沂源县南麻-悦庄盆地地热资源成因及开发利用前景分析

单吉成，李丽，贾丽丽

(沂源县自然资源局，山东 沂源 256100)

0 引言

地热资源作为一种新型、绿色、可再生矿产资源，具有分布范围大、利用领域广、开发前景广阔、社会环境效益显著等特点[1-2]，备受广大消费者关注。地热资源的形成也受客观地质条件限制，山东省地热资源大规模开发利用主要集中在鲁北、鲁西和鲁西南等地区[3-8]，沂源县地处鲁中低山丘陵区，泰山岩群变质岩大面积分布，缺少地热形成的保温盖层，县城东北侧发育了南麻-悦庄盆地，在盆地沉降中心附近盖层发育厚度超过1000m，是沂源县地热形成最为有利的区域。利用以往施工地热井和浅层测温孔数据，研究了盆地构造及地层发育、水文地质、地热地质、地温场特征等，认为中北部碳酸盐岩裂隙岩溶热储是盆地内主要的热储层，分析浅层地温梯度发现，盆地NW向、NE向断裂构造交会处浅层地温梯度值较高，认为断裂构造沟通深部热源所致，指出盖层发育厚度大保温效果好，靠近导热构造的区域是今后地热勘查的重点区域。

1 地质背景

1.1 地质特征

南麻-悦庄盆地位于沂源县县城东北部，地处鲁中低山丘陵区，南麻-悦庄盆地整体呈一N倾的单斜构造，面积约60km2，盆地北侧以李家庄断裂为界，东西分别以韩旺断裂和上五井断裂为界，盆地内地层发育齐全，自下而上有：新太古代泰山岩群，古生代寒武系、奥陶系、石炭系，中生代侏罗系、白垩系，新生代的古近系、第四系[9]。

新太古代泰山岩群：主要为黑云斜长片麻岩、角闪黑云片麻岩、斜长角闪岩夹少量混合岩化变粒岩等变质岩系，构成古老的结晶基底。

古生界：寒武系下部以页岩或泥岩为主，灰色砂岩、粉砂岩、灰岩、泥云岩、云泥岩、白云岩等次之；上部以白云岩、厚层灰岩为主，夹黄绿色钙质页岩。奥陶系为一套纯灰岩和泥质灰岩、白云岩及白云质灰岩互层的岩石组合。石炭系为暗紫色砂质页岩、页岩和细砂岩，紫红色页岩、砂质页岩夹灰岩。

中生界：侏罗系以紫、红色调砂岩为主，局部发育砂砾岩、粉砂岩、页岩等。白垩系由一套不等厚杂色的页状砂岩、页岩、砂岩组成。

新生界：古近系由红色、黄绿—浅绿色砂岩及砾岩，浅灰绿色泥岩及灰白色灰岩组成。第四系由杂色亚黏土、黏土、砂质黏土、黏质粉砂土、粉砂土组成。

1.2 构造特征

南麻-悦庄盆地是鲁中地区中-新生代沉降盆地，边界断裂控制了盆地沉积特征，上五井断裂、李家庄断裂、韩旺断裂分别控制盆地西、北、东三侧(图1)。

1—古近系；2—白垩系；3—侏罗系；4—石炭系；5—奥陶系；6—寒武系；7—泰山岩群；8—断层；9—地质界线；10—平行不整合/角度不整合界线；11—地热井编号/井深(m)和水温(℃)

上五井断层：为南麻-悦庄盆地西侧边界断裂，分为东西两支近平行展布，呈地堑式出现，东支断层面NW向，倾角约73°，破碎带宽30～40m左右，破碎带内岩层挤压现象明显，有构造透镜体；西支断层面SE向，倾角约74°，破碎带宽80～90m，破碎带内岩层挤压现象明显。

韩旺断裂：为南麻-悦庄盆地东侧边界断裂，走向呈NW向，倾向SW，悦庄镇走向NE，倾向210°，倾角59°，破碎带宽约10m，破碎带内见有少量透镜体和大量的断层泥。

李家庄断裂：为盆地北侧边界断裂，断层走向NE，倾向SE，倾角52°，破碎带内见有灰白色断层泥及挤压透镜体。

2 地热地质特征

2.1 热储

南麻-悦庄盆地整体呈北倾的单斜盆地，盆地内3000m以浅热储层以寒武-奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶热储为主，此外盆地底部古风化壳基岩裂隙水亦是该盆地潜在地热储层之一。

