沂源縣南麻-悅莊盆地地熱資源成因及開發(fā)利用前景分析

單吉成，李麗，賈麗麗

(沂源縣自然資源局，山東 沂源 256100)

0 引言

地熱資源作為一種新型、綠色、可再生礦產資源，具有分布范圍大、利用領域廣、開發(fā)前景廣闊、社會環(huán)境效益顯著等特點[1-2]，備受廣大消費者關注。地熱資源的形成也受客觀地質條件限制，山東省地熱資源大規(guī)模開發(fā)利用主要集中在魯北、魯西和魯西南等地區(qū)[3-8]，沂源縣地處魯中低山丘陵區(qū)，泰山巖群變質巖大面積分布，缺少地熱形成的保溫蓋層，縣城東北側發(fā)育了南麻-悅莊盆地，在盆地沉降中心附近蓋層發(fā)育厚度超過1000m，是沂源縣地熱形成最為有利的區(qū)域。利用以往施工地熱井和淺層測溫孔數(shù)據(jù)，研究了盆地構造及地層發(fā)育、水文地質、地熱地質、地溫場特征等，認為中北部碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲是盆地內主要的熱儲層，分析淺層地溫梯度發(fā)現(xiàn)，盆地NW向、NE向斷裂構造交會處淺層地溫梯度值較高，認為斷裂構造溝通深部熱源所致，指出蓋層發(fā)育厚度大保溫效果好，靠近導熱構造的區(qū)域是今后地熱勘查的重點區(qū)域。

1 地質背景

1.1 地質特征

南麻-悅莊盆地位于沂源縣縣城東北部，地處魯中低山丘陵區(qū)，南麻-悅莊盆地整體呈一N傾的單斜構造，面積約60km2，盆地北側以李家莊斷裂為界，東西分別以韓旺斷裂和上五井斷裂為界，盆地內地層發(fā)育齊全，自下而上有：新太古代泰山巖群，古生代寒武系、奧陶系、石炭系，中生代侏羅系、白堊系，新生代的古近系、第四系[9]。

新太古代泰山巖群：主要為黑云斜長片麻巖、角閃黑云片麻巖、斜長角閃巖夾少量混合巖化變粒巖等變質巖系，構成古老的結晶基底。

古生界：寒武系下部以頁巖或泥巖為主，灰色砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、泥云巖、云泥巖、白云巖等次之；上部以白云巖、厚層灰?guī)r為主，夾黃綠色鈣質頁巖。奧陶系為一套純灰?guī)r和泥質灰?guī)r、白云巖及白云質灰?guī)r互層的巖石組合。石炭系為暗紫色砂質頁巖、頁巖和細砂巖，紫紅色頁巖、砂質頁巖夾灰?guī)r。

中生界：侏羅系以紫、紅色調砂巖為主，局部發(fā)育砂礫巖、粉砂巖、頁巖等。白堊系由一套不等厚雜色的頁狀砂巖、頁巖、砂巖組成。

新生界：古近系由紅色、黃綠—淺綠色砂巖及礫巖，淺灰綠色泥巖及灰白色灰?guī)r組成。第四系由雜色亞黏土、黏土、砂質黏土、黏質粉砂土、粉砂土組成。

1.2 構造特征

南麻-悅莊盆地是魯中地區(qū)中-新生代沉降盆地，邊界斷裂控制了盆地沉積特征，上五井斷裂、李家莊斷裂、韓旺斷裂分別控制盆地西、北、東三側(圖1)。

1—古近系；2—白堊系；3—侏羅系；4—石炭系；5—奧陶系；6—寒武系；7—泰山巖群；8—斷層；9—地質界線；10—平行不整合/角度不整合界線；11—地熱井編號/井深(m)和水溫(℃)

上五井斷層：為南麻-悅莊盆地西側邊界斷裂，分為東西兩支近平行展布，呈地塹式出現(xiàn)，東支斷層面NW向，傾角約73°，破碎帶寬30～40m左右，破碎帶內巖層擠壓現(xiàn)象明顯，有構造透鏡體；西支斷層面SE向，傾角約74°，破碎帶寬80～90m，破碎帶內巖層擠壓現(xiàn)象明顯。

韓旺斷裂：為南麻-悅莊盆地東側邊界斷裂，走向呈NW向，傾向SW，悅莊鎮(zhèn)走向NE，傾向210°，傾角59°，破碎帶寬約10m，破碎帶內見有少量透鏡體和大量的斷層泥。

李家莊斷裂：為盆地北側邊界斷裂，斷層走向NE，傾向SE，傾角52°，破碎帶內見有灰白色斷層泥及擠壓透鏡體。

2 地熱地質特征

2.1 熱儲

南麻-悅莊盆地整體呈北傾的單斜盆地，盆地內3000m以淺熱儲層以寒武-奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶熱儲為主，此外盆地底部古風化殼基巖裂隙水亦是該盆地潛在地熱儲層之一。

