山东省五莲县松柏地区地热田地温场特征及成因研究

臧 浩，杨 帆

(山东省煤田地质局第一勘探队，山东 滕州 277599)

地热能是地球内部能量转换的一种形式，已被广泛地应用于医疗、发电、采暖等方面[1]。我国地热资源丰富，其潜在蕴含资源量约为全球地热资源的8%，开发潜力较大，但由于缺乏合理的产业规划，导致地热能源的开发与利用落后于太阳能、风能等资源[2]。根据地热形成机制，地热能源分为干热岩、水热型地热和浅层地热能，目前普遍认为地幔活动、放射性生热以及断裂带等是引起地热异常的主要因素。山东省位于我国东部临海区域，区域地热资源丰富，以类型多、埋藏深度适中为优势，同时区域热流体储量大，以中低温为主，尤其是胶南地区，开发利用价值良好。此外，开发地热资源是保障国家能源安全和绿色可持续发展的主要方式之一[1]。鉴于此，本文以五莲县松柏地区的地热资源为研究对象，通过研究该地热资源的热储特征和成因为进一步规划开发方案提供基础依据，同时为后续在该区进行地热资源勘查提供借鉴。

1 区域地热地质背景

山东省地热资源丰富，根据地热地质特征、热储类型以及地热水空间分布规律，可将山东省地热水划分为4个热储区(图1)，由东向西依次为：鲁东地热区、沂沭断裂带地热区、鲁中南地热区和鲁西北地热区。其中，鲁中南地热区又可分为鲁中低山丘陵区和鲁西南山前倾斜平原区。松柏地热田位于山东省东部五莲县境内，属于鲁东地热区的重要组成部分，其大地构造位置属于秦岭—大别—苏鲁造山带的胶南—威海隆起区之五莲山凸起区内，空间上位于沂沭断裂带东侧[3]。松柏地区位于区域地层出露，结构较简单，主要包括：①古元古界代粉子山群；②下白垩统莱阳群和青山群；③第四系沂河组。区域构造以北东向和北西向为主，其中北东向断裂为区域主干断裂，如松柏—小王疃断裂，属于沂沭断裂带的次级断裂；北西向断裂相对较晚，错断了北东向断裂，如松柏—叩官断裂等。区域地热资源丰富，多分布在北东向与北西向断裂的交汇部位，即区域地热资源受构造控制较明显。

图1 山东省地热分区示意

2 地热田地质特征

2.1 地层

松柏地热田内出露地层由老到新依次为(图2)：①下白垩统莱阳群曲格庄组一段(K1q1)为黄绿色细粒砾岩、含砾粗砂岩、砂岩细砂岩，分布在长城岭水库东，窦家庄南及寨山一带；②下白垩统青山群八亩地组(K1b)分布在松柏镇东北一带，岩性为安山岩、凝灰岩；③下白垩统青山群前庄组(K1sq)分布在松柏镇东北部，岩性为流纹质火山角砾岩、含砾粗砂岩、砂岩[4]；④第四系沂河组(Q)分布广泛，主要展布于松柏镇驻地及周边区域，为中细砂及砾石层，中细砂岩，松散透水，细砂分选好，中等磨圆，具水平节理。

图2 研究区地质简图

2.2 构造

地热田内构造可分为北东向和北西向2组，前者以松柏—小王疃断裂和F5断裂为代表，后者以松柏—叩官断裂为主(图2)。其中，松柏—小王疃断裂内岩石风化强烈，为压扭性断裂，后期经物探解译揭露该断层地下延伸较深；F5断裂为张性断裂，被后期北西向F5断裂错断；松柏—叩官断裂走向约307°，倾向北东，倾角约为80°，大部分被第四系冲洪积覆盖。此外，松柏1号井钻进至1 524 m时钻井液全部漏失，产能测试中降深70.28 m时，涌水量为110.24 m3/h，根据测井资料及简易水文观测资料可知，该地层自1 145 m处以下裂隙极发育，推测在1 524 m时揭露松柏—叩官断裂。

