山東臨沂地區(qū)古生代復合熱儲成礦模式研究

曹艷玲，崔玉良，吳 波，劉 連，江海洋，崔 素，王 威，范振華

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083;2.山東省第一地質礦產(chǎn)勘查院，山東濟南 250000;3.山東省富鐵礦勘查技術開發(fā)工程實驗室，山東濟南 250000)

0 引言

山東省地熱資源可劃分為魯西北拗陷區(qū)、魯西隆起區(qū)、沂沭斷裂帶區(qū)以及魯東隆起區(qū)四個區(qū)(欒光忠和劉激，2003)，臨沂地區(qū)屬于四個分區(qū)中的“沂沭斷裂帶分區(qū)”(王鈞和黃尚瑤，1990；李付全和高宗軍，2011)。該地區(qū)脆性斷裂較發(fā)育(李洪奎等,2004)，地熱資源豐富，且分布多處溫泉(欒光忠和劉激，2003)。研究表明臨沂地區(qū)地熱資源主要受控于沂沭斷裂的發(fā)育與活動。但對沂沭斷裂帶成熱模式存在諸多爭議：(1)帶狀和層狀熱儲兩種熱儲模式的復合模式(李付全，2011)；(2)層狀熱儲模式(蘇寶杰等，2015)；(3)帶狀熱儲模式(郭士昌等，2009)。

本文在前人研究基礎上，結合臨沂地區(qū)地熱地質條件，通過地球物理分析、地熱井的地溫場垂向變化特征，闡述該地區(qū)地熱資源形成及賦存條件等規(guī)律，進一步研究總結地熱成礦模式，旨在為該地區(qū)地熱資源的勘查與開發(fā)提供科學依據(jù)。

1 區(qū)域地質概況

臨沂地區(qū)位于華北克拉通魯西地塊和魯東地塊兩個二級構造單元結合部位及以西區(qū)域，二者被沂沭斷裂帶分割(田洪水等，2006；董詠梅等，2009)。沂沭斷裂帶由西向東由鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂、安丘-莒縣斷裂和昌邑-大店斷裂四條主干斷裂組成，形成“兩塹夾一地壘”構造格局(田洪水等，2007)。其中西部三條斷裂于中生代時期形成且新生代以來活動特征明顯，具有切割深度大(切穿地殼)、活動時間長等特點。主干斷裂的主斷裂面往往呈舒緩波狀，斷裂破碎帶內擠壓片理、透鏡體大量分布，且透鏡體長軸方向與斷裂帶總體方向有一交角，斷層泥、糜棱巖、階步、擦痕均較發(fā)育，并顯示左行壓扭特征。此外，沂沭斷裂帶附近還發(fā)育許多北西向、東西向次級斷裂(晁洪太等，1994；張鵬等，2020)(圖1)，縱橫捭闔，組成了網(wǎng)絡狀斷裂區(qū)域。

區(qū)域內地層自下而上主要有：震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、白堊系、第四系。根據(jù)地層順序及巖性、含水性分析，研究區(qū)內熱儲可能為寒武紀李官組和朱砂洞組層狀兼帶狀熱儲層，蓋層可能為長清群饅頭組、九龍群張夏組、炒米店組、三山子組、馬家溝群、青山群及第四系，總厚度約650～750 m。饅頭組、張夏組、炒米店組、三山子組巖性為砂巖，保溫性能好，馬家溝群、青山群保溫性能差，第四系保溫性能中等。因此，第四系覆蓋區(qū)域保溫性能好，馬家溝群和青山群直接出露區(qū)域保溫性能差一些。

其中，區(qū)內與地熱相關的熱儲地層主要為寒武紀李官組、朱砂洞組，蓋層為寒武-奧陶系饅頭組、張夏組、炒米店組、三山子組、馬家溝群及白堊系青山群和第四系。

圖1 臨沂區(qū)域地質簡圖Fig.1 Regional geological map of Linyi area1-第四系；2-新近系；3-白堊系；4-石炭系；5-寒武系；6-震旦系；7-巖漿巖；8-斷裂帶1-Quaternary；2-Neogene；3-Cretaceous；4-Carboniferous；5-Cambrian；6-Sinian；7-magmatic rock；8-fault zone