2.2 盖层

南麻-悦庄盆地内寒武-奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶热储盖层为其上的石炭纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪、第四纪地层，岩性以砂岩、泥岩为主，具有较好的保温作用，盖层厚度由盆地南部不足300m，向沉积中心增厚到900m以上(图2)。盆地底部古风化壳基岩裂隙热储盖层为其上寒武-奥陶纪、石炭纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪、第四纪地层，岩性以灰岩、泥岩和砂岩为主，推测盆地沉积中心盖层发育厚度超过2500m。

1—新近系；2—古近系；3—白垩系；4—侏罗系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武系；8—泰山岩群；9—碳酸盐岩热储分布范围；10—基岩裂隙热储分布范围；11—断层/推测断层；12—地质界线；13—平行不整合/角度不整合；14—地温梯度等值线及数值(℃/100m)；15—地热井编号/碳酸盐岩热储顶板埋深(m)

盆地内热储温度高低与盖层厚度直接相关，寒武-奥陶纪岩溶裂隙水在盆地南部出露区和浅埋区温度一般小于20℃，达不到地热水温度要求，随着含水层埋藏深度的增加，温度随之增加，至盆地中部沂源-1井水温达45℃，推测在盆地东北部，热储层温度可达60℃。古风化壳基岩裂隙水以往勘查过程未得到足够重视，获得的资料较少，推测盆地沉降中心古风化壳基岩裂隙水温度超过70℃。

2.3 导水通道、水源和热源

南麻-悦庄盆地寒武—奥陶纪灰岩呈N倾的单斜产出，灰岩裂隙呈似层状发育，在断裂构造附近，受构造活动影响，岩溶裂隙更加发育，这些相互连通的岩溶裂隙组成了盆地内导水通道；古风化壳的基岩裂隙和构造裂隙是基岩裂隙水的导水通道。

南麻-悦庄盆地地热水水源补给以盆地南部碳酸盐岩出露区大气降水直接补给和浅埋区大气降水间接补给为主，补给的地下水沿地层向深处运移、储集形成地热资源。古风化壳基岩裂隙水主要为南部出露区降水补给，其次为构造破碎带越流补给。

热源以正常大地热流为主，断裂在沟通深部热流为盆地热储层提供重要增温热源。

2.4 地热水化学特征

地热水中一般含有多种对人体有益的微量元素[14-16]，沂源-1地热井地热水中偏硅酸、碘化物含量分别为29.14mg/L，1.80mg/L，均达到医疗热矿水浓度[17]，沂探1地热井中偏硅酸为20.64mg/L，远低于沂源-1地热井中含量，未达到医疗热矿水浓度，说明沂探1地热井更靠近补给区，水岩交换作用弱于沂源-1地热井地热水。

3 恒温层及地温场特征

依据南麻-悦庄盆地内测温孔及浅井测温资料显示，盆地内大部分地区地温梯度小于2.0℃/100m，盆地内恒温层深度为20～26m，恒温层平均温度为14.5℃，浅层增温不很明显。

3.1 地温场水平变化特征

依据盆地内浅层测温数据绘制浅层地温梯度等值线(图3)，可以看出南麻-悦庄盆地浅层地温梯度属“内冷外热”型，在盆地中部浅层地温梯度ZC1孔为0.26℃/100m，盆地边缘均在1.00℃/100m左右，其中在盆地西北和东北部浅层地温梯度出现2个大于1.5℃/100m的区域，盆地的悦庄镇北部浅层地温梯度甚至大于2.0℃/100m。

1—新近系；2—古近系；3—白垩系；4—侏罗系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武系；8—新太古代；9—断层/推测断层；10—地质界线；11—平行不整合/角度不整合；12—地温梯度等值线及数值(℃/100m)；13—地热井编号/出水口温度；14—调查井编号/地温梯度数值(℃/100m)

分析发现：热储盖层发育厚度大保温效果好的地段浅层地温梯度值低；此外，浅层地温梯度高的区域为韩旺断裂和李家庄断裂交会处附近，次为李家庄断裂与NW向断裂交会处附近，推测地下热流沿断裂带上涌[18-20]，形成断裂附近特别是交会处附近浅层地温梯度值高；而盖层厚度大保温效果好的地带，地下热流被盖层阻隔，聚集于盖层之下的地热储层内，致使浅层地温梯度值较低。

盆地外围基岩裸露区或浅埋区，地下热流上升未受或极少受到阻隔而弥散于大气之中，浅层地温梯度值反而高于盆地内部；另外，盆地西南部裂隙岩溶发育，地下水运动强烈的地区，地下水径流过程中将其吸收的热量一同带走，受其影响，浅层地温梯度亦较低。

