魯西南潛隆起中部巖溶熱儲特征及其成因機制

摘要：魯西南潛隆起深部巖溶熱儲埋深差異明顯，本次研究以嘉祥潛凸起、魚臺凹陷為例，在區域地質研究、地面調查的基礎上，在嘉祥潛凸起南部及魚臺凹陷分別施工1398m及2309m地熱井兩眼，綜合地溫場測量、地球物理勘探、地熱井鉆探、抽水試驗、水質分析等手段，分析了該區巖溶熱儲賦存特征。魯西南潛隆起中部斷裂構造多為導水導熱斷裂，斷層裂隙是研究區的主要熱儲層，放射性元素衰變產生的熱量所占比例小于一般地區放射性的元素衰變熱，煤系地層地溫梯度大于2.3℃/100m，奧陶系地溫梯度在4℃/100m左右；地熱水中富含氟、鍶、偏硼酸，均達到醫療價值濃度標準，地熱單井的產能分別為4049.72kW和1431.32kW，地熱水開采一年所獲得熱量與之相當的節煤量分別為7262.73t/a和2686.79t/a，開發前景較好。

關鍵詞：地熱；巖溶熱儲；成因機制" ；魚臺凹陷；魯西南潛隆起

中圖分類號：P314.1""" 文獻標識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.03.014

0 引言

隨著人們環保與節能意識的不斷提高，地熱資源因其具有的綠色、清潔、環保和可再生等特點，受到國內外專家的廣泛關注。近年來，國內地熱資源勘查、開發與利用發展迅速。山東省地熱資源豐富，特別是隱伏裂隙巖溶水由于徑流條件好，儲存量、可開采量大等因素備受關注，埋藏深度為500～3000m，賦存于寒武奧陶系中的巖溶熱儲埋藏較深、地質條件復雜，同時受巖溶、裂隙發育程度的影響，其富水規律各地差異性比較大［12］。

魯西南潛隆起東部及西部研究程度相對較高，尤其是近年來對菏澤凸起城區附近地熱研究程度相對集中［34］，中部魚臺凹陷、嘉祥潛凸起受熱儲埋深較大、煤田開發等多方面因素影響，該區域地熱研究相對較低，一段時間內近乎停滯［5］。2018年，康鳳新等［6］將本區劃為金鄉魚臺地熱遠景區，初步評價了區內地熱資源潛力。金鄉魚臺地熱遠景區屬于深層地熱勘查空白區域，本次研究依托山東省地質勘查項目“山東省魚臺凹陷地熱資源調查評價”及“山東省嘉祥潛凸起南部地熱資源調查評價”，采用大地電磁測深、廣域電磁測深的綜合探測方法，結合區內煤礦區三維地震資料，分析推斷地質構造發育及奧陶系頂板，在嘉祥潛凸起南部及魚臺凹陷深大斷裂影響帶分別施工1398m、2309m地熱井兩眼，并對其進行研究，分析該區域地熱巖溶熱儲特征及成因機制，以期為該區地熱資源開發提供更多的科學依據。

1 研究區概況

1.1 地質概況

魯西南潛隆起位于山東省西南，研究區構造位置屬于華北板塊（Ⅰ）魯西隆起區（Ⅱ）。研究區位于魯西南潛隆起中部（圖1），構造格局受深大斷裂活動影響，形成以區域級斷裂為界的斷陷，SN向及EW向斷裂交叉切割地層，近SN的斷裂有嘉祥斷裂、濟寧斷裂及孫氏店斷裂，近EW向斷裂主要有菏澤斷裂、鳧山斷裂、魚臺斷裂、單縣斷裂（圖2）。

