某生態項目地熱井的物探勘查

張 奎 ，徐曉方（.山東發林旅游開發有限公司， 山東 德州 503；.中共山東省委黨校， 山東 濟南5003）

地熱資源是集熱能、水和礦產于一體的多用途自然資源。其優點是占地少、無煙、無廢渣粉塵等污染，為綠色能源，充分開發利用地熱資源的前景十分廣闊。隨著地熱應用范圍的拓寬，其越來越受到人們的青睞，同時也越來越多地走進人們的日常生活，在農業、工業、醫療、采暖 、發電、洗浴及旅游業等行業被廣泛開發利用。某項目打算開發利用地熱資源，為了降低地熱開發的投資風險，特在開發前進行地熱井的物探勘查工作。

1 地質條件

1.1 地理概況

某項目位于山東省齊河縣，地處魯西北平原，與省會濟南隔黃河相望。工作區地勢平坦，地面標高一般為 26.0 m，地勢西南高、東北低，符合黃河沖積平原的特征，局部為人工地貌。土層主要為粉土、粉質黏土，無不良工程地質現象。氣候屬暖溫帶大陸性半溫潤季風氣候區。多年平均氣溫 13.5 ℃，年平均降水量為 592 mm，年平均蒸發量 2143.7 mm，日照 2678.9 h，風速 2.9 m/s，無霜期 217 d。 主要氣候特點為四季分明、氣候溫和、冷熱季和干溫季明顯。

1.2 地質特征

區域的主要地層由老至新依次為寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新近系及第四系。現將各地層巖性特征由老到新分述如下。

（1）寒武系。在濟南南部山區出露。下統以紫色、豬肝色、鮮紅色易碎頁巖為主，夾薄層狀灰巖、泥質灰巖、條帶狀灰巖，底部為中厚層中、粗粒砂巖。中統以灰黑色厚層鮞狀灰巖及灰巖為主夾黃綠色及紫色頁巖、砂巖。上統以薄層灰巖、竹葉狀灰巖、厚層泥質條帶灰巖為主夾泥質頁巖，薄層鮞狀灰巖，頂部為白云質灰巖。

（2）奧陶系。奧陶系為碳酸鹽巖，在項目所在的調查區范圍內分布，大部埋藏于石炭、二疊系之下。地層厚度967～1073 m，主要發育三山子組和馬家溝組，馬家溝組將是為本次工作的主要目的層和取水段。

（3）石炭系。分布于項目調查區西北的廣大地區。地層厚度 100～250 m，與上覆二疊系為平行不整合接觸，主要是砂巖、砂質頁巖、泥巖夾薄層灰巖，含煤。

（4）二疊系。分布于調查區西北的廣大地區。地層厚度 0～974 m，巖性以陸相紫色、灰色砂巖、泥質頁巖、礫巖，夾煤層，與上覆第三系為角度不整合接觸。

（5）新近系。位于齊河—廣饒大斷裂以南，據相關書籍記錄，缺古近系，只發育新近系。地層厚度為 70～250 m，巖性以泥質砂頁巖、砂質黏土巖為主，半固結。

（6）第四系。黃河兩岸及以北地帶為黃河沖積層。第四系堆積物的厚度變化總體由南而北、由東向西逐漸增厚，北部達 300 m 以上。據該區域地質資料對第四系描述，南部山前地帶為砂質黏土、黏土夾砂礫石層。

1.3 地質構造

該區區域上主要發育有齊廣斷裂、桑梓店斷裂、長清斷裂、臥牛山斷裂等，位于濟南單斜前緣，在大地構造上處于陽谷—齊河單斜斷凹的東北端。

齊河—廣饒隱伏大斷裂位于工作區以北，區域上是魯西隆起與濟陽拗陷的分界線。該斷裂對本區次一級構造和巖漿巖的活動起著重要的控制作用。斷裂總的走向近東西，傾向NW，傾角 40°～60°，落差 900～1500 m。沿斷裂帶有間歇性、中基性巖漿噴發活動和小規模的中基性侵入巖。

