濟(jì)寧市南部地?zé)豳Y源分析

李?lèi)?ài)軍，張豐，王鵬

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東 兗州　272100；2.濟(jì)寧市采煤塌陷地治理中心，山東 濟(jì)寧　272000)

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濟(jì)寧市南部地?zé)豳Y源分析

李?lèi)?ài)軍1，張豐1，王鵬2

(1.山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東 兗州272100；2.濟(jì)寧市采煤塌陷地治理中心，山東 濟(jì)寧272000)

濟(jì)寧市南部地處魯西南潛隆之濟(jì)寧凹陷，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆孔驗(yàn)證等分析表明，濟(jì)寧城區(qū)南部地?zé)釋賹涌貛r溶裂隙型層狀熱儲(chǔ)中低溫地?zé)崽铮?jīng)初步概算，區(qū)內(nèi)奧陶系灰?guī)r熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源總量為3.424×1017J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.17×107t，開(kāi)發(fā)利用前景十分可觀(guān)。

地?zé)豳Y源；勘查；濟(jì)寧南部

引文格式：李?lèi)?ài)軍，張豐，王鵬.濟(jì)寧市南部地?zé)豳Y源初勘[J].山東國(guó)土資源，2015,31(6)：30-33.LI Aijun，ZHANG Feng，WANG Peng. Preliminary Exploration of Geothermal Resources in South of Jining City[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(6):30-33.

濟(jì)寧市是典型的資源型城市，能源結(jié)構(gòu)主體為煤炭資源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在煤炭資源日益消耗的同時(shí)，煤炭燃燒利用過(guò)程中造成的環(huán)境污染也日趨嚴(yán)重。因此調(diào)整濟(jì)寧市能源結(jié)構(gòu)，加大可替代能源的尋找和可再生資源的開(kāi)發(fā)利用勢(shì)在必行。根據(jù)以往取得的地質(zhì)、物探、測(cè)溫等資料跡象表明，濟(jì)寧市城區(qū)南部一帶存在地?zé)岙惓^(qū)，顯示出該區(qū)地?zé)豳Y源具有良好的開(kāi)發(fā)前景。濟(jì)寧南部地?zé)豳Y源若能加以開(kāi)發(fā)利用，不僅可以緩解能源緊張狀況，而且還可以提高該區(qū)的環(huán)境質(zhì)量，改善人類(lèi)生存環(huán)境和投資環(huán)境，對(duì)于強(qiáng)化城市形象，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

1.1地層

區(qū)內(nèi)地層屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)的濟(jì)寧地層小區(qū)。區(qū)域地層主要發(fā)育有古生界奧陶系、石炭系、二疊系，中生界侏羅系以及新生界第四系①山東省地勘局第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東省濟(jì)寧市城區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查報(bào)告，2002年。

奧陶紀(jì)地層主要為馬家溝群，厚約500～742m，巖性以灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，孫氏店斷裂東部埋深淺西部深，濟(jì)寧斷層西側(cè)埋深1100～1600m，東側(cè)埋深800～1100m。與石炭系呈不整合接觸。

石炭系主要隱伏分布于濟(jì)寧凹陷內(nèi)，包含本溪組及太原組。本溪組厚43.00～70.50m，靠近東部孫氏店斷層厚度變小，往南往西逐漸增厚，巖性以雜色、灰綠色粘土巖、鋁鐵質(zhì)泥巖及灰?guī)r組成。太原組為一套海陸交互相含煤地層，厚約158～192.05m，主要由深灰、灰黑色粉砂巖、泥巖、灰色砂巖、細(xì)砂巖與粉砂巖互層、石灰?guī)r及煤層組成。

二疊系分布與石炭系基本一致，分為山西組和石盒子群。山西組為一套以陸相為主的含煤地層，厚61.90～102.49m，主要由灰色、灰白色中細(xì)砂巖、灰黑色泥巖、粉砂巖和煤層組成；石盒子群為一砂巖、泥巖夾鋁土巖、頁(yè)巖及煤線(xiàn)組成的巖石組合，殘留厚度20～287.20m，由南向北逐漸增厚。

侏羅系主要隱伏分布于濟(jì)寧凹陷區(qū)的南部和西部，主要為淄博群三臺(tái)組，殘厚240.20～641.20m，從北往南、自東向西逐漸增厚，巖性主要為磚紅及紫紅色砂巖、粉砂巖間夾礫巖。

第四系廣泛分布全區(qū)，厚度149.10～246.30m，平均187.42m，由東北向西南逐漸增厚，由粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂及砂礫層組成，與侏羅系呈不整合接觸。

