山东省曹县城区地热资源地质条件综合研究

马 龙，冯超臣

(山东省鲁南地质工程勘察院，山东 兖州272100)

曹县位于山东省西南部，隶属菏泽市，地处鲁西南黄泛平原。近年来的地热地质勘查工作表明，曹县城区一带地热成矿地质条件有利，低温地热资源丰富，具有很好的开发应用前景。目前曹县城区地热尚未进行统一开发利用，加强该区地热资源地质条件的分析研究，有利于进一步摸清城区地热资源特征，推进地热资源的开发利用，从而促进当地社会经济发展。

1 区域地质背景[1]

1.1 地层

本区地表被巨厚的第四系和新近系松散层覆盖。据现有揭露地层资料，从老到新的地层有古生界的奥陶系、石炭系及二叠系、中生界侏罗系、新生界的古近系、新近系及第四系。与地热资源有关的地层主要为:

1.1.1 奥陶系马家沟组

隐伏于菏泽凸起中部。受构造的影响，埋藏深度差异较大，城区最小埋藏深度1 200 m左右，最大顶板埋深2 600 m，岩性主要为厚层灰岩、白云质灰岩及泥灰岩。

1.1.2 新近系明化镇组

下部为棕红色泥岩夹粉细砂岩，上部岩性为黄色泥岩、粉细砂岩互层，厚800 m左右。

1.2 构造

山东省曹县城区位于中朝准地台(Ⅰ)鲁西断隆(Ⅱ)鲁西断块隆起(Ⅲ)菏泽凸起(Ⅳ)的南部。历次构造运动造成本区断裂构造十分发育。

1.2.1 基底断块构造划分

根据区域大断裂构造的控制，划分了冉堌凸起、褚庙店凸起、倪集断陷和候集断陷等四个Ⅴ级构造单元。单元内次级断裂构造也较发育，主要为近东西向(或北西西向)和北东向两组，这些断裂互相切割把以上四个构造单元划分为更小的断块构造单元。断块单元的划分见表1。

1.2.2 基底断块构造概述

1)褚庙店凸起

位于单县断裂以南、曹县断裂以西的地区。该凸起新近系下基岩为石炭—二叠系，顶板埋深1 050～1 100 m，向南逐渐增厚;奥陶系为煤系地层的基底由北向南埋深逐渐增加，埋深由1 200 m增加到1 700 m左右。

2)倪集断陷

位于单县断裂与普连集断裂之间、曹县断裂以西的地区，区内新近系下基岩为侏罗系，顶板埋深约1 050～1 350 m，南部稍厚，北部稍薄。新近系下基岩为石炭—二叠系，厚度700～800 m。煤系地层基底为奥陶系，埋深2 200～2 300 m，稍向南倾斜。

3)候集断陷

位于城区的东南部，曹县断裂以东的区域，区内第四系及新近系平均厚约1 000 m，松散层以下隐伏地层为古近系，厚约1 200 m，奥陶系顶板埋深在2 800～3 000 km。

4)冉堌集凸起

位于城区的北部，普连集断裂以北的区域，区内第四系及新近系平均厚约1 000 m，新近系下基岩为石炭—二叠系，厚度700～800 m。

表1 曹县地区Ⅴ级构造单元及次级断块构造划分表

2 地热地质条件

2.1 热源与补给源

根据物探资料推断，本区莫霍面埋深在30～33 km左右，是莫霍面的相对隆起区，热源主要来自地壳深层正常的热流传导，且本区断裂构造发育，对地壳深部的热源起到了重要的沟通和传导作用，地壳深部的热能可通过断裂及岩浆岩侵入两侧的破碎带热的传导和地下水的深循环对流作用，将热能输送至热储层，遇到上覆巨厚的碎屑岩和松散岩盖层的阻热保温，使热能储存下来。其次是岩浆热液活动及放射元素蜕变;另外在中新生代沉积了巨厚的松散、半固结状沉积物，在不断的压实、成岩过程中，会产生一定的物理—化学热，也为本提供了部分热源。本区的热源条件较好。

