山東省地熱資源分布與開發利用研究

李肖蘭，杜炤偉，張玲，許傳杰，孫延宗，尹海玲，于來

(1.山東地礦新能源有限公司，山東 濟南 250000；2.中廣盛(山東)環保工程有限公司，山東 菏澤 274000)

0 引言

山東省是地熱資源大省，是全國利用地熱較早的省份之一，最早可追溯到2000年以前。20世紀20年代，地熱正式作為資源進行開發，但僅僅用于洗浴。20世紀50年代前，山東省地熱的開發利用集中在魯東、沂沭斷裂帶以及魯中南的局部地段，重點開發利用天然溫泉出流的熱水。20世紀70年代以來，地熱地質工作得到進一步開展，勘查各種地下礦產時，在一些地區的勘查孔中陸續出現地熱異常顯示。

1 地熱資源分布特征

以齊河-廣饒斷裂、聊考斷裂、沂沭斷裂帶為界，全省分為四大地熱區，即魯東隆起地熱區(Ⅰ區)、沂沭斷裂帶地熱區(Ⅱ區)、魯西隆起地熱區(Ⅲ區)、魯西北坳陷地熱區(Ⅳ區)[1]。

1.1 天然溫泉的分布特征

山東省共有天然溫泉19處，其中魯東隆起地熱區15處，沂沭斷裂帶地熱區1處，魯西隆起地熱區3處。所有溫泉的形成與出露均與斷裂構造控熱作用相關，19處天然溫泉的分布見圖1。

天然溫泉主要在威海、煙臺、青島、臨沂、泰安(表1)，其中威海市有9處，煙臺市有5處，青島市有東溫泉，泰安市有溫涼泉和橋溝溫泉，臨沂市分布有湯頭溫泉和汪家坡溫泉，其中汪家坡溫泉尚未開發利用，只用于季節性灌溉工作。

1.2 地熱井分布特征

目前，山東省16地市均有地熱資源分布。根據《山東省地熱清潔能源綜合評價》(2018年12月)，共有地熱開采井1160眼，其中在魯東隆起地熱區有95眼，自然條件下可采資源量3.47萬m3/d，折合標準煤14.12萬t/a；沂沭斷裂帶地熱區有26眼，自然條件下可采資源量8.85萬m3/d，折合標準煤24.53萬t/a；魯西隆起地熱區有238眼，自然條件下供暖用地熱水可采資源量759.14萬m3/d，折合標準煤790.29萬t/a，自然條件下理療地熱水可采資源量9.22萬m3/d，折合標準煤20.60萬t/a；魯西北坳陷地熱區有801眼，以德州、聊城、東營、濱州居多，自然條件下供暖用地熱水可采資源量2516.30萬m3/d，折合標準煤3280.21萬t/a[2-4]。

圖1 山東省天然溫泉分布圖

表1 全省19處天然溫泉熱儲特征

2 地熱地質特征

2.1 魯東隆起地熱區

在沂沭斷裂帶東側的昌邑-大店斷裂以東稱魯東隆起地熱區。該區分布天然溫泉15處。熱儲位于斷裂構造的交會部位，為花崗巖中的構造破碎帶，構造破碎帶向上延伸至地表被第四系覆蓋，形成地熱異常區[5-6]。地熱田成熱模式屬于開放—對流—腔管狀型。熱儲的埋藏深度較淺，頂板埋深2～40m，個別溫泉頂板埋深較大。熱儲厚度40～250m。各溫泉井深相差很大，50～150m，最淺只有10m(溫石湯)，最深380.29m(艾山湯)。溫泉水位埋深1～10m，部分泉水位埋藏較深，如招遠湯東泉7～46m[7]，艾山湯16.17m，東溫泉8～14m。泉區內的單井涌水量500～2000m3/d，抽水降深3～30m。溫泉的水溫，除興村湯較低，只有29.5℃外，其余水溫50～90℃。溫泉水的pH值為7～8，屬中性水。溫泉水的水化學類型與礦化度有著一定的關聯，礦化度<1g/L的熱水，水化學類型為HCO3·SO4-Na型和SO4·Cl-Na型；礦化度大于1g/L的熱水，水化學類型為Cl-Na·Ca型或Cl-Na型(圖2)。溫泉水中含有較為豐富的微量元素，15處溫泉命名為氟水，5處為鍶水，14處為硅水。