2 研究區(qū)地熱深部特征

在沂沭斷裂帶以西區(qū)域布置7口地熱井，井深1000～2800 m不等，獲得了關于涌水量、水位降深、水溫、蓋層厚度、層狀熱儲厚度、熱儲層頂?shù)装迓裆?、熱儲溫度等信?表1、表2)。

表1 鉆孔孔深及蓋層、熱儲層厚度統(tǒng)計表

表2 臨沂地區(qū)復合熱儲地熱井資料匯總表

根據(jù)地熱井的地質鉆探、巖屑編錄及電測井資料分析，將該7口地熱井斷裂破碎帶、裂隙發(fā)育、孔隙度相對較大的層段作為含水層段。許家湖XJDR1井共利用了12層含水段，總厚度為49.95 m，平均孔隙度為6.1%；XJDR2井共利用8層含水段，總厚度為85 m，平均孔隙度為4.26%；XJDR3井共利用19層含水段，總厚度為24.2 m，平均孔隙度為3.64%(表3)。柳航頭HD1井含水層6層，總厚度24 m，平均孔隙度為3.06%；北城新區(qū)DR1井含水層7層，總厚度69 m，平均孔隙度為3.17%；北城新區(qū)DR3井含水層3層，總厚度24 m，平均孔隙度為4.21%(表4)。

表3 許家湖XJDR1、XJDR2、XJDR3井含水層厚度統(tǒng)計表

續(xù)表3

表4 柳航頭和北城新區(qū)地熱井含水層厚度統(tǒng)計表

該7口地熱井位于臨沂市的三個位置：許家湖、北城新區(qū)和柳航頭，互相之間距離較遠(圖2)，將距離較近的鉆孔生成連井成礦模式圖(圖3、圖4、圖5)。

圖2 地熱井位置示意圖Fig.2 Sketch showing locations of geothermal wells1-斷裂；2-孔位及編號；3-地理位置；4-河流；5-高速；6-鐵路；7-公路1-fault zone；2-borehole and number；3-geographic location；4-river；5-expressway；6-railway；7-road

圖3 許家湖鉆孔連井成礦模式圖Fig.3 Genesis model of geothermal reservoirs and linked boreholes1-第四紀臨沂組；2-白堊紀王氏群林家莊組；3-白堊紀大盛群孟疃組；4-白堊紀大盛群寺前村組；5-白堊紀大盛群田家樓組；6-奧陶紀馬家溝群北庵莊組；7-奧陶紀馬家溝群東黃山組；8-蓋層；9-熱儲層；10-中太古代沂水巖群；11-英靈山中粗粒片麻狀英云閃長巖；12-地質界線；13-斷裂；14-熱源運動方向；15-終孔深度(m)；16-抽水降深(m)；17-出水量(m3/d)；18-地溫梯度(℃/100m)；19-礦化度(mg/L)1-Quaternary Linyi Formation；2-Cretaceous Wangshi Group Linjiazhuang Formation；3-Cretaceous Dasheng Group Mengtuan Formation；4-Cretaceous Dasheng Group Siqiancun Formation；5-Cretaceous Dasheng Group Tianjialou Formation；6-Ordovician Majiagou Group Beianzhuang Formation；7-Ordovician Majiagou Group Donghuangshan Formation；8-cover；9-thermal reservoir；10-Middle Archean Yishui Group；11-medium coarse grained gneissic tonalite in Yinglingshan；12-geological boundary；13-fault；14-moving direction of heat source；15-final borehole depth (m)；16-drawdown depth (m)；17-water yield (m3/d)；18-ground temperature gradient (℃/100m)；19-mineralization degree (mg/L)

