沂源城区地热地质条件与地热资源开发前景评价

尹秀贞

中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013

沂源城区地热地质条件与地热资源开发前景评价

尹秀贞*

中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013

沂源县城区为鲁中南构造侵蚀为主的中低山丘陵区内的一个小盆地，面积20.84 km2，经地热资源计算，地热田可利用地热资源量2.87×1017J，热能总储量相当于97.95万t标准煤的产热量。可利用热能资源总量为4.31×1016J，相当于14.70万t标准煤的产热量，属小型低温地热田。水质属淡、温型医疗热矿水，资源丰富质优，易于开发，应用面广，具有较好的开发利用前景。

地热 地热资源 前景评价 沂源

沂源县为鲁中南构造侵蚀为主的中低山丘陵区内的一个小盆地，古生界地层分布广泛，奥陶系灰岩类裂隙岩溶含水层为热储，盖层为第四系、第三系、白垩系和石炭系地层，具备地热资源形成的地质条件。区内有一口水温 42℃的地热井，当抽水降深为 128.10m时，出水量为 81.41m3/h，合1953.84 m3/d，水质属于淡、低温热矿水，具有较高的开发利用价值。

1 区域地质

1.1 地形地貌

沂源县地处泰沂山脉，属中低山丘陵区，境内山峦起伏，沟壑纵横。总地势为西北高、东南低、南北高、中间低的似盆地特点。沂河呈北西—南东方向斜贯县域中部，北部鲁山海拔高度1108.3m，沂河低洼处海拔180～200m。沂源县位于鲁中南构造侵蚀为主的中低山丘陵地貌单元，具体分属于强—弱切割构造侵蚀、剥蚀、溶蚀中低山丘陵亚区【1】。

1.2 地层

沂源县为鲁中隆起区的局部凹陷地段，出露及隐伏的地层属鲁西地层分区潍坊—临沂地层小区，是沂源县出露地层最为齐全的区域之一。出露地层有太古界泰山群、下古生界寒武系、奥陶系、上古生界石炭系本溪组、中生界白垩系及新生界古近系和第四系。

（1）太古界泰山群主要分布于地热区北部的韩旺断裂以北地区，主要岩性为黑云母斜长石片麻岩、角闪石黑云母片麻岩、斜长角闪岩夹少量混合岩化变粒岩等变质岩系，构成古老的结晶基底。

（2）寒武系主要分布在地热区西部，岩性为套浅海相页岩、碳酸盐岩。

（3）奥陶系主要出露于地热区南部和上五井断裂带内及附近，岩性为灰褐色厚层、中厚层白云岩或白云质灰岩。石炭系出露于地热区南部，东西向呈条带状分布，岩性为紫红色页岩及砂质页岩。

（4）白垩系主要出露于地热区的西南部，岩性为粉砂岩、砂质页岩及砂岩。

（5）古近系出露于地热区的东北部，呈零星状分布，主要岩性为主要为砖红色、紫红色及棕灰色泥岩夹砂质泥岩。

（6）第四系于地热区大面积分布，岩性为砂砾石、砾粗砂、棕红色粘土。

1.3 构造

沂源县在大地构造上属中朝准地台（I级）、鲁西中台隆（Ⅱ级）、鲁沂凸起（Ⅲ级）的一部分，属由上五井断层、傅家庄断层和韩旺断层等几条正断层分布的断陷盆地，该区域历经多期构造运动，断层十分发育（图1）。

图1 沂源县地质纲要图Fig.1 Geological schema diagram in Yiyuan county

上五井断层走向NE 25o～30o，倾向南东，倾角 63o～70o，为一条正断层，南端大部分在泰山群变质岩中通过，仅在玉泉寺以北地段东盘为寒武系地层。韩旺断层走向呈北西向，倾向南西，断层产状210°59°，破碎带宽10m，破碎带内见有少量透镜体和大量的断层泥。傅家庄断层走向近北东，倾向南东，断层产状 92°52°，破碎带内见有灰白色断层泥及挤压透镜体。宏观看是一条弧形正断层。

1.4 岩浆岩

沂源县岩浆岩分布较广，并具有多期侵入活动的特点，岩浆岩的侵入对区域地下水的运动、泉水的形成及矿产的分布都有较大影响。

2 地热田地质

2.1 水文地质条件

区内岩层根据其赋水特征可划分为四类含水岩组，即松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙岩溶含水岩组和变质岩类孔隙风化裂隙含水岩组。