圖2 魯東隆起地熱區(Ⅰ區)地熱水水化學piper圖

該區分布多眼地熱深井。熱儲巖性為白堊紀砂巖、砂礫巖、燕山期花崗巖及古元古代荊山群片麻巖、片巖、大理巖等[8]。熱儲頂板埋深200～1200m，變化較大，熱儲厚度40～350m。井口水溫30～40℃，由于熱儲含水層巖性多為透水性較差的花崗巖、片麻巖，只在斷裂帶及附近裂隙較發育，而且埋藏較深，熱儲的富水性差，地熱井水量小[9]。靠近海邊的養馬島SK2井、乳山東南寨ZK03井、榮城西霞口ZK01號井礦化度分別為29.08g/L，28.40g/L，16.56g/L，接近附近海水的含鹽量(31g/L)。熱水的水化學類型以Cl-Na·Ca和Cl-Ca·Na型為主。部分地熱井的氟、溴、鍶達到礦水命名濃度，為氟水、溴水、鍶水。

2.2 沂沭斷裂帶地熱區

沂沭斷裂帶，東以昌邑-大店斷裂為界，西以鄌郚-葛溝斷裂為界，大致呈條帶狀NE 18°～25°方向延伸，其形態呈南窄北寬的喇叭形。斷裂帶內有4條主干斷裂，自西向東依次為鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂、安丘-莒縣斷裂、昌邑-大店斷裂[1,10]。在山東省沂沭斷裂帶內有1處天然溫泉(湯頭溫泉)和26眼地熱井[11]。

在沂沭斷裂帶內，熱儲一般分布在凹陷區構造條件較好的地帶[12]。地熱田成熱模式屬于開放—對流—腔管狀型和弱開放—對流傳導—帶狀層狀型。湯頭溫泉，位于馬站凹陷內，岀露于沂水-湯頭斷裂西側；沂水縣城以南許家湖一帶的DR1，DR2，DR3地熱井也分布在馬站-蘇村斷陷內。天然溫泉的熱儲埋藏較淺、厚度較小，湯頭溫泉熱儲頂板埋深僅60m左右，熱儲厚度在270m左右[13-15]。而地熱井，熱儲厚度270～681m，個別井厚達1104m，臨沂市羅莊LR-1號井熱儲頂板埋深達1600m。熱儲巖性，在凹陷區內部為白堊紀的安山巖、砂礫巖、細砂巖、粉砂巖等，在凹陷區邊緣地帶為寒武紀、奧陶紀的灰巖。熱儲的涌水量，湯頭溫泉的水量較大，目前已不能自流，位于泉中心的地熱井，抽水水位降深13.42m，涌水量為3200m3/d，而地熱井的單井水量較小，水位降深51.45～75.75m，水量997.92～1431.12m3/d。湯頭溫泉的水溫較高，50～55℃，其他地熱井的水溫33～56℃。熱水的礦化度變化較大，0.495～5.36g/L，水化學類型主要有Cl·SO4-Na,Cl-Na·Ca，SO4-Na·Ca，HCO3·Cl-Na型。pH值為7～9，部分地熱井的氟、鍶含量達到礦水命名濃度，為氟水、鍶水。

