山东省地热资源分布与开发利用研究

2021-01-22李肖兰杜炤伟张玲许传杰孙延宗尹海玲于来

山东国土资源 2021年1期

李肖兰，杜炤伟，张玲，许传杰，孙延宗，尹海玲，于来

(1.山东地矿新能源有限公司，山东济南 250000；2.中广盛(山东)环保工程有限公司，山东菏泽 274000)

0 引言

山东省是地热资源大省，是全国利用地热较早的省份之一，最早可追溯到2000年以前。20世纪20年代，地热正式作为资源进行开发，但仅仅用于洗浴。20世纪50年代前，山东省地热的开发利用集中在鲁东、沂沭断裂带以及鲁中南的局部地段，重点开发利用天然温泉出流的热水。20世纪70年代以来，地热地质工作得到进一步开展，勘查各种地下矿产时，在一些地区的勘查孔中陆续出现地热异常显示。

1 地热资源分布特征

以齐河-广饶断裂、聊考断裂、沂沭断裂带为界，全省分为四大地热区，即鲁东隆起地热区(Ⅰ区)、沂沭断裂带地热区(Ⅱ区)、鲁西隆起地热区(Ⅲ区)、鲁西北坳陷地热区(Ⅳ区)[1]。

1.1 天然温泉的分布特征

山东省共有天然温泉19处，其中鲁东隆起地热区15处，沂沭断裂带地热区1处，鲁西隆起地热区3处。所有温泉的形成与出露均与断裂构造控热作用相关，19处天然温泉的分布见图1。

天然温泉主要在威海、烟台、青岛、临沂、泰安(表1)，其中威海市有9处，烟台市有5处，青岛市有东温泉，泰安市有温凉泉和桥沟温泉，临沂市分布有汤头温泉和汪家坡温泉，其中汪家坡温泉尚未开发利用，只用于季节性灌溉工作。

1.2 地热井分布特征

目前，山东省16地市均有地热资源分布。根据《山东省地热清洁能源综合评价》(2018年12月)，共有地热开采井1160眼，其中在鲁东隆起地热区有95眼，自然条件下可采资源量3.47万m3/d，折合标准煤14.12万t/a；沂沭断裂带地热区有26眼，自然条件下可采资源量8.85万m3/d，折合标准煤24.53万t/a；鲁西隆起地热区有238眼，自然条件下供暖用地热水可采资源量759.14万m3/d，折合标准煤790.29万t/a，自然条件下理疗地热水可采资源量9.22万m3/d，折合标准煤20.60万t/a；鲁西北坳陷地热区有801眼，以德州、聊城、东营、滨州居多，自然条件下供暖用地热水可采资源量2516.30万m3/d，折合标准煤3280.21万t/a[2-4]。

图1 山东省天然温泉分布图

表1 全省19处天然温泉热储特征

2 地热地质特征

2.1 鲁东隆起地热区

在沂沭断裂带东侧的昌邑-大店断裂以东称鲁东隆起地热区。该区分布天然温泉15处。热储位于断裂构造的交会部位，为花岗岩中的构造破碎带，构造破碎带向上延伸至地表被第四系覆盖，形成地热异常区[5-6]。地热田成热模式属于开放—对流—腔管状型。热储的埋藏深度较浅，顶板埋深2～40m，个别温泉顶板埋深较大。热储厚度40～250m。各温泉井深相差很大，50～150m，最浅只有10m(温石汤)，最深380.29m(艾山汤)。温泉水位埋深1～10m，部分泉水位埋藏较深，如招远汤东泉7～46m[7]，艾山汤16.17m，东温泉8～14m。泉区内的单井涌水量500～2000m3/d，抽水降深3～30m。温泉的水温，除兴村汤较低，只有29.5℃外，其余水温50～90℃。温泉水的pH值为7～8，属中性水。温泉水的水化学类型与矿化度有着一定的关联，矿化度<1g/L的热水，水化学类型为HCO3·SO4-Na型和SO4·Cl-Na型；矿化度大于1g/L的热水，水化学类型为Cl-Na·Ca型或Cl-Na型(图2)。温泉水中含有较为丰富的微量元素，15处温泉命名为氟水，5处为锶水，14处为硅水。