本區及其附近的桑梓店斷裂、長清斷裂、臥牛山斷裂等次級斷裂，切割了深部的奧陶系灰巖，為徑流至此的地下水提供了較大的存儲空間。同時也對地下水的運移和分布起了重要作用，且溝通深部熱巖體與地下水，從區域上為地熱水的形成提供了熱源條件。

1.4 地熱條件

根據以往的地熱勘探及研究成果認為，濟南北部為一面積較大的地熱田，稱為濟北地熱田。根據區內地層結構、地質構造界線以及地熱顯示點的控制范圍，濟北地熱田范圍大致是：南至濟南巖體北界，北至齊河—廣饒大斷裂，西到長清斷裂，東到鴨旺口斷裂。本次要調查的項目正處在該地熱田西南部，距離黃河主河道直線距離 1200 m。

濟南地區地處魯西隆起的西北部，北邊緊鄰濟陽拗陷，處于魯西系的北側，地層南老北新，總體評價為向北緩傾的單斜構造，褶皺構造不甚發育。濟北地熱田就位于該單斜構造內。其熱儲層為奧陶系層狀熱儲，埋藏深度大部在 2000 m以內，局部 2000～3000 m，于濟南南部廣泛出露，接受降水補給，上覆較厚第四系、古近系、二疊系、石炭系等，厚度在 500～2000 m，局部 ＞ 2000 m，為良好阻水保溫層。經分析認為正是由于這些斷裂的切割和濟南巖體冷凝，導致地下熱儲層裂隙發育，為地熱水提供了儲存空間，同時為地球深部熱源的向上傳導提供了通道。綜上可知，濟北地熱田具有較為有利的地熱地質條件。

2 地質物探

2.1 調查區特征

通過對工作區所調查的測溫資料統計分析，可以初步判定工作區內的表層地熱恒溫帶深度為 20～30 m，溫度為14 ℃。

2.2 熱儲地質特征

工作區內蓋層主要為第四系、新近系、二疊系以及石炭系，熱儲層為奧陶系馬家溝組。根據工作區內地層出露、鉆孔揭露情況和本次物探可控源音頻大地電磁測深、視電阻率垂向直流電測深及二維地震相互驗證的解譯結果，初步判定在重點工作區內熱儲層（奧陶系馬家溝組）埋藏深度在760～1780 m 不等（由東南至西北逐漸加大），厚 875 m左右。

2.3 構造條件

為了在重點工作區內尋找有利于地熱水儲存的儲水構造，以確定地熱井施工的靶區，進行了物探工作。為提高物探解譯的精確度，共采用了可控源音頻大地電磁測深法、視電阻率垂向直流電測深法及二維地震法 3 種方法同時進行，相互驗證。現將其工作內容和解譯結果分述如下。

（1）可控源音頻大地電磁測深剖面（CSAMT）。在場區內由北至南布設了 1、2、3、4、5 共 5 條近東西向剖面線，分別布設了 63、63、27、27、46 個測點，其剖面長度分別為 3100 m、3100 m、1300 m、1300 m、2200 m，點距均為 50 m。其解譯結果顯示，在樁號 3600 至 3750、3100 至 3250、1700 至 1850、800 至 950、400 至 550 均有異常反應，推測此為斷層所致。該斷層走向近 NNE、傾向 NNW，傾角約 70°。該斷層命名為 F 斷層。另外由CSAMT 5 條剖面線也可以看出，F 斷裂西側相對東側為低阻帶，推測這是由于斷裂西側賦水性要較東側強所致。

（2）二維地震剖面。位于 2 號 CSAMT 剖面上，起點樁號為 100 ，結束點樁號為 580，剖面長度 5800 m。物探解譯在樁號 254 至 266 之間有明顯異常反應，且該點正位于CSAMT 剖面上 5 個異常反應點的連線上。

