胶东地区矿产与地热资源共采可行性浅析

2022-09-29毛景文蒋宗胜赵盼捞

工程科学学报 2022年10期

刘敏，毛景文，蒋宗胜，赵盼捞

1) 自然资源部战略性金属矿产找矿理论与技术重点实验室，北京 100083 2) 中国地质大学（北京），北京 100083 3) 中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037

地热资源作为一种可再生的新能源，储量大、分布广，具有清洁环保、稳定性好、可循环利用等特点，开发地热能是我国能源结构调整，实现绿色、清洁、低碳、可持续发展的新方向. 经过40余年的发展，我国地热产业，包括发电、取暖等，取得了巨大成就，在助力蓝天保卫战和碳达峰、碳中和目标的实现方面发挥了重要作用. 仅在供暖方面，2015—2020年我国地源热泵供能面积由3. 92 亿方增长到了8. 58 亿方，增长率为118. 88%，城市集中供暖面积由67. 22亿方增长到了98. 82亿方，增长率为47. 01%，预计2030年地热供暖面积将达到我国城市供暖面积的19.25%[1].

矿山蕴藏着丰富的地热资源，尤其是开采深度较大的矿山，常常有大量的高温岩体或者高温地热水，具有较大的开采利用价值. 但在矿山实际开发中，尤其是深部矿井开采过程中，地热是制约矿山经营与发展的重要因素，一直被作为灾害来处理. 目前大多数矿山都是通过通风系统来降低矿井地下作业温度，部分开发深度超过1000 m的矿山由于受深部热源及地温梯度影响，单纯采用围岩喷浆隔热、加大风量、加速空气流动换热等模式难以解决深部高温热害问题，只能通过人工制冰-喷淋冷却、穿戴个体冷却防护服或局部制冷等方式来治理深部矿山高温热害，如三山岛金矿，这样既增加了矿山开发成本，也造成了地热资源的浪费.

蔡美峰院士等[2]提出应用现代地热资源开发技术，利用矿山现有竖井、井巷等开采地热资源，利用增强型地热系统（EGS）技术，可在降低矿井作业温度的同时，获取地热清洁能源，实现地热与矿产资源共采. 本文将从矿床地质特征、节约资源及矿山可持续发展的角度分析胶东地区矿产资源与地热共采的可行性，并为矿产与地热资源共采提出建议.

1 矿产和地热资源分布及其耦合性分析

从我国矿产资源和地热资源分布来看，二者具有高度的空间重合性，即二者均主要沿着特提斯-喜马拉雅带和我国东部的环太平洋带，沿着板块汇聚带分布，其内在原因在于矿产资源和地热的形成均与板块碰撞或者俯冲有关. 这为地热和矿产资源共同开发利用提供了基本的可能性. 然而并非所有的矿床都适合地热资源的开发利用，例如斑岩-浅成低温热液型矿床等成矿深度浅，大多数为露天开采，对于地热资源的开采没有任何优势；对于锑、铅锌、汞等重金属含量高的矿床，易污染环境或者对人类健康造成伤害，也不适于地热资源的开采；相比之下，脉状或者夕卡岩型铜钼金矿、钨锡矿等往往成矿深度较深[3-4]，并且重金属硫化物较少，适宜与地热资源的共同开采. 因此，尽管青藏高原地区地热资源丰富，但由于青藏高压地区主要为斑岩-夕卡岩-浅成低温热液型矿床，大部分为露天开采，不适合地热资源与矿产资源共采. 此外，从地热资源利用和经济性角度出发，青藏高原地区城市和人口分布相对分散，也不利于地热资源的后续利用. 而我国东部地区主要为脉状或者夕卡岩型铜钼金矿、钨锡矿[5]，并且人口集中，地热资源可以就地利用，大大降低成本，是地热和矿产资源共同开发利用的有利地区. 胶东地区既是我国最大的金成矿省，也是地热资源最为丰富的地区之一，因此胶东是最有望实现矿产与地热资源共采的地区.