图2 鲁东隆起地热区(Ⅰ区)地热水水化学piper图

该区分布多眼地热深井。热储岩性为白垩纪砂岩、砂砾岩、燕山期花岗岩及古元古代荆山群片麻岩、片岩、大理岩等[8]。热储顶板埋深200～1200m，变化较大，热储厚度40～350m。井口水温30～40℃，由于热储含水层岩性多为透水性较差的花岗岩、片麻岩，只在断裂带及附近裂隙较发育，而且埋藏较深，热储的富水性差，地热井水量小[9]。靠近海边的养马岛SK2井、乳山东南寨ZK03井、荣城西霞口ZK01号井矿化度分别为29.08g/L，28.40g/L，16.56g/L，接近附近海水的含盐量(31g/L)。热水的水化学类型以Cl-Na·Ca和Cl-Ca·Na型为主。部分地热井的氟、溴、锶达到矿水命名浓度，为氟水、溴水、锶水。

2.2 沂沭断裂带地热区

沂沭断裂带，东以昌邑-大店断裂为界，西以鄌郚-葛沟断裂为界，大致呈条带状NE 18°～25°方向延伸，其形态呈南窄北宽的喇叭形。断裂带内有4条主干断裂，自西向东依次为鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂、安丘-莒县断裂、昌邑-大店断裂[1,10]。在山东省沂沭断裂带内有1处天然温泉(汤头温泉)和26眼地热井[11]。

在沂沭断裂带内，热储一般分布在凹陷区构造条件较好的地带[12]。地热田成热模式属于开放—对流—腔管状型和弱开放—对流传导—带状层状型。汤头温泉，位于马站凹陷内，岀露于沂水-汤头断裂西侧；沂水县城以南许家湖一带的DR1，DR2，DR3地热井也分布在马站-苏村断陷内。天然温泉的热储埋藏较浅、厚度较小，汤头温泉热储顶板埋深仅60m左右，热储厚度在270m左右[13-15]。而地热井，热储厚度270～681m，个别井厚达1104m，临沂市罗庄LR-1号井热储顶板埋深达1600m。热储岩性，在凹陷区内部为白垩纪的安山岩、砂砾岩、细砂岩、粉砂岩等，在凹陷区边缘地带为寒武纪、奥陶纪的灰岩。热储的涌水量，汤头温泉的水量较大，目前已不能自流，位于泉中心的地热井，抽水水位降深13.42m，涌水量为3200m3/d，而地热井的单井水量较小，水位降深51.45～75.75m，水量997.92～1431.12m3/d。汤头温泉的水温较高，50～55℃，其他地热井的水温33～56℃。热水的矿化度变化较大，0.495～5.36g/L，水化学类型主要有Cl·SO4-Na,Cl-Na·Ca，SO4-Na·Ca，HCO3·Cl-Na型。pH值为7～9，部分地热井的氟、锶含量达到矿水命名浓度，为氟水、锶水。

2.3 鲁西隆起地热区

该区位于鄌郚-葛沟断裂和聊考断裂之间、齐河-广饶断裂以南。该地热区根据构造、地形地貌、热储特征等可进一步分为2个亚区，即鲁中丘陵山地地热亚区(Ⅲ1亚区)和鲁西山前倾斜平原地热亚区(Ⅲ2亚区)。Ⅲ1与Ⅲ2两亚区大致以新近系0m厚度等值线作为分界线。该区地热田成热模式包括开放—对流—腔管状型、弱开放—对流传导—带状层状型、封闭—传导—层状型3种类型。

在Ⅲ1亚区内热储层以变质岩、灰岩、花岗岩类为主，热储顶板埋深一般<700m，水温<90℃，属低温地热资源。热储形态在丘陵地区以带状热储为主，在凹陷盆地内则以层状热储为主[16-17]。该亚区内热储顶板埋深在47.5～900m。但在凹陷盆地内，热储层分布面积较大，顶板埋深超过2000m。热储厚度变化较大，100～900m，单井涌水量变化也较大，100～1500m3/d，地热水温度不高，一般30～60℃，但冷家庄DR1号井，地处山区的盆地中部，井口水温高达82.3℃，临沂新王沟铜1井水温达74℃[18-19](表2)。

表2 鲁西隆起地热区Ⅲ1亚区热储特征

在该区内有3处天然温泉，桥沟温泉、汪家坡温泉和安驾庄温凉泉，水温为30℃左右，热储埋藏较浅，顶板埋深47.5～500m，泰安桥沟温泉热储顶板埋深最浅，只有47.5m。安驾庄温凉泉区的ZK1地热井涌水量较大，达2350.75m3/d。桥沟温泉水量达1570m3/d。汪家坡温泉自流量为480m3/d。热水的矿化度比较低，0.4～3.0g/L之间，pH值为7～8，水化学类型较复杂，主要有SO4·Cl-Na·Ca，Cl·SO4-Na，Cl-Na·Ca，SO4-Na·Ca，HCO3-Ca·Na等(图3)。大部分地热井(泉)水中的氟、偏硅酸含量达到矿水命名浓度，为氟水、硅水。

