日照東部地區(qū)地熱資源成因分布規(guī)律及勘查定井方法研究

秦福鋒，許丙彩，馮英明*，李忠涵

(1.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 青島 266555；2.日照海洋地質(zhì)院士工作站，山東 日照 276826)

0 引言

地熱能是一種無污染、綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生能源，具有蘊藏量豐富、分布廣、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等特點，是一種現(xiàn)實可行且具有競爭力的清潔能源[1]。地熱水可用于洗浴、理療、養(yǎng)殖、供暖、工業(yè)和農(nóng)業(yè)溫室等[2]，對調(diào)整能源結構，節(jié)能減排，改善環(huán)境具有重要意義，對培育新興產(chǎn)業(yè)，促進新型城鎮(zhèn)化建設，增加就業(yè)具有拉動效應，是促進生態(tài)文明建設的重要舉措。

魯東地區(qū)地熱露頭較多，地熱異常明顯，地熱資源豐富。日照地區(qū)裂隙型帶狀熱儲勘查開發(fā)風險高、投入大、施工難度大，深入研究斷裂構造發(fā)育規(guī)律及其與地熱賦存的關系，對裂隙型帶狀熱儲地熱資源的成因機制、賦存特征進行綜合研究，確定熱儲來源、導熱導水構造特征以及補給來源，揭示日照地區(qū)地熱資源的生成、賦存及運移規(guī)律，評價地熱資源潛力，為今后地熱找礦確定正確的勘查方向，有目的、有計劃地開展地熱資源勘查工作，改善地方投資環(huán)境，帶動地方經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展起著重要的作用。

近年來，電磁法作為一種主要的物探方法已成功應用于地熱勘查工作中[3]。但進行深部地熱資源勘探時，需在常規(guī)物探方法的基礎上，引用新的技術方法——可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)，該方法探測深度大，抗干擾能力強、具有分辨率高、地形影響較小、地電信息豐富、資料信噪比高、適應環(huán)境能力強等特點，可最大程度地提高深部定井的準確度[4-9]。多處已施工的地熱井表明，可控源音頻大地電磁測深是深部地熱資源勘查較適宜的方法，適用于郊外或障礙物較少的地段。日照地區(qū)特殊的地熱地質(zhì)條件導致在地熱勘查實踐中定井多次失敗，造成較大的經(jīng)濟損失。因此，有必要對日照花崗巖地區(qū)地熱資源分布規(guī)律、地熱成因及勘查定井方法進行研究，以減少地熱資源勘查的風險及損失，提高地熱鉆井的成井率，指導地熱資源勘查開發(fā)提供科學依據(jù)，提高清潔能源在能源結構中的占比，達到節(jié)能減排的目的。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

日照東部地區(qū)位于沂沭斷裂帶以東，區(qū)內(nèi)巖石主要由侵入巖、變質(zhì)巖組成，地層缺失較多。以沂沭斷裂帶為界形成了魯東、魯西2個不同的構造塊體，在地層、構造、巖漿巖等方面顯示出極大的不一致。由老至新，太古界、元古界、古生界、中生界和新生界均有大面積出露。斷裂構造主要以NE向斷裂為主(圖1)[10]。

1—壓性斷裂及產(chǎn)狀/壓扭性斷裂及產(chǎn)狀；2—張性斷裂及產(chǎn)狀/張扭性斷裂及產(chǎn)狀；3—性質(zhì)不明斷裂及推測斷裂/深大斷裂及推測深大斷裂；4—斷裂破碎帶；5—中深構造相韌性變形帶；6—中淺構造相韌性變形帶；7—火山機構；8—地熱井圖1 研究區(qū)構造簡圖

2 地熱分布規(guī)律

通過對已收集資料的分析研究表明，魯東地區(qū)帶狀裂隙型地熱資源分布具有一定的規(guī)律性，已成井的地熱井均在斷裂構造裂隙帶內(nèi)(圖1)，屬于基巖裂隙深循環(huán)對流型地熱系統(tǒng)，分布在2組以上斷裂交會部位，特別是凹陷區(qū)邊緣的2組以上斷裂交會部位，主要導熱構造斷裂為NE向斷裂，導水斷裂通常為NW向斷裂[11-14]。推斷補給來源為大氣降水，地熱田具有一定的匯水面積，通常在一條河流的流域內(nèi)，熱儲類型為帶狀熱儲，熱儲巖性為安山巖、閃長巖和花崗巖類，傳熱方式主要為構造對流熱，蓋層為厚度小于50m的第四系松散沉積或無蓋層(圖2)。