2 胶东地区矿产和地热资源特征

2.1 胶东地区地质特征和矿产分布

胶东半岛位于华北克拉通东南缘，以郯庐断裂带为界与鲁西地区相邻，由胶北地体和苏鲁地体两个构造单元组成. 胶北地体包括北部的胶北隆起和南部的胶莱盆地，前者赋存了胶东90%以上的金矿床. 该区前寒武基底主要为新太古代的花岗片麻岩和古元古代的变质沉积岩序列[6]. 区域内发育大量中生代花岗岩，为区内巨量金矿化提供了有利条件. 区域构造主要包括东西、北东-北北东和北西-北北西向构造系统. 金成矿作用主要受控于北东-北北东向断裂构造，这些断裂构造被认为是中国东部郯庐超大断裂的次级断裂. 这些北东-北北东向断裂以约35 km的间隔彼此平行均匀分布于胶东半岛，自西向东分别是三山岛、焦家、招平、栖霞、牟平-即墨和牟乳断裂带[7].

胶东地区是我国金储量最高的成矿省，也是亚洲最重要的金矿集区之一，巨量金的富集成矿与中生代构造-岩浆作用密切相关，其成矿背景-环境和蚀变-矿化特征在全球造山型金矿（脉状金矿）中独一无二. 目前已探明的胶东成矿省黄金储量占我国的25%，已探明大型-超大型金矿床数十处，中小型金矿床百余处，探明金资源量4000余吨[6,8-9]. 胶东地区金矿的流体活动和成矿作用严格受断裂控制，区域深大断裂派生的韧-脆性剪切带是重要的控矿构造，尤其是北东-北北东向断裂构造几乎控制了胶东地区所有的金矿资源（图1）.胶东地区金矿床总体上可以分为两种类型：“焦家式”和“玲珑式”. “焦家式”金矿床又称为破碎带蚀变岩型金矿，以浸染状和网脉状矿化为特征，通常受控于区域主断裂，赋存于断裂破碎蚀变带内；“玲珑式”金矿床又称为石英脉型金矿，多为次级断裂内的含金石英脉，围岩蚀变晕较窄[10]. “焦家式”金矿床的矿体通常长几百至上千米，宽几十米甚至上百米，矿石的金品位通常小于7 g·t-1；“玲珑式”金矿床的矿体通常规模较小，长几十至几百米，宽几十厘米至几米，但矿石的金品位通常高于“焦家式”金矿床，多在7～207 g·t-1[11].

图1 胶东地区金矿和温泉分布图Fig.1 Distribution map of gold deposits and hot springs in the Jiaodong district

2.2 胶东地区地热分布特征

胶东地区位于太平洋板块与欧亚板块俯冲汇聚的大陆边缘，环太平洋地热带的太平洋西岸高热流带，赋存有丰富的中低温地热资源，是中国东部沿海中低温对流型地热资源最为丰富、地热水出露较为密集的地区之一[12]. 该区地热主要受太平洋板块后俯冲的伸展环境[13]，不仅形成大规模金矿，而且整体表现为地温梯度偏高，平均地温梯度为0.03～0.035 ℃·m-1，并局部出现高热的现象，地温梯度高达0.07 ℃·m-1. 该区热源主要来源于地球内部的热传导，少量来源于岩浆岩放射性热，地下热流体运动是控制地温场分布的主要因素[14].