3.2 地温场垂向变化特征

通过浅部测温确定恒温层埋深20～26m，浅层地温梯度一般小于2.0℃/100m，而沂探1地热井测温获取的岩溶裂隙热储盖层地温梯度远远大于浅层地温梯度，沂探1井揭露奥陶纪灰岩埋深445m，测温显示温度为34.1℃，盖层平均地温梯度高达为4.67℃/100m，与其临近的DC6测温孔浅层地温梯度为1.96℃/100m，再次证明，热储盖层对大地热流具有较好的阻隔作用。该井1100m处温度为41.8℃，热储层平均地温梯度为1.18℃/100m，可以看出保温盖层之下碳酸盐岩裂隙岩溶热储层增温幅度较小。

4 地热成因研究

南麻-悦庄盆地总体呈N倾的单斜盆地，被多期次构造运动改造，盆地内隐伏断裂构造发育，受其影响，盆地内寒武—奥陶纪灰岩裂隙岩溶发育，有利于形成良好的地下水储集空间，为地热资源形成提供了良好的储层和地热水运移的导水通道；此外，盆地底部泰山岩群风化层及基岩裂隙，也是为地热水储集的提供了一定空间和地下水运移通道。

南麻-悦庄盆地南部寒武-奥陶纪灰岩大面积出露，大气降水入渗后形成裂隙岩溶水，自南向北径流，一部分裂隙岩溶水深循环运移至盆地中北部，在北侧、东北侧泰山岩群阻挡和保温盖层的联合作用下，被地温加热的地下水在盆地中北部裂隙岩溶中富集形成地热资源(图4)，一部分裂隙岩溶水浅循环向下游运移，形成常温地下水资源[21]。

1—第四系；2—古近系；3—白垩-侏罗-石炭系；4—奥陶系；5—泰山岩群；6—导水导热构造；7—地下水运移路线；8—深部热流；9—地热井编号

南麻-悦庄盆寒武-奥陶纪灰岩地热储盖层为其上的石炭纪、侏罗纪、白垩纪、古近纪、第四纪全部或部分地层，盖层厚度由南向北逐渐增大，为盆地中北部裂隙岩溶热储起到了较好的隔热保温作用。

盆地热源以正常的大地热流为主，另外，深部热流沿深大断裂上涌，也是盆地内重要的增温热源。

5 开发利用前景分析

南麻-悦庄盆地内已有地热井2眼，井口水温42～45℃，可用于房屋供暖；地热水中含有大量对人体有益的微量元素和矿物质，其中沂源-1地热井偏硅酸、碘化物含量分别为29.14mg/L，1.80mg/L，均达到医疗热矿水浓度，可作为医疗、康养、洗浴用水；盆地内地热水资源矿化度低，适当降温后水质满足渔业用水、灌溉用水要求，可用于养殖热带鱼类、珍稀鱼类、温室种植、灌溉等；地热水中锶含量2.29～4.79mg/L，达到饮用天然矿泉水命名标准，可作为饮用天然矿泉水开发利用。估算盆地内裂隙岩溶热储热能资源总量为2.87×1017J，热能总储量相当于97.95万t标准煤，具有一定开发利用潜力。

地热井涌水量为192～1953.84m3/d，地热水利用领域广泛，可结合南麻-悦庄盆地附近景区，联合打造康养、旅游为主体的特色文化村(镇)，以讲好地热故事、建设美丽乡村为契机，带动当地服务产业，提高居民收入和生活水平，打造沂源县绿色、健康的温泉品牌，助力乡村振兴。

6 结论

(1)南麻-悦庄盆地为一单斜构造盆地，寒武-奥陶纪碳酸盐岩裂隙岩溶热储为盆地内主要热储，此外，盆地底部泰山岩群基岩裂隙热储是区内潜在热储层。

(2)南麻-悦庄盆地浅层地温梯度值低于正常地温梯度，在构造附近或交会处浅层地温梯度具有明显升高的趋势，说明断裂构造沟通深部热源，寻找这类构造判定其富水性是区内今后地热勘查的重点；盖层发育厚度大保温效果好的地段浅层地温梯度值低，保温盖层的隔热保温作用在地热资源形成过程中起到了至关重要的作用。

(3)盆地内地热井井口温度42～45℃，含多种对人体有益的微量元素和矿物质，水质较好，可广泛应用于供暖、医疗、康养、洗浴、养殖、种植、灌溉、饮用等诸多方面，对提升城市形象、打造地方品牌、促进当地经济社会发展，改善环境起到了重要推动作用。