临沂市沂沭断裂带地热地质条件及热储特征

2022-11-03乔海霞刘连高善朴李佳杨水旺

矿产勘查 2022年8期

乔海霞，刘连，高善朴，李佳，杨水旺

(1.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南郑州 450016； 2.河南省有色金属地质矿产局第七地质大队，河南郑州 450016； 3.山东省第一地质矿产勘查院，山东济南 250100； 4.临沂市自然资源和规划局，山东临沂 276000)

0 引言

能源和环境是当今人类面临的两大问题(杨本固和朱伟，2019)。地热资源是一种洁净无污染、可供直接开发利用的宝贵天然资源，开发利用前景广阔，具重大经济和环保意义(张诚等，2014①；陈怀玉等，2020；付荣钦等，2022)。研究区隶属山东省临沂市，北起沂水县马站，南至郯城南，西到苍山东部，东至莒南西部，呈条带状展布，地理极值坐标为：东经118°07′45″～119°02′45″，北纬34°23′00″～36°12′00″，位于山东省沂沭断裂带区域，地热资源丰富。诸多学者(田洁等，2009；王强等，2013)对沂沭断裂带地热地质条件做了较多研究。本文通过系统分析研究，依据地热地质条件对沂沭断裂带热储进行了系统分区，总结了各分区地热地质特征及地热分布规律，建立了热储概念模型，概略估算了典型地热田资源量。旨在为区内地热资源的勘查和合理开发利用提供依据。

1 区域地质背景

研究区处于沂沭断裂带中、南段，区域地质演化受到该区内断裂构造带的强烈控制，经历了复杂的沉积、岩浆、变质、构造等地质事件，形成了一套较为完整的岩石和构造体系，为地热资源的形成提供了有利的地质条件(郭士昌等，2009；李付全，2011；刘贵增等，2012；韩昱等，2018)。

1.1 地层

区内地层由老至新分为太古界沂水(岩)群、泰山(岩)群，元古界荆山群、土门群，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界侏罗系、白垩系，新生界古近系、新近系以及第四系松散堆积物等(李付全，2011；韩昱等，2018)。

寒武系、奥陶系区内广布，厚度约1350 m，在厚层灰岩处，岩溶裂隙发育，富水性较好，是地热资源形成较佳层位；奥陶系地层厚度约813 m，岩溶极为发育，是本区主要供水地带，也是地热资源赋存区段。

中生界地层系统非常复杂，尤其是白垩系地层，厚度一般大于780 m，岩相复杂，相变频繁，由于火山喷发携带了地壳深部热源向浅部运移，对地热资源形成有利；新生界比较发育，以大面积的第四系为主，古近系和新近系有零量分布，且多被第四系覆盖，其中古近系成热地质条件良好，厚度约1328 m。第四系为一套陆相碎屑冲积、坡积和洪积层，对下伏热储层起到一定的保温作用，是本区主要的盖层。

1.2 构造

区内断裂构造较为发育。一是属于新华夏系的沂沭断裂带，该断裂带南起郯城、北入渤海，纵贯山东中部，大致沿沂河、沭河及滩河分布，呈北北东向 10°～25°方向延伸(刘美娟，2010)。断裂带宽约为20～60 km，断层北段宽约40 km，南段宽约 20 km(李洪奎等，2004；杨启俭等，2008；牟林凯，2017)，表现形态呈南窄北宽的喇叭形，将临沂市大地构造切割为华北地台鲁西、鲁东地块两个Ⅱ级大地构造单元(巩贵仁等，2008；王红晋等，2014；彭立正等，2018)。由四条主干断裂中的鄌郚—葛沟断裂、沂水—汤头断裂、安丘—莒县断裂、昌邑—大店断裂(董咏梅等，2009；张鹏等，2010；王强等，2013；李肖兰等，2021)，呈北北东—南南西纵贯本区；二是属于鲁西旋钮构造体系的一套弧形断裂，由收敛部位向西北撒开，横穿本区，区内自北向南主要有九山断裂、韩旺—沂水断裂、金星头断裂、马牧池断裂、孙祖断裂、新泰—垛庄断裂、蒙山断裂、甘霖断裂等(图1)。

图1 区域断裂带地质构造简图(据张诚等，2014①修改)1—中生代地堑及凹陷；2—隆起、凸起地块；3—断裂；4—推测断裂；5—向斜；6—复向斜；7—背斜；8—地质界线

