山東省干熱巖地熱資源潛力估算

許傳杰，張軍，張玲，李肖蘭，翟立民

(1.山東地礦新能源有限公司，山東 濟南 250014；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南 250100；3.山東省地礦局富鐵礦找礦與資源評價重點實驗室，山東 濟南 250100 )

0 引言

干熱巖是一種清潔的可再生地熱資源[1]，一般埋藏于地面1km以下，溫度大于200℃，埋深數千米，內部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。

我國是最早利用地熱的國家之一，地熱資源的直接利用排世界第一[2-3]。但我國對于干熱巖資源的勘查開發利用，尚處于起步階段。2014年，青海省地勘單位在共和盆地成功鉆獲溫度高達153℃的干熱巖，是我國首次發現大規模可利用干熱巖資源，這次勘查發現的干熱巖資源具有埋藏淺、溫度高、分布范圍廣的特點，填補了我國干熱巖資源的空白。近幾年，我國在干熱巖資源潛力評價[4-6]、應用技術研究[7-9]方面開展了較多工作，也取得了一定的成果和突破。

山東省是能源資源消耗量較大的省份，對于能源的需求處于持續增長的狀態。開發利用干熱巖資源可為山東省可持續發展提供綠色低碳能源，大大增強能源供應保障能力。

1 山東省干熱巖地熱資源區地質背景

山東省位于環太平洋地熱帶的太平洋西岸高熱流帶，該帶是華北板塊與揚子板塊碰撞結合帶，又是華北坳陷與魯中隆起的結合部，構造極為發育，尤其是中生代和新生代以來，山東表現為劇烈的斷塊運動和大陸裂谷伸展作用，并伴隨強烈的巖漿活動，是地熱形成及導熱、水熱活動異常的發生基礎。區域內自太古代至新生代地層均有分布，各時代地層發育比較齊全。地層中出露以中、新生代地層為主，其次為古生代地層；元古代地層分布局限，太古代地層零星分布，由老至新，地層出露面積逐次增大[10-11]。

山東省一級構造單元以牟平-即墨斷裂和五蓮斷裂及沂沭斷裂帶的昌邑-大店斷裂為界，其北西屬于華北板塊，其南東為蘇魯造山帶。以沂沭斷裂帶、齊河-廣饒斷裂及聊城-蘭考斷裂、牟平-即墨-五蓮斷裂為界，二級構造單元分為魯西隆起區、華北拗陷區、膠遼隆起區(魯東隆起區)，膠南-威海隆起區、蘇北隆起區。三級構造單元以大的區域性斷裂為界(圖1)。

1—一級單元界線；2—二級單元界線；3—三級單元界線；4—四級單元界線；5—五級單元界線；6—斷層及推測斷層；7—不整合界線圖1 山東省地質構造圖

山東省巖漿活動十分頻繁，除中太古代、新太古代、中生代及新生代有較多火山活動外，其他地質年代均以巖漿侵入活動為主。巖漿巖分布廣泛，出露面積30976km2，約占全省陸地面積的20%[12]。截至目前，全省17地市均發現有地熱資源，天然溫泉及人工揭露地熱800多處，水溫基本在40～90℃之間[13]。另外，山東省處于中國大陸東部濱太平洋構造域，中新世以來新構造運動較劇烈，形式復雜多樣，從溫泉出露地點看，山東省溫泉90%以上出露在地殼新構造隆起區。綜合山東省大地構造背景、火山活動、新構造運動和熱源傳導等特征，為山東省干熱巖資源賦存創造了地質條件。

2 資源潛力估算方法

干熱巖所蘊含的地熱資源量取決于干熱巖的儲層溫度及干熱巖巖石的熱物性。采用體積法估算山東地區干熱巖地熱資源量，體積法公式如下[6]：

Q=ρ·Cp·V·(T-T0)

(1)

式中：Q—干熱巖資源儲量；ρ—巖石密度；Cp—巖石比熱；V—巖石體體積；T—特定深度上的巖石溫度；T0—地表平均溫度或特定參考溫度。

鑒于現階段鉆探技術水平和地熱資源的經濟開采深度，目前干熱巖的評價深度限于地殼淺部10km以內[14-15]。通常一個獨立的水文地質單元，地形起伏的相對高差3km 左右，因此地殼淺部水熱型地熱資源主要賦存于3km以淺。此外，在以熱傳導為主的非火山活動區，3km以淺的地殼表層不可能具有較高溫的干熱巖，因此，選擇將山東省干熱巖資源評價的深度范圍限定在3～10km。

深部溫度是干熱巖地熱資源量評價的直接參數，主要由地表溫度、地表熱流、巖石熱導率、巖石生熱率來決定。在一維穩態熱傳導條件下，對于均勻層狀的沉積巖分布區，其單層內熱導率和生熱率可以近似為常數，依據不同巖性取其平均值即可，相應的深部溫度可由下式進行計算[5]：

T(Z) =T0+q0×Z/K-AZ2/2K

(2)

式中：T0—地表溫度；q0—地表熱流；K—巖石熱導率；A—巖石生熱率；Z—深度。

3 數據獲取及參數選取

根據山東省地熱地質資料及巖性、巖石生熱率、巖石熱導率、地溫梯度等數據資料，將山東省分為4個大區，分別是魯東地區、魯西北地區、沂沭斷裂帶地區、魯中南地區，通過大地熱流值、生熱率、熱導率、地溫梯度、居里面、巖性等資料圈定了魯東地區共6個干熱巖重點勘查區，魯西北地區共8個干熱巖重點勘查區，魯中南地區共2個干熱巖重點勘查區(圖2)。

