山東菏澤市城區(qū)西部地?zé)豳Y源特征及開發(fā)利用分析

馬 龍，馮超臣，張 旭

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州272100)

菏澤市位于山東省西南部，是中國著名的牡丹之鄉(xiāng)。該區(qū)地處魯西南黃泛平原，地表被巨厚的第四系和新近系松散層覆蓋，據(jù)遙感地質(zhì)解譯、現(xiàn)代地?zé)嵘衫碚摷暗刭|(zhì)環(huán)境條件推測，菏澤市城區(qū)西部地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件、熱儲地質(zhì)條件都比較有利，有較好的地?zé)豳Y源開發(fā)利用前景。菏澤市城區(qū)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用，將對發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)旅游，改善人民生活質(zhì)量具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景［1］

1.1 地層

本區(qū)地表被巨厚的第四系和新近系松散層覆蓋。據(jù)已有地質(zhì)資料分析，從老到新的地層有古生界的奧陶系、石炭系及二疊系、新生界的古近系、新近系及第四系。與地?zé)豳Y源有關(guān)的地層主要為:

1)奧陶系馬家溝組:巖性主要為厚層灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。結(jié)合魯西南奧陶系出露厚度，推測普查區(qū)內(nèi)的馬家溝組石灰?guī)r厚度在800 m左右。

2)新近系黃驊群明化鎮(zhèn)組:下部為棕紅色泥巖夾粉細(xì)砂巖，上部巖性為黃色泥巖、粉細(xì)砂巖互層，厚410 m左右，其底板埋深在1 000～1 200 m之間。

1.2 構(gòu)造

山東省菏澤城區(qū)西部位于中朝準(zhǔn)地臺(Ⅰ)魯西斷隆(Ⅱ)魯西斷塊隆起(Ⅲ)菏澤凸起(Ⅳ)的西部。魯西南坳陷區(qū)是莫霍面隆起區(qū)，地殼相對較薄，厚30～35 km，而菏澤市城區(qū)西部地區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造單元上屬菏澤凸起的西部。菏澤凸起是魯西斷塊隆起的組成部分，它是中生代時期地殼強(qiáng)烈活動的產(chǎn)物，莫霍面埋深可能就更淺，可提供比莫霍面凹陷區(qū)更多的熱流量。歷次構(gòu)造運(yùn)動造成本區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，聊考斷裂帶在本區(qū)穿過，據(jù)地殼厚度的變化分析，聊考斷裂兩側(cè)地殼塊體斷差達(dá)4～6 km，斷裂斷開了莫霍面并切達(dá)上地幔，是一條規(guī)模宏大的深大斷裂。聊考斷裂自中生代強(qiáng)烈活動以來，對西側(cè)拗陷和東側(cè)隆起的發(fā)育起控制作用，古近紀(jì)活動強(qiáng)烈，在聊城一帶斷距達(dá)3 000～4 000 m;新近紀(jì)繼續(xù)活動，斷距達(dá)600～1 200 m;第四紀(jì)仍有活動顯示［1］;聊考斷裂帶附近是地震多發(fā)區(qū)，在1502～1948年間，僅5級以上地震就發(fā)生過6次［2］，表明該斷裂是現(xiàn)代仍在活動的新構(gòu)造活動帶，具有一定程度的透水及控?zé)嶙饔?。菏澤斷裂位于菏澤凸起的中南部，橫貫整個凸起。此斷裂左行錯斷奧陶系，形成時間較早，為區(qū)內(nèi)的導(dǎo)水構(gòu)造。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造見圖1。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

奧陶系熱儲蓋層為第四系和新近系、石炭和二疊系，但起主導(dǎo)作用的是第四系和新近系。它既防止了淺層地下水向下滲透，又阻隔因地下水的垂向?qū)α鞫斐傻臒崃繐p耗，從而使地下熱能在其之下聚集。奧陶系蓋層頂板埋深在1 310～1 560 m左右，本區(qū)具有形成奧陶系地?zé)豳Y源良好的地質(zhì)條件。