圖4 北城新區(qū)鉆孔連井成礦模式圖(a)及平面位置圖(b)Fig.4 Genesis model of geothermal reservoirs(a) and linked boreholes(b) in Beicheng New Area1-白堊紀青山群八畝地組；2-石炭-二疊紀月門溝群山西組；3-石炭-二疊紀月門溝群太原組；4-石炭-二疊紀月門溝群本溪組；5-奧 陶紀；6-寒武紀；7-震旦紀土門群；8-泰山巖群；9-斷裂帶；10-地熱井；11-熱流運動方向1-Cretaceous Qingshan Group Bamudi Formation；2-Carboniferous Permian Yuemengou Group Shanxi Formation；3-Carboniferous Permian Yuemengou Group Taiyuan Formation；4-Carboniferous Permian Yuemengou Group Benxi Formation；5-Ordovician；6-Cambrian；7-Sinian Tumen Group；8-Taishan Group；9-fault zone；10-geothermal well；11-heat flow direction

圖5 柳航頭鉆孔連井成礦模式圖Fig.5 Metallogenic model of Liuhangtou borehole connected well1-白堊紀固城組；2-白堊紀青山群八畝地組；3-奧陶紀；4-寒武紀；5-斷裂帶；6-熱流運動方向；7-地熱井1-Cretaceous Gucheng Formation；2-Cretaceous Qingshan Group Bamudi Formation；3-Ordovician；4-Cambrian；5-fault zone；6-heat flow direction；7-geothermal well

上述地熱井揭露深度地熱相關信息可知，涌水量在160.08～1431.12 m3/d之間，平均759 m3/d；水位降深在71.86～280 m之間，平均198 m；水溫在31～52 ℃之間，平均41.2 ℃；蓋層厚度介于780～1674 m，平均1218 m；層狀熱儲厚度在351～1535 m之間，平均663 m；熱儲層頂板埋深在456～1450 m之間，平均816 m；熱儲層頂板埋深在953～2617.9 m，平均1743.7 m；井口水溫在31～52 ℃之間，平均41.2 ℃；井底溫度在40.5～76.71 ℃，平均57.3 ℃；熱儲溫度在36～52 ℃之間，平均44 ℃。

歸一化可用于比較不同數(shù)據(jù)維度的變化規(guī)律(劉素紅等,2000)，將孔深、水溫、蓋層厚度、層狀熱儲厚度用各自的最大值作為分母進行歸一化處理后，所有的數(shù)值變化范圍在0到1之間，可形成折線圖?？咨?、蓋層厚度與水溫趨勢相近，三者相關性較強，但層狀熱儲厚度與水溫相關性較差(圖6a)。收集周邊4個地熱井資料后，同理，將井口溫度、井底溫度、熱儲層頂?shù)茁裆?、熱儲溫度均一化處理后形成折線圖，圖中顯示井口溫度、井底溫度、熱儲底板埋深與熱儲溫度相關性強(圖6b)。

圖6 孔深、水溫、蓋層厚度、熱儲厚度變化圖(a)、鉆孔溫度與熱儲關系歸一化對比圖(b)Fig.6 Variation curves of hole depth，water temperature，cap thickness and thermal reservoir thickness(a),normalized comparison diagram of the relationship between borehole temperature and thermal storage(b)