1—魯西北地區；2—魯中南地區；3—沂沭斷裂帶地區；4—魯東地區；5—干熱巖重點勘查區圖2 山東省干熱巖地熱資源量估算分區圖

3.1 大地熱流值

大地熱流值簡稱熱流, 地球內部熱能傳輸至地表的一種現象, 是地熱場最重要的表征。中國熱流測量工作開展較晚, 但發展迅速, 先后在華北、東北、攀西、三江、青藏、東南沿海地區取得了一大批熱流數據, 并編制了中國大地熱流圖[16-19]。本次工作以樣品測試及搜集大地熱流值為基礎繪制了山東省大地熱流值分區圖(圖3)，為山東省干熱巖資源量計算提供了數據基礎。

山東省的大地熱流值介于45～100mW/m2。空間規律表現為，深大斷裂附近大地熱流值相對較高，魯中南隆起地區大地熱流值較低。最高值在魯西北的陳莊潛凸起區、廣饒潛凸起區以及魯東文登地區，另外，魯中南菏澤潛凸起區大地熱流值較高。

3.2 巖石熱導率

又稱“導熱系數”，是物質導熱能力的量度，即指當溫度垂直向下梯度為1℃/m時，單位時間內通過單位水平截面積所傳遞的熱量。熱導率是巖石熱物性參數，一般采集巖石樣品測試分析來獲取。

山東地區的研究資料比較豐富，全省熱導率主要是搜集前人實測巖石熱導率數據(山東地質志)進行取值，4km以淺的巖石熱導率可根據鉆探數據獲取， 4km深度以下的巖石熱導率根據推測巖石性質取定值。為了方便計算，山東省4個分區巖石熱導率取值為各區采集樣品數據的算數平均值，搜集地熱井巖芯熱導率數據見表1。

3.3 巖石生熱率

巖石生熱率是指單位體積的巖石在單位時間內由其所含的放射性元素衰變而產生的熱量。巖石放射性元素的衰變生熱主要取決于巖石中放射性物質U、Th和K的含量。通過測定樣品中U、Th和K的含量和樣品密度，按Birch(1954)給出的經驗公式計算出樣品的生熱率[20]。

1—<50mW/m2；2—50～55mW/m2；3—55～60mW/m2；4—60～65mW/m2；5—65～70mW/m2；6—70～75mW/m2；7—75～80mW/m2；8—80～85mW/m2；9—>85mW/m2；10—斷裂圖3 山東省大地熱流值分區圖

表1 收集山東省地熱井巖芯熱導率數據一覽表

續表1

山東省巖石生熱率是對研究區取巖樣90件測試U、Th和K的含量，通過上式計算獲得，數據見表2和表3。為了方便計算，在魯西北重點勘查區根據相關資料取值3.18，其他區域生熱率取值為巖樣測試數據的算數平均值。

3.4 基準溫度

基準溫度就是地表溫度，本文以山東地區年平均氣溫13℃近似代表基準溫度，4個分區干熱巖地熱資源計算參數見表2、表3。

表2 山東省干熱巖重點勘查區地熱資源計算參數表

表3 山東省除重點勘查區外的干熱巖分區地熱資源計算參數表

3.5 溫度估算

根據上述方法對山東省干熱巖分區3～10km不同層次深部估算溫度，依據所計算的溫度結果繪制了山東省3～10km深溫度分布圖，其中圖4、圖5分別是3.5km、9.5km等溫線圖。

根據國內外干熱巖資源開采利用經驗，考慮經濟、效能的可持續發展，150℃以上的干熱巖更具開采價值，本文所估算的不同深度的溫度值對山東省干熱巖資源的開發利用具有很好的參考價值。

圖4 山東省干熱巖估算3.5km等溫線

圖5 山東省干熱巖估算9.5km等溫線

4 結果分析

根據所計算的山東地區3～10km深度的溫度結果，采用體積法估算山東地區干熱巖資源儲量。分別在4個分區以深度上每1km為單位，計算3～10km深處各段的干熱巖資源潛力(表4)。

山東省干熱巖在3～10km深處資源總量為2.63×1023J，折合標準煤8.97×1012t。同時分析表明山東魯西北地區具有淺部開發利用干熱巖的潛能，在魯西北地區和魯東地區5km深度以下多個重點勘查區溫度推算都超過150℃，另外，在魯中南地區的沂南縣6km深度推算溫度也達到150℃以上。因此山東魯西北地區以及魯東地區在蓬萊-招遠、龍泉、文登-榮成、魯中南地區的沂南縣附近極有可能成為山東省干熱巖勘探的先行重點勘查區。

表4 山東省3～10km深度干熱巖資源估算結果

5 結論

(1)山東地區絕大部分區域的大地熱流值超過63mW/m2，屬于地熱異常區。其中魯西北部分地區熱流值超過75mW/m2，魯東部分區域及沂沭斷裂帶附近熱流值超過70 mW/m2。高熱流區與深部巖漿活動、地質構造密切相關。

(2) 根據深部溫度及資源量計算結果來看，目前現階段山東省干熱巖在3～10km深度范圍內資源總量按2%的可開采資源量計算，合1794.4×108t標準煤，大約是全國2019年能源消耗總量的37倍。

(3) 在魯西北、魯東的蓬萊-招遠、龍泉、文登-榮成一帶以及魯中南沂南附近具有開發利用干熱巖資源的潛能，具有良好的勘查開發利用前景。