日照市劉東樓地區地熱資源開發利用可行性分析

袁杰，楊鵬，魏同政，王新玲，康日斐

(1.山東省第八地質礦產勘查院,山東 日照 276826；2.蒙陰縣自然資源和規劃局,山東 蒙陰 276200)

0 引言

地熱資源是一種綠色的清潔能源，具有節能環保，可再生等優勢，現已廣泛利用于醫療保健、洗浴、供暖、養殖等領域[1-9]。地熱資源的勘探與開發不僅可以加快地方經濟的發展，還能豐富旅游產業，改善能源結構[10-15]。研究區位于日照市東港區秦樓街道劉東樓村東，屬于山海天旅游度假區，研究該地區地熱資源開發利用可行性，對山海天地區的旅游業有很大的助益。本文通過對該地區地熱地質條件及開發利用進行探討，為同類花崗巖地區尋找地熱資源提供指導(1)山東省第八地質礦產勘查院，日照山海天旅游度假區劉東樓地區地熱資源調查報告，2016年。。

1 地質背景

研究區位于蘇魯造山帶、膠南-榮成隆起區、膠南斷隆區、膠南凸起東部[16]。出露地層主要有第四紀山前組、臨沂組、濰北組及旭口組，區內巖漿活動較頻繁，尤其以晚元古代最為強烈，因而有大面積的侵入巖分布，以酸性巖為主。

劉東樓地區位于日照-青島斷裂以東，受其影響，構造較發育，多為NE向，次為NW向。通過物探解譯，該地區發現兩條具有較大發育深度和規模的低阻帶，推測是兩條斷裂的低阻特征反應(圖1)。其中F1斷裂走向為NE向，傾向為SE，傾角為75°～80°左右，構造特征為壓扭性；F2走向為NW向，向NE陡傾，切割深度較大，影響范圍廣，構造特征為張性，富水性及導水性較好，呈明顯低阻特征。

1—第四紀旭口組；2—第四紀臨沂組；3—第四紀山前組；4—絲山單元二長花崗巖；5—細粒閃長巖脈；6—灘涂；7—斷裂構造；8—地質界線圖1 研究區地質圖

2 地熱地質特征

2.1 熱儲特征及埋藏條件

2.1.1 熱儲形態及埋藏條件

研究區屬“斷控型”帶狀熱儲區，熱儲為走向NE向(F1)和NW向(F2)共同組成的構造破碎帶。

斷裂構造由于應力作用，使原巖的連續性遭受破壞，巖石破碎裂隙發育，多被水或泥質物質充填，從而引起了電阻率的降低，破壞了電磁場的連續穩定性，使電位場發生畸變，通常反映為明顯的低阻異常，但隨著斷裂中含水量的不同，電阻率的反映將有明顯的差異，電阻率越低往往表示斷裂帶富水性越好[17-21]。由于研究區第四系厚度較大，F1，F2斷裂未見明顯露頭：

F1構造走向為NE向，傾向為SE，傾角為75°～80°左右，構造特征為壓扭性，根據物探解譯的低阻帶情況，F1構造帶發育寬度在180m左右，阻值在500～1100Ω·m之間，低阻帶發育深度約1800m。

F2走向為NW向，向NE陡傾，傾角約80°，切割深度較大，影響范圍廣，構造特征為張性，富水性及導水性較好，根據物探解譯的低阻帶情況，構造帶發育寬度約150m，整體電阻值較F1偏低，在300～1000Ω·m之間，低阻帶發育深度約1500m。

F1斷裂構造特征為壓扭性，為主要的控熱斷裂，F2斷裂構造特征為張性，富水性及導水性較好，這兩者交會部位形成熱儲，電阻率低值反應明顯，使區內電阻率呈較大的差異性。

2.1.2 熱儲概念模型

根據研究區地熱地質條件，明確熱源、水源、蓋層、通道、熱儲層各個相關因子，從而建立熱儲概念模型[22]。研究區熱儲概念模型見圖2。

1—第四紀松散沉積物；2—絲山單元二長花崗巖；3—大地深部熱流；4—地表水流向；5—構造破碎帶；6—地下水流向；7—節理裂隙圖2 研究區熱儲概念模型

(1)熱源

根據測溫孔ZK01水質分析報告，地下水226Ra含量為0.0366Bq/L，總α含量為0.0821Bq/L，總β含量為0.224Bq/L；地下水具有微弱的放射性，說明地下水是在具有一定放射性的環境下形成的。其形成是地下水在深部循環過程中，隨著深度增加、溫度升高，溶解圍巖物質成分，使圍巖產生熱水蝕變，放射性物質不斷在地熱流體中聚集的結果。

