山东临沂地区古生代复合热储成矿模式研究

曹艳玲，崔玉良，吴 波，刘 连，江海洋，崔 素，王 威，范振华

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.山东省第一地质矿产勘查院，山东济南 250000;3.山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室，山东济南 250000)

0 引言

山东省地热资源可划分为鲁西北拗陷区、鲁西隆起区、沂沭断裂带区以及鲁东隆起区四个区(栾光忠和刘激，2003)，临沂地区属于四个分区中的“沂沭断裂带分区”(王钧和黄尚瑶，1990；李付全和高宗军，2011)。该地区脆性断裂较发育(李洪奎等,2004)，地热资源丰富，且分布多处温泉(栾光忠和刘激，2003)。研究表明临沂地区地热资源主要受控于沂沭断裂的发育与活动。但对沂沭断裂带成热模式存在诸多争议：(1)带状和层状热储两种热储模式的复合模式(李付全，2011)；(2)层状热储模式(苏宝杰等，2015)；(3)带状热储模式(郭士昌等，2009)。

本文在前人研究基础上，结合临沂地区地热地质条件，通过地球物理分析、地热井的地温场垂向变化特征，阐述该地区地热资源形成及赋存条件等规律，进一步研究总结地热成矿模式，旨在为该地区地热资源的勘查与开发提供科学依据。

1 区域地质概况

临沂地区位于华北克拉通鲁西地块和鲁东地块两个二级构造单元结合部位及以西区域，二者被沂沭断裂带分割(田洪水等，2006；董咏梅等，2009)。沂沭断裂带由西向东由鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂、安丘-莒县断裂和昌邑-大店断裂四条主干断裂组成，形成“两堑夹一地垒”构造格局(田洪水等，2007)。其中西部三条断裂于中生代时期形成且新生代以来活动特征明显，具有切割深度大(切穿地壳)、活动时间长等特点。主干断裂的主断裂面往往呈舒缓波状，断裂破碎带内挤压片理、透镜体大量分布，且透镜体长轴方向与断裂带总体方向有一交角，断层泥、糜棱岩、阶步、擦痕均较发育，并显示左行压扭特征。此外，沂沭断裂带附近还发育许多北西向、东西向次级断裂(晁洪太等，1994；张鹏等，2020)(图1)，纵横捭阖，组成了网络状断裂区域。

区域内地层自下而上主要有：震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、白垩系、第四系。根据地层顺序及岩性、含水性分析，研究区内热储可能为寒武纪李官组和朱砂洞组层状兼带状热储层，盖层可能为长清群馒头组、九龙群张夏组、炒米店组、三山子组、马家沟群、青山群及第四系，总厚度约650～750 m。馒头组、张夏组、炒米店组、三山子组岩性为砂岩，保温性能好，马家沟群、青山群保温性能差，第四系保温性能中等。因此，第四系覆盖区域保温性能好，马家沟群和青山群直接出露区域保温性能差一些。

其中，区内与地热相关的热储地层主要为寒武纪李官组、朱砂洞组，盖层为寒武-奥陶系馒头组、张夏组、炒米店组、三山子组、马家沟群及白垩系青山群和第四系。

图1 临沂区域地质简图Fig.1 Regional geological map of Linyi area1-第四系；2-新近系；3-白垩系；4-石炭系；5-寒武系；6-震旦系；7-岩浆岩；8-断裂带1-Quaternary；2-Neogene；3-Cretaceous；4-Carboniferous；5-Cambrian；6-Sinian；7-magmatic rock；8-fault zone

2 研究区地热深部特征

在沂沭断裂带以西区域布置7口地热井，井深1000～2800 m不等，获得了关于涌水量、水位降深、水温、盖层厚度、层状热储厚度、热储层顶底板埋深、热储温度等信息(表1、表2)。