2.3 岩浆岩

地热田内岩浆岩极为发育，以酸性岩浆岩为主，根据时代可分为3期(图2)：①新元古代威海单元条带状细粒含黑云二长花岗质片麻岩[4]；②早白垩世八水河单元晶洞中粒碱长花岗岩、望海楼单元晶洞细粒二长花岗岩、通天岭单元中粗粒二长花岗岩及凤凰岭单元巨斑状细粒含辉角闪石英二长岩；③地热田内发育较多的流纹斑岩脉和花岗斑岩脉，岩脉总体上呈北东—南西向和北西—南东向展布，空间展布与断裂破碎带延伸方向一致。

3 地热田热储特征

松柏地热田位于胶南—威海隆起区之五莲山凸起区内，区域构造—岩浆活动强烈，导致区域变质作用和混合岩化作用极为强烈[5]。同时，区域在元古代后期地壳以上升运动为主，至新生代该区构造活动仍然强烈，导致大量酸性岩浆岩大规模侵位，形成了研究区以晋宁期和燕山晚期为主的岩浆岩带，为地下热水提供了较充足的热能[6-7]。因此，研究区地下热水主要赋存在以断裂及不同岩体接触带构成的地质条件和地下水运动共同组成的系统中。

地热田发育松柏—小王疃断裂、松柏—叩官断裂和F5断裂，各断裂的低阻带发育深度均在1 800 m以上。其中，松柏—小王疃断裂为压性，主要起导热、阻水作用；松柏—叩官断裂为张性，主要起导水作用。这3条断裂形成的构造破碎带组成了区内地下水的富集、储存空间，也就是地热流体的热储[8]。此外，区内地下水与地表水运移方向基本一致，大气降水经周边高山入渗补给地下水，沿地形坡度降向盆地中部径流，在松柏镇附近地势较低处积蓄，由于松柏—叩官断裂以张性为主，且该断裂东部地势较高，地下水富集至松柏—叩官断裂破碎带中并向西径流；而松柏断裂和F5断裂又以压性为主，地下水便在这3条断裂的交汇部位凝滞，加热并富集矿物质，最终形成地热资源。山东省五莲县松柏1号地热井热储层顶板埋深317 m，底板埋深1 570 m，揭露厚度1 253 m(图3)。根据松柏1号井测井解释，松柏1松柏号井揭露裂隙带单层厚1.9～17.9 m，孔隙度为0.10%～6.51%，渗透率为0.10×10-3～1.78×10-3μm2。此外，钻探气动潜孔锤钻进过程中，在400.91～800.77 m没有发现出水点，在800.77 m之后钻遇含水层，所以本次利用的裂隙带为800.77 m深度以下裂隙带，累计利用厚度334 m。因此，松柏1号井的有效热储厚度为334 m。

图3 松柏地热田1号地热井地热剖面

此外，松柏地热田上部为第四系及白垩系青山群八亩地组(K1b)安山岩、凝灰岩为主，该地层致密不导热，保温隔热性能好，为良好的盖层，山东省五莲县松柏1号地热井盖层顶板埋深0 m，底板埋深317 m，盖层厚度317 m。同时，研究区内断裂构造较为发育，根据松柏1号井钻探资料认为：北北东向的松柏小王疃断裂与北东向的F5断裂在一定深度上与北西向的松柏—叩官大断裂交汇，形成良好的纵横交错热通道网络，松柏1号井出水量及水温较理想，说明上述断裂是地下热能向上运移的良好通道。构造与深部热源沟通应是该区的重要热源，而大气降水补给、周边山区地下水的径流补给是地下热水的重要来源。

4 地热田地温场特征

4.1 莫霍面与居里等温面

莫霍面是地壳与地幔的分界面，其中地幔是维持地温场的主要热量来源，因此，莫霍面的埋深对地热水的形成影响较大。由图4(a)可知：研究区莫霍面深度为33～34 km，且具有自西向东莫霍面埋深逐渐增大的变化趋势，相对山东省其他区域莫霍面埋深而言，研究区莫霍面深度较浅，有利于地热资源的形成。