1.2構(gòu)造

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要斷裂是東部的孫氏店斷裂和西部的嘉祥斷裂，分別構(gòu)成濟(jì)寧凹陷與東部?jī)贾萃蛊鸷臀鞑考蜗橥蛊鸬姆纸缇€(xiàn)。另外規(guī)模較大的斷裂尚有劉堤頭斷裂、八里營(yíng)斷裂、二十里鋪斷裂、長(zhǎng)溝斷裂等。該區(qū)斷裂對(duì)地殼深部和巖漿熱源起到了重要的溝通和傳導(dǎo)作用，并可能構(gòu)成地下熱源的良好通道，有利于地下水循環(huán)和儲(chǔ)存。

2　地球物理特征

2.1地溫梯度特征

收集區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘探過(guò)程中鉆孔測(cè)溫資料46個(gè)(測(cè)量深度一般500～1400m)，利用測(cè)溫資料分析研究該區(qū)地溫場(chǎng)平面變化特征和垂向變化特征[1]。

地溫梯度的平面變化與奧陶紀(jì)灰?guī)r埋藏深度關(guān)系密切[2]，同時(shí)受區(qū)內(nèi)隱伏斷裂構(gòu)造和向背斜的影響，在斷裂構(gòu)造密集的地段，背斜軸部地溫梯度較高。在工作區(qū)內(nèi)根據(jù)測(cè)溫所圈定的地?zé)岙惓^(qū)附近，斷裂構(gòu)造相對(duì)較密集，地溫梯度值一般2.2℃/100m，而在工作區(qū)的其他地區(qū)，地溫梯度一般均小于2.2℃/100m。測(cè)溫資料顯示，深層地溫最高值出現(xiàn)在濟(jì)寧城區(qū)南部白莊—分場(chǎng)一帶：19-3號(hào)孔深920m，溫度38.3℃；17-6號(hào)孔深1000.75m，溫度40.6℃。濟(jì)寧城區(qū)東南部八里營(yíng)—前十里營(yíng)一帶的地溫也高于地溫背景值，區(qū)內(nèi)10-8號(hào)孔，孔深850m，地溫達(dá)35.6℃；9-6號(hào)孔深780m，溫度35.5℃；9-5號(hào)孔深750m，溫度達(dá)到35.7℃。

在縱向上地溫變化與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層巖性有關(guān)[3]。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料反映，區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層上覆的石炭—二疊系厚度及巖性較穩(wěn)定，地溫梯度2.5～3.0℃/100m，是熱儲(chǔ)層的良好蓋層；上覆侏羅系地層厚度變化較大，受近SN向斷裂控制，以砂巖為主，熱導(dǎo)率較高，地?zé)崽荻?.15℃/100m；據(jù)物探及鉆孔資料，區(qū)內(nèi)第四系在八里營(yíng)一帶厚約170m，向南至南陽(yáng)湖農(nóng)場(chǎng)一帶增厚至215m，向測(cè)區(qū)西南一帶增厚至230m，地?zé)崽荻?.5℃/100m。

利用區(qū)內(nèi)10-8號(hào)孔成井時(shí)系統(tǒng)測(cè)溫資料繪制的測(cè)溫曲線(xiàn)(圖1)分析工作區(qū)地溫場(chǎng)縱向變化特征：區(qū)內(nèi)變溫帶深度20～40m左右，40m以下為增溫帶，出現(xiàn)地溫持續(xù)升高現(xiàn)象，確定該地區(qū)年恒溫帶深度為40m。40m深度平均地溫為16.0℃，20～40m深度時(shí)的溫度在15～30℃之間變化。地溫曲線(xiàn)在40m深度以下表現(xiàn)為近斜直線(xiàn)型，溫度隨深度增加而均勻升高，地溫梯度為2.2℃/100m左右。

圖1　10-8號(hào)孔地溫梯度變化曲線(xiàn)

2.2區(qū)域重力場(chǎng)特征

區(qū)域重力場(chǎng)資料反映，濟(jì)寧凹陷區(qū)重力底，西部嘉祥斷裂，東部孫氏店斷裂表現(xiàn)為重力梯級(jí)帶。中部劉堤頭斷裂是重力場(chǎng)“零”值線(xiàn)區(qū)，東側(cè)為較緩的重力場(chǎng)升高梯級(jí)帶，推斷由基底及第四系逐漸變淺引起。

2.3地層電性場(chǎng)特征

根據(jù)視電阻率測(cè)深結(jié)果并結(jié)合煤炭鉆孔資料分析，奧陶系熱儲(chǔ)層總的趨勢(shì)是呈水平產(chǎn)出,微微向SW傾斜,孫氏店斷裂以東埋深200m左右，斷裂以西頂板埋深800～1400m。