2.1 熱源與補(bǔ)給源

熱源主要來自地殼深部的熱流傳導(dǎo)和對流，新構(gòu)造運(yùn)動使地殼深部的熱源不斷往上傳遞，聊考斷裂等為控震斷裂，其周邊斷裂及次生斷裂多為發(fā)震構(gòu)造，對區(qū)內(nèi)地?zé)岬男纬蓸O為有利。地殼深部的熱能可通過斷裂及巖漿巖侵入兩側(cè)的破碎帶熱的傳導(dǎo)和地下水的深循環(huán)對流作用，將熱能輸送至熱儲層，遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫，使熱能儲存下來。其次是巖漿熱液活動及放射元素蛻變;另外在中新生代沉積了巨厚的松散、半固結(jié)狀沉積物，在不斷的壓實、成巖過程中，會產(chǎn)生一定的物理—化學(xué)熱，也為本提供了部分熱源。本區(qū)的熱源條件較好。

地?zé)崴闹饕a(bǔ)給來源為大氣降水的垂直入滲經(jīng)深部循環(huán)補(bǔ)給，其次是側(cè)向徑流補(bǔ)給和沉積時保留下來的封存水和沉積水。

2.2 蓋層

蓋層是指熱儲的覆蓋層，它是地?zé)嵝纬傻闹匾獥l件，其作用是防止熱儲層中的熱能大量散失。對于不同的熱儲層有不同的蓋層系統(tǒng)。就本區(qū)而言，奧陶系石灰?guī)r熱儲層的蓋層由第四系、新近系和石炭-二疊系構(gòu)成。該區(qū)新近系底板埋深在1 100 m左右，其中第四系厚度大于400 m，新近系厚約600 m。第四系主要是沖洪積相黃色粘土、砂質(zhì)粘土夾不等粒之砂層;新近系主要以棕色為主的粘土巖夾粉砂質(zhì)粘土巖和粉、細(xì)砂巖互層為主，呈半固結(jié)狀。巨厚的以亞粘土和粘土巖為主的不透水層，切斷了含水層間的垂向運(yùn)移，防止了地下熱能的擴(kuò)散。該地段煤系地層厚200～400 m，巖性為以泥巖、粘土巖和砂巖為主的不透水層，是一套密度小、導(dǎo)熱性能差、熱阻大的天然熱儲良好的保溫蓋層，形成了奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶型熱儲層。

2.3 熱儲層

熱儲是地殼內(nèi)能夠富集和貯集地?zé)崮?、并使地?zé)彷d體能進(jìn)行對流運(yùn)動的地質(zhì)體，是地?zé)峥辈楣ぷ鞯哪康膶?。根?jù)現(xiàn)有地?zé)岬刭|(zhì)資料，本區(qū)的熱儲層有兩個，一是上部新近系館陶組砂巖，二是下部奧陶系石灰?guī)r。本區(qū)新近系上部熱儲層埋深小，溫度不高，所以主要可利用的熱儲層主要為奧陶系石灰?guī)r熱儲層。

1)新近系砂巖熱儲層:屬層狀裂隙—孔隙型熱儲。巖性下部以灰白色含礫砂巖夾砂質(zhì)泥巖為主，上部為淺紫紅色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，厚190 m左右，底板埋深1 100 m左右，呈半固結(jié)狀。新近系館陶組熱儲層埋深小，溫度低，開發(fā)利用價值不高。

2)奧陶系石灰?guī)r層熱儲層:屬灰?guī)r類裂隙—巖溶型熱儲。巖性主要為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r等，厚800 m左右，頂板埋深約在1 310～1 560 m左右，巖溶裂隙發(fā)育，裂隙巖溶型熱儲層具有埋藏深、水量豐富、水溫較高等特點，開發(fā)利用價值較高。

2.4 奧陶系石灰?guī)r熱儲層水文地質(zhì)特征

奧陶系熱儲層，是一套淺海相沉積，埋藏較深。奧陶系歷經(jīng)強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動、風(fēng)化剝蝕和多次溶蝕，形成斷裂、裂隙和破碎帶，在奧陶系碳酸鹽中，洞、縫相當(dāng)發(fā)育，灰?guī)r縫隙是深層地下水體循環(huán)運(yùn)移的通道，大型溶洞是奧陶系石灰?guī)r裂隙巖溶熱儲的空間，尤其是沿奧陶系馬家溝組灰?guī)r風(fēng)化殼，發(fā)育了較好的洞縫系統(tǒng)，增強(qiáng)了地下水的連通性，具有良好的儲熱條件。碳酸鹽巖的正?？障遁^小，一般3%左右，但在裂隙巖溶發(fā)育段，其裂隙巖溶率可達(dá)7%～14%之間，是區(qū)內(nèi)重要的熱儲層段。該熱儲層地?zé)崴难a(bǔ)給來源主要是上游的側(cè)向徑流補(bǔ)給，其次為上部孔隙-裂隙水沿斷裂帶向下滲透補(bǔ)給，少量為地層沉積形成時保留下來的封存水和沉積水，在構(gòu)造深部經(jīng)深循環(huán)徑流并受熱增溫形成地?zé)崴?。由于該層地下熱水徑流深度大、補(bǔ)給途徑長、運(yùn)移緩慢，因此地下水動態(tài)穩(wěn)定，水資源補(bǔ)給能力較差。水化學(xué)類型為SO4-Na·Ca型水，水溫50℃～70℃，單井涌水量500～1 500 m3/d。