圖2 熱儲概念模型圖

結合已有資料表明，日照地區(qū)地熱水的成因是大氣降水在地勢較高的低山丘陵區(qū)降落，沿區(qū)域斷裂帶或不同巖體接觸帶流向大地深部，在導水斷裂與導熱斷裂交會處進行水熱對流，形成局部的熱異常。

3 勘查定井方法

分析日照東部區(qū)域已有的地質(zhì)、構造、水文地質(zhì)、地熱地質(zhì)等方面的資料，根據(jù)日照地區(qū)地熱資源的地質(zhì)條件及分布規(guī)律，圈定可能存在地熱資源賦存條件的區(qū)域，然后采用可控源音頻大地電磁測深、視電祖率電磁測深等方法對圈定的存在地熱成熱條件的重點區(qū)域進行深部斷裂構造及富水性探測，通過地熱鉆探驗證地球物理勘探解譯成果，最后通過巖礦測試分析地熱流體的成因及補給來源，從而確定日照地區(qū)地熱勘查定井較適用的方法。

3.1 區(qū)域地質(zhì)資料的搜集和分析

日照東部地區(qū)地熱資源的埋藏分布大多受構造斷裂控制，廣泛搜集區(qū)域地質(zhì)構造資料及已有水文地質(zhì)、地熱地質(zhì)的勘查資料，進而確定勘查區(qū)所處地質(zhì)構造部位，基底埋藏特征、地層巖性特征、地熱水儲存和運移特征等，為下一步地熱勘查工作提供科學依據(jù)。

3.2 地熱地質(zhì)調(diào)查

調(diào)查研究區(qū)的地層及巖性特征，地質(zhì)構造、巖漿活動與新構造運動情況，分析地熱勘查區(qū)地熱形成的地質(zhì)構造背景，調(diào)查勘查區(qū)地表熱異常分布特征及與構造的關系，圈定可能賦存地熱資源的構造斷裂位置。

可控源音頻大地電磁測深綜合了普通電阻率法和激發(fā)極化法的優(yōu)勢，利于解決較大深度的地質(zhì)問題，如尋找隱伏金屬礦、油氣構造勘查、推覆體或火山巖下找煤、地熱勘查和水文工程地質(zhì)勘查等，均取得了良好的地質(zhì)效果。

3.3 地球物理勘探

對圈定的斷裂構造位置，采用可控源音頻大地電磁測深、視電阻率電測深等方法，針對性地布置可控源大地電磁測深剖面，準確判定斷裂構造產(chǎn)狀、展布特征及地層富水情況，最后選擇布井有利部位。

3.4 地熱鉆探

地熱鉆探是地熱勘查中最直觀、最準確有效的方法，但因投資較大，工作量受到限制。因此，地熱鉆孔施工前要綜合分析所有相關資料，結合物探解譯成果，精心編制地熱鉆孔施工設計，鉆探過程中應盡量開展各種樣品采集、測試及試驗工作，獲取最多的地熱地質(zhì)信息。

3.5 巖礦測試

測定地熱流體中的常規(guī)離子成分、微量元素及氫氧同位素，通過分析研究測試結果，確定地熱流體的水化學類型、地熱流體成因及補給來源。

4 地熱勘查成果

4.1 五蓮縣松柏鎮(zhèn)地熱資源勘查

該勘查區(qū)位于五蓮縣松柏鎮(zhèn)，地貌類型為剝蝕丘陵區(qū)，地形呈西高東低之勢。出露巖性主要為震旦紀和燕山期花崗巖，沖溝附近分布少量殘坡積含礫粉質(zhì)黏土，區(qū)內(nèi)發(fā)育NE向和NW向2組斷裂。主要導熱斷裂為NE向松柏-小王疃斷裂，是本次勘查的主要靶區(qū)，該斷裂走向15°～30°之間，傾向SE，傾角在70°～80°，為壓扭性斷裂，后期經(jīng)物探解譯該斷層地下延伸較深，形成較好的導熱通道。NW向松柏-叩官斷裂，走向NW 307°左右，傾向NE，傾角80°左右，為張性斷裂，東段大部分被第四系沖洪積覆蓋(圖3)。