由于太平洋板块的俯冲和后俯冲，胶东半岛基底在中生代经历了强烈的去克拉通化，岩石圈发生了大范围拆沉作用，导致地壳的厚度显著减薄，为深部热能上传到表层地壳提供了有利的构造条件. 高地热梯度的分布范围与新生代火山集中分布的范围基本一致[15]. 区内已经发现的温泉主要受区域褶皱和断裂控制，集中分布在栖霞复式背斜、乳山-威海复式背斜和牟平-即墨北东向断裂带内，尤其是复式背斜核部北北东向或者北东向断裂与北北西向或者北西向断裂的交汇处，以及花岗岩为主的酸性岩与围岩的侵入接触部位. 该区背斜核部广泛出露前寒武系基底岩石和花岗岩体，热流向背斜轴部或者核部集中，使背斜轴地区形成高热流异常带. 胶东半岛共出露天然温泉16处，集中分布在胶北隆起区与威海隆起区，以断裂构造控制的中低温对流型地热资源为主. 史猛等[14]对该区15 处地热田的控热导水构造进行了分析，建立了“V”型构造控热导水找热模型，即该深部地热资源主要赋存在北东向导热断裂上盘与北西向导水向断裂上盘相交的“V”型区域内，其中北东、北北东向深大压扭性断裂切割深度深，为导热断裂；北西向深大张性断裂渗透性强，为导水断裂.

2.3 胶东地区地热和矿产资源分布成因分析

从空间分布来看，胶东地区地热和矿产资源具有重合性，高的大地热流值和天然温泉出露点主要分布在胶北隆起区和威海隆起区，尤其是北东向断裂是区内热泉主要出露地区（图1）. 与之相似，胶东地区金矿也主要分布在胶北隆起区，沿着北东向断裂分布. 相比之下，胶东南部的胶莱盆地则明显匮乏矿产和地热资源.

从成因来看，胶东地壳地热和矿产资源具有相似物质能量来源. 胶东地区的地热主要来自深部地幔向浅部地壳的传导，由于燕山期胶东地区发生了大规模地幔拆沉，并伴随强烈的地壳伸展，胶北隆起和威海隆起地区受此构造影响形成了一系列北东和北北东向的深大断裂，这些深大断裂切割深，个别断裂甚至切穿至上地幔[16]，是地热资源从地幔向地壳传输的重要运输通道. 断裂活动导致岩体变得更加破碎，孔隙率大，为地表补给水体深部运移循环提供了有利通道，同时也为经过水热对流加热后的地热流体上涌提供了通道，使深度地热向浅部传输的效率和速度更高[15]. 因此，胶东地区的温泉均主要沿着北东向断裂分布. 此外，构造活动还导致胶北隆起和威海隆起地区形成了大量的花岗质岩石，勘探钻孔显示这些花岗岩的导热率较高（2.2～3.6 W·m-1·K-1[17]），有利于深部地热向浅部传输. 与之相似，胶东金矿的成因亦与壳幔相互作用有密切的关系. 目前普遍认为，早白垩世岩石圈拆沉，导致强烈的壳幔相互作用，同时产生了大规模的岩浆活动及有关的流体活动.深部构造活动导致浅部地壳拉张和岩浆隆起，在胶北隆起和威海隆起形成了一系列花岗岩穹窿-伸展构造以及拆离断层. 深部地幔来源的流体参与了成矿过程，成矿物质主要来自于再活化的基底岩石，成矿流体沿着拆离断层运输，在地壳浅部卸载成矿[18]. 因此，胶东地区地热和矿产资源具有相似的动力来源和运输通道，使二者在空间分布上具有高度重合性，为该区地热和矿产资源共采提供基础.