2.2 蓋層

南麻-悅莊盆地內寒武-奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶熱儲蓋層為其上的石炭紀、侏羅紀、白堊紀、古近紀、第四紀地層，巖性以砂巖、泥巖為主，具有較好的保溫作用，蓋層厚度由盆地南部不足300m，向沉積中心增厚到900m以上(圖2)。盆地底部古風化殼基巖裂隙熱儲蓋層為其上寒武-奧陶紀、石炭紀、侏羅紀、白堊紀、古近紀、第四紀地層，巖性以灰?guī)r、泥巖和砂巖為主，推測盆地沉積中心蓋層發(fā)育厚度超過2500m。

1—新近系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—泰山巖群；9—碳酸鹽巖熱儲分布范圍；10—基巖裂隙熱儲分布范圍；11—斷層/推測斷層；12—地質界線；13—平行不整合/角度不整合；14—地溫梯度等值線及數(shù)值(℃/100m)；15—地熱井編號/碳酸鹽巖熱儲頂板埋深(m)

盆地內熱儲溫度高低與蓋層厚度直接相關，寒武-奧陶紀巖溶裂隙水在盆地南部出露區(qū)和淺埋區(qū)溫度一般小于20℃，達不到地熱水溫度要求，隨著含水層埋藏深度的增加，溫度隨之增加，至盆地中部沂源-1井水溫達45℃，推測在盆地東北部，熱儲層溫度可達60℃。古風化殼基巖裂隙水以往勘查過程未得到足夠重視，獲得的資料較少，推測盆地沉降中心古風化殼基巖裂隙水溫度超過70℃。

2.3 導水通道、水源和熱源

南麻-悅莊盆地寒武—奧陶紀灰?guī)r呈N傾的單斜產出，灰?guī)r裂隙呈似層狀發(fā)育，在斷裂構造附近，受構造活動影響，巖溶裂隙更加發(fā)育，這些相互連通的巖溶裂隙組成了盆地內導水通道；古風化殼的基巖裂隙和構造裂隙是基巖裂隙水的導水通道。

南麻-悅莊盆地地熱水水源補給以盆地南部碳酸鹽巖出露區(qū)大氣降水直接補給和淺埋區(qū)大氣降水間接補給為主，補給的地下水沿地層向深處運移、儲集形成地熱資源。古風化殼基巖裂隙水主要為南部出露區(qū)降水補給，其次為構造破碎帶越流補給。

熱源以正常大地熱流為主，斷裂在溝通深部熱流為盆地熱儲層提供重要增溫熱源。

2.4 地熱水化學特征

地熱水中一般含有多種對人體有益的微量元素[14-16]，沂源-1地熱井地熱水中偏硅酸、碘化物含量分別為29.14mg/L，1.80mg/L，均達到醫(yī)療熱礦水濃度[17]，沂探1地熱井中偏硅酸為20.64mg/L，遠低于沂源-1地熱井中含量，未達到醫(yī)療熱礦水濃度，說明沂探1地熱井更靠近補給區(qū)，水巖交換作用弱于沂源-1地熱井地熱水。

3 恒溫層及地溫場特征

依據(jù)南麻-悅莊盆地內測溫孔及淺井測溫資料顯示，盆地內大部分地區(qū)地溫梯度小于2.0℃/100m，盆地內恒溫層深度為20～26m，恒溫層平均溫度為14.5℃，淺層增溫不很明顯。

3.1 地溫場水平變化特征

依據(jù)盆地內淺層測溫數(shù)據(jù)繪制淺層地溫梯度等值線(圖3)，可以看出南麻-悅莊盆地淺層地溫梯度屬“內冷外熱”型，在盆地中部淺層地溫梯度ZC1孔為0.26℃/100m，盆地邊緣均在1.00℃/100m左右，其中在盆地西北和東北部淺層地溫梯度出現(xiàn)2個大于1.5℃/100m的區(qū)域，盆地的悅莊鎮(zhèn)北部淺層地溫梯度甚至大于2.0℃/100m。

1—新近系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—新太古代；9—斷層/推測斷層；10—地質界線；11—平行不整合/角度不整合；12—地溫梯度等值線及數(shù)值(℃/100m)；13—地熱井編號/出水口溫度；14—調查井編號/地溫梯度數(shù)值(℃/100m)

分析發(fā)現(xiàn)：熱儲蓋層發(fā)育厚度大保溫效果好的地段淺層地溫梯度值低；此外，淺層地溫梯度高的區(qū)域為韓旺斷裂和李家莊斷裂交會處附近，次為李家莊斷裂與NW向斷裂交會處附近，推測地下熱流沿斷裂帶上涌[18-20]，形成斷裂附近特別是交會處附近淺層地溫梯度值高；而蓋層厚度大保溫效果好的地帶，地下熱流被蓋層阻隔，聚集于蓋層之下的地熱儲層內，致使淺層地溫梯度值較低。

盆地外圍基巖裸露區(qū)或淺埋區(qū)，地下熱流上升未受或極少受到阻隔而彌散于大氣之中，淺層地溫梯度值反而高于盆地內部；另外，盆地西南部裂隙巖溶發(fā)育，地下水運動強烈的地區(qū)，地下水徑流過程中將其吸收的熱量一同帶走，受其影響，淺層地溫梯度亦較低。