1—第四紀沂河組；2—白堊紀青山群石前莊組；3—嶗山序列八水河單元；4—嶗山序列望海樓單元；5—偉德山序列通天嶺單元；6—埠柳序列大水泊單元；7—榮成序列威海單元；8—石英(流紋)斑巖；9—花崗斑巖；10—實測地質(zhì)界線；11—壓扭性斷裂；12—張性斷裂；13—湖泊；14—道路；15— CSAMT法勘探線及樁號；16—檢測點；17—測溫井及編號；18—地熱井及編號圖3 松柏1號井工程部署圖

為查明這2條斷裂的情況，選擇可控源音頻大地電磁測深法進行深部構造物探，發(fā)現(xiàn)L2剖面線在樁號2000～2280位置，深度1700m以深，視電阻率等值線相對低阻，視電阻率值小于5000Ω·m，為松柏-叩官斷裂及F5斷裂交會部位，推斷該位置巖石破碎，富水性較強(圖4)。擬設地熱井附近有一測溫井，井號ZK1，井深350m，涌水量25.142m3/h，井底水溫26.7℃，地溫梯度為3.61℃/100m，地熱顯示異常，以此推算在井深2000m時，熱儲溫度可達88.60℃(1)山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省五蓮縣東部地區(qū)地熱資源調(diào)查報告，2017年。。

1—推斷斷層；2—設計鉆井圖4 松柏1號井L2剖面線視電阻率等值線圖

松柏1號井完井深度1570m，在1524m處鉆遇松柏-叩官斷裂，井底溫度87.12℃，涌水量2645.76m3/d，水溫75℃，地熱水允許開采量為1486.08m3/d(54.24萬m3/a)，年累計可利用熱能2.362×107MJ(按地熱水溫75℃計)，折合標準煤8059.34t/a；根據(jù)水質(zhì)分析結果，松柏1號井地熱流體氟含量為7.50mg/L、偏硅酸含量為145.73mg/L，二者含量已達到國家命名礦水濃度，可命名為氟水、硅水，具有較高的醫(yī)療價值，可作為理療熱礦水開發(fā)利用(2)山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東省五蓮縣松柏1號井單井地熱資源勘查報告，2018年。。

4.2 日照市東港區(qū)三莊鎮(zhèn)地熱資源勘查

該勘查區(qū)位于日照市東港區(qū)三莊鎮(zhèn)以北龍門崮風景區(qū)內(nèi)，地貌類型為剝蝕丘陵區(qū)，總體地形呈SW—NE向，中間高，四周低。地層巖性為白堊紀安山巖，巖漿巖為燕山晚期埠柳序列鳳凰山單元石英二長巖(圖5)，斷裂以NE向壓扭性斷裂和NW向張性斷裂為主，多條斷裂在該處交會。選擇視電阻率電磁測深和可控源音頻大地電磁測深法進行深部構造物探。

在可控源音頻大地電磁測深法L7線樁號1600～2000淺部相對兩側呈現(xiàn)低阻反映，深度800m以淺區(qū)域視電阻率100～1200Ω·m，等值線梯度變化，結合地質(zhì)資料，推斷F4和F5斷裂構造在該區(qū)域交會引起，F(xiàn)4斷裂傾向NE，傾角約為75°，F(xiàn)5斷裂傾向NE，傾角約為70°；樁號2100～2120，深部500～2000m位置，視電阻率約為400～2000Ω·m，呈現(xiàn)低阻異常，推測為F4、F6斷裂在深部交會引起(圖6)。

