楊崇敬
(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 日照 276826)
地?zé)豳Y源的應(yīng)用越來越廣泛,具有成本低、無污染、一次開發(fā)長期利用的特點[1],20世紀(jì)70年代世界石油危機(jī)之后,地?zé)豳Y源的開發(fā)利用經(jīng)歷了快速發(fā)展期,美國、日本、冰島對地?zé)豳Y源的研究程度較高,很多經(jīng)驗和做法值得借鑒。近年來,我國做了大量的“斷控型”地?zé)豳Y源研究,但基本處于“就熱找熱”階段,系統(tǒng)勘查和開發(fā)階段研究程度較低[2]。日照市沿海地區(qū)屬魯東隆起地?zé)釁^(qū),位于日照-青島斷裂兩側(cè),區(qū)域性斷裂構(gòu)造較發(fā)育,具有較好的“斷控型”地?zé)岢蔁岬刭|(zhì)條件,該區(qū)域開展了許多地?zé)峥辈楣ぷ?,但是尚未取得突破性成果,為了系統(tǒng)地查明該區(qū)地?zé)豳Y源發(fā)育條件,研究地?zé)豳Y源特征,為下一步開展地?zé)峥辈楣ぷ魈峁┮罁?jù),2016—2017年,山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院開展了日照市東部地區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查工作,取得了較好的研究成果(1)山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,日照市東部地區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查報告,2017年。。
日照市沿海地區(qū)大地構(gòu)造位于蘇魯造山帶(Ⅰ)、膠南-榮成隆起區(qū)(Ⅱ)、膠南隆起區(qū)(Ⅲ)、膠南凸起(Ⅴ)東部。研究區(qū)屬魯東地層分區(qū),膠南-東海地層小區(qū),區(qū)域斷裂構(gòu)造主要分為NE向和近EW向2組(圖1),其中NE向斷裂延伸長度大、產(chǎn)狀陡,主要包括日照-青島斷裂、花崖-徐家坪斷裂;近EW向斷裂包括五洞府?dāng)嗔选⒋笕獪?廟山前斷裂(F1斷裂)等。NE向斷裂常與近EW向和NW向斷裂相互交會、錯斷,大氣降水通過斷裂或不同巖體接觸帶下滲至深部,經(jīng)深循環(huán)加熱,通過NE向主干斷裂的溝通,上升至近地表形成熱水,一般平面等溫線長軸方向為控?zé)釘嗔炎呦騕3]。
圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造圖
2.1.1 區(qū)域大地?zé)崃髦?/p>
大地?zé)崃魇潜硎镜厍驘釄龌咎卣鲄?shù),可以有效地評價區(qū)域地?zé)豳Y源潛力,但由于地表的熱平衡主要受太陽輻射的影響,大地?zé)崃鞯臏y定還存在不少問題且難度較大,該次研究利用李學(xué)倫等人出版的《山東半島硅熱流值與區(qū)域地質(zhì)條件的關(guān)系》一文,研究區(qū)附近大地?zé)崃髦导s60mW/m2,略低于山東半島平均熱流值[4]。
2.1.2 地溫場特征
該次研究工作共完成機(jī)民井地溫測量100眼,主要集中在研究區(qū)主要斷裂構(gòu)造附近,其中井深30m及以上的測溫井96眼,這些井可以較完整的反映出恒溫帶和地溫梯度情況。然后利用Minitab軟件對測溫數(shù)據(jù)分析整理,剔除部分異常數(shù)據(jù)后,采用置信區(qū)間的數(shù)據(jù)計算均值進(jìn)行擬合(圖2),得出整個研究區(qū)恒溫帶埋深為17.84~26.15m,恒溫帶溫度主要分布區(qū)間為14.12~16.37℃,恒溫帶平均溫度為15.39℃。