2.5 控?zé)岷蛯?dǎo)水構(gòu)造

控?zé)岷蛯?dǎo)水構(gòu)造是地?zé)嵝纬傻谋貍錀l件。該區(qū)西臨聊考斷裂和菏澤斷裂的交匯部位，聊考斷裂為菏澤凸起的西部邊界，它們切割深度大，活動時間長，破壞了地殼的連續(xù)性。另外鳧山斷裂、成武斷裂也從本區(qū)的南部通過，這些斷裂溝通了深部熱儲層間的聯(lián)系，成為熱儲層與地內(nèi)熱庫間傳輸通道，擴(kuò)大了熱循環(huán)的范圍。菏澤斷裂位于菏澤凸起的中南部，橫貫整個凸起。此斷裂左行錯斷奧陶系，形成時間較早，為本區(qū)內(nèi)的導(dǎo)水構(gòu)造。

2.6 地溫場特征

本區(qū)地溫場特征主要受地質(zhì)構(gòu)造的影響，其次受蓋層及巖性變化影響。在常溫帶下，地溫隨著深度增加逐漸增高。經(jīng)對井溫資料的綜合統(tǒng)計分析，區(qū)內(nèi)增溫帶起始深度10～30 m。在增溫帶以上有一個恒溫帶，普查區(qū)內(nèi)恒溫帶厚度一般5～8 m。恒溫帶以上為地溫變動帶。常溫帶值選用當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?3.8攝氏度。經(jīng)計算該區(qū)蓋層平均地溫梯度在2.8～4.2 ℃ /100m 之間。

3 地?zé)豳Y源特征評價［1］

3.1 地?zé)豳Y源熱儲概念模型

本區(qū)熱儲層為奧陶系馬家溝組，屬層控裂隙巖溶型低溫地?zé)崽?，其熱儲概念模型見圖2。

圖2 菏澤市城區(qū)西部地?zé)豳Y源熱儲概念模型

本區(qū)地?zé)岬男纬?，主要是聊考斷裂、菏澤斷裂形成以后，能從地球深部獲得源源不斷的熱能，后又沉積了巨厚的第四系、新近系蓋層，具備了地?zé)嵝纬傻牡刭|(zhì)條件，經(jīng)過長期的積累，終于形成了地?zé)崽铩?/p>

3.2 奧陶系熱儲層地?zé)豳Y源評價

該區(qū)奧陶系熱儲層含有豐富的地?zé)豳Y源，為層狀兼帶狀裂隙巖溶型地?zé)崽铮骄鶡醿囟葹?4℃，為低溫地?zé)豳Y源熱水。經(jīng)計算全區(qū)地?zé)豳Y源總量為7.032×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.398×108t;按采收率15%計算，可利用地?zé)豳Y源為1.055 ×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤 0.36 ×108t。

3.3 奧陶系熱儲層地?zé)崴Y源評價

碳酸鹽巖類裂隙熱儲含水層段取570 m，開采期限確定為100 a，計算參數(shù)依據(jù)菏澤南華地?zé)峋樗囼炠Y料計算取得，計算了區(qū)內(nèi)地?zé)崴试S可采資源量。開采降深20 m條件下，奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲層允許可采地?zé)崴Y源量為0.495×108m3/a，100年允許利用地?zé)豳Y源總量達(dá)1.024 ×1018J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤 0.349 ×108t。