1—推斷斷層；2—設計鉆井圖6 LDR1井L7剖面線視電阻率等值線圖

在視電阻率電磁測深D1剖面線樁號1600～2000淺部相對兩側呈現(xiàn)“V”字型異常反映，在深度-600m～-1200m范圍內(nèi)，等值線較密，整體梯度變化較大，結合地質(zhì)資料，推斷F4和F6斷裂構造在該區(qū)域交會引起，F(xiàn)4斷裂傾向NE，傾角約為75°，F(xiàn)6斷裂傾向NW，傾角約為70°。樁號1600～1800淺部視電阻率梯度變化較大，結合已知資料，推斷F5斷層的電性反映，傾向NE，傾角約為70°，深部與F6交會(圖7)。

1—推斷斷層圖7 LDR1井D1電測深視電阻率斷面圖

首先施工測溫孔CW1，在井深480m時鉆遇F4斷裂，最終成井深度703m。涌水量21.63m3/h，井底溫度28.10℃，地溫梯度達2.11℃/100m，由此推測，LDR1地熱井在井深2000m時，井溫度可達50℃左右。

LDR1井完井深度2010.60m，井底溫度57.12℃，出水量720m3/d，出水口水溫40℃，地熱流體中氟(4.15mg/L)，依據(jù)現(xiàn)行《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010)附錄E中“理療熱礦泉水水質(zhì)標準”，達到命名礦水濃度，具有較高的醫(yī)療價值，可作為洗浴、療養(yǎng)用水或在醫(yī)生指導下進行理療保健。

4.3 日照市東港區(qū)陳疃鎮(zhèn)地熱資源勘查

該勘查區(qū)位于日照市東港區(qū)陳疃鎮(zhèn)北1km，地貌類型為低山丘陵區(qū)，地形總體呈南高北低，中間為一較寬闊的沖溝。地層上部為第四紀粉質(zhì)黏土，下部有花崗巖侵入。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育NE向、NW向2組深大斷裂，分別為F1、F2、F4斷裂和F3斷裂(圖8)。

1—第四紀沂河組含礫混粒砂；2—第四紀臨沂組含礫砂質(zhì)亞黏土、含礫黏土質(zhì)砂層；3—燕山早期玲瓏序列郭家店單元中粗粒二長花崗巖；4—月季山序列朱子嶺單元細中粒含角閃黑云二長花崗質(zhì)片麻巖；5—月季山序列后石溝單元中粗粒含黑云二長花崗質(zhì)片麻巖；6—實測地質(zhì)界線；7—張扭性斷裂；8—張性斷裂；9—性質(zhì)不明斷裂；10—物探推斷斷裂；11—構造破碎帶；12—物探推斷構造破碎帶；13— CSAMT測點及點線號；14—CSAMT質(zhì)量檢查點；15—測溫井及編號；16—地熱井及編號圖8 CTDR1井工程部署圖

NE向F1、F2、F4斷裂平行展布后與NW向F3斷裂交會。選擇可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)進行深部構造物探。

在L6線1100～1900號點之間，視電阻率明顯呈低阻反映，并且向下延伸較大，視電阻率等值線呈規(guī)模較大“U”字型變化，結合地質(zhì)資料推斷為構造破碎帶的反映；在1900～2600號點之間，深部有一條向東延伸的低阻異常帶，結合地質(zhì)資料推斷為F3斷裂構造反映，并于西部構造破碎帶相交會；在2500～3200號點之間，視電阻率呈低阻反映，視電阻率等值線呈“V”字型變化，結合地質(zhì)資料推斷為F1斷裂構造反映，并且深部與F3斷裂構造相交會(圖9)。首先在擬設地熱井以西施工測溫孔CTCW1，完井深度350m，在井深350m時鉆遇破碎帶，涌水量59.63m3/h，井底溫度20.60℃，經(jīng)計算，地溫梯度達2.34℃/100m，由此推測，CTDR1地熱井在井深2000m時，井底溫度可達55℃左右。

1—推斷斷層；2—設計鉆井圖9 CTDR1井L6剖面線視電阻率等值線圖

CTDR1井完井深度2012.60m，井底溫度62.47℃，涌水量600m3/d，出水口水溫37℃，地熱流體中氟(5.08mg/L)，依據(jù)現(xiàn)行《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T11615—2010)附錄E中“理療熱礦泉水水質(zhì)標準”，達到命名礦水濃度，具有較高的醫(yī)療價值，可作為洗浴、療養(yǎng)用水或在醫(yī)生指導下進行理療保健。