恒溫帶溫度較高的地區(qū)主要有三柱山、南湖、高旺、汾水4個區(qū)域,恒溫帶溫度均在15.39℃以上,其中三柱山區(qū)域恒溫帶溫度一般在16℃以上,大泉溝地?zé)峋钡腏52井恒溫值為16.7℃;南湖區(qū)域恒溫帶溫度為15.8℃左右,徐家坪嘉年華內(nèi)測溫井J27恒溫帶16.5℃,為該區(qū)最高值;汾水區(qū)域恒溫帶溫度一般在16.0℃左右,沿海高速西的辛莊子村J49井達(dá)16.4℃;高旺區(qū)域經(jīng)分析是由于調(diào)查井利用自吸泵常年抽水,對水溫產(chǎn)生了加熱效應(yīng)。
圖2 研究區(qū)恒溫帶溫度及上、下限正態(tài)擬合曲線
從三柱山、南湖、汾水3個區(qū)域恒溫帶分布情況分析,高值區(qū)域往往與區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育區(qū)域重合,這也從淺部指示了區(qū)內(nèi)的主要控?zé)針?gòu)造。如三柱山區(qū)域熱異常主要沿大泉溝-廟山前斷裂分布,向東溫度有增高趨勢;南湖區(qū)域15.6℃,15.8℃等值線圈定的異常區(qū)呈條帶狀[5],大體沿著花崖-徐家坪斷裂帶的走向;汾水區(qū)域由于靠近城區(qū),測溫井控制數(shù)量較少,但熱異常也出現(xiàn)梭羅樹斷裂附近。
2.1.3 地溫梯度
以測溫井孔地溫梯度值為橫坐標(biāo),出現(xiàn)頻率為縱坐標(biāo),作出正態(tài)擬合曲線,得出研究區(qū)地溫梯度平均值為1.46℃/100m。以全區(qū)地溫梯度平均值為界,地溫梯度呈明顯偏高的主要有3個區(qū)域:南湖區(qū)域徐家坪-萬家坪一帶、三柱山區(qū)域及高旺區(qū)域(表1);兩城鎮(zhèn)南和五洞府?dāng)嗔驯边@2個區(qū)域地溫梯度值較低。高旺區(qū)域地溫梯度高值區(qū)僅由J34號一個測溫井單點圈定,周邊未能找到更多具有一定深度的井孔,異常難以驗證,而南湖區(qū)域和三柱山區(qū)域地溫梯度高值區(qū)則是由多個測溫井圈定,可信度較高。
表1 熱異常區(qū)地溫梯度值
2.1.4 熱儲溫度
地溫梯度高值異常所在部位和恒溫帶高值異常區(qū)域基本一致,主要位于南湖區(qū)域和三柱山區(qū)域,高旺區(qū)域在恒溫帶和地溫梯度上均是單點異常,而汾水區(qū)域地溫梯度值與全區(qū)相比未見明顯異常。
針對上述2個異常區(qū)域開展了音頻大地電磁測量(AMT)并施工了2眼測溫孔,編號分別為ZK1,ZK2。根據(jù)三柱山區(qū)域AMT物探解譯成果和施工測溫孔ZK1資料,該區(qū)域熱儲構(gòu)造破碎帶發(fā)育深度超過1800m,由于測溫孔未完全穿透熱儲層,故利用地溫梯度值對熱儲溫度進(jìn)行推算,測溫孔ZK1測溫曲線見圖3。ZK1孔測溫深度291m,恒溫帶位于15~25m,恒溫帶溫度14.4℃,全孔地溫梯度2.03℃/100m,按熱儲埋深1800m計算,三柱山區(qū)域的熱儲溫度為50.43℃。
南湖區(qū)域施工的測溫孔ZK2雖然位于推斷構(gòu)造低阻帶的上盤,但單井涌水量較小、地溫梯度較低,而周邊施工的J28井涌水量及地溫梯度均較ZK2孔理想,物探解譯低阻帶發(fā)育,且位于恒溫帶和地溫梯度圈定的高值區(qū)內(nèi),更能反映該區(qū)的熱儲情況,故利用J28井測溫數(shù)據(jù)推算南湖重點調(diào)查區(qū)的熱儲溫度,其測溫曲線見圖4。J28井測溫深度305m,恒溫帶位于20~30m,恒溫帶溫度16.2℃,全孔地溫梯度為2.40℃/100m,該井位于南湖區(qū)域AMT-2線1600點處,低阻帶發(fā)育深度約1700m,按熱儲埋深1700m計算,南湖區(qū)域熱儲溫度為56.28℃。
圖3 測溫孔ZK1測溫曲線