本次研究重點為嘉祥斷裂及鳧山斷裂附近的熱儲。嘉祥斷裂被第四系覆蓋，展布長度約180km，走向335°～350°，傾向E，傾角約70°，為張扭性斷裂，斷裂西盤為相對上升盤，古近紀地層較薄；東盤魚臺凹陷為相對下降盤，古近紀地層保留相對完整，斷裂垂直斷距大于1500m。嘉祥斷裂切割鳧山斷裂、單縣斷裂、形成于燕山期，對古近系、新近系沉積有控制作用，喜山期斷裂重新活動切割了古近系。鳧山斷裂走向83°，傾向S，傾角70°，長度180km，落差2000m，主要控制地層為侏羅系上統，為壓性斷裂，主要活動時期為燕山期。區域地層由老到新主要發育有古生代寒武系、奧陶系、石炭二疊系，中生代侏羅系、白堊系以及新生界古近系、新近系、第四系，地表全部被第四系覆蓋。

1.2 巖溶特征

研究區內魯西隆起地熱區，熱儲層主要為奧陶紀馬家溝群碳酸鹽巖，上部覆蓋石炭二疊紀煤系地層，新生界厚度均大于500m，為似層狀的寒武奧陶紀灰巖裂隙巖溶熱儲，屬中低溫對流傳導型地熱系統，以中低溫傳導型地熱系統為主，局部地帶受斷裂構造活動的影響，形成傳導—對流的亞類，屬弱開放型地熱田［6］。奧陶紀灰巖經歷構造運動，加上風化剝蝕和溶蝕作用，形成斷裂、裂隙和破碎帶。在奧陶紀地層中，孔隙裂隙發育，是深層地熱水體循環運移的通道。本次嘉祥潛凸起南部及魚臺凹陷勘查孔地熱井熱儲層是奧陶紀馬家溝群，頂板埋深分別為1272m、2089m，揭露厚度分別為126m、220m，井底物探測溫分別為54.3℃、74.5℃，最大涌水量3120m3/d、552m3/d，井口溫度分別為48℃、68.5℃。

2 研究方法

2.1 地球物理探測

本次研究采用可控源音頻大地電磁測深、大地電磁測深、廣域電磁測深綜合物探手段，結合前期收集的三維地震資料及其他物探工作資料，推斷分析了各斷裂平面走向及深部展布特征，推測了奧陶系頂板埋深，在嘉祥斷裂與鳧山斷裂布設鉆孔。

2.2 地熱地質鉆探

地熱鉆探分別使用TSJ2000和TSJ3000鉆機進行施工，鉆遇破碎帶后采用氣舉反循環鉆進工藝繼續鉆進施工，巖溶發育斷層進行取心，取心率在93%以上，其他基巖段進行巖屑錄井。

2.3 綜合測井

研究區地熱鉆孔綜合測井分別使用RD6600、SKD3000B型成套數控測井系統及配套井下探管，采用三側向電阻率、自然電位、視密度、自然伽瑪、井徑測量、井斜測量5種物性參數方法，對測井曲線進行濾波、編輯、修改等消除失真數據后完成。嘉祥潛凸起南部地熱井巖溶在1293.4～1296.9m處較為破碎，為主要含水層，孔隙度16.36%；魚臺凹陷地熱井巖溶裂隙段主要有兩段，一段為2117.8～2123.8m，層厚6m，孔隙度12.4%，與鉆孔漏漿位置一致，另一段為2161.5～2190.4m，層厚28.9m，孔隙度9.0%，是地熱水的儲存空間（表1），屬低溫、厚層、中產層狀帶狀熱儲。

2.4 地熱水產能測試

本次工作進行了3個落程的抽水試驗，嘉祥潛凸起南部地熱井和魚臺凹陷地熱井抽水前靜水位埋深分別為80.165m、111.549m，按熱水頭計算，3次抽水試驗降深分別為69.42m、32.26m、19.87m和147.63m、267.63m、265.22m，依照承壓含水層穩定流抽水試驗公式：K=0.366Q·lg（R/r）/M·S［78］，迭代求取參數見表2。

2.5 氣體采樣分析

本次工作采集了研究區地熱井熱水溶氣，分別送往中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心及中國科學院西北生態環境資源研究院地球化學分析測試中心進行檢測，使用PrisonmaPlus型四級質譜儀、QMG220質譜儀、GC9560氣相色譜儀、GC5890氣相色譜儀分別以質譜峰高比法和氣相色譜法進行氣體成分檢測，結果如表3所示。