3.4 奧陶系熱儲層地?zé)崴|(zhì)量評價

該熱儲層地?zé)崴新入x子和硫酸根離子含量較高，對金屬有強(qiáng)腐蝕性，且硫酸根對普通混凝土建筑有結(jié)晶性侵蝕。地?zé)崴疄樘妓徕}中等結(jié)垢，不生成硅酸鈣垢。該區(qū)地?zé)崴糜谌∨瘯r，因地?zé)崴哂袕?qiáng)腐蝕性，且結(jié)垢較多，所以應(yīng)采用間接供暖方式(換熱技術(shù))，宜于梯級利用，設(shè)計回水溫度以40℃為宜。據(jù)菏澤南華地?zé)峋|(zhì)化驗資料，地?zé)崴_(dá)到了氟礦水命名濃度，接近鍶水命名濃度，該地?zé)崴哂袠O高的醫(yī)療保健價值。該熱儲層地?zé)崴灰酥苯幼鰹檗r(nóng)田灌溉、漁業(yè)用水，不能做為生活飲用水;地下水中各有害成分含量均未超出“最高允許排放濃度”的要求，但由地?zé)崴锌傆捕?、氟、硫酸根、氯化物和礦化度均高于當(dāng)?shù)氐牡乇硭偷叵滤?，所以棄水排放對環(huán)境將產(chǎn)生一定影響。

4 地?zé)豳Y源開發(fā)利用分析

4.1 地?zé)豳Y源開發(fā)利用方式分析

本區(qū)地?zé)豳Y源尚處于未開發(fā)利用階段，根據(jù)周邊已開采的地?zé)峋?，區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源屬于低溫地?zé)幔梢栽谝韵路矫孢M(jìn)行開發(fā):

1)地?zé)嶂苯庸┡?。燃煤鍋爐的大量使用造成了空氣嚴(yán)重污染，且燃?xì)夂腿济汗┡捌谕度牒瓦\(yùn)行成本十分昂貴。而地?zé)豳Y源的開發(fā)為這個問題的解決提供了一條可行之路，大力提倡與推廣地?zé)峁┡瑢Νh(huán)保事業(yè)作出重要的貢獻(xiàn)。

2)浴療保健。區(qū)內(nèi)地?zé)崴畬儆谥械蜏責(zé)岬V水，富含氟、鋰、鍶、鐳、氡、偏硅酸等多種礦物質(zhì)，具有較高的醫(yī)療價值，是很好的醫(yī)療熱礦水，可作為洗浴、療養(yǎng)用水或在醫(yī)生指導(dǎo)下進(jìn)行醫(yī)療保健。

3)娛樂、旅游。依托溫泉浴療，可以開發(fā)游泳館、嬉水樂園、康樂中心、會議中心、療養(yǎng)中心、溫泉飯店、溫泉度假村、高級賓館等一系列休閑娛樂旅游項目。

4)余熱供暖。用于洗浴、娛樂等方面的地?zé)崴谑褂煤螅瑹崴疁囟纫廊缓芨?，仍含有大量的熱能，如果能有效的加以利用，就會帶來更大的?jīng)濟(jì)效益，同時能夠節(jié)約大量的能源。

4.2 地?zé)豳Y源開發(fā)利用保護(hù)建議

地?zé)豳Y源是在一定地?zé)岬刭|(zhì)、水文地質(zhì)條件和水文地球化學(xué)環(huán)境條件下產(chǎn)生的，要保持地?zé)豳Y源長期穩(wěn)定開采，必須十分重視地?zé)豳Y源保護(hù)工作。為了做到有計劃、合理開發(fā)利用熱水資源，嚴(yán)禁盲目無序地亂開亂采，造成資源的浪費(fèi)。對于地?zé)豳Y源的開發(fā)利用與保護(hù)提出如下建議:

1)加強(qiáng)地?zé)豳Y源勘查評價工作。該地區(qū)地?zé)豳Y源勘查程度不高，缺少系統(tǒng)的地?zé)豳Y源勘查評價。地?zé)豳Y源尚未進(jìn)行統(tǒng)一開發(fā)利用，政府有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)地?zé)豳Y源勘查評價工作，加快推進(jìn)地?zé)豳Y源開發(fā)利用建設(shè)。

2)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用應(yīng)遵循開源、節(jié)流和保護(hù)并重的方針。本區(qū)地?zé)豳Y源由于埋藏深，補(bǔ)給途徑遠(yuǎn)，再生能力極弱，地?zé)豳Y源有限，并非取之不盡，用之不竭。過量開采，將會產(chǎn)生不良環(huán)境地質(zhì)問題和造成地?zé)豳Y源的浪費(fèi)。