表1 钻孔孔深及盖层、热储层厚度统计表

表2 临沂地区复合热储地热井资料汇总表

根据地热井的地质钻探、岩屑编录及电测井资料分析，将该7口地热井断裂破碎带、裂隙发育、孔隙度相对较大的层段作为含水层段。许家湖XJDR1井共利用了12层含水段，总厚度为49.95 m，平均孔隙度为6.1%；XJDR2井共利用8层含水段，总厚度为85 m，平均孔隙度为4.26%；XJDR3井共利用19层含水段，总厚度为24.2 m，平均孔隙度为3.64%(表3)。柳航头HD1井含水层6层，总厚度24 m，平均孔隙度为3.06%；北城新区DR1井含水层7层，总厚度69 m，平均孔隙度为3.17%；北城新区DR3井含水层3层，总厚度24 m，平均孔隙度为4.21%(表4)。

表3 许家湖XJDR1、XJDR2、XJDR3井含水层厚度统计表

续表3

表4 柳航头和北城新区地热井含水层厚度统计表

该7口地热井位于临沂市的三个位置：许家湖、北城新区和柳航头，互相之间距离较远(图2)，将距离较近的钻孔生成连井成矿模式图(图3、图4、图5)。

图2 地热井位置示意图Fig.2 Sketch showing locations of geothermal wells1-断裂；2-孔位及编号；3-地理位置；4-河流；5-高速；6-铁路；7-公路1-fault zone；2-borehole and number；3-geographic location；4-river；5-expressway；6-railway；7-road

图3 许家湖钻孔连井成矿模式图Fig.3 Genesis model of geothermal reservoirs and linked boreholes1-第四纪临沂组；2-白垩纪王氏群林家庄组；3-白垩纪大盛群孟疃组；4-白垩纪大盛群寺前村组；5-白垩纪大盛群田家楼组；6-奥陶纪马家沟群北庵庄组；7-奥陶纪马家沟群东黄山组；8-盖层；9-热储层；10-中太古代沂水岩群；11-英灵山中粗粒片麻状英云闪长岩；12-地质界线；13-断裂；14-热源运动方向；15-终孔深度(m)；16-抽水降深(m)；17-出水量(m3/d)；18-地温梯度(℃/100m)；19-矿化度(mg/L)1-Quaternary Linyi Formation；2-Cretaceous Wangshi Group Linjiazhuang Formation；3-Cretaceous Dasheng Group Mengtuan Formation；4-Cretaceous Dasheng Group Siqiancun Formation；5-Cretaceous Dasheng Group Tianjialou Formation；6-Ordovician Majiagou Group Beianzhuang Formation；7-Ordovician Majiagou Group Donghuangshan Formation；8-cover；9-thermal reservoir；10-Middle Archean Yishui Group；11-medium coarse grained gneissic tonalite in Yinglingshan；12-geological boundary；13-fault；14-moving direction of heat source；15-final borehole depth (m)；16-drawdown depth (m)；17-water yield (m3/d)；18-ground temperature gradient (℃/100m)；19-mineralization degree (mg/L)

图4 北城新区钻孔连井成矿模式图(a)及平面位置图(b)Fig.4 Genesis model of geothermal reservoirs(a) and linked boreholes(b) in Beicheng New Area1-白垩纪青山群八亩地组；2-石炭-二叠纪月门沟群山西组；3-石炭-二叠纪月门沟群太原组；4-石炭-二叠纪月门沟群本溪组；5-奥 陶纪；6-寒武纪；7-震旦纪土门群；8-泰山岩群；9-断裂带；10-地热井；11-热流运动方向1-Cretaceous Qingshan Group Bamudi Formation；2-Carboniferous Permian Yuemengou Group Shanxi Formation；3-Carboniferous Permian Yuemengou Group Taiyuan Formation；4-Carboniferous Permian Yuemengou Group Benxi Formation；5-Ordovician；6-Cambrian；7-Sinian Tumen Group；8-Taishan Group；9-fault zone；10-geothermal well；11-heat flow direction

图5 柳航头钻孔连井成矿模式图Fig.5 Metallogenic model of Liuhangtou borehole connected well1-白垩纪固城组；2-白垩纪青山群八亩地组；3-奥陶纪；4-寒武纪；5-断裂带；6-热流运动方向；7-地热井1-Cretaceous Gucheng Formation；2-Cretaceous Qingshan Group Bamudi Formation；3-Ordovician；4-Cambrian；5-fault zone；6-heat flow direction；7-geothermal well