1.3 岩浆岩

区内岩浆活动剧烈，从地壳深部携带出大量热流，另外岩体中所含放射性元素在衰变过程中也会释放丰沛的热量，均成了该区地热资源的丰富热能(方宝明，2006；刘贵增等，2012；王贵玲等，2020)。

区内以中生代侵入岩占绝对优势，大面积分布在沂沭断裂两侧以及北西向断裂带附近，岩性以中酸性为主，多处温泉在此沿区域性断裂展布，明显受断裂控制。尤其当其岩浆侵入到大理岩层位时，其地热资源更为丰富，水温也高，有利于形成高热流值地带，为断裂带下局部岩浆的侵入提供了大量热源，是临沂市地热资源丰沛的最重要地质条件之一。

1.4 热流特征

区内存在一条北北东走向的梯度递变带，往南逐渐闭合。其特点出现封闭式小串珠状高值区，从郯城往北地表热流值呈高—低—高—低—高的波浪式特征，其热流值场超过中国大陆地区大地热流平均值(61 mw/m2)水平(江海洋等，2018；曹艳玲等，2021)。大地热流分布存在一定规律性，沂沭断裂带西低东高，鲁西地块上沿东西走向有增加的趋势，鲁西地块近南北展布低值区，约在44.9～50.2 mw/m2之间；区内相对高值异常带为东侧胶南隆起带上热流值普遍高，约70 mw/m2，形成了东隆西拗的地温梯度带。沂沭断裂带的地温梯度一般为2.45 ℃/100 m，热流值为62.42～65.18 mw/m2(图2)。

图2 沂沭断裂带及邻区热流值(据张诚等，2014①修改)

临沂市地热泉、井主要分布在区内隆起或梯度带内。居里面深度梯度带，常与现代活动构造相对应，地热传导速度快，容易在地壳储集较高的热能，因而形成地热。

沂沭断裂带深切地幔，是一条主要的导、储热构造，易于为地壳深部地热提供构造条件，在断裂及构造周围形成地热异常或高热流区。该区为热流等物理特性呈现热条件相对较好的地热资源地区。

1.5 水文地质条件

区内水文地质条件明显受地形、地貌、地层、大气降水等条件制约，同时受大地构造的控制。全市划分为以下三大水文地质区：

(1)沂沭断裂带以西中低山丘陵水文地质区。大面积分布的碳酸盐岩类岩溶裂隙水，是大、中型集中供水水源地的主要分布区和大泉的主要出露区。区内主要含水层由古生界奥陶系和寒武系灰岩、白云质灰岩、泥灰岩组成，厚度大、分布广，其岩溶裂隙发育，彼此连通，为地下水提供了充裕的赋存空间。区内地下水埋深2～15 m，年变幅1～5 m。集中开采区，地下水埋深、变幅变化较大，局部形成降落漏斗，水质较好，多为HCO3—Ca、HCO3—Ca Mg型水，矿化度小于0.5 g/L。

(2)沂沭断裂带及其以东低山丘陵水文地质区。区内以裂隙水为主，主要赋存在风化裂隙中。碎屑岩类裂隙水含水层岩性主要为中生界侏罗系砂岩、砾岩，裂隙发育密集、细小、富水性较弱，单井涌水量小于100 m3/d；基岩裂隙水含水层岩性主要是太古界泰山(岩)群变质岩、混合岩、混合花岗岩、胶东(岩)群片麻岩，一般单井出水量100 m3/d左右。地下水埋深1～5 m，水位年变幅2～3 m，水质良好，多为HCO3—Ca、HCO3·Cl—Ca型水，矿化度一般小于1 g/L。

本区地势较高，高差变化较大。地下水受大气降水明显控制，丰水期地下水补给快、径流快、排泄也快，形成“三快”地区。

沂沭断裂带北部基岩裂隙水及碎屑岩裂隙水除受大气降水补给外，还有地表水排泄渗透和地下径流补给，地下水由北向西南、东南方向运动，在构造有利地段地下水以泉的形式排泄，或以地下潜流的形式与孔隙潜水混合排入沂河或沭河。在构造带的坳陷(地堑)地区，北部沿沂水—汤头、鄌郚—葛沟断裂径流而下的深部地下水，到汤头附近受近东西向阻水断裂的拦截上升，于汤头村西出露成为温泉。