3.2 地溫場垂向變化特征

通過淺部測溫確定恒溫層埋深20～26m，淺層地溫梯度一般小于2.0℃/100m，而沂探1地熱井測溫獲取的巖溶裂隙熱儲蓋層地溫梯度遠遠大于淺層地溫梯度，沂探1井揭露奧陶紀灰?guī)r埋深445m，測溫顯示溫度為34.1℃，蓋層平均地溫梯度高達為4.67℃/100m，與其臨近的DC6測溫孔淺層地溫梯度為1.96℃/100m，再次證明，熱儲蓋層對大地熱流具有較好的阻隔作用。該井1100m處溫度為41.8℃，熱儲層平均地溫梯度為1.18℃/100m，可以看出保溫蓋層之下碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲層增溫幅度較小。

4 地熱成因研究

南麻-悅莊盆地總體呈N傾的單斜盆地，被多期次構造運動改造，盆地內隱伏斷裂構造發(fā)育，受其影響，盆地內寒武—奧陶紀灰?guī)r裂隙巖溶發(fā)育，有利于形成良好的地下水儲集空間，為地熱資源形成提供了良好的儲層和地熱水運移的導水通道；此外，盆地底部泰山巖群風化層及基巖裂隙，也是為地熱水儲集的提供了一定空間和地下水運移通道。

南麻-悅莊盆地南部寒武-奧陶紀灰?guī)r大面積出露，大氣降水入滲后形成裂隙巖溶水，自南向北徑流，一部分裂隙巖溶水深循環(huán)運移至盆地中北部，在北側、東北側泰山巖群阻擋和保溫蓋層的聯(lián)合作用下，被地溫加熱的地下水在盆地中北部裂隙巖溶中富集形成地熱資源(圖4)，一部分裂隙巖溶水淺循環(huán)向下游運移，形成常溫地下水資源[21]。

1—第四系；2—古近系；3—白堊-侏羅-石炭系；4—奧陶系；5—泰山巖群；6—導水導熱構造；7—地下水運移路線；8—深部熱流；9—地熱井編號

南麻-悅莊盆寒武-奧陶紀灰?guī)r地熱儲蓋層為其上的石炭紀、侏羅紀、白堊紀、古近紀、第四紀全部或部分地層，蓋層厚度由南向北逐漸增大，為盆地中北部裂隙巖溶熱儲起到了較好的隔熱保溫作用。

盆地熱源以正常的大地熱流為主，另外，深部熱流沿深大斷裂上涌，也是盆地內重要的增溫熱源。

5 開發(fā)利用前景分析

南麻-悅莊盆地內已有地熱井2眼，井口水溫42～45℃，可用于房屋供暖；地熱水中含有大量對人體有益的微量元素和礦物質，其中沂源-1地熱井偏硅酸、碘化物含量分別為29.14mg/L，1.80mg/L，均達到醫(yī)療熱礦水濃度，可作為醫(yī)療、康養(yǎng)、洗浴用水；盆地內地熱水資源礦化度低，適當降溫后水質滿足漁業(yè)用水、灌溉用水要求，可用于養(yǎng)殖熱帶魚類、珍稀魚類、溫室種植、灌溉等；地熱水中鍶含量2.29～4.79mg/L，達到飲用天然礦泉水命名標準，可作為飲用天然礦泉水開發(fā)利用。估算盆地內裂隙巖溶熱儲熱能資源總量為2.87×1017J，熱能總儲量相當于97.95萬t標準煤，具有一定開發(fā)利用潛力。

地熱井涌水量為192～1953.84m3/d，地熱水利用領域廣泛，可結合南麻-悅莊盆地附近景區(qū)，聯(lián)合打造康養(yǎng)、旅游為主體的特色文化村(鎮(zhèn))，以講好地熱故事、建設美麗鄉(xiāng)村為契機，帶動當?shù)胤债a業(yè)，提高居民收入和生活水平，打造沂源縣綠色、健康的溫泉品牌，助力鄉(xiāng)村振興。

6 結論

(1)南麻-悅莊盆地為一單斜構造盆地，寒武-奧陶紀碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲為盆地內主要熱儲，此外，盆地底部泰山巖群基巖裂隙熱儲是區(qū)內潛在熱儲層。

(2)南麻-悅莊盆地淺層地溫梯度值低于正常地溫梯度，在構造附近或交會處淺層地溫梯度具有明顯升高的趨勢，說明斷裂構造溝通深部熱源，尋找這類構造判定其富水性是區(qū)內今后地熱勘查的重點；蓋層發(fā)育厚度大保溫效果好的地段淺層地溫梯度值低，保溫蓋層的隔熱保溫作用在地熱資源形成過程中起到了至關重要的作用。

(3)盆地內地熱井井口溫度42～45℃，含多種對人體有益的微量元素和礦物質，水質較好，可廣泛應用于供暖、醫(yī)療、康養(yǎng)、洗浴、養(yǎng)殖、種植、灌溉、飲用等諸多方面，對提升城市形象、打造地方品牌、促進當?shù)亟洕鐣l(fā)展，改善環(huán)境起到了重要推動作用。