居里等温面与地热资源的分布息息相关，通常居里等温面隆起区域是断裂、岩浆岩等发育区域，是地壳深处热能释放的主要场所，同时在地表以地热异常区体现；居里等温面凹陷区域以沉积岩为主，一般属于稳定地块，其低温梯度相对较小。由图4(b)可知：山东省的居里等温面呈北东—南西向展布，且从西向居里等温面等值线埋深具有“深→浅→深”的变化趋势，同时具有“鲁中南地区的居里等温面较宽，鲁东地区的居里等温面较窄”的特征；研究区沂沭断裂带东侧之鲁东地热区内，居里等值线埋深25～27 km，是沉积凹陷向隆起区转变的交接部位，故对地热水的形成有利。

图4 研究区莫霍面深度等值线和居里等温面等值线

4.2 大地热流值

大地热流值是反映地壳深部向地表传输热能的单位，是研究地热水资源潜力必不可少的参数之一。山东省位于我国东部沿海地区，其大地热流主要受控于新生代太平洋板块的俯冲构造热事件(华北板块与扬子板块碰撞)。文献[9-15](表1)显示：山东地区大地热流值为46.4～75.2 mW/m2，其中鲁西地区大地热流值相对较低，鲁东地区大地热流值普遍较高，且李学伦等通过硅热流值研究表明，山东半岛的平均热流值为62.45 mW/m2，其地热场划分为2个较高的和1个较低的地热异常区[16]。其中，高异常区分别与胶北隆起和文登隆起区相对应。松柏地热田位于山东胶南市西南部，经过大致估算，地热田附近的大地热流值约为60 mW/m2，略低于山东半岛平均热流值。故本文计算过程中地热田的大地热流值采用60 mW/m2。

表1 山东省大地热流值统计

4.3 地温场

根据位于松柏地热田内北山前J07井的测井资料，该区域内恒温带最高值为16.5 ℃。但是该区域测温密度过大，导致地温场等值线分布与松柏—小王疃断裂的展布特征存在差异，主要表现在以下几个方面：①松柏—小王疃断裂附近恒温带温度较高，一般在16 ℃左右，而松柏—叩官断裂恒温带温度突降，仅13～15 ℃；②小范围内恒温带温度发生了陡变，形成团状低温恒温带区，说明发育于该处的松柏—叩官断裂导热条件较差，该断裂带上的一系列测温井水量又较周边区域大(均大于5 m3/h)，说明该断裂富水性较好，以导水、储水为主。综上所述，推断此处由于浅部地下水沿松柏—叩官断裂快速径流带走了大部分热量，使恒温带温度偏低；与之相交的松柏—小王疃断裂和周边由于富水性较差，深部热流上涌使断裂周边形成高恒温带区，也说明松柏—小王疃断裂为导热构造[16]。

4.4 地温梯度

松柏区地温梯度异常区均呈长轴方向为北北东向的扁椭圆状排列于松柏—小王疃断裂东盘，西盘地温梯度变化速率较快，等值线密集；松柏—小王疃断裂倾向东，东盘正好为其上盘，松柏—小王疃断裂深部的大地热流沿构造面上溢，对上盘产生“烘烤”效应，故形成高地温梯度异常区[17]，使在其上盘钻孔内的地温梯度达3.61 ℃/hm，松柏1号井地温梯度达到4.73 ℃/hm，再次证明松柏—小王疃断裂以导热作用为主。此外，距松柏1号井向东稍远的J01、J02井地温梯度相对较低，均未达到3 ℃/hm，短距离地温梯度值发生了显著变化，J01和J02井又呈线状排列于松柏—叩官断裂上盘，两井出水量也较大，说明松柏—叩官断裂以导水为主，较低温度的地下水循环至松柏—小王疃断裂时，使具有较高温度松柏—小王疃断裂上盘发生了“降温”，导致了地温梯度陡降。这与该地区出现恒温带温度陡变的构造原理基本一致。