3 分析與討論

3.1 熱源

大地熱流是地球內部熱能通過地層傳向地表，并在地表發散到大氣中的熱量。在地殼淺部測得的大地熱流是地球內熱散失最為直接的反映，由兩部分組成：一部分源于上地幔以淺的各種巖石中放射性元素（U、Th、40K）衰變所產生的熱量，即地殼熱流；另一部分來源于上地幔的熱量，即深部熱源。就一個地區來說，地殼熱流因為放射性元素的含量及相應地層厚度的差異而有所不同，但深部熱流比較穩定［10］。

本區的熱源主要來自地殼深部的熱流傳導，新構造運動使地殼深部的熱源不斷往上傳遞［1113］。參照地質礦產部1984年華北地區深部地殼溫度計算公式（BIRCH公式），根據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T11615—2010），石灰巖熱導率為2.010W/（m·℃），計算得出，研究區處于華北板塊（Ⅰ級）魯西隆起區（Ⅱ級）魯西南潛隆起區（Ⅲ級），地球深部熱源、巖漿熱液活動及放射性元素衰變是本區的重要熱源。通過BIRCH公式計算，魚臺凹陷放射性元素衰變產生的熱量約占31.8%，嘉祥潛凸起放射性元素衰變產生的熱量約占10%，其余熱量均來自地殼深部，新構造運動使地殼深部的熱源不斷往上傳遞。研究區放射性元素衰變產生的熱量所占比例小于一般地區放射性的元素衰變熱，陳墨香等［10］認為放射性的元素衰變熱占37.8%～46.1%。

3.2 通道

區內隱伏斷裂構造十分發育，這些斷裂不僅溝通了深部熱源的上涌，而且也是地下水深循環的主要通道［14］（圖3、圖4），鳧山斷裂（F1）處視電阻率等值線向南東被明顯錯移，其電性反映明顯，推斷該剖面內鳧山斷裂傾向相對較陡，傾角約75°；鳧山斷裂北側鳧山支斷裂（F2）規模相對較小，斷距明顯小于鳧山斷裂，主要表現為等值線SE向的局部同形扭曲。F1、F2在MT斷面內同為“V”型低阻特征。嘉祥斷裂為張扭性斷裂，是魚臺凹陷和金鄉凹陷的分界斷裂。鉆探資料證實，斷裂西盤為相對上升盤，東盤魚臺凹陷為相對下降盤，斷裂垂直斷距大于1500m。嘉祥斷裂（FJ1）在區內沿韓樓至楊樓—周莊—王府莊一帶展布。走向為NW向，傾向NE，傾角55°～70°左右，為一束斷層，視電阻率斷面圖中縱向呈“Y”字形展布，局部沿傾向呈“臺階狀”展布，發育規模較大，視電阻率等值線斷面圖上整體上呈明顯的低阻“U”字形異常特征，為明顯的斷層異常特征反映。

3.3 水源

氫氧穩定同位素方法在確定地下水的成因類型、地熱水的起源等理論問題方面具有重要意義，是解決地下水的補給來源、各類水體間的水力聯系等實際問題的有力工具。本次工作對勘探孔地熱水進行了氫氧同位素的測試，其中嘉祥潛凸起南部地熱孔δ18O值為9.36‰，δD值為67.13‰；魚臺凹陷地熱孔δ18O值為8.86‰，δD值為67.49‰。

將氫氧同位素測試數據投點至δDδ18O關系圖上（圖5），可以看出，地熱水點落在全球大氣降水線及中國大氣降水線附近，說明地熱水起源于大氣降水。本次巖溶地熱水點落在降水線下方，并發生了明顯氧同位素向右漂移，主要是由于水—巖之間同位素的交換作用所致，熱水在地下的滯留時間長，與圍巖作用的時間充分，從巖石中獲得的18O越多，“氧漂移”也就越明顯［15］。