2.3 魯西隆起地熱區

該區位于鄌郚-葛溝斷裂和聊考斷裂之間、齊河-廣饒斷裂以南。該地熱區根據構造、地形地貌、熱儲特征等可進一步分為2個亞區，即魯中丘陵山地地熱亞區(Ⅲ1亞區)和魯西山前傾斜平原地熱亞區(Ⅲ2亞區)。Ⅲ1與Ⅲ2兩亞區大致以新近系0m厚度等值線作為分界線。該區地熱田成熱模式包括開放—對流—腔管狀型、弱開放—對流傳導—帶狀層狀型、封閉—傳導—層狀型3種類型。

在Ⅲ1亞區內熱儲層以變質巖、灰巖、花崗巖類為主，熱儲頂板埋深一般<700m，水溫<90℃，屬低溫地熱資源。熱儲形態在丘陵地區以帶狀熱儲為主，在凹陷盆地內則以層狀熱儲為主[16-17]。該亞區內熱儲頂板埋深在47.5～900m。但在凹陷盆地內，熱儲層分布面積較大，頂板埋深超過2000m。熱儲厚度變化較大，100～900m，單井涌水量變化也較大，100～1500m3/d，地熱水溫度不高，一般30～60℃，但冷家莊DR1號井，地處山區的盆地中部，井口水溫高達82.3℃，臨沂新王溝銅1井水溫達74℃[18-19](表2)。

表2 魯西隆起地熱區Ⅲ1亞區熱儲特征

在該區內有3處天然溫泉，橋溝溫泉、汪家坡溫泉和安駕莊溫涼泉，水溫為30℃左右，熱儲埋藏較淺，頂板埋深47.5～500m，泰安橋溝溫泉熱儲頂板埋深最淺，只有47.5m。安駕莊溫涼泉區的ZK1地熱井涌水量較大，達2350.75m3/d。橋溝溫泉水量達1570m3/d。汪家坡溫泉自流量為480m3/d。熱水的礦化度比較低，0.4～3.0g/L之間，pH值為7～8，水化學類型較復雜，主要有SO4·Cl-Na·Ca，Cl·SO4-Na，Cl-Na·Ca，SO4-Na·Ca，HCO3-Ca·Na等(圖3)。大部分地熱井(泉)水中的氟、偏硅酸含量達到礦水命名濃度，為氟水、硅水。

圖3 魯東隆起地熱區(Ⅲ區)地熱水水水化學piper圖

Ⅲ2亞區內熱儲巖性以奧陶紀灰巖為主，熱儲頂板埋深293～1344m，水溫<90℃，屬低溫地熱資源，熱儲屬增溫型系統，熱儲形態主要為層狀熱儲兼有帶狀熱儲[20]。區內地熱井揭露的奧陶紀灰巖厚度100～500m，部分<100m。單井涌水量相差極大，濟南市桃園片區DR2號地熱孔，水位降深3.58m，水量達10625.10m3/d，而濟陽熱1井和濟古1井幾乎無水，大多數地熱井的單井涌水量1000～3000m3/d。井口水溫33～69℃。熱水pH值為7～8，礦化度2.8～7.55g/L，水化學類型主要有SO4·Cl-Na·Ca，SO4-Na·Ca，Cl·SO4-Na·Ca，SO4-Ca，SO4-Ca·Na型等。熱水中氟和鍶含量達到礦水命名濃度，為氟水和鍶水(表3)。

表3 魯西隆起地熱區Ⅲ2亞區熱儲特征

2.4 魯西北坳陷地熱區

魯西北坳陷地熱區包括齊河-廣饒斷裂以北和聊城-蘭考斷裂以西地區。目前開采的熱儲層以新近紀館陶組為主，其次為古近紀東營組和寒武-奧陶紀熱儲，成井深度2000m左右，熱水溫度<90℃，屬于低溫地熱資源，地熱區內熱儲屬沉積盆地型層狀熱儲，地熱系統屬傳導型系統[21-22]。地熱田成熱模式屬于封閉—傳導—層狀型。