5 地熱水補給來源分析

地下水屬于自然界水循環(huán)中的地下徑流階段中的水，它的形成、運動、演化均與大氣降水、地表水有密切聯(lián)系。而地下熱水的水化學成分是在漫長的地下徑流過程中逐步形成的，由于其賦存介質(zhì)、水動力條件及溫度的不同，不同條件下的地下熱水的水化學特征也具有較大的差異。地下熱水中的化學成分可以作為尋找地下熱水的標志，幫助分析地下熱水的形成原因。所以，地下熱水的水化學分析是十分重要的。

5.1 水化學特征

地下熱水的化學成分是在漫長的地質(zhì)歷史中形成的，在其形成過程中，除受到所流經(jīng)巖石的種類和性質(zhì)影響外，其成分的演變還受到各種化學作用的嚴格控制。地熱水水化學特征不僅是地下熱水與圍巖間的溶解作用和溶濾作用，還受巖漿活動、大氣降水入滲及含水層之間的補給等因素影響。分析研究地熱水水化學類型以及各組分之間的聯(lián)系，為更好的開發(fā)利用地熱水資源提供水化學依據(jù)[16]。

1—地熱井編號/深度、出水口水溫/涌水量；2—地熱流體采樣位置；3—斷裂；4—韌性變形帶圖10 地熱流體采樣分布圖

表1 地熱水水化學組分一覽表 單位：mg/L

圖11 地熱井地熱流體離子成分piper三線圖

5.2 氫氧穩(wěn)定同位素特征

氫的穩(wěn)定同位素氘，由于圍巖貧氫，導致氫從熱源向采樣點運移途中不受物理化學過程影響，濃度基本保持不變，適于作水分子起源的標記或示蹤劑;另一方面，氧的同位素18O，由于圍巖富氧，導致18O對于溫度變化、水-巖相互作用、蒸汽散發(fā)、不同來源水的混合與稀釋表面蒸發(fā)十分敏感，適于作這些過程的地質(zhì)指示劑。因此地熱流體中穩(wěn)定同位素δD和δ18O的組成通常用于確定地熱流體的成因[16-17]。

三口地熱井的氫氧同位素檢測數(shù)據(jù)表明，它們的δD和δ18O的值均在克雷格標準降水直線δD=8δ18O+10及我國降水線δD=7.8δ18O+8.2附近(表2，圖12)，說明這三口地熱井所在地區(qū)的地下熱水來源由大氣降水補給形成，屬大氣降水成因，證明前述地熱水的補給來源為大氣降水的判斷是正確的。

表2 δD和δ18O值一覽表

圖12 地熱井地熱流體中δD，δ18O值與標準雨水線對比圖

6 結論

(1)日照東部花崗巖地區(qū)地熱資源分布于地勢低洼的NE向、NNE向及NW向斷裂交會處；斷裂是控制地熱資源分布的主導因素，熱儲巖性主要以中生代及元古宙二長花崗巖為主；地熱水主要接受山區(qū)大氣降水的入滲補給，地下水沿構造裂隙向地殼深部運移，經(jīng)圍巖加熱后沿斷裂交會形成的構造薄弱部位向上運移，形成地熱田，為斷裂控制的深循環(huán)對流型帶狀熱儲地熱田。

(2)根據(jù)氫氧同位素檢測結果，反映研究區(qū)內(nèi)地熱水為大氣降水補給，補給區(qū)為周邊山區(qū)就近補給，沿斷裂入滲循環(huán)，吸收熱量形成地熱水，循環(huán)距離不大。

(3)在日照地區(qū)進行地熱勘查時，可控源音頻大地電磁測深對斷裂深部發(fā)育特征反映明顯，應首選在2條或多條深大斷裂交會處定井，地熱井宜布置在地勢低洼處，具有一定的匯水面積，可獲得出水量較大的地熱井。

(4)物探工作程度、解譯及地質(zhì)推斷的準確性關系到打井的成敗。在探測深部斷裂發(fā)育特征時，應采用2種以上物探方法相互對比，根據(jù)地層巖性、構造條件、構造裂隙的富水性等確定地熱井位置；地熱井要布置在實際施工的物探剖面上，勘探深度應大于擬鉆地熱井的深度。