3 地熱地質條件分析

地熱水形成需具備源、通、儲、蓋四要素。現(xiàn)分別對其各要素進行闡述如下。

3.1 熱源特征

熱儲溫度場主要是受斷裂構造控制(欒光忠和劉激，2003)，大地熱流值異常高值往往分布在板塊邊界縫合帶、深大斷裂活動帶(袁玉松等，2006；楊曉飛和范二川，2020)。因此，大地熱流能夠反映區(qū)域的地熱狀態(tài)和構造帶活動性(白嘉啟等，1998)。在大地熱流等值線圖中，研究區(qū)主要分布在梯度帶上，梯度帶往南至郯城逐漸閉合(圖7)。其特點是出現(xiàn)封閉式小串珠狀高值區(qū)，郯城可達到75 mW/m2，往北至研究區(qū)西北邊緣又出現(xiàn)低值區(qū)達60 mW/m2，向北又出現(xiàn)高值區(qū)70 mW/m2，從中可以看出從郯城往北地表熱流值呈現(xiàn)高-低-高-低-高的波浪式特征，其熱流值場超過全球平均值(63 mW/m2)水平。從橫向看，熱流值在魯西地塊上呈近南北展布低值區(qū)。區(qū)域上沂沭斷裂帶、聊城-蘭考斷裂帶、齊河-廣饒斷裂帶和豐沛斷裂帶均對應熱流值的臺階式變化。研究區(qū)內熱流值60～75 mW/m2，絕大部分地區(qū)大于63 mW/m2，高于全球平均值，并且研究區(qū)內熱流值呈南高北低，呈臺階式向北遞減，以垂直于臺階方向推斷有北北東向和北西向斷裂為熱流通道。因此，研究區(qū)具有形成“斷控型”深循環(huán)對流型系統(tǒng)的基本條件。研究區(qū)雖然構造活動強烈，但巖漿侵入活動較少，故不存在巖漿加熱地熱流體附加熱源。斷裂活動和地震機械摩擦對地熱的貢獻可忽略。因此，研究區(qū)內地幔熱流是該區(qū)域的主要熱源，其次為地殼放射性物質衰變產(chǎn)生的熱量。

圖7 區(qū)域大地熱流等值線圖Fig.7 Contours of regional geothermal flow1-斷裂帶；2-熱流等值線(mW/m2)；3-地理位置1-fault zone；2-contour of geothermal flow(mW/m2)；3-place name

3.2 通道

地下水需要通過深部循環(huán)才能被加熱。研究區(qū)分布的多條斷裂帶為地下水運移、存儲提供了空間，同時也為深部熱源上升至淺部提供了通道。

重力場和磁力場能夠反映地下巖石物性不均勻性(劉瓔等，2011；祁光等，2012；郭信等，2020)，尤其是重力異常能夠反映深部構造(柳建新等，2012；于寶顯等，2014；杜輝等，2017)。為準確分析沂沭斷裂帶及其附近斷裂展布形態(tài)、切割深度，采用區(qū)域重力異常(向文和李輝，1999；賈民育和詹潔暉，2000；祝意青等，2001)、區(qū)域航磁異常、莫霍面深度及居里面深度(于磊等，2017)等數(shù)據(jù)進行定性分析。研究區(qū)及鄰區(qū)分布斷裂主要有東西向豐沛斷裂和齊廣斷裂、北北東向沂沭斷裂帶以及北西向聊考斷裂，與區(qū)域重力異常梯度帶、區(qū)域航磁(△T)上延20 km平面等值線圖串珠狀磁異常和梯度帶、區(qū)域莫霍面深度等值線圖梯度帶以及居里等溫面梯度帶高度吻合(圖8a、b、c)，清晰反映其空間展布特征，并顯示以上斷裂均為區(qū)域深大斷裂。

圖8 區(qū)域地球物理等值線圖Fig.8 Regional geophysical contoursa-區(qū)域深部重力異常圖(mm/s2)；b-區(qū)域航磁△T上延20km平面等值線圖(nT)；c-區(qū)域莫霍面深度等值線圖(km)；d-區(qū)域居里面等值線圖(km)；1-斷裂帶；2-重力等值線(mm/s2)；3-磁力等值線(nT)；4-莫霍面深度等值線(km)；5-居里面深度等深線(km)；6-地理位置a-deep gravity anomaly(mm/s2)；b-plane contour of 20 km upward continuation of aeromagnetic △T(nT)；c-contour of Moho depth(km)；d-contour of Curie interface depth(km);1-fault zone；2-gravity anomaly contour(mm/s2)；3-aeromagnetic anomaly contour(nT)；4-Moho depth(km)；5-Curie interface depth(km)；6-place name