图3 鲁东隆起地热区(Ⅲ区)地热水水水化学piper图

Ⅲ2亚区内热储岩性以奥陶纪灰岩为主，热储顶板埋深293～1344m，水温<90℃，属低温地热资源，热储属增温型系统，热储形态主要为层状热储兼有带状热储[20]。区内地热井揭露的奥陶纪灰岩厚度100～500m，部分<100m。单井涌水量相差极大，济南市桃园片区DR2号地热孔，水位降深3.58m，水量达10625.10m3/d，而济阳热1井和济古1井几乎无水，大多数地热井的单井涌水量1000～3000m3/d。井口水温33～69℃。热水pH值为7～8，矿化度2.8～7.55g/L，水化学类型主要有SO4·Cl-Na·Ca，SO4-Na·Ca，Cl·SO4-Na·Ca，SO4-Ca，SO4-Ca·Na型等。热水中氟和锶含量达到矿水命名浓度，为氟水和锶水(表3)。

表3 鲁西隆起地热区Ⅲ2亚区热储特征

2.4 鲁西北坳陷地热区

鲁西北坳陷地热区包括齐河-广饶断裂以北和聊城-兰考断裂以西地区。目前开采的热储层以新近纪馆陶组为主，其次为古近纪东营组和寒武-奥陶纪热储，成井深度2000m左右，热水温度<90℃，属于低温地热资源，地热区内热储属沉积盆地型层状热储，地热系统属传导型系统[21-22]。地热田成热模式属于封闭—传导—层状型。

新近纪馆陶组热储顶板埋深1000～1500m，西部聊城、商河、德州一带稍浅，1000～1200m，东部东营一带1200～1500m。热储厚度300～600m，地热井揭露厚度100～250m，热储岩性主要为细砂岩、粗砂岩、含砾砂岩、砂砾岩等。在1000～1500m取水段内，水位降深10～50m时，涌水量1000～3000m3/d，自流量为240～1008m3/d，自流水头一般在+0.95m～+8m。井口水温45～89℃，属低温地热资源的温热水—热水。在滨州市及以西地区，热水的矿化度4～10g/L，属咸水，水化学类型主要有Cl-Na,Cl·SO4-Na和SO4·Cl-Na型；在东营地区，热水矿化度10～20g/L，在东营市孤热1井，矿化度最高，达23.76g/L，水化学类型以Cl-Na型为主(图4)。热水的pH值7.16～8.1，为弱碱性水，总硬度300～2000mg/L，属硬水和极硬水。部分热水井的锶、氟含量达到矿水命名浓度，为锶水、氟水。

图4 鲁西北坳陷地热区(Ⅳ)地热水水水化学piper图

古近纪东营组热储顶板埋深1000～1500m。在0～1000m之间，东营组热储一般和馆陶组热储混合成井，热储岩性主要为细砂岩、砂砾岩。单井涌水量变化较大，一般为140～2400m3/d。聊城东昌的谷庄ZK2井水量最大，为3068.64m3/d[23]，井口水温50～75℃，属低温地热资源的温热水—热水。地热水的水化学类型以Cl-Na型为主，矿化度一般为18～21g/L。东营广饶广热1井热水矿化度最高，为27g/L，为盐水。东营组地热水pH值6.62～7.3，为弱酸性—弱碱性水。在德州及以西地区有少量热储为东营组的地热井，矿化度较低，5～15g/L，属咸水—盐水类型。济南市济阳县洼里王地热井热水矿化度只有5.60g/L，为咸水，水化学类型为Cl-Na型。部分井的锶、溴、偏硅酸达到矿水命名浓度，为锶水、溴水和硅水。

寒武纪—奥陶纪热储顶板埋深一般为500～1700m，最深可达3200m[24-25]。揭露热储层厚度18～436m，未揭穿。热储岩性主要为碳酸盐岩类的石灰岩、白云岩，岩溶裂隙的发育具不均一性，富水性变化大。井口水温50～100℃，属低温地热资源的温热水—热水，个别地热井水温超过90℃，属中温地热资源。水化学类型主要为Cl-Na型，矿化度8～20g/L。地热水含较丰富的微量元素，位于孤岛凸起区的孤古1井热水中氟、锶、偏硅酸均达到矿水命名浓度，为氟水、锶水和硅水。