上述地热井揭露深度地热相关信息可知，涌水量在160.08～1431.12 m3/d之间，平均759 m3/d；水位降深在71.86～280 m之间，平均198 m；水温在31～52 ℃之间，平均41.2 ℃；盖层厚度介于780～1674 m，平均1218 m；层状热储厚度在351～1535 m之间，平均663 m；热储层顶板埋深在456～1450 m之间，平均816 m；热储层顶板埋深在953～2617.9 m，平均1743.7 m；井口水温在31～52 ℃之间，平均41.2 ℃；井底温度在40.5～76.71 ℃，平均57.3 ℃；热储温度在36～52 ℃之间，平均44 ℃。

归一化可用于比较不同数据维度的变化规律(刘素红等,2000)，将孔深、水温、盖层厚度、层状热储厚度用各自的最大值作为分母进行归一化处理后，所有的数值变化范围在0到1之间，可形成折线图。孔深、盖层厚度与水温趋势相近，三者相关性较强，但层状热储厚度与水温相关性较差(图6a)。收集周边4个地热井资料后，同理，将井口温度、井底温度、热储层顶底埋深、热储温度均一化处理后形成折线图，图中显示井口温度、井底温度、热储底板埋深与热储温度相关性强(图6b)。

图6 孔深、水温、盖层厚度、热储厚度变化图(a)、钻孔温度与热储关系归一化对比图(b)Fig.6 Variation curves of hole depth，water temperature，cap thickness and thermal reservoir thickness(a),normalized comparison diagram of the relationship between borehole temperature and thermal storage(b)

3 地热地质条件分析

地热水形成需具备源、通、储、盖四要素。现分别对其各要素进行阐述如下。

3.1 热源特征

热储温度场主要是受断裂构造控制(栾光忠和刘激，2003)，大地热流值异常高值往往分布在板块边界缝合带、深大断裂活动带(袁玉松等，2006；杨晓飞和范二川，2020)。因此，大地热流能够反映区域的地热状态和构造带活动性(白嘉启等，1998)。在大地热流等值线图中，研究区主要分布在梯度带上，梯度带往南至郯城逐渐闭合(图7)。其特点是出现封闭式小串珠状高值区，郯城可达到75 mW/m2，往北至研究区西北边缘又出现低值区达60 mW/m2，向北又出现高值区70 mW/m2，从中可以看出从郯城往北地表热流值呈现高-低-高-低-高的波浪式特征，其热流值场超过全球平均值(63 mW/m2)水平。从横向看，热流值在鲁西地块上呈近南北展布低值区。区域上沂沭断裂带、聊城-兰考断裂带、齐河-广饶断裂带和丰沛断裂带均对应热流值的台阶式变化。研究区内热流值60～75 mW/m2，绝大部分地区大于63 mW/m2，高于全球平均值，并且研究区内热流值呈南高北低，呈台阶式向北递减，以垂直于台阶方向推断有北北东向和北西向断裂为热流通道。因此，研究区具有形成“断控型”深循环对流型系统的基本条件。研究区虽然构造活动强烈，但岩浆侵入活动较少，故不存在岩浆加热地热流体附加热源。断裂活动和地震机械摩擦对地热的贡献可忽略。因此，研究区内地幔热流是该区域的主要热源，其次为地壳放射性物质衰变产生的热量。

图7 区域大地热流等值线图Fig.7 Contours of regional geothermal flow1-断裂带；2-热流等值线(mW/m2)；3-地理位置1-fault zone；2-contour of geothermal flow(mW/m2)；3-place name

3.2 通道

地下水需要通过深部循环才能被加热。研究区分布的多条断裂带为地下水运移、存储提供了空间，同时也为深部热源上升至浅部提供了通道。

重力场和磁力场能够反映地下岩石物性不均匀性(刘璎等，2011；祁光等，2012；郭信等，2020)，尤其是重力异常能够反映深部构造(柳建新等，2012；于宝显等，2014；杜辉等，2017)。为准确分析沂沭断裂带及其附近断裂展布形态、切割深度，采用区域重力异常(向文和李辉，1999；贾民育和詹洁晖，2000；祝意青等，2001)、区域航磁异常、莫霍面深度及居里面深度(于磊等，2017)等数据进行定性分析。研究区及邻区分布断裂主要有东西向丰沛断裂和齐广断裂、北北东向沂沭断裂带以及北西向聊考断裂，与区域重力异常梯度带、区域航磁(△T)上延20 km平面等值线图串珠状磁异常和梯度带、区域莫霍面深度等值线图梯度带以及居里等温面梯度带高度吻合(图8a、b、c)，清晰反映其空间展布特征，并显示以上断裂均为区域深大断裂。