圖4 測溫孔J28測溫曲線
熱儲概念模型的建立要查明熱源、水源、蓋層、通道、熱儲層,根據(jù)研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件,明確熱儲概念模型的各項因子,最終完成模型建立[6]。通過對研究區(qū)地溫場、地溫梯度、熱儲溫度等的研究,發(fā)現(xiàn)了三柱山和南湖區(qū)域2個地?zé)岙惓^(qū),下面以三柱山區(qū)域地?zé)岙惓^(qū)熱儲特征為例進(jìn)行分析。
三柱山區(qū)域整體地勢東、西兩側(cè)高,中部略起伏,南北平坦開闊,形成NE向的山間負(fù)地形,延伸方向與重力解譯的日照-青島斷裂基本重合。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育程度一般,大氣降水沿地形坡度降至東西兩側(cè)的丘陵-低山地形區(qū)入滲補(bǔ)給地下水后,沿日照-青島斷裂兩側(cè)的次級斷裂向中部逐漸匯集,形成集水廊道,地下水在日照-青島斷裂及其次級斷裂(如大泉溝-廟山前斷裂)交會部位深部加熱并富集礦物質(zhì),形成地?zé)豳Y源,屬斷控半封閉型熱儲,其中東西兩側(cè)山嶺形成小區(qū)域分水嶺,為第二類零流量邊界條件;南北兩側(cè)逐漸形成沙墩河及潮河支流,常年有水,為第二類定流量邊界條件。通過物探解譯成果,發(fā)現(xiàn)大泉溝-廟山前斷裂整體走向NWW,傾向S,傾角為75°左右,發(fā)育深度1800m左右,向西發(fā)育隱伏段F7斷裂,日照-青島斷裂次生斷裂F8傾向E,傾角為75°左右。后期在在F7和F8斷裂交會處偏東布設(shè)了測溫孔ZK1,顯示該區(qū)域含水層良好,東部山海天地區(qū)施工的大泉溝地?zé)峋沧C實了該文分析的結(jié)論。根據(jù)上述分析,建立了三柱山區(qū)域熱儲概念模型(圖5)。
1—山前組含礫砂質(zhì)黏土;2—絲山單元角閃黑云二長花崗巖;3—構(gòu)造破碎帶;4—構(gòu)造裂隙;5—大地深部熱流;6—地表水流向;7—地下水流向圖5 三柱山區(qū)域熱儲概念模型
(1)熱源
地球內(nèi)部熱流主要通過傳導(dǎo)、對流、熱巖漿上移攜帶(巖漿侵入或火山噴發(fā))3種形式向外傳遞,其中對流是地?zé)崃黧w向地表傳遞最有效的形式。三柱山區(qū)域發(fā)育大泉溝-廟山前斷裂和日照-青島斷裂,低阻帶發(fā)育深度1800m左右,寬度較大,斷裂發(fā)育使完整基巖形成了自下而上的破碎帶,為深部熱流向地表傳導(dǎo)提供對流通道,地下水在此富集,并受深部熱流的“烘烤”加熱,故形成地?zé)豳Y源[7]。
(2)水源
三柱山區(qū)域地?zé)豳Y源水源主要來源于大氣降水,分別自東西兩側(cè)的分水嶺下滲至深部補(bǔ)給地下水,經(jīng)加熱后形成地?zé)崃黧w。
(3)蓋層
三柱山區(qū)域蓋層為黑云二長花崗巖,該區(qū)斷裂破碎帶上部的巖體均相對完整致密,為隔水層,可避免淺部地下涼水與深部地?zé)崃黧w發(fā)生水體交換,防止熱儲層地?zé)崃黧w被混合降溫,此外完整的花崗巖也具有一定的保溫效果,防止深部熱源散失。
(4)通道
三柱山區(qū)域的導(dǎo)水通道主要為大泉溝-廟山前斷裂,該斷裂走向NWW,傾向S,傾角75°左右,構(gòu)造性質(zhì)為張性,具有較好的導(dǎo)水、儲水性能,由于該斷裂周邊地溫梯度較高,因此大泉溝-廟山前斷裂也是主要的導(dǎo)熱構(gòu)造;日照-青島斷裂的次級斷裂F8為導(dǎo)熱、阻水構(gòu)造,傾向E,傾角約75°,該斷裂產(chǎn)狀陡直,物探解譯切割深度大,可連同深部大地?zé)崃鳎捎谠摂嗔褳閴号ば?,斷裂?nèi)部放射性衰變、摩擦產(chǎn)生的熱量,也可沿該斷裂破碎帶向地表傳導(dǎo)[8]。