3)規(guī)范地?zé)衢_發(fā)，建立地?zé)豳Y源保護(hù)區(qū)。制定《地?zé)豳Y源開發(fā)利用方案》，地?zé)衢_發(fā)利用統(tǒng)一規(guī)劃，按照規(guī)定的井距、井深和允許開采量進(jìn)行開采，嚴(yán)禁超采。建立地?zé)豳Y源保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁新打地?zé)峋?/p>

4)加強(qiáng)地?zé)豳Y源信息管理。政府部門應(yīng)成立縣地?zé)豳Y源管理機(jī)構(gòu)，出臺地?zé)豳Y源開發(fā)利用管理辦法，建立地?zé)犴椖亢偷責(zé)峋膶徟贫龋晟铺降V權(quán)與采礦權(quán)的取得與轉(zhuǎn)讓制度。建立地?zé)豳Y源信息數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)，為科學(xué)規(guī)劃與指導(dǎo)地?zé)豳Y源勘查開發(fā)有序發(fā)展提供基礎(chǔ)資料。

5)建立地?zé)衢_發(fā)與城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃的銜接，地?zé)豳Y源是城鎮(zhèn)建筑與產(chǎn)業(yè)基地能源供給的重要形式。在城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃的制定中，充分考慮地?zé)豳Y源開發(fā)的潛力，使地?zé)嵩诙竟┡牡玫綇V泛應(yīng)用。

6)加大地?zé)釛壦毓嗔Χ?。地?zé)釛壦毓嗷蛘卟捎脤_采是目前實施地?zé)豳Y源保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)利用的重要手段。在有一定水位下降具備回灌的條件下，積極進(jìn)行采灌結(jié)合，推進(jìn)地?zé)峄毓?，以提高低熱資源的采取率，減少地?zé)崴坏南陆岛偷責(zé)釛壦畬Νh(huán)境的污染，維護(hù)地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用。

5 結(jié)論與建議

1)菏澤城區(qū)西部地區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺魯西斷隆魯西斷塊隆起菏澤凸起的西部，地?zé)岢傻V地質(zhì)條件有利。

2)該區(qū)具有較好開發(fā)利用價值的熱儲層主要是奧陶紀(jì)灰?guī)r類裂隙—巖溶型熱儲。奧陶系灰?guī)r熱儲層，蓋層為第四系、新近系和石炭—二疊系，聊考斷裂為區(qū)內(nèi)控?zé)針?gòu)造，菏澤斷裂為導(dǎo)水構(gòu)造。

3)該地?zé)崴責(zé)崴_(dá)到了氟礦水命名濃度，接近鍶水命名濃度，該地?zé)崴哂袠O高的醫(yī)療保健價值;含有多種對人體有益的微量元素，對人體健康有害的毒理性元素含量極低;地?zé)崴畬饘儆袕?qiáng)腐蝕性，對普通水泥的建筑有結(jié)晶性侵蝕，而對抗硫酸巖水泥無侵蝕性;可生成硫酸鈣、碳酸鈣垢，不生成硅酸鈣垢;不宜直接做為農(nóng)田灌溉、漁業(yè)用水，不能做為生活飲用水;地?zé)嵛菜欧艑Νh(huán)境產(chǎn)生一定影響。

4)在使用過程中應(yīng)做好梯級綜合利用，使這一寶貴的地?zé)豳Y源能夠充分發(fā)揮作用。地?zé)崴ㄟ^換熱器大于50℃水用于取暖、供熱、烘干，40℃水用于洗浴、木材浸泡等的方式進(jìn)行梯級利用，以提高經(jīng)濟(jì)效益。因該地?zé)崴袕?qiáng)腐蝕性和結(jié)垢多的特點，應(yīng)采用間接供熱方式，循環(huán)系統(tǒng)要選用防腐材料。

5)菏澤市城區(qū)可根據(jù)該區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件及地?zé)釂尉挠绊懓霃椒秶?，合理布設(shè)地?zé)峋?。對不同層位地?zé)峋?、井的?shù)量及開采量均應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。

6)加強(qiáng)日常監(jiān)測工作。地?zé)豳Y源開發(fā)利用過程中，應(yīng)建立地?zé)崴畡討B(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對開采量及其引起的水位、水溫、水質(zhì)變化及環(huán)境影響實行有效監(jiān)測，保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)與利用。

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①—山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東省菏澤市牡丹區(qū)杜莊城區(qū)地?zé)豳Y源普查報告，2009.