3 胶东地区矿产与地热资源共采可行性分析

目前地热是制约我国金属矿山向深部拓展的主要难题之一，高温高湿的环境不仅大大降低生产效率，影响矿工身体健康，降低设备的使用寿命，更容易引发安全事故，危害不容小觑. 胶东地区大型矿山随着向深部开采的过程，其丰富的地热资源并未给矿山带来福利，反而变成灾害，成为制约矿山向深部开采的主要因素，近年来关于矿山地热赋存机理及热灾治理已成为新的研究热点，如郑春波等[19]曾详细介绍了旧店金矿地热出露分布情况和热水特征，并分析了该矿床地热的形成条件，其中九中段掌子面（井深为357.44 m，标高为-170 m）实测的地热水温度为74 ℃，并提出该矿田的热源主要来自地壳内部热能，地热水来源于地表3 km左右，构造是主要传导通道；周福宝等[20]通过矿井热湿风实时解算，建立了矿井热湿与资源化利用提取方法，为矿井低位地热利用与热湿治理提供了思路. 曹锐等[21]提出“热害资源化”研究的不足，造成了矿山地热资源的浪费，应充分评估“热害”潜力，推动其资源化利用. 郭奇峰等[22]认为可利用矿山井巷工程提高深部地热开发的热交换面积和输送能力，通过地热开发，降低降温成本. 蔡美峰等[23]探讨了矿产与地热资源共采模式的研究现状及展望，旨在释放矿产资源开采中的地热能的发展潜力，促进地热资源的规模化利用，为我国深部实现双碳目标提供一条有效途径.

我国目前低温地热资源主要用于供暖、温泉洗浴、医疗、旅游及农业等，华北地区浅层-中深层地热则主要应用于供暖，已建立了相对成熟的水源热泵技术、岩热型地热浅层-中深层热泵技术等. 近五年来地热供暖已由京津翼地区快速向陕西、山西、山东、湖北等地发展，并呈现快速增长的趋势. 地热供暖的优势是经济、绿色、环保，如雄安新区的建设所采用的“雄县模式”为城市地热开发利用提供了好的思路，一个供暖季的地热供暖运行成本仅位16 ¥·m-2，相比于传统锅炉采暖运行成本22 ¥·m-2的价格降低了28%[24]. 但目前地热供暖主要集中于相对发达的城市，农村及矿山应用较少，如中国最大的多能互补地源热泵工程：北京大兴国际机场，早期大型地埋管地源热泵工程：北京用友软件园，以及天津首个地源热泵工程：梅江生态小区办公楼等.

胶东地区矿山赋存的地热能主要是水热型及岩热型低温地热能，深度一般为200 m以深，温度为30 ℃以上，随着矿山向深部开采至 2000 m左右，矿井围岩温度预计可达70 ℃. 矿山大量的地热资源被当作灾害处理，不仅造成了清洁能源的浪费，也提高了采矿的成本. 胶东地区三山岛等金矿具有得天独厚的资源优势，矿山勘查及开采施工的钻井、矿井为地热能开发及地热监测提供了基础. 张永亮等[25]以胶东典型金属矿山为例，建立了矿山地热资源利用的理论模型，其研究表明矿山地热利用具可行性和推广价值. 因此，借鉴城市地热供暖模式，结合浅层地热能与水热型地热能，建立深浅联用的供暖模式，为矿山生活区或周围村镇供暖，变“害”为宝，通过地热能的合理开发，可在矿山地热资源合理开发的同时降低井下温度，实现资源绿色利用与灾害治理的双赢.

4 胶东地区典型金矿地质特征及开发现状

胶东地区三山岛、金青顶、玲珑、新城金矿等金矿随着矿山向深部掘进的过程均出现高地温现象，从其地理位置及构造背景等判断，其深部矿产及地热资源潜力较大.

4.1 三山岛金矿

三山岛金矿是国内唯一一座濒海地下矿山，位于莱州市城区正北方位，直线距离约为20 km，行政区划隶属莱州市三山岛镇. 矿区与莱州港毗邻，交通十分便利，1 km内有新立村、三山岛村等多个行政村，距莱州金岛旅游度假村约1.5 km，有较好的地热资源需求前景.