地球內部熱流主要通過傳導、對流、熱巖漿上移攜帶(巖漿侵入或火山噴發)3種形式向外傳遞，其中對流是地熱流體向地表傳遞最有效的形式[23]。研究區主要發育F1和F2斷裂，低阻帶發育深度1600m左右,寬度較大,斷裂發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提供對流通道,地下水在此富集,并受深部熱流的“烘烤”加熱,從而形成地熱資源。

(2)水源

水源由兩部分組成，一是大氣降水，在西部、北部入滲補給地下水；另外由于F2構造溝通了大海，海水也是地下水的重要補給來源，本次測溫孔打穿的含水層水源主要為海水補給。

(3)蓋層

研究區蓋層主要為晚元古代二長花崗巖體，斷裂破碎帶上盤巖石相對完整，保溫性較好，淺部地下涼水無法與深部地熱流體發生水量交換，此外花崗巖體上部的第四系淤泥質粘土也具有一定蓋層功能。

(4)通道

研究區內導水通道主要為物探解譯的F2斷裂，具有良好的導水性能，是西北丘陵區深部地下水和東部黃海海水補給地下水的主要流通通道。F1斷裂主要為成熱構造，構造特征為壓扭性，發育深度較大，可與大地深部熱流產生熱交換，具有較好的導熱功能。

(5)熱儲層

區內熱儲層位于F1斷裂和F2斷裂交會部位，是受兩者共同影響的構造破碎帶。地下水經F2斷裂徑流后受F1斷裂和巖脈阻擋，形成局部富水段，地下水凝滯深循環后與圍巖溶濾、交代，并受大地深部熱流加熱形成富含礦物質、具有較高溫度的地熱流體。

綜上,研究區屬“斷控型”帶狀熱儲,地下水接受入滲補給后,沿著導水構造匯集,在深部加熱并與圍巖發生溶濾作用,形成富含礦物質的地熱水,最終沿斷裂破碎帶傳輸至地表,形成了地熱異常區。

2.2 地熱流體流場特征

研究區地勢整體西北高，東南低，大氣降水入滲補給地下水后沿地形坡度降自西北向東南徑流，由于F2為張性斷裂，地下水在F2斷裂形成的破碎帶內形成強徑流帶；而F1斷裂為壓扭性，具有阻水作用，西北地區的地下水流至F1斷裂后凝滯形成富水區，并在地下深部熱源和巖漿余熱的作用下形成地熱流體，以對流的形式沿F1斷裂下盤自地下深部向淺部運移，形成地熱流體富集區。

此外由于F2斷裂延伸方向距離黃海很近，僅2km左右，海水沿F2斷裂形成的破碎通道內可自東南向西北向內陸徑流，形成高礦化度咸水，咸水在F1斷裂附近受阻礙后亦受到深部熱源和斷裂活動余熱的作用下加熱，并以對流方式沿著F1斷裂上盤向淺部運移。區內地熱流體即為這兩者混合形成。

根據地面調查，L01和測溫孔ZK01由于靠近導水通道F2，水質較差，味咸，為海水影響造成；而L04離F2斷裂較遠，則水質較好，L02，L03，CD06由于遠離F2構造且位于F1斷裂下盤附近，則水質較好，除廢棄的機井外地下水井均用于飲用水，劉東樓村中現存的機井地下水也均不咸，這也說明研究區內的地熱流體以F1構造帶為界，西部流場特征為地下水自西北向東南徑流，東部流場特征為海水沿F2構造向西北徑流(圖3)。但從大的區域上來說，地下水自西北向東南排泄入大海。

1—第四紀松散沉積物；2—絲山單元二長花崗巖;3—大氣降水；4—地表水流向；5—流線；6—淡水井及編號；7—咸水井及編號；8—斷裂構造；9—地質界線圖3 研究區地熱流體流場形態示意圖

2.3 地溫場特征

通過對研究區范圍內7口機民井及測溫孔的測溫數據分析，大部分測溫曲線在25m以上處于由高漸低或由低漸高的變化趨勢；而在25～35m之間，水溫處于一個相對恒定的溫度范圍16.1～16.3℃之間；到35m以下，溫度逐漸穩定上升。因此，研究區內的變溫帶位于25m以上；恒溫帶為25～35m之間，恒溫帶溫度取平均值16.2℃；35m以下進入增溫帶。

研究區的地溫趨勢是按NE向構造展布的，這與物探解譯的F1斷裂構造走向基本一致，這說明F1斷裂為導熱斷裂，對研究區內地熱資源溫度起控制作用(圖4)。

測溫孔ZK01孔地溫增溫率比較平緩，一般地溫增溫值為0.1℃/5m，部分孔深處尚不能達到0.1℃/5m，但在105～110m之間，地溫值由16.8℃陡增至17.4℃，上升了0.6℃，達到了0.6℃/5m，該段也是測溫孔的主要出水段，為斷裂破碎帶發育部位，這說明構造破碎帶對地溫場的高低有著決定意義。按公式Δt/Δh=(T"t)/(H"h)計算，測溫孔ZK01地溫梯度值為2.12℃/100m，為研究區內測得的地溫梯度值最高值。