3 开发利用现状

截至2017年底，全省地热温泉19处，人工地热井1160眼。地热水的开采主要用于供暖、洗浴、疗养，其次是养殖及种植等。其中用于供暖占68.9%，用于疗养、洗浴占24.8%(图5)[1-2,26-27]。

图5 山东省地热流体利用方向分配图

3.1 鲁东隆起地热区

该区地热开发主要以洗浴、疗养为主，如天沐·山东文登温泉度假村(北汤)、威海汤泊温泉度假村(洪水岚汤)、威海温泉宾馆(宝泉汤)、艾山温泉国际旅游度假村(栖霞艾山汤)、蓬莱三仙山景区温泉(温石汤)、山东招远金都温泉(汤东泉)、山东乳山小汤温泉度假村(小汤)，即墨温泉度假村(东温汤)等都以天然温泉为基础，除此以外，地热水还用于供暖、工业、农业温室等。该区地热水开采量为1.56万m3/d，地热水潜力资源量为1.91万m3/d。

3.2 沂沭断裂带地热区

该区地热水一般用于洗浴、理疗和养殖。地热水开采量为0.28万m3/d，地热水潜力资源量为8.57万m3/d。本区地热井(温泉)开发利用最好的为汤头温泉，2006年1月—2008年4月，平均日抽水量2609m3/d。目前以临沂汤头温泉开发的温泉度假村有：知春湖国际温泉度假村、汤头观唐苑温泉度假村、汤头温泉大酒店、临沂汤头温泉旅游区等；在沂水许家湖地热田开发了沂水东方瑞海温泉度假村等，均用于理疗、洗浴、游泳、度假、供暖等。2008年8月，临沂市被中国矿业联合会授予“中国地热城”称号，成为全国第二个、华东第一个获此殊荣的城市。2011年12月30日，国土资源部下发通知命名第二批中国温泉之乡(城、都)，临沂市以综合评估第一名的成绩被命名为“中国温泉之城”。近几年，临沂市共建立河东汤头、沂南铜井、沂南松山、沂水许家湖4个地热温泉开发示范区，以示范区带动整个临沂市地热资源的开发和利用。

3.3 鲁西隆起地热区

主要用于洗浴与疗养、养殖与种植及供暖等。地热水开采量为8.59万m3/d，在回灌条件下供暖地热水潜力资源量为1325.27万m3/d。理疗地热水潜力资源量为8.07万m3/d。在沂南铜井地热田内，开发了阳都温泉旅游度假区，沂南智圣汤泉旅游度假村；在松山地热田内开发了维多利亚温泉度假村、颐尚温泉度假村。

3.4 鲁西北坳陷地热区

鲁北地区地热资源的开发主要用于供暖、洗浴、游泳、养殖等，地热供暖已形成一定的规模。供暖期地热水开采量为94.30万m3/d，回灌条件下地热水开采潜力资源量为3371万m3/d。德州市凯元温泉度假村、夏津德百温泉度假村、聊城市温泉大酒店、阿尔卡迪亚温泉、天沐温泉度假村、齐河地热示范基地等的供暖、洗浴及娱乐开发，临清、东营天鹅湖温泉的浴池游泳、洗浴开发，乐陵希森集团的娱乐与养殖开发等都各具特色。

4 前景展望

(1)鲁西北地区除了地热资源丰富的优势外，该区主要为层状热储，具有分布面积广、埋藏深度较浅(一般在2000m以内)，水温较高、地热井单井涌水量大等特点，便于开采，特别适合城镇、村庄、企事业单位分散开采供暖。因此，鲁西北地区因地制宜，开采地热水供暖为主，兼洗浴、疗养、养殖、种植等较为合适[28]。

(2)山东省带状热储地热资源开采主要为天然温泉和少量地热井。温泉主要集中在胶东地区，温泉地热田一般面积小，热水可开采资源量相对也较少，分布较分散，目前开采量不大。胶东地区部分温泉位于市区或市区附近，交通方便，部分温泉虽离市区较远，但交通方便，风景优美，适宜发展洗浴、疗养、游泳、休闲度假等。该区地热田热储岩性大多为侵入岩、变质岩和火山岩，天然温泉水含对人体健康有益的微量元素较多，部分泉还含H2S和氡气，很适宜疗养和治疗某些疾病，有较高的医疗保健价值。从总体上看，有较大的开发潜力和开采意义。