(5)熱儲層
三柱山區(qū)域熱儲層為大泉溝-廟山前斷裂和日照-青島斷裂的次級斷裂F8共同影響的構(gòu)造破碎帶,發(fā)育深度約1800m。地下水沿地形坡降由四周向中部匯流,深部地下水自東向西沿大泉溝-廟山前斷裂徑流,遇F8斷裂阻擋后形成凝滯區(qū),地下水在斷裂帶內(nèi)受深部熱源加熱、溫度升高[9],與周邊圍巖發(fā)生溶濾、交代作用富含多種礦物質(zhì),最終形成具有較高溫度和礦物質(zhì)的地?zé)崃黧w。
同理,南湖區(qū)域發(fā)育花崖-徐家坪斷裂帶,斷裂帶寬大,低阻帶發(fā)育深度超過1700m,蓋層為細(xì)粒二長花崗巖,導(dǎo)水通道主要為花崖-徐家坪斷裂帶的F2斷裂,該斷裂走向NNE,傾向SE,傾角約80°,富水性良好,具有較好的導(dǎo)水、儲水性能,熱儲層為花崖-徐家坪斷裂帶3條構(gòu)造影響的構(gòu)造破碎帶,發(fā)育深度約1700m,熱儲概念模型見圖6。
1—沂河組含礫混礫砂、砂礫;2—青臺山晶洞長花崗巖;3—云山單元細(xì)粒二長花崗巖;4—構(gòu)造破碎帶;5—構(gòu)造裂隙;6—大地深部熱流;7—地表水流向; 8—地下水流向圖6 南湖區(qū)域熱儲概念模型
綜上,日照市沿海地區(qū)地?zé)岙惓^(qū)屬“斷控型”帶狀熱儲,地下水接受入滲補(bǔ)給后,沿著導(dǎo)水構(gòu)造匯集,在深部加熱并與圍巖發(fā)生溶濾作用,形成富含礦物質(zhì)的地?zé)崴罱K沿斷裂破碎帶傳輸至地表,形成了地?zé)岙惓^(qū)。日照市沿海地區(qū)主要的含水構(gòu)造為NWW向和近EW向斷層。
根據(jù)水文地質(zhì)手冊(第二版)及《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB11615—2010)中相關(guān)計算要求,采用熱儲法對三柱山和南湖區(qū)域地?zé)豳Y源進(jìn)行了評價,計算參數(shù)以施工的測溫孔為主,部分參考了大泉溝地?zé)峋南嚓P(guān)數(shù)據(jù)。三柱山區(qū)域地?zé)豳Y源量為3.07×1015J,可利用地?zé)豳Y源量:2.46×1014J,若開發(fā)一口地?zé)峋?,按測溫孔ZK1揭露的水文參數(shù),在允許開采量為499.545m3/d,每天開采18h的開采強(qiáng)度條件下,每年采出的熱能為1.24×107MJ[10]。南湖區(qū)域地?zé)豳Y源量為:3.85×1015J,可利用地?zé)豳Y源量:3.08×1014J,若開發(fā)一口地?zé)峋?,按J28測溫井揭露的水文參數(shù),在允許開采量為360m3/d,每天開采18h的開采強(qiáng)度條件下,每年采出的熱能為9.94×106MJ。
日照市沿海地區(qū)地?zé)岙惓YY源屬“斷控型”帶狀熱儲,地?zé)岙惓R话愠霈F(xiàn)在斷裂構(gòu)造或多組構(gòu)造交會的區(qū)域,大氣降水或地表水沿斷裂構(gòu)造下滲匯集形成補(bǔ)給,經(jīng)深循環(huán)吸收巖石中熱量形成熱水,沿著斷裂構(gòu)造上升,最終形成地?zé)豳Y源。日照市沿海地區(qū)NW,EW向斷裂一般為張性斷裂,是區(qū)內(nèi)主要的導(dǎo)水構(gòu)造,NE向構(gòu)造為區(qū)內(nèi)主干斷裂,發(fā)育深度大,是主要的導(dǎo)熱構(gòu)造。NW,EW向斷裂和NE向構(gòu)造交會處為地?zé)豳Y源賦存的有利場所,日照市大泉溝地?zé)崽锛次挥贜E向日照-青島斷裂及近EW向大泉溝-廟山前斷裂交會處附近。上述區(qū)域為日照市沿海地區(qū)下一步的地?zé)峥辈橹该髁朔较?,也為類似“斷控型”地?zé)豳Y源研究提供了參考。