研究區(qū)主要位于沂沭斷裂帶之上及鄰區(qū)，在區(qū)域重力異常圖(圖8a)上其清晰顯示為北北東向延伸的梯度帶，其東部異常值達20×105mm/s2，向西重力異常值逐漸降低變?yōu)樨摦惓?。在航磁異常圖(圖8b)上，沭斷裂帶表現(xiàn)為北北東向分布的串珠狀次異常帶，西側為正磁異常區(qū)，東側為負磁異常區(qū)。區(qū)域莫霍面深度等值線圖上的北北東向梯度帶清晰表征了沂沭斷裂帶的存在，整體表現(xiàn)出大體以沂沭斷裂帶為界的莫霍面深度東淺(數(shù)值低)西深(數(shù)值高)的特征(圖8c)。居里面等值線圖(圖8d)上，沂沭斷裂帶也表現(xiàn)出北北東向梯度帶，呈東淺西深特征。以上地球物理證據(jù)表明沂沭斷裂帶主體呈北北東向延伸，切割深度深且寬度較寬，可作為熱源通道和熱儲結構。

3.3 熱儲特征

熱儲結構對地熱形成起著至關重要的作用，且與熱水成因有關，熱儲類型的正確劃分，可明確指示地熱資源的潛在儲量和勘探方法(汪集旸，1996)。依據(jù)熱流的賦存狀態(tài)，熱儲結構可劃分為層控熱儲、帶狀熱儲以及復合熱儲。

研究區(qū)內主要發(fā)育北北東向沂沭斷裂帶及其鄰區(qū)的東西向及北西向斷裂，構造裂隙發(fā)育，為地下水的存儲、運移和深循環(huán)提供了條件。區(qū)內沂沭斷裂帶傾角陡且切割深，構造裂隙更發(fā)育，具備良好的帶狀熱儲特征(李付全，2011)。

研究區(qū)內鉆孔特征顯示，寒武紀李官組砂巖、朱砂洞組白云質灰?guī)r以及奧陶紀灰?guī)r為層狀熱儲，其主體巖性為灰?guī)r(圖3,4,5)。

3.4 蓋層特征

根據(jù)研究區(qū)內鉆孔數(shù)據(jù)揭露，蓋層主要為寒武紀饅頭組(砂巖+頁巖)、張夏組(灰?guī)r)、崮山組(灰?guī)r+頁巖)、炒米店組(灰?guī)r+泥質條帶灰?guī)r)、三山子組(灰?guī)r+白云巖)以及白堊紀八畝地組(安山質火山碎屑巖)(圖3,4,5)。而第四系在研究區(qū)內發(fā)育不佳，分布連續(xù)性，僅在局部位置形成良好蓋層。

不同巖石具有有不同熱導率，導熱率越大，其導熱性質越好，有利于地熱向上運移，但其保溫性也就越差。據(jù)研究表明，灰?guī)r熱導率為2.0×106W/mK，砂泥巖熱導率為9.2×106W/mK，安山質火山碎屑巖熱導率為6.3×106W/mK?；?guī)r的導熱性最好、砂泥巖次之、安山質火山碎屑巖最差，而保溫性則與導熱性呈負相關。區(qū)域上新近系和古近系熱傳導率大于第四系，但第四系為松散沉積層，參與地下水循環(huán)頻繁，與新近系和古近系相比，其保溫性稍差。

3.5 水源

熱水是通過巖石的熱傳導加熱地下水后形成，地下水被加熱后在熱儲部位聚集或經(jīng)通道泄出地面。研究區(qū)地下水補充源主要為大氣降水，其次為地表徑流補給(李付全，2011)。

4 地下熱水賦存規(guī)律探討

雖然前人對臨沂地區(qū)的地熱資源分布與賦存規(guī)律已做了大量研究，但是對該地區(qū)的地熱成礦模式還存在諸多爭議。李付全(2011)通過對臨沂北城斷裂帶的導水導熱性以及熱儲層、蓋層等成熱地質條件的分析研究，認為臨沂北城新區(qū)地熱成礦模式為帶狀熱儲和層狀熱儲的復合模式，沂沭斷裂帶構成帶狀熱儲，奧陶系和寒武系地層構成層狀熱儲。然而，對臨沂市柳航頭地區(qū)地熱資源特征研究表明，奧陶紀和寒武紀巖溶裂隙較發(fā)育的灰?guī)r構成了層狀熱儲層，其為層狀熱儲模式(蘇寶杰等，2015)。郭士昌等(2009)分析了臨沂市地熱地質條件，指出熱儲形態(tài)嚴格受控于斷裂帶，顯示典型的帶狀熱儲模式。