(3)临郯苍平原水文地质区。本区主要由河流冲积、冲洪积物相互连接组成，地下水具有易采易补的特点，且有较大的储水空间，含水层岩性以中粗砂为主，厚5～20 m，顶板埋深4 m左右，富水性较强，单井出水量1000～3000 m3/d。区内地下水埋深1～4 m，水位年变幅1～3 m。地下水水质较好，地下水类型一般为HCO3—Ca型，矿化度小于0.5 g/L。

2 地热地质条件

2.1 地热成矿条件

沂沭断裂带是由四条主干断裂(自东向西分别为昌邑—大店断裂、安丘—莒县断裂、沂水—汤头断裂、鄌郚—葛沟断裂)组成的具有两堑夹一垒构造样式的组合型断裂。沂沭断裂带以NW向临朐—高崖断裂、蒙山断裂为界，自北向南分成三段，即昌潍凹陷、汞丹山地垒、郯城凹陷。研究区内汞丹山地垒最为复杂，横向上由西而东分三个部分，西为马站凹陷，东为安丘—苔县凹陷，亦为二堑夹一垒构造样式(李洪奎等，2004；田洁等，2009)。由于该地主次级断裂切割错断，在这些次级断裂与主干断裂的交汇部位形成了多处地热田。

郯城凹陷内白垩系广布，盖层厚度加大，深部热储埋深过大，浅部地热异常不明显，仅在马陵山区新构造运动强烈。在成热条件方面明显逊色于中段(图3)。

图3 研究区构造位置图(据张诚等，2014①修改)1—昌维凹陷；2—汞丹山地垒；3—郯城凹陷；4—地热田；5—主干断裂；6—新生带盆地；7—中生代地堑；8—研究区

2.2 成因模式分析

区内地下水补充源主要为大气降水，其次为地表径流补给。区内不同走向断裂纵横交错，构造裂隙发育，断裂带深部的局部岩浆侵入可提供大量热源，形成高热流值带，为地下水的存储、运移和深循环提供了空间。

沂沭断裂带以西裂隙岩溶水在西部地区接受补给后，沿鲁西旋扭构造自北西向南东径流，至西部主断裂附近，受断裂或地层、岩体的阻挡，一部分参与地下深循环，经地温加热后，沿断裂通道和岩层裂隙上升至浅部，或通过钻孔揭露涌出地表，形成浅部地热异常和热矿水自流。

沂沭断裂带内白垩系广布，次级断裂构造发育，西、北、东三面地下水向南径流，进行深循环加热，沿岩体底部或通过近南北向断裂破碎带继续向南运动，当受岩体或断层阻挡时，在奥陶系灰岩凸起带或断裂复合部位富集。但由于上覆巨厚的白垩系盖层，地下热水只能沿张性或张扭性断裂带向地表排泄，形成浅部地热异常区或溢出地表。

马站—苏村地堑地下水接受来自西、北、东三面的地下水径流补给，尤以东、西两侧为主。西侧之地下水沿北西向断裂及断陷盆地向南东方向运移至鄌郚—葛沟断裂附近，一部分地下水富集于鄌郚—葛沟断裂西侧；而另一部分则越过鄌郚—葛沟断裂进行深循环，补给地堑内地下水，由于地堑内盖层较厚，地下水在地堑内形成盲区，于深部富集，富集区受热储埋深的制约；东侧补给区为汞丹山凸起区，由于分布大面积的前寒武系变质岩，裂隙发育深度浅，难以形成深循环径流，地下水运移至沂水—汤头断裂东侧时，即溢出地表成泉，由于地下水循环深度浅，泉水多为正常地下水温，由于沂水—汤头断裂西盘为白垩系大盛群砂页岩，阻水性较强，故东侧之地下水越过沂水—汤头断裂形成地下水深循环径流的量极小。这也是沂水—汤头断裂两侧未发现地热露头的主要原因。

莒县—郯城地堑临沂段也是接受西、北、东三面地下水的径流补给，但由于两侧补给区均以变质岩和岩浆岩为主，地下水循环深度浅，故多以浅层地下水径流及泉的形式进行排泄。至目前未发现地热露头。沂沭断裂带以东地区，以太古代变质岩及各期岩浆岩为主，仅在临沭盆地、莒南盆地分布白垩系青山群和王氏群，裂隙不发育，来自北东方向补给的地下水径流至昌邑—大店断裂附近时，多以泉水的形式流出地表(图4)。