矿区共查明39个矿体，其中①-1号矿体为主要矿体，其赋存标高为-10～-1887 m. 矿体工程控制走向延长一般2450～3400 m，最长3952 m；倾向延深一般在200～1600 m之间，最大延伸2165 m.矿体赋存于主裂面之下黄铁绢英岩化碎裂岩带中，产状严格受三山岛断裂带控制. 按走向可分为三山岛矿段及新立矿段：三山岛矿段走向为16°～48°，平均走向为33°，倾向南东，倾角32°～57°，平均为42°；新立矿段矿体走向为37°～89°，平均走向为71°，倾向南东，倾角为30°～65°，多在40°～55°之间变化，浅部矿体局部倾向北西，倾角在70°～80°之间. 矿体形态整体呈大脉状，局部呈似层状和透镜状，形态简单. 矿体具膨胀夹缩、分支复合现象，由浅至深，矿体厚度差异明显，分支矿体发育. 矿体厚度为0.92～44.29 m，沿走向呈两头厚大、矿体中间变薄的变化特点. 矿体金平均品位为2.70 g·t-1.

三山岛矿区三山岛矿段开拓工程最深达-735 m中段，主要开采对象为①-1、①-2号矿体，开采范围为-40～-780 m标高. 新立矿段开拓工程最深达-680 m中段，主要开采对象为①-1号矿体，开采范围为-165～-680 m标高. 三山岛矿区深部有大量资源量尚未开采，最深可达-1800余米.

该矿床在开发过程中受到地热影响，程力等[26]及王明斌等[27]介绍了该矿区的地热情况，该矿床-960 m作业面温度达到42～45 ℃，空气相对温度为95%～99%，西山矿区-1140 m水平巷道围岩温度达52 ℃，涌水温度达50 ℃，深部地热资源潜力较大.

4.2 金青顶金矿

金青顶行政区划隶属乳山市下初镇管辖. 矿区紧邻南东庄、车家夼等行政村，位于胶东隆起区东部的牟平-文登隆起南缘，紧临胶莱盆地，是我国最大的石英脉型金矿床，矿石类型以含金黄铁矿石英脉型为主，矿体以陡倾状产出，矿石垂直分带特征明显，延深大于延长.

矿区范围内共赋存有4个矿体，Ⅱ号矿体为主要矿体，位于主蚀变带中，标高为+120～-1220 m范围内. 沿走向和倾向均呈反“S”型，总体走向为5°～30°，倾向南东，局部反倾，倾角为66°～90°. 矿体向北东侧伏，侧伏角上陡下缓. 矿体形态为比较规则的脉状，走向延长1500 m，控制最大倾斜延深1300 m. 矿体厚度为0.10～7.40 m，平均为1.65 m.矿体金平均品位为11.78 g·t-1，具上富下贫特征. 矿石类型主要为含金黄铁矿石英脉，其次为黄铁矿化花岗岩. 矿体深部及两侧基本封闭. 矿石类型为黄铁矿（化）石英脉型.

该矿床已有近40年的开采历史，目前，金青顶金矿-785 m标高以上的矿体已基本采空，已完成-785～-1145 m中段的多条坑道工程，将进行深部矿体的开采. 孙树提与林丽波[28]通过对控矿条件和矿床特征进行分析研究认为，该矿床的形成与玲珑二长花岗岩关系密切，为中低温热液石英脉充填型金矿床，深部找矿潜力较大.

4.3 新城金矿

新城金矿位于莱州市城区北东31°方位，直线距离约为33 km，行政区划隶属莱州市金城镇. 矿区紧邻新城、冷家、侯家等多个行政村，交通十分便利.

矿区范围内共查明52个工业矿体. 其中Ⅰ、Ⅴ-1号矿体为主要矿体. Ⅰ号矿体地表出露长120 m，矿体平均走向为北东41°，倾向北西，倾角为26°～32.5°，最大走向控制长度为506 m，最大倾斜延伸1120 m，矿体赋存标高在10～-753 m之间. 分布于主裂面之下的黄铁绢英岩质碎裂岩带内. 矿体整体呈厚大的大脉状、脉状，局部呈透镜状，局部具分支复合、尖灭再现等现象. 矿体厚度为0.82～36.28 m之间，平均厚度为6.57 m. 品位在0.05～125.36 g·t-1之间，平均值为3.89 g·t-1.

