渗补给后，沿着导水构造汇集，在深部加热并与围岩发生溶滤作用，形成富含矿物质的地热水，最终沿断裂破碎带传输至地表，形成了地热异常区。日照市沿海地区主要的含水构造为NWW向和近EW向断层。

4 地热资源计算与评价

根据水文地质手册(第二版)及《地热资源地质勘查规范》(GB11615—2010)中相关计算要求，采用热储法对三柱山和南湖区域地热资源进行了评价，计算参数以施工的测温孔为主，部分参考了大泉沟地热井的相关数据。三柱山区域地热资源量为3.07×1015J，可利用地热资源量：2.46×1014J，若开发一口地热井，按测温孔ZK1揭露的水文参数，在允许开采量为499.545m3/d，每天开采18h的开采强度条件下，每年采出的热能为1.24×107MJ[10]。南湖区域地热资源量为：3.85×1015J，可利用地热资源量：3.08×1014J，若开发一口地热井，按J28测温井揭露的水文参数，在允许开采量为360m3/d，每天开采18h的开采强度条件下，每年采出的热能为9.94×106MJ。

5 结论

日照市沿海地区地热异常资源属“断控型”带状热储，地热异常一般出现在断裂构造或多组构造交会的区域，大气降水或地表水沿断裂构造下渗汇集形成补给，经深循环吸收岩石中热量形成热水，沿着断裂构造上升，最终形成地热资源。日照市沿海地区NW，EW向断裂一般为张性断裂，是区内主要的导水构造，NE向构造为区内主干断裂，发育深度大，是主要的导热构造。NW,EW向断裂和NE向构造交会处为地热资源赋存的有利场所，日照市大泉沟地热田即位于NE向日照-青岛断裂及近EW向大泉沟-庙山前断裂交会处附近。上述区域为日照市沿海地区下一步的地热勘查指明了方向，也为类似“断控型”地热资源研究提供了参考。