图4 沂沭断裂带热储概念模型示意图(据张诚等，2014①修改)1—白垩系青山群组；2—白垩系大盛群组；3—奥陶—寒武系灰岩；4—太古界泰山(岩)群组

2.3 热储特征

沂沭断裂带热储层按空隙类型大致可分为孔隙型热储、裂隙型热储、岩溶裂隙型热储等类型。地热储分布受断裂构造控制明显，具有带状或点状、局部层状分布特征。地下热水主要赋存于古生界寒武系、奥陶系灰岩、砂岩以及中生界白垩系和新生界古近系安山岩、砂砾岩中的构造裂隙、风化裂隙以及岩溶裂隙中。地层结构和断裂构造是研究区形成地热的主要控制因素，区内地热储既有断控型，也有深埋型。根据区内地层岩性的分布及埋藏条件，热储类型有：

(1)新生代古近系热储主要分布在沂沭断裂带以西断陷盆地内，该热储是本区浅部热储层，以河湖相沉积为主，一般厚约350～785 m，岩性以泥灰岩、泥岩、砂砾岩为主，为孔隙裂隙型热储，上覆泥岩为热储盖层。该热储裂隙连通性差，故热储一般富水性较弱。

(2)中生代白垩系热储分布在沂沭断裂带内白垩系地层中的张性、张扭性断裂带中，热储层为一套火山碎屑岩系，由于岩性结构相对致密，孔隙、裂隙不发育，具有较好的隔热保温性能，一般作为深埋型热储的盖层。但当在构造有利部位时，地下水有较好的储存运移空间，成为较好的热储层。热储特征因所处的构造部位的不同而有所差异。

(3)古生代寒武系及奥陶系热储层包括奥陶系灰岩、寒武系张夏灰岩、朱砂洞灰岩、震旦系佟家庄组薄层灰岩岩溶热储；寒武系李官组及震旦系佟家庄组石英砂岩裂隙热储。该类热储主要分布在鄌郚—葛沟断裂两侧，热储具有点状、带状兼层状的特征，其分布受断裂的严格控制，富水性差别较大，一般热储中心部位富水性较强。

2.4 热储分区

区内地热储受大地构造部位的严格控制。依据地层结构及构造位置将区内地热储大致可划分为7个区段(图5)，其中鄌郚—葛沟断裂以西热储区(I区)根据该热储区的岩性特征及热储埋藏条件又分为4个亚区：即蒙山断裂以北热储区、平邑—方城盆地东端热储区、临沂城区及临沂单斜热储区和马头—重坊热储区。区内有典型地热田分布，如蒙山断裂以北热储区内典型地热田包括沂南铜井地热田及沂南松山地热田；马站—苏村地堑热储区内地热田主要有汤头地热田及许家湖地热田；临沂城区及临沂单斜热储区内分布有北城新区地热田。

图5 研究区内热储分区图(据张诚等，2014①修改)1—地热异常；2—地热井；3—已知断裂；4—热储分区及编号；5—城镇

地热水形成需具备热源、通道、热储、盖层四要素，现将各个区段热储特征分述见表1。

表1 热储分区热储特征一览表

2.5 地热异常分布规律

(1)次级张性、张扭性断裂与主干断裂交汇处。大地热流值异常高值往往分布在深大断裂活动带(张维等，2020)。区内北北东向的纵向主干断裂常被东西向、北东向、北西向断裂横向切割，使断裂在平面上呈网络状，沂沭断裂带两侧的地热出露点均位于上述断裂的交汇部位(杨晓飞和范二川，2020)。

(2)主干断裂交汇处形成小规模的火山口附近，及潜火山侵入作用下的围岩蚀变带是地热出露的有利地段。如马站—苏村地堑内和地堑西侧，中生代和上新世有大量花岗岩侵入和中基性岩浆喷出，深部热能易沿岩体与围岩的接触带和裂隙带上升形成地热异常区。

(3)盖层厚度理想、具有深埋型灰岩热储的部位。沂沭断裂带是一条高温异常带，沿断裂带因地质条件的不同，地温有所起伏，断续出现高温地带。沂沭断裂带的马站—苏村地堑内，鄌郚—葛沟断裂两侧局部地段，尤其沂水县城到河东汤头地段具备此类条件，可能有比较丰富的地热资源。但据临沂城区附近施工的地热井看，地热增温率低于正常值，未显示出高温异常。