前人對臨沂地區(qū)不同區(qū)域進行了地熱成礦模式研究進而得出不同地熱資源熱儲模式。本文克服前人研究區(qū)域局限且缺乏地熱井相關參數(shù)數(shù)據(jù)支撐等缺點，對位于沂沭斷裂帶及其以西區(qū)域的研究區(qū)進行地熱地質條件及地熱井參數(shù)分析，總結出帶狀和層狀熱儲復合模式。

本次選取整個臨沂地區(qū)為研究對象進行研究，因為其具備地熱資源形成的良好條件。熱源：研究區(qū)位處于環(huán)太平洋地熱帶的高熱流帶，屬于華北地熱系統(tǒng)，具有高地熱背景特征以及自西向東地溫逐漸升高特點，這些特征是由區(qū)域構造和深部地質條件決定(王先美等，2010)，而地幔熱流是該區(qū)域的主要熱源，其次為地殼放射性物質衰變產(chǎn)生的熱量；水源：地下水補充源主要為大氣降水，其次為地表徑流補給；熱儲結構：研究區(qū)層狀熱儲主要為灰?guī)r，而沂沭斷裂帶形成帶狀熱儲，構成層狀和帶狀復合熱儲；蓋層：主要為安山質火山碎屑巖、灰?guī)r、砂巖。通道：主要為沂沭斷裂帶形成的地下水運移空間(王通國等，2002；楊啟儉等，2008)。

地熱井相關參數(shù)特征顯示，水溫與蓋層厚度、地熱深度成正比(圖6a)，且熱儲溫度與井的頂?shù)诇囟纫约盁醿Φ装迓裆畛烧?圖6b)。以上特征顯示，深處地熱資源儲量豐富，且具有較厚蓋層，地熱資源保存較好。

綜上，從成礦模式上分析臨沂地區(qū)沂沭斷裂帶以西地熱成因。研究區(qū)熱儲為古生代砂巖，同時張性、張扭性斷裂發(fā)育，導致熱儲為層狀和帶狀的復合熱儲，較單一成因熱儲要復雜，并且蓋層巖性及厚度很大程度上影響了深部地熱水的溫度，熱儲厚度也對水溫有一定的影響。表層有第四系覆蓋的，地熱水溫度較無第四系覆蓋的要高；蓋層厚度越大，水溫越高，熱儲厚度越大，水溫也越高。

因此，沂沭斷裂帶以西區(qū)域在臨沂地區(qū)形成了自西向東伴隨一條條斷裂熱儲埋深逐漸增加的地熱地質模型，在斷裂帶附近為復合型熱儲，斷裂帶為帶狀熱儲，斷裂帶周邊穩(wěn)定區(qū)域為層狀熱儲。結合研究區(qū)地層分布特點，形成研究區(qū)熱儲模型(圖9)。

圖9 復合熱儲模型Fig.9 Composite thermal storage model1-第四紀；2-白堊紀八畝地組；3-石炭紀本溪組；4-奧陶紀；5-寒武紀；6-震旦紀土門群；7-泰山巖群；8-斷裂帶；9-熱流運動方向1-Quaternary；2-Cretaceous Bamudi Formation；3-Carboniferous Benxi Formation；4-Ordovician；5-Cambrian；6-Sinian Tumen Group；7-Taishan Group；8-fault zone；9-motion direction of heat flow

5 結論

(1)本文通過地熱地質條件、地球物理數(shù)據(jù)以及地熱井相關地熱參數(shù)研究分析，提出了臨沂地區(qū)為熱儲為層狀和帶狀復合熱儲地熱成礦模式。斷裂帶為帶狀熱儲，斷裂帶周邊穩(wěn)定區(qū)域為層狀熱儲。這為進一步地熱勘查與開采提供了理論指導。

(2)蓋層巖性及厚度對深部地熱水溫度存在較大影響，并且熱儲厚度對水溫也存在影響。表層存在第四系覆蓋較無第四系覆蓋情況下地熱水溫度高；蓋層厚度越大，水溫越高，熱儲厚度越大，水溫也越高。

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