3.4 地溫梯度特征

魚臺凹陷地熱勘查井白堊系地溫梯度約1.26℃/100m（其中上部玄武巖段地溫梯度約0.36℃/100m，下部泥巖、砂巖互層段地溫梯度約1.38℃/100m），向下進入煤系地層后，地溫梯度約2.94℃/100m，奧陶系地溫梯度約3.98℃/100m。嘉祥潛凸起南部地熱勘查井第四系和新近系2.15℃/100m，古近系2.11℃/100m，石炭二疊系2.31℃/100m，奧陶系4.42℃/100m。兩井在含水層位置受地下水強烈的交替活動影響，溫度均出現負增長。該地區熱儲蓋層的溫度隨深度的增加而增大，測溫曲線表現為近斜直線狀延伸，煤系地層地溫梯度大于2.3℃/100m（圖6），奧陶系地溫梯度在4℃/100m左右，其中奧陶系地溫梯度值高于濟寧地區煤田勘探區內的鉆孔測溫值（均值2.37℃/100m）。

3.5 地熱水化學特征

地熱流體均為ClNa型，Gibbs圖可以顯示水體主要離子的化學組成與變化趨勢，用以判斷地下水來源主要受降水、巖石風化還是蒸發濃縮作用。從圖7可以看出，研究區深層第四系孔隙水的陽離子主要受控于濃縮作用，陰離子主要受控于水巖作用；奧陶系地下水陽離子主要受控于水巖作用；嘉祥潛凸起南部地熱水及魚臺凹陷地熱水陰陽離子均受控于濃縮作用，其中陰離子與海水分布位置較近，主要受蒸發濃縮作用而聚焦。研究區中生代侏羅世至始新世中晚期，由于干濕氣候交替，水分流入后蒸發，從而形成鹽類結晶［16］。

依據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T11615—2010）附錄E《理療熱礦泉水水質標準》嘉祥潛凸起南部地熱井地熱流體中氟含量為2.99mg/L，鍶含量14.648mg/L，偏硅酸含量27.7mg/L均達到礦水濃度，鋰含量1.408mg/L，偏硼酸含量4.55mg/L，達到有醫療價值濃度；魚臺凹陷地熱井地熱流體中氟含量4.22mg/L，溴含量47.2mg/L，鍶含量68.461mg/L均達到理療熱礦水命名濃度，主要可做理療熱礦泉水使用，該區地熱資源為低溫地熱資源，溫熱水型可用于供暖、理療、洗浴、溫室、養殖。

3.6 氣體成分分析

地下熱水中N2主要來源于大氣，N2活性低，高含量的N2指示封閉的地質構造環境，低含量的O2說明了地質構造的封閉性和水化學環境的還原性［17］。嘉祥潛凸起南部地熱井和魚臺凹陷地熱井熱水溶氣He/Ar分別為0.287、0.325，遠大于大氣值5.61×104，說明相關組分不止來源于大氣，還溶解了一定量來自地殼和地幔的氣體。魚臺凹陷地熱井和嘉祥潛凸起南部地熱井熱水溶氣N2/Ar分別為82.17、83.18，大于大氣溶于水中的值38，主要與深部地幔脫氣有關。魚臺凹陷地熱井熱水溶氣中H2高達1.78%，遠高于一般熱水，說明該井周圍存在較為活躍或年輕的地質構造，是地熱水的熱源之一。

3.7 地熱資源潛力分析

按照《地熱資源地質勘查規范》（GB/T11615—2010）的要求，依據地熱流體開采量所采出的熱量，按公式Wt=4.1868Qy（tt0）［18］計算地熱單井的產能，Wt是熱功率，Qy是地熱流體可開采水量，t為地熱流體溫度，t0為當地年平均氣溫，4.1868為單位換算系數。嘉祥潛凸起南部Qy取50m降深時的推測流量2429.15m3/d，合28.115L/s，t取產能測試的插值計算值48℃，t0取13.6℃；魚臺凹陷Qy取300m降深時的推測流量562.64m3/d，合6.512L/s，t取產能測試的插值計算值68.5℃，t0取16℃。嘉祥潛凸起南部和魚臺凹陷地熱井的產能分別為4049.72kW、1431.32kW；地熱流體年開采累計可利用的熱能量按公式∑Wt=86.4DWt/K估算，嘉祥潛凸起南部和魚臺凹陷地熱流體年開采累計可利用熱能量分別為2.13×108MJ、0.75×108MJ；地熱水開采一年所獲得熱量與之相當的節煤量按公式M=∑Wt÷4.1868÷7估算，嘉祥潛凸起南部和魚臺凹陷地熱井分別為7262.73t/a、12320.66t/a，開發前景較好。