根据松柏1号井测温数据及测温曲线得出40.50 m以下为增温带，根据公式计算地温梯度：

Δt=(t-t0)/(H-H0)×100

式中，Δt为地温梯度；t为地层温度；t0为恒温带温度；H为地层深度；H0为恒温带深度。

松柏1号井测温深度1 570 m，孔底温度87.13 ℃，40.50 m深度以下为增温带，根据公式计算，松柏1号井孔地温梯度为4.73 ℃/hm，地热异常非常明显。

5 地热成因分析

松柏地热田位于沂沭断裂带以东，区域内分布多期侵入岩浆岩，第四系较薄，基岩大部裸露，断裂较发育。岩性以二长花岗岩为主，硬度较大，富水性较差，其热水富集部位主要为断裂破碎带及不同岩体接触带，热储类型为裂隙带状热对流型热储，故地热资源的赋存和分布主要受断裂带及不同岩体接触带控制。

5.1 不同岩体接触带控热

研究区第四系分布范围较小且厚度薄(平均厚度一般小于10 m)，第四系之下为白垩系凝灰岩、安山岩等火山沉积岩，下伏新元古代威海单元条带状细粒含黑云二长花岗质片麻岩(NhηγRw)、早白垩世凤凰岭单元巨斑状细粒含辉角闪石英二长岩(K1ηοBf)、早白垩世通天岭单元中粗粒二长花岗岩(K1ηγWt)、早白垩世望海楼单元晶洞细粒二长花岗岩(K1ηγLw)和早白垩世八水河单元晶洞中粒碱长花岗岩(K1λπLb)，同时后期花岗斑岩脉(γπ)和流纹斑岩脉(λπ)的侵入，形成了广泛分布的岩体接触带，是该区域地下水热源导水和导热通道，即松柏地区的地热水在受构造控制的同时也受岩体的侵入界面控制。此外，松柏1号井在钻进过程中揭露出侵入界面时，伴随着钻孔冲洗液消耗量明显变化，间接证实了岩体侵入界面为该区域导热和导水构造的推论。

5.2 构造破碎带控热

松柏地热田内发育北东向和北西向2组深大断裂，分别为北东向松柏—小王疃断裂、F5断裂与北西向松柏—叩官断裂，2组断裂带交汇于松柏镇北。断裂破碎带对地热成矿具有2个方面的作用：①作为热水运移通道；②作为热源。F5断裂和松柏—叩官断裂均为张性断裂，导水导热性较好；松柏—小王疃断裂为压扭性断裂，造成两侧岩性挤压破碎，有利于热水的集聚。

松柏地区地下水的补给来源主要包括2个方面：①大气降水的直接补给；②地表水系对地下水的径流补给。松柏地区地下热水的热源主要来自于地壳深处的热流，通过断裂破碎带以及岩浆岩侵入界面等上溢，进而使得地下水受持续热源的作用而形成地热水。

松柏地热田中地热水的成因包括2种途径：①由大气降水沿构造裂隙以及侵入岩的侵入界面深入地下深处，在沿活动断裂运移过程中，经来自地壳深部的热流加热，并溶解、溶滤围岩中的有益微量组分，由此形成热矿水；②来自岩体的基岩裂隙水通过构造裂隙及侵入面运移，经过深部热流加热，形成热矿水。

6 结论

(1)松柏地区浅部地下水沿松柏—叩官断裂快速径流带走了大部分热量，加之与之相交的松柏—小王疃断裂和周边由于富水性较差，深部热流上涌使断裂周边形成高恒温带区，证实了松柏—小王疃断裂为导热构造。

(2)松柏地区热水富集部位主要为断裂破碎带及不同岩体接触带。

(3)松柏地热田的热储类型为裂隙带状热对流型热储，地热资源的赋存和分布主要受断裂带及不同岩体接触带控制。