图8 区域地球物理等值线图Fig.8 Regional geophysical contoursa-区域深部重力异常图(mm/s2)；b-区域航磁△T上延20km平面等值线图(nT)；c-区域莫霍面深度等值线图(km)；d-区域居里面等值线图(km)；1-断裂带；2-重力等值线(mm/s2)；3-磁力等值线(nT)；4-莫霍面深度等值线(km)；5-居里面深度等深线(km)；6-地理位置a-deep gravity anomaly(mm/s2)；b-plane contour of 20 km upward continuation of aeromagnetic △T(nT)；c-contour of Moho depth(km)；d-contour of Curie interface depth(km);1-fault zone；2-gravity anomaly contour(mm/s2)；3-aeromagnetic anomaly contour(nT)；4-Moho depth(km)；5-Curie interface depth(km)；6-place name

研究区主要位于沂沭断裂带之上及邻区，在区域重力异常图(图8a)上其清晰显示为北北东向延伸的梯度带，其东部异常值达20×105mm/s2，向西重力异常值逐渐降低变为负异常。在航磁异常图(图8b)上，沭断裂带表现为北北东向分布的串珠状次异常带，西侧为正磁异常区，东侧为负磁异常区。区域莫霍面深度等值线图上的北北东向梯度带清晰表征了沂沭断裂带的存在，整体表现出大体以沂沭断裂带为界的莫霍面深度东浅(数值低)西深(数值高)的特征(图8c)。居里面等值线图(图8d)上，沂沭断裂带也表现出北北东向梯度带，呈东浅西深特征。以上地球物理证据表明沂沭断裂带主体呈北北东向延伸，切割深度深且宽度较宽，可作为热源通道和热储结构。

3.3 热储特征

热储结构对地热形成起着至关重要的作用，且与热水成因有关，热储类型的正确划分，可明确指示地热资源的潜在储量和勘探方法(汪集旸，1996)。依据热流的赋存状态，热储结构可划分为层控热储、带状热储以及复合热储。

研究区内主要发育北北东向沂沭断裂带及其邻区的东西向及北西向断裂，构造裂隙发育，为地下水的存储、运移和深循环提供了条件。区内沂沭断裂带倾角陡且切割深，构造裂隙更发育，具备良好的带状热储特征(李付全，2011)。

研究区内钻孔特征显示，寒武纪李官组砂岩、朱砂洞组白云质灰岩以及奥陶纪灰岩为层状热储，其主体岩性为灰岩(图3,4,5)。

3.4 盖层特征

根据研究区内钻孔数据揭露，盖层主要为寒武纪馒头组(砂岩+页岩)、张夏组(灰岩)、崮山组(灰岩+页岩)、炒米店组(灰岩+泥质条带灰岩)、三山子组(灰岩+白云岩)以及白垩纪八亩地组(安山质火山碎屑岩)(图3,4,5)。而第四系在研究区内发育不佳，分布连续性，仅在局部位置形成良好盖层。

不同岩石具有有不同热导率，导热率越大，其导热性质越好，有利于地热向上运移，但其保温性也就越差。据研究表明，灰岩热导率为2.0×106W/mK，砂泥岩热导率为9.2×106W/mK，安山质火山碎屑岩热导率为6.3×106W/mK。灰岩的导热性最好、砂泥岩次之、安山质火山碎屑岩最差，而保温性则与导热性呈负相关。区域上新近系和古近系热传导率大于第四系，但第四系为松散沉积层，参与地下水循环频繁，与新近系和古近系相比，其保温性稍差。