4 結論

（1）根據嘉祥潛凸起南部和魚臺凹陷地熱井相關資料計算，放射性元素衰變產生的熱量分別約占10%、31.8%，其余熱量均來自地殼深部，新構造運動使地殼深部的熱源不斷往上傳遞。研究區放射性元素衰變產生的熱量所占比例小于一般地區放射性的元素衰變熱37.8%～46.1%。

（2）嘉祥潛凸起南部地熱勘查井和魚臺凹陷地熱勘查井煤系地層地溫梯度分別約為2.31℃/100m、2.94℃/100m，奧陶系地溫梯度分別約4.42℃/100m、3.98℃/100m，煤系地層地溫梯度大于2.3℃/100m，奧陶系地溫梯度在4℃/100m左右，奧陶系地溫梯度值高于濟寧地區煤田勘探區內的鉆孔測溫值（均值2.37℃/100m）。

（3）地熱水中富含氟、鍶、偏硼酸，均達到醫療價值濃度標準，地熱流體均為ClNa型水，主要可做理療熱礦泉水使用，該區地熱資源為低溫地熱資源，溫熱水型，可用于供暖、理療、洗浴、溫室、養殖。

（4）嘉祥潛凸起南部地熱井和魚臺凹陷地熱井熱水溶氣He/Ar分別為0.287、0.325，遠大于大氣值5.61×104，說明相關組分不止來源于大氣，還溶解了一定量來自地殼和地幔的氣體。

（5）嘉祥潛凸起南部和魚臺凹陷地熱單井的產能分別為4049.72kW、1431.32kW，地熱水開采一年所獲得熱量與之相當的節煤量分別為7262.73t/a、2686.79t/a，開發前景較好。

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Characteristics and Genetic Mechanism of Karst Heat Reservoir in the Middle Part of Southwest Buried Uplift in Shandong Province

QIN Peng1， WANG Zhentao1， HAN Shumin2， MENG Yonghui1，LI Xiaoquan1，CHANG Chaopeng3， WANG Runsheng4

（1.Shandong Provincial Territorial Spatial Ecological Restoration Center， Shandong Ji'nan 250013， China；2. Shandong Provincial Natural Resources Archive， Shandong Ji'nan 250013， China；3. Lunan Geo-engineering Exploration Institute （No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources）， Shandong Ji'ning 272100， China；4. Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute，Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract The differences of karst heat storage and burial depth are obvious in the southwest of Shandong province. On the basis of regional geological research and ground survey， two geothermal wells of 1398m and 2309m have been constructed in the southern part of Jiaxiang uplift and Yutai depression. The characteristics of karst heat storage in the area have been analyzed by means of geothermal field measurement， geophysics exploration， geothermal well drilling， pumping test and water quality analysis. Most of the faults in the central part of the southwest of Shandong subduction uplift are waterconducting and heatconducting faults， and the faults and fissures are main thermal reservoirs in the study area. The geothermal gradient of coal measures is more than 2.3 ℃/100m， and that of Ordovician is about 4 ℃/100m. The productivity of single geothermal well is 4049.72kW and 1431.32 kW respectively， and the equivalent coalsaving capacity of geothermal water in one year is 7262.73t/a and 2686.79 t/a respectively.The results can provide some references for the exploitation and protection of geothermal resources in southwestern Shandong province.

Key words Geothermal; karst geothermal reservoir; genetic mechanism; Yutai depression; southwest buried uplift in Shandong province