新近紀館陶組熱儲頂板埋深1000～1500m，西部聊城、商河、德州一帶稍淺，1000～1200m，東部東營一帶1200～1500m。熱儲厚度300～600m，地熱井揭露厚度100～250m，熱儲巖性主要為細砂巖、粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖等。在1000～1500m取水段內，水位降深10～50m時，涌水量1000～3000m3/d，自流量為240～1008m3/d，自流水頭一般在+0.95m～+8m。井口水溫45～89℃，屬低溫地熱資源的溫熱水—熱水。在濱州市及以西地區，熱水的礦化度4～10g/L，屬咸水，水化學類型主要有Cl-Na,Cl·SO4-Na和SO4·Cl-Na型；在東營地區，熱水礦化度10～20g/L，在東營市孤熱1井，礦化度最高，達23.76g/L，水化學類型以Cl-Na型為主(圖4)。熱水的pH值7.16～8.1，為弱堿性水，總硬度300～2000mg/L，屬硬水和極硬水。部分熱水井的鍶、氟含量達到礦水命名濃度，為鍶水、氟水。

圖4 魯西北坳陷地熱區(Ⅳ)地熱水水水化學piper圖

古近紀東營組熱儲頂板埋深1000～1500m。在0～1000m之間，東營組熱儲一般和館陶組熱儲混合成井，熱儲巖性主要為細砂巖、砂礫巖。單井涌水量變化較大，一般為140～2400m3/d。聊城東昌的谷莊ZK2井水量最大，為3068.64m3/d[23]，井口水溫50～75℃，屬低溫地熱資源的溫熱水—熱水。地熱水的水化學類型以Cl-Na型為主，礦化度一般為18～21g/L。東營廣饒廣熱1井熱水礦化度最高，為27g/L，為鹽水。東營組地熱水pH值6.62～7.3，為弱酸性—弱堿性水。在德州及以西地區有少量熱儲為東營組的地熱井，礦化度較低，5～15g/L，屬咸水—鹽水類型。濟南市濟陽縣洼里王地熱井熱水礦化度只有5.60g/L，為咸水，水化學類型為Cl-Na型。部分井的鍶、溴、偏硅酸達到礦水命名濃度，為鍶水、溴水和硅水。

寒武紀—奧陶紀熱儲頂板埋深一般為500～1700m，最深可達3200m[24-25]。揭露熱儲層厚度18～436m，未揭穿。熱儲巖性主要為碳酸鹽巖類的石灰巖、白云巖，巖溶裂隙的發育具不均一性，富水性變化大。井口水溫50～100℃，屬低溫地熱資源的溫熱水—熱水，個別地熱井水溫超過90℃，屬中溫地熱資源。水化學類型主要為Cl-Na型，礦化度8～20g/L。地熱水含較豐富的微量元素，位于孤島凸起區的孤古1井熱水中氟、鍶、偏硅酸均達到礦水命名濃度，為氟水、鍶水和硅水。

3 開發利用現狀

截至2017年底，全省地熱溫泉19處，人工地熱井1160眼。地熱水的開采主要用于供暖、洗浴、療養，其次是養殖及種植等。其中用于供暖占68.9%，用于療養、洗浴占24.8%(圖5)[1-2,26-27]。

圖5 山東省地熱流體利用方向分配圖

3.1 魯東隆起地熱區

該區地熱開發主要以洗浴、療養為主，如天沐·山東文登溫泉度假村(北湯)、威海湯泊溫泉度假村(洪水嵐湯)、威海溫泉賓館(寶泉湯)、艾山溫泉國際旅游度假村(棲霞艾山湯)、蓬萊三仙山景區溫泉(溫石湯)、山東招遠金都溫泉(湯東泉)、山東乳山小湯溫泉度假村(小湯)，即墨溫泉度假村(東溫湯)等都以天然溫泉為基礎，除此以外，地熱水還用于供暖、工業、農業溫室等。該區地熱水開采量為1.56萬m3/d，地熱水潛力資源量為1.91萬m3/d。