地热水的主要补给来源为大气降水的垂直入渗经深部循环补给，其次是侧向径流补给和沉积时保留下来的封存水和沉积水。

2.2 热储层

热储是地壳内能够富集和贮集地热能、并使地热载体能进行对流运动的地质体，是地热勘查工作的目的层。根据现有地热地质资料，本区的热储层有两个，一是上部新近系碎屑岩孔隙含水热储层，二是下部古生界寒武—奥陶系岩溶裂隙型含水热储层(见图1)。

2.2.1 新近系碎屑岩孔隙含水热储层

属层状裂隙—孔隙型热储。新近系碎屑岩孔隙含水热储层埋深600 m以下热储，底板埋深在1 000～1 350 m之间，热储厚度600 m左右。

2.2.2 奥陶系石灰岩层热储层

属灰岩类裂隙—岩溶型热储。该热储主要位于单县断裂以南、曹县断裂以西的曹城镇断块内，顶板埋深在1 200～1 700 m。热储层为奥陶系石灰岩层，厚度约600～800 m，埋藏于石炭-二叠系煤系地层之下。受断裂构造的影响，灰岩岩溶裂隙比较发育，为深部地热水体循环运移提供了通道及储存空间，尤期是奥陶系顶部古风化壳较厚，岩溶裂隙更为发育，形成了良好的储热条件。

图1 曹县城区地热资源热储概念模型

2.3 盖层

盖层是指热储的覆盖层，它是地热形成的重要条件，其作用是防止热储层中的热能大量散失。对于不同的热储层有不同的盖层系统。本区第四系厚230 m左右，岩性主要为粘土、粉质粘土和细砂互层;新近系明化镇组上部，厚约370 m，岩性主要为泥岩和细砂岩为主。上述地层密度小，导热性能差，热阻大，是天然良好的新近系明化镇组下部热储层的盖层。寒武-奥陶系岩溶裂隙地热储层，还具有石炭-二叠系盖层，厚度约200～400 m，岩性主要为页岩、泥岩、粘土岩及砂岩，特别是泥岩层及粘土岩层热导率低，是深部寒武-奥陶系岩溶裂隙地热储的保温盖层。

2.4 控热和导水构造

控热和导水构造是地热形成的必备条件。本区西部靠近聊考断裂，北部为常乐集断裂，曹县断裂北东向斜穿本区，单县断裂从曹县城区北部东西向穿过，这四条断裂控制了区域内凸起与凹陷的边界，它们切割深度大，活动时间长，破坏了地壳的连续性，是本区主要的控热构造。曹县城区有多条东西向的次级断裂构造。这些断裂切割深度一般在1 000～3 500 m之间，沟通了不同含水层之间的联系，使其沿断裂可进行垂向对流，为该区内的导水构造。，从图2可以看出，大致以单县断裂(F4)为界，在F4断裂以北的倪集断陷盆地的南缘，发育一条上宽下窄的断裂破碎带，它由规模较大的近于平行的六条断裂组成(F4-F9)。F4—F6断裂倾向北，倾角 55°～60°，F8-F9断裂倾向南，倾角 45°～55°，除 F4 断距较大(1.3 km)外，其余断裂断距一般小于100 m，断裂带破碎严重，为该地区导热的通道。

3 地温场特征

本区地温场特征主要受地质构造的影响，其次受盖层及岩性变化影响。在常温带下，地温随着深度增加逐渐增高。经对井温资料的综合统计分析，确定该地常温带深度为20 m，常温带值选用当地年平均气温14.5℃。

3.1 地温场的水平方向地温特征

根据对曹县城区内30～40 m的浅层水井测温资料，曹县城区及城区北部地温梯度最高达3.0℃/100m，东部成武—苏集一带，地温梯度1.2～1.5℃/100m。两者地温梯度相差0.5～1.5℃ /100m，这种地温、地温梯度的差异，反映了该区深部地质构造基底埋深的差异。在魏湾—曹县之间分布一条地温、地温梯度异常带，背景值 2.0℃/100m，异常值 3.0℃/100m，反映地热运移的的通道，与单县断裂曹县段相对应，说明该断裂为张性断裂，具有深部地热向上运移的条件，从而形成地温梯度异常带。

3.2 地温场的垂向分布

本区地温场的垂向分布，以曹县附近D1#井测温资料为例(图3)，地表至奥灰基底间，总体是随着深度的增加，地温增高，奥灰顶板埋深1 850 m，温度达68.5℃，按当地平均气温14.5℃，盖层地温梯度平均值约为3℃/100m。根据地层的增温与厚度，计算了地温梯度，可以看出地温梯度随着地层成岩程度的提高逐层降低，变化范围在 2.14～3.45℃/100m。