V-1号矿体平均走向为北东41°，倾向北西，倾角为26°～34°，最大走向控制长度为795 m，最大倾斜延伸1348 m，矿体赋存标高在-365～-1530 m之间. 分布于主裂面之下的黄铁绢英岩化花岗闪长质碎裂岩带内. 矿体整体呈厚大的大脉状、脉状，局部呈透镜状，局部具分支复合、尖灭再现等现象. 矿体厚度在0.82～60.00 m之间，平均厚度为6.86 m. 矿体平均品位为3.79 g·t-1. 矿体浅部厚度大、品位高，深部厚度逐渐变薄、品位逐渐变低.

新城矿区现主要开采I、Ⅴ、Ⅻ-4、ⅩⅢ-3号矿体，-330 m中段以上已基本回采完毕，-380～-580 m中段为目前主要生产中段. 该矿床深部无通风情况下掌子面温度最高达到48 ℃，矿区深部仍有大量金矿资源尚未开采，深部矿产及地热资源潜力大.

4.4 玲珑金矿

玲珑金矿位于招远市城区北东40°方位，直线距离约为13 km，行政区划隶属招远市阜山镇管辖. 矿区周边2 km内有台上、九曲、小蒋家等多个行政村.

矿区范围内共查明矿体81个，175支2-4号矿体为主要矿体，分布于-598～-910 m标高间. 矿体呈脉状，沿走向和倾向均呈舒缓波状，中部薄两端厚，受构造、脉岩破坏程度较小；矿体走向延长795 m，倾向延深404 m，倾向未封闭，走向为30°～56°，倾向北西，倾角为60°～73°. 容矿岩石为黄铁绢英岩、黄铁绢英岩化花岗岩等蚀变岩及黄铁矿化石英脉. 主要矿产为金，伴生矿产为银、铜和硫.

玲珑矿区九曲-大开头矿段开拓工程最深达-800 m中段，西山矿段有530 m深的竖井1座. 玲珑矿区采区主要位于-800 m标高以浅，已探明矿体仍有部分未利用，且主矿体尚未圈闭，深部仍有非常大的勘探与开采潜力. 玲珑金矿深部无通风情况下掌子面温度达45 ℃，深部有可观的地热潜力.

5 胶东地区矿产与地热资源共采存在的主要问题和共采建议

胶东地区三山岛、金青顶、新城、玲珑金矿均为目前正在生产的大型金矿，且位于地热相对发育地带，矿区构造也为深部地热向浅部传导提供了有利通道，深部找矿及地热潜力较大，另外在地理位置上紧邻村庄及城镇，有较好的地热资源需求前景. 因此，三山岛、金青顶、新城、玲珑金矿是胶东地区最有可能开展矿产与地热资源共采示范的矿山. 但矿产与地热资源共采的实现仍存在不少问题.

（1）矿山地热资源的合理利用需要因地制宜.由于胶东地区地质构造、岩性条件复杂，在实际地热勘查过程常出现“有热无水”或“有水无热”的情况，因此矿山地热的开发利用需要一矿一策，充分评估矿山地热资源潜力，制定合适的利用方案.

（2）矿山建设缺少优先利用地热资源的顶层设计. 大部分矿山在设计阶段缺少对地热资源的利用或直接将地热资源作为灾害进行处理. 因此，建议矿山设计优先考虑地热等清洁能源作为供暖来源，或考虑与供暖企业联合开发地热资源，将地热作为资源加以利用来达到降低井下温度的目的.

（3）矿山地热开发缺少必要的政策引导，企业积极性不高，因此需要政府及管理部门制定相关技术标准，建立激励机制，引导矿山企业与旅游、供暖等企业合作，通过减税或免税等措施，引导矿山企业合理利用地热资源.