3.2 沂沭斷裂帶地熱區

該區地熱水一般用于洗浴、理療和養殖。地熱水開采量為0.28萬m3/d，地熱水潛力資源量為8.57萬m3/d。本區地熱井(溫泉)開發利用最好的為湯頭溫泉，2006年1月—2008年4月，平均日抽水量2609m3/d。目前以臨沂湯頭溫泉開發的溫泉度假村有：知春湖國際溫泉度假村、湯頭觀唐苑溫泉度假村、湯頭溫泉大酒店、臨沂湯頭溫泉旅游區等；在沂水許家湖地熱田開發了沂水東方瑞海溫泉度假村等，均用于理療、洗浴、游泳、度假、供暖等。2008年8月，臨沂市被中國礦業聯合會授予“中國地熱城”稱號，成為全國第二個、華東第一個獲此殊榮的城市。2011年12月30日，國土資源部下發通知命名第二批中國溫泉之鄉(城、都)，臨沂市以綜合評估第一名的成績被命名為“中國溫泉之城”。近幾年，臨沂市共建立河東湯頭、沂南銅井、沂南松山、沂水許家湖4個地熱溫泉開發示范區，以示范區帶動整個臨沂市地熱資源的開發和利用。

3.3 魯西隆起地熱區

主要用于洗浴與療養、養殖與種植及供暖等。地熱水開采量為8.59萬m3/d，在回灌條件下供暖地熱水潛力資源量為1325.27萬m3/d。理療地熱水潛力資源量為8.07萬m3/d。在沂南銅井地熱田內，開發了陽都溫泉旅游度假區，沂南智圣湯泉旅游度假村；在松山地熱田內開發了維多利亞溫泉度假村、頤尚溫泉度假村。

3.4 魯西北坳陷地熱區

魯北地區地熱資源的開發主要用于供暖、洗浴、游泳、養殖等，地熱供暖已形成一定的規模。供暖期地熱水開采量為94.30萬m3/d，回灌條件下地熱水開采潛力資源量為3371萬m3/d。德州市凱元溫泉度假村、夏津德百溫泉度假村、聊城市溫泉大酒店、阿爾卡迪亞溫泉、天沐溫泉度假村、齊河地熱示范基地等的供暖、洗浴及娛樂開發，臨清、東營天鵝湖溫泉的浴池游泳、洗浴開發，樂陵希森集團的娛樂與養殖開發等都各具特色。

4 前景展望

(1)魯西北地區除了地熱資源豐富的優勢外，該區主要為層狀熱儲，具有分布面積廣、埋藏深度較淺(一般在2000m以內)，水溫較高、地熱井單井涌水量大等特點，便于開采，特別適合城鎮、村莊、企事業單位分散開采供暖。因此，魯西北地區因地制宜，開采地熱水供暖為主，兼洗浴、療養、養殖、種植等較為合適[28]。

(2)山東省帶狀熱儲地熱資源開采主要為天然溫泉和少量地熱井。溫泉主要集中在膠東地區，溫泉地熱田一般面積小，熱水可開采資源量相對也較少，分布較分散，目前開采量不大。膠東地區部分溫泉位于市區或市區附近，交通方便，部分溫泉雖離市區較遠，但交通方便，風景優美，適宜發展洗浴、療養、游泳、休閑度假等。該區地熱田熱儲巖性大多為侵入巖、變質巖和火山巖，天然溫泉水含對人體健康有益的微量元素較多，部分泉還含H2S和氡氣，很適宜療養和治療某些疾病，有較高的醫療保健價值。從總體上看，有較大的開發潛力和開采意義。

5 結語

地熱資源過量開采可能引發熱污染，地面沉降等環境問題，但只要引起重視，采取措施，加強監測，實行“立足保護，限制采量，綜合利用，梯級開發”的方針，把地熱回灌當做地熱開發的第一前提，必能極大地消減地熱開發的負效應，保障地熱資源的可持續利用，發揮地熱資源的社會效益，經濟效益和環境效益。