4 热储层地热水水化学特征

4.1 新近系明化镇组热储层地热水

该地热水无肉眼可见物，色度小于5，无臭，味正常，透明，浑浊度小于1。地热水中主要阳离子为钠和钙，其次为镁，其含量分别为 1 158.00 mg/L、107.60 mg/L 和 33.90 mg/L;主要阴离子为硫酸根和氯离子，其次为重碳酸根，其含量分别为 1 588.66 mg/L、845.68 mg/L 和 191.69 mg/L;矿化度为 3 957.52 mg/L，属咸水;总硬度(CaCO3)408.31 mg/L，属硬水;pH值为 7.75，属中性水，水化学类型为 SO4·Cl-Na型。该地热水可命名为含偏硅酸、偏硼酸医疗热矿水，含有多种对人体有益的微量元素，对金属有强腐蚀性，对普通水泥的建筑有结晶性侵蚀，而对抗硫酸岩水泥无侵蚀性;对A、B两种类型的水泥均无分解性侵蚀，可生成硫酸钙、硅酸钙垢，不生成碳酸钙垢;不宜直接做为农田灌溉、渔业用水，不能做为生活饮用水;地热尾水排放将会对环境产生一定影响。

4.2 奥陶纪热储层地热水

该地热水感官性状微显淡黄色，口感略有咸味，有轻微的硫化氢味，清澈透明不含异物。地热水中主要阳离子为钙和钠，其含量分别为 487.62 mg/L、494.36 mg/L;主要阴离子为硫酸根和氯离子，其含量分别为 1 775.62 mg/L、484.9 mg/L;水化学类型为 SO4·CI-Ca·Na型。矿化度为3 593.45 mg/L，属咸水;总硬度(CaCO3)为 1 572.52 mg/L，属极硬水;pH值为7.08，属中性水。按医疗热矿水水质标准，地热水中的 F、Sr达到命名矿泉水浓度，H2S、H2SiO3达到了矿水浓度，HBO2达到了医疗价值浓度，命名为含偏硅酸、偏硼酸的氟医疗热矿水。奥陶系热储层地热水对金属有强腐蚀性，对普通水泥的建筑有结晶性侵蚀，而对抗硫酸盐水泥无侵蚀性;可生成硫酸钙、硅酸钙垢，不生成碳酸钙垢;不宜直接做为农田灌溉、渔业用水，不能做为生活饮用水;地热尾水排放将会对环境产生一定影响。

5 结语

(1)曹县城区位于中朝准地台鲁西断隆鲁西断块隆起菏泽凸起的南部，区域断裂构造十分发育，地热成矿地质条件有利。

(2)该区可被利用的热储层主要有2个，分别为新近纪明化镇组热储和奥陶纪灰岩类裂隙—岩溶热储。

(3)新近系明化镇组热储层地热水水化学类型为 SO4·Cl—Na型，命名为含偏硅酸、偏硼酸医疗热矿水;奥陶系热储层地热水水化学类型为 SO4—Ca·Na型，命名为含偏硅酸、偏硼酸的氟医疗热矿水。两种热矿水均含有多种对人体有益的微量元素，对金属有强腐蚀性，对普通水泥的建筑有结晶性侵蚀，而对抗硫酸岩水泥无侵蚀性;对 A、B两种类型的水泥均无分解性侵蚀，可生成硫酸钙、硅酸钙垢，不生成碳酸钙垢;不宜直接做为农田灌溉、渔业用水，不能做为生活饮用水;地热尾水排放将会对环境产生一定影响。

(4)在使用过程中应做好梯级综合利用，使这一宝贵的地热资源能够充分发挥作用。地热水通过换热器大于50℃水用于取暖、供热、烘干，40℃水用于洗浴、木材浸泡等的方式进行梯级利用，以提高经济效益。因该地热水有强腐蚀性和结垢多的特点，应采用间接供热方式，循环系统要选用防腐材料。

(5)加强日常监测工作。地热资源开发利用过程中，应建立地热水动态监测系统，对开采量及其引起的水位、水温、水质变化及环境影响实行有效监测，保证地热资源的可持续开发与利用。

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