3.5 水源

热水是通过岩石的热传导加热地下水后形成，地下水被加热后在热储部位聚集或经通道泄出地面。研究区地下水补充源主要为大气降水，其次为地表径流补给(李付全，2011)。

4 地下热水赋存规律探讨

虽然前人对临沂地区的地热资源分布与赋存规律已做了大量研究，但是对该地区的地热成矿模式还存在诸多争议。李付全(2011)通过对临沂北城断裂带的导水导热性以及热储层、盖层等成热地质条件的分析研究，认为临沂北城新区地热成矿模式为带状热储和层状热储的复合模式，沂沭断裂带构成带状热储，奥陶系和寒武系地层构成层状热储。然而，对临沂市柳航头地区地热资源特征研究表明，奥陶纪和寒武纪岩溶裂隙较发育的灰岩构成了层状热储层，其为层状热储模式(苏宝杰等，2015)。郭士昌等(2009)分析了临沂市地热地质条件，指出热储形态严格受控于断裂带，显示典型的带状热储模式。

前人对临沂地区不同区域进行了地热成矿模式研究进而得出不同地热资源热储模式。本文克服前人研究区域局限且缺乏地热井相关参数数据支撑等缺点，对位于沂沭断裂带及其以西区域的研究区进行地热地质条件及地热井参数分析，总结出带状和层状热储复合模式。

本次选取整个临沂地区为研究对象进行研究，因为其具备地热资源形成的良好条件。热源：研究区位处于环太平洋地热带的高热流带，属于华北地热系统，具有高地热背景特征以及自西向东地温逐渐升高特点，这些特征是由区域构造和深部地质条件决定(王先美等，2010)，而地幔热流是该区域的主要热源，其次为地壳放射性物质衰变产生的热量；水源：地下水补充源主要为大气降水，其次为地表径流补给；热储结构：研究区层状热储主要为灰岩，而沂沭断裂带形成带状热储，构成层状和带状复合热储；盖层：主要为安山质火山碎屑岩、灰岩、砂岩。通道：主要为沂沭断裂带形成的地下水运移空间(王通国等，2002；杨启俭等，2008)。

地热井相关参数特征显示，水温与盖层厚度、地热深度成正比(图6a)，且热储温度与井的顶底温度以及热储底板埋深成正比(图6b)。以上特征显示，深处地热资源储量丰富，且具有较厚盖层，地热资源保存较好。

综上，从成矿模式上分析临沂地区沂沭断裂带以西地热成因。研究区热储为古生代砂岩，同时张性、张扭性断裂发育，导致热储为层状和带状的复合热储，较单一成因热储要复杂，并且盖层岩性及厚度很大程度上影响了深部地热水的温度，热储厚度也对水温有一定的影响。表层有第四系覆盖的，地热水温度较无第四系覆盖的要高；盖层厚度越大，水温越高，热储厚度越大，水温也越高。

因此，沂沭断裂带以西区域在临沂地区形成了自西向东伴随一条条断裂热储埋深逐渐增加的地热地质模型，在断裂带附近为复合型热储，断裂带为带状热储，断裂带周边稳定区域为层状热储。结合研究区地层分布特点，形成研究区热储模型(图9)。

图9 复合热储模型Fig.9 Composite thermal storage model1-第四纪；2-白垩纪八亩地组；3-石炭纪本溪组；4-奥陶纪；5-寒武纪；6-震旦纪土门群；7-泰山岩群；8-断裂带；9-热流运动方向1-Quaternary；2-Cretaceous Bamudi Formation；3-Carboniferous Benxi Formation；4-Ordovician；5-Cambrian；6-Sinian Tumen Group；7-Taishan Group；8-fault zone；9-motion direction of heat flow

5 结论

(1)本文通过地热地质条件、地球物理数据以及地热井相关地热参数研究分析，提出了临沂地区为热储为层状和带状复合热储地热成矿模式。断裂带为带状热储，断裂带周边稳定区域为层状热储。这为进一步地热勘查与开采提供了理论指导。

(2)盖层岩性及厚度对深部地热水温度存在较大影响，并且热储厚度对水温也存在影响。表层存在第四系覆盖较无第四系覆盖情况下地热水温度高；盖层厚度越大，水温越高，热储厚度越大，水温也越高。

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