3　熱儲(chǔ)概念模型

根據(jù)上述條件分析，該區(qū)屬層控巖溶裂隙型層狀熱儲(chǔ)中低溫地?zé)崽铮瑓^(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源主要受地殼深部及上地幔傳導(dǎo)熱流影響，并與孫氏店斷裂和嘉祥斷裂相關(guān)；熱儲(chǔ)層主要為奧陶紀(jì)石灰?guī)r。熱儲(chǔ)層在控?zé)針?gòu)造作用下，從地球深部獲得源源不斷的熱能，使熱儲(chǔ)層中的地下水不斷升溫，而且在巨厚蓋層覆蓋下熱能不斷富集。導(dǎo)水構(gòu)造溝通了含水層間的聯(lián)系，形成了地下水垂向運(yùn)移通道，經(jīng)長(zhǎng)期的對(duì)流循環(huán)，形成了現(xiàn)今可開(kāi)發(fā)利用的地?zé)豳Y源[4]。其頂部分布有較厚的泥巖、砂巖、頁(yè)巖隔水層及中生代燕山時(shí)期的巖漿侵入巖，導(dǎo)熱性較差，構(gòu)成保溫蓋層。在水平方向上，該區(qū)以白莊背斜為中心，熱儲(chǔ)厚度分布較穩(wěn)定，巖性均一。沉積物形成時(shí)期保存下來(lái)的沉積水和濟(jì)寧凹陷區(qū)東、西、北側(cè)巖溶水的側(cè)向徑流補(bǔ)給是該區(qū)熱水的主要補(bǔ)給來(lái)源。其熱儲(chǔ)概念模型見(jiàn)圖2*山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東省濟(jì)寧市城區(qū)南部地?zé)豳Y源勘查(預(yù)可行性勘查階段)，2013年。

1—第四系;2—侏羅系;3—二疊系;4—石炭系;5—奧陶系;6—寒武系;7—新太古代泰山巖群;8—熱儲(chǔ)層;9—熱儲(chǔ)蓋層;10—地?zé)崴畞?lái)源;11—地?zé)崴纬蛇^(guò)程;12—深大斷裂導(dǎo)熱圖2　濟(jì)寧市城區(qū)熱儲(chǔ)概念模型示意圖

4　地?zé)豳Y源計(jì)算與評(píng)價(jià)

依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB/T11615-2010)的規(guī)定，采用熱儲(chǔ)法對(duì)熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量進(jìn)行計(jì)算。熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量包括巖石中儲(chǔ)存的熱量和熱水中儲(chǔ)存的熱量2部分[5]，計(jì)算區(qū)為勘查區(qū)內(nèi)奧陶系分布范圍，根據(jù)奧陶系頂板埋深分為2個(gè)計(jì)算亞區(qū)，分別計(jì)算地?zé)豳Y源量，Ⅰ區(qū)分布于東部，熱儲(chǔ)層頂板埋深為950～1100m，面積8.38km2，Ⅱ區(qū)分布于西部，熱儲(chǔ)層頂板埋深為1100～1200m，面積12.45km2。

4.1巖石中儲(chǔ)存的熱量

計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Qr—巖石中儲(chǔ)存的熱量(J)；A—計(jì)算區(qū)面積(m2)；d—熱儲(chǔ)厚度(m)；ρr—熱儲(chǔ)巖石密度(kg/m3)；cr—熱儲(chǔ)巖石比熱(J/kg·℃)；φ—熱儲(chǔ)巖石的空隙度(無(wú)量綱)；tr—熱儲(chǔ)溫度(℃)；t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；各熱儲(chǔ)巖石中儲(chǔ)存的熱量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　巖石中儲(chǔ)存的熱量計(jì)算結(jié)果

4.2水中儲(chǔ)存的熱量

(1)計(jì)算公式:

(2)

(3)

(4)

Q2=ASH

(5)

式中：QW—水中儲(chǔ)存的熱量(J)；QL—熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的水量(m3)；Q1—熱儲(chǔ)孔隙中熱水的儲(chǔ)存量(m3)；Q2—水位降低到目前取水能力極限深度時(shí)熱儲(chǔ)所釋放的水量(m3)；A—計(jì)算區(qū)面積(m2)；d—熱儲(chǔ)厚度(m)；φ—熱儲(chǔ)巖石的空隙度(無(wú)量綱)；tr—熱儲(chǔ)溫度(℃)；t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?℃)；ρw—地?zé)崴芏?kg/m3)；S—熱儲(chǔ)彈性釋水系數(shù)(無(wú)量綱)；H—計(jì)算起始點(diǎn)以上高度(m)；Cw—水的比熱(J/kg·℃)。

(2)計(jì)算結(jié)果：經(jīng)計(jì)算，熱水靜儲(chǔ)資源量見(jiàn)表2、表3。

4.3熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量

熱儲(chǔ)中儲(chǔ)存的熱量為熱儲(chǔ)巖石中儲(chǔ)存的熱量和熱水中儲(chǔ)存的熱量之和，計(jì)算區(qū)范圍內(nèi)奧陶系熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源總量為3.424×1017J，相當(dāng)于1.17×107t標(biāo)準(zhǔn)煤。