（3）視電阻率垂向直流電測深剖面。在與二維地震剖面線重合的位置布設了 20 個測點，剖面長度為 1600 m。各點用 GPS 定位，點距 100～200 m。起點樁號為 154、結束點樁號為 314。在樁號 254 至 266 之間有異常反應，且該異常點與二維地震剖面異常點重合。

由以上 3 種方法相互驗證，可以斷定 F 斷層的位置及產狀是可信的。另外由物探剖面圖還可以看出，F 斷層為大傾角正斷層，為連通更深部的熱源和熱儲層，既起了傳熱導熱的作用，也為地下水加熱和儲存提供了條件。同時，由于其切割，裂隙經過較長時間的發育，為滲流此地的地下水提供了較大的儲存空間。

2.4 熱儲層水文地質條件

在工作區內，該含水巖組埋藏于第四系、新近系、二疊系以及石炭系之下。其頂板埋深總體呈現由東南向西北逐漸加大的趨勢，經過查閱資料和實地踏勘，發現在工作區以外東南部的濟南南部山區有較大面積的奧陶系灰巖出露。大氣降水在此入滲補給地下水，向西北徑流，徑流至重點工作區附近。由于奧陶系馬家溝組埋深加大，使地下水經深循環加熱。同時因為該處的奧陶系頂板埋深較大，最深可達到 1780 m 左右（重點工作區西北部），地下水的運動遲緩，被圍巖逐漸加熱后，與圍巖發生水鹽反應，溶解了巖層中礦物質及微量元素，形成了具有豐富礦物質的中低溫地熱水。

2.5 熱儲概念模型

根據以上地熱地質條件的分析，將復雜的、不規則的地質體形態概化為一個理想的幾何形態，建立如下熱儲概念模型。

（1）熱儲層。工作區的熱儲層奧陶系馬家溝組灰巖，埋藏于第四系、新近系、二疊系、石炭系地層之下。由于區域上桑梓店、長清、臥牛山等斷裂以及工區內發育的各類斷裂（F 斷裂及其各伴生小型斷裂）的切割，巖體較破碎，具有一定的儲水空間，且上覆地層具有良好的保溫性能，使其有可能成為理想的熱儲層。

（2）蓋層。由于上述地層隔水性能良好，熱導率低，所以可成為良好的蓋層。工作區內的熱儲蓋層是第四系、新近系、二疊系以及石炭系的沉積地層和發育的多層頁巖。

（3）通道。工作區內或附近的斷層（桑梓店、長清、臥牛山等斷裂以及區內發育的各小型斷裂）起到了連通深部熱源、導熱、導水的重要作用。

（4）熱源。絕大部分來自斷層連通地球深部熱流，向上對流傳導加熱而成。這是對地下水加熱的主要方式。

（5）地下水滯流條件。重點工作區內，奧陶系埋深較大，最深可達 1780 m 左右（場區西北部）。由于斷層的切割使灰巖裂隙相對發育，但由于其埋深大，地下水的運動滯緩，所以易被圍巖加熱形成低溫地熱水。

3 結 語

（1）地熱井施工前，應根據本論證報告及相關地質資料，編制地熱井施工設計。施工采用氣舉反循環地鉆進工藝，并應設專業技術人員分別對地熱井地質和鉆探施工進行編錄，并進行質量監理，提高地熱井鉆探的成功率。

（2）對建設場地進行規劃時，應充分考慮地熱井的風險性，以提高整個項目的承受力，減少不必要的麻煩。

（3）地熱井終孔成井后，建議安裝地熱井監測設備（測水管、壓力表、流量表及溫度計等），對地熱井壓力、水溫、水量、水位及水質進行定期觀測。根據監測信息，及時調整開采方案。

（4）按照目前對地熱資源的保護開發，能開發的地熱資源更要珍惜，最大限度地降低對環境的不良影響，充分考慮階梯開發和綜合利用。

（5）為避免棄水對周圍土壤土質的破壞，可另鑿回灌井，對棄水進行回灌，溫泉洗浴水須按照相關要求處理后達標排放。