2.4 地熱流體質量評價

2.4.1 地熱流體化學組分特征

測溫孔內地下水水溫22.9℃，屬溫水；總硬度8054.95mg/L，溶解性總固體7973.72mg/L，屬咸水，pH為7.68，屬中性水；陽離子主要為Na+和Ca2+，陰離子以Cl-為主，并含有對人體有益的F-，H2SiO3，HBO2，Sr等組分(表1)。

靠近導水通道F2的測溫孔ZK01地下水礦化度高達8g/L，味咸，化學類型為Cl-Na型，該類型的水多是海相沉積或與海相沉積有關的水，也就是說研究區地下水可能是海水補給與大氣降水溶濾混合補給的結果[24-26]。

為了驗證上述說法，將其與海水化學成分相比較，發現其中部分離子比值較為接近(表1)，說明測溫孔地下水可能存在海水補給。Sr(11.38mg/L)的富集，說明地下水接受了遠程補給，與圍巖發生了溶濾、交代作用。

《芬尼根的守靈夜》對“孔子”的再現 ………………………………………………………………… 孫楊楊（5.104）

1—物探解譯構造；2—地溫梯度等值線；◇圖4 研究區周邊地溫梯度等值線分布圖

表1 海水與測溫孔地下水成因系數

2.4.2 地熱流體質量評價

研究區地熱水中含有豐富的微量元素及特殊化學組分。根據《地熱資源地質調查規范》(GB11615-2010)中《理療熱礦水水質標準》[27]，本區地下水中氟(3.45mg/L)和鍶(11.38mg/L)的含量達到了命名礦水濃度標準，可命名為氟水、鍶水；偏硅酸(27.14mg/L)和偏硼酸(1.78mg/L)含量達到了有醫療價值的濃度標準，這些元素在限值內均為對人體健康有益的元素，故本區地下水為具有醫療保健價值的地下水，可作為理療熱礦水利用(表2)。

表2 按理療熱礦水水質評價表 單位：mg/L

該地熱水不宜作為生活飲用水、農業灌溉用水和漁業用水，工業利用可提取的有用元素均未達到國家標準，為腐蝕性、不結垢的地熱水，主要的開發利用方向為理療洗浴、采暖等。

3 開發利用可行性分析

劉東樓地區地熱資源分布呈帶狀，面積較小，熱儲及頂板巖性以花崗巖為主，為斷控型熱儲，熱儲埋深較大，按溫標計算熱儲溫度為45.18℃，為溫熱水儲層。根據物探資料，反映熱儲層的低阻帶埋深達到1600m左右。根據規范，考慮當前地熱資源開采技術及經濟合理性，成井深度在1000～3000m之間，屬經濟的，故本研究區若施工1600m的地熱井，成井深度是經濟的。

本次測溫孔孔底水溫22.9℃，地溫梯度值為2.12℃/100m，如按施工地熱井按成井深度1600m推算，井底溫度為46.52℃，根據規范對熱儲層溫度劃分，40℃≤t<60℃屬低溫地熱資源的溫熱水，考慮到對水質的評價和允許開采量，適合作為理療用水使用。

根據測溫孔水樣分析報告，研究區地下水中鍶和氟含量較高，可命名為氟水、鍶水；偏硅酸和偏硼酸含量達到了有醫療價值的濃度，溶解性總固體含量為7973.72mg/L，考慮到水質具有腐蝕性，按規范對其利用方向、方式評價見表3，研究區內地下水可以直接利用作為理療洗浴用水，其他使用方向可間接利用。

表3 不同質地熱流體的利用方向、方式與排放要求

4 結論

研究區地熱類型屬構造控制型，熱儲為由F1，F2兩條斷裂共同影響的構造破碎帶，熱儲巖性為角閃二長花崗巖，其中F1斷裂走向NE，為壓扭性，是主要控熱、阻水構造；F2斷裂走向NW，為張性，是主要的導水構造和水源通道。研究區地熱資源的水源為海水和大氣降水，熱源為深部大地熱流，蓋層為完整的角閃二長花崗巖和第四系。

研究區熱儲研究區恒溫帶埋深25～35m，恒溫層溫度16.2℃，測溫孔地溫梯度為2.12℃/100m。

研究區地下水屬于氟型、鍶型低溫溫水型礦水，具有醫療價值，地熱資源開發方式適宜直接利用理療洗浴用水，可與山海天旅游資源開發密切結合，可以產生一定的經濟和社會效益，合理開發對環境影響較小。