5　地?zé)徙@孔驗(yàn)證及產(chǎn)能計(jì)算

根據(jù)前期確定的地?zé)崽讲山Y(jié)合井的位置施工地?zé)峥碧娇走M(jìn)行驗(yàn)證。鉆探深度為1302m，地?zé)峋谒疁?3℃，同時(shí)對(duì)該井進(jìn)行了3個(gè)落程的產(chǎn)能試驗(yàn)及水位恢復(fù)試驗(yàn)[4]。依據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615-2010)有關(guān)規(guī)定，地?zé)峋觊_(kāi)采累計(jì)可利用的熱能量按照公式6計(jì)算：

表2　奧陶系熱儲(chǔ)層地?zé)崴o儲(chǔ)水量計(jì)算成果

表3　奧陶系熱儲(chǔ)層地?zé)崴o儲(chǔ)資源量計(jì)算成果

∑Wt=86.4DWt/K

(6)

式中：ΣWt—每年可利用的熱能(MJ)；D—全年開(kāi)采日數(shù)(d);Wt—熱功率(kw)；86.4—單位換算系數(shù)；K—熱效比(按燃煤鍋爐的熱效率0.6計(jì)算)。

熱功率按公式7計(jì)算：

Wt=4.1868Q(t-t0)

(7)

式中：Q—地?zé)崴砷_(kāi)采量，單位為升每秒(L/s)；t—熱水溫度，單位為攝氏度(℃)；t0—當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?，單位為攝氏度(℃)；4.1868—單位換算系數(shù)。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　年累計(jì)可利用熱能計(jì)算結(jié)果

6　開(kāi)發(fā)利用分析

該地?zé)峋谒疁?3℃，按地?zé)豳Y源溫度分級(jí)，為溫?zé)崴?。水溫適中，可用于供熱取暖、醫(yī)療洗浴、水產(chǎn)養(yǎng)殖、溫室種植等[6]。熱水中鍶含量、氟元素濃度達(dá)到命名礦水濃度，偏硅酸濃度達(dá)到礦水濃度，氡濃度、偏硼酸濃度達(dá)到有醫(yī)療價(jià)值濃度，可命名為鍶氟礦泉水。地?zé)峋R近太白湖風(fēng)景區(qū)，根據(jù)濟(jì)寧城市規(guī)劃，該區(qū)附近將規(guī)劃開(kāi)發(fā)為濱湖新區(qū)及旅游度假區(qū)，形成以生態(tài)涵養(yǎng)為主，高檔居住、旅游度假、休閑娛樂(lè)為補(bǔ)充的綜合功能區(qū)域。地?zé)豳Y源有著廣闊的開(kāi)發(fā)和利用空間。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展地?zé)峥碧焦ぷ鳎笕「訙?zhǔn)確的地?zé)豳Y源計(jì)算參數(shù)和合理的布井方案，確保地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，充分發(fā)揮地?zé)豳Y源的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1]曹洪松,逯光明,石建,等.濟(jì)寧市城區(qū)遙感地?zé)岙惓＜捌涞責(zé)崽锏刭|(zhì)特征[J].山東國(guó)土資源,2008,24(4):29-34.

[2]徐軍祥,康鳳新.山東省地?zé)豳Y源[J].中國(guó)地質(zhì),1999,(9):30-31.

[3]楊斌,牛保祥.水井測(cè)溫在地?zé)崞詹橹械膽?yīng)用[J].山東國(guó)土資源,2005,21(9):65-66.

[4]任書(shū)才,趙虹,張中祥,等.山東省地?zé)豳Y源特征及勘查對(duì)策[J].地?zé)崮?2006,(6):21-22.

[5]楊毓桐.地?zé)豳Y源的形成與評(píng)價(jià)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1983,(5):1-2.

[6]高宗軍，吳立進(jìn)，曹紅.山東省地?zé)豳Y源及其開(kāi)發(fā)利用[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(2)：1-6.

Preliminary Exploration of Geothermal Resources in South of Jining City

LI Aijun， ZHANG Feng，WANG Peng

(Lunan Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Yanzhou 272100，China)

Southern Jining city is located in Jining depression of Luxinan hidden uplift in Shandong province. Through analysis of geological investigation, geophysical prospecting and drilling verification, it is showed that geothermal resource in southern Jining city belongs to low temperature strata bound fissure type geothermal field. Through preliminary estimation, total amount of thermal storage of geothermal resources of Ordovician limestone in this region is 3.424 x 1017J, which is equivalent to standard coal of 1.17 x 107t. It has a quite considerable prospect for development and utilization.

Geothermal resources；exploration；southern Jining city

2014-08-26；

2015-04-16；編輯：王敏

李?lèi)?ài)軍(1982—)，女，遼寧丹東人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail:26977886@qq.com

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