2.1.1 松散岩类孔隙含水岩组 沿螳螂河、儒林集河、悦庄河、石臼河两岸以及山前地带广泛分布。含水层主要为含砾粗砂、砂砾石，厚度一般 2～10m，孔隙水沿河流由上游向下游或由山前流向盆地内部，颗粒由粗变细，厚度渐薄，上游及山前地带含水层颗粒粗大，透水性好，但富水性较差。

松散岩类孔隙水主要补给来源为大气降水入渗补给，其次还接受周围基岩的侧向径流补给及河水的侧渗补给。大气降水入渗补给地下水后，依地势高低，由盆地周围向盆地内部径流汇集，该层地下水的主要排泄方式为人工开采或地下径流排泄，单井涌水量一般为100～500 m3/d。地下水水位埋深2～5m，水位年变幅0.31～1.05m。孔隙水水化学类型为 HCO3·SO4-Ca、HCO3·NO3-Ca，矿化度642.3～958.6 mg/L，pH值6.9～7.3。

2.1.2 碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组 区内主要分布的是寒武系上统及奥陶系裂隙岩溶含水岩组，分布于南麻、悦庄等地热区盆地边缘地带，岩性以石灰岩、泥灰岩及白云质灰岩为主，大面积裸露，在地形低洼处隐伏于第四系或石炭系地层之下，富水性受地形、地貌及岩溶发育程度控制，区域变化较大，单井涌水量500～1000 m3/d。

该含水岩组其地下水补给区位于南部石灰岩大面积出露区，补给条件优越，接受大气降水补给后，沿含水岩组向盆地内径流，由潜水转化承压水而富集。

裂隙岩溶水以接受大气降水入渗补给为主，另外还接受北部老变质岩风化裂隙水、第四系孔隙水及地表水的补给，主要排泄方式为泉水排水及人工开采。水位埋深一般在7～30m之间，水位年变幅1～15m，水位动态受大气降水及人工开采的影响。水化学类型为HCO3-Ca及HCO3·SO4-Ca型，总硬度326.49～464.4 mg/L，矿化度558.89～812.04 mg/L，pH值7.4～7.6。

2.1.3 碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组 碎屑岩类孔隙水含水岩组分布于地热盆地内，碎屑岩类孔隙含水岩组主要为石炭系、白垩系、古近系及新近系地层，岩性以砂、页岩为主，该含水岩组富水性差，单井涌水量一般小于100 m3/d。

该含水岩组地下水主要接受大气降水垂直入渗补给，以地下径流方式缓慢向低处或沟谷地带排泄，补给第四系含水层或下渗补给岩溶裂隙水含水层。裂隙水水化学类型为HCO3·SO4-Ca型，总硬度为455.96～636.12 mg/L，矿化度812.04～1255.93 mg/L。

2.1.4 变质岩类风化裂隙含水岩组 变质岩风化裂隙含水岩组分布于地热区外围，主要为前震旦系泰山群花岗片麻岩，因裂隙细小，富水性较差，单井涌水量小于100 m3/d。该含水岩组主要接受大气降水垂直入渗补给，以补给第四系含水层或岩溶裂隙含水层为其主要排泄方式。

2.2 地热田地质条件

地热田位于鲁中南构造侵蚀为主的中低山丘陵区内的一个小盆地，古生界地层分布广泛。据地热地质条件分析可知，该区域内的地下热水主要赋存奥陶系石灰岩中，奥陶系石灰岩为这一盆地地热田的唯一热储层。

区内灰岩总体呈现向北倾斜，南部灰岩出露，向北随着奥陶系石灰岩埋深增加，上覆盖层渐趋增厚。据测温、物探解译和已有钻孔资料分析，区内奥陶系埋深在400m以浅的区域，地温梯度一般在0.38～1.69℃/100m之间，表现出典型的凉水区特征。因此，将奥陶系埋深400m等值线以北区域作为地热田的南部边界。

西部大部分地区灰岩出露，只是在沂源县城—南麻镇一带具有覆盖层，但一般均小于 300m，盖层较薄，保温条件相对较差。南麻镇东边瑞阳大道以东区域，灰岩顶板埋藏深度大于400m，沙沟村施工了一眼地热井，灰岩顶板埋深445m，水温42℃，因此将沂源县瑞阳大道以东作为地热田的西部边界。

北部为太古界泰山群，主要为花岗片麻岩，裂隙不发育，对南部山区岩溶地下水具有阻挡作用，致使奥陶系地下水在此径流滞缓，在老变质岩以南部区域形成相对富水地段；向北随着奥陶系石灰岩埋深增加，上覆盖层增厚，在韩旺断裂沟通深部热源和正常的大地热流作用下，对区内奥陶系裂隙岩溶水起到加温作用，形成地下热水。因此北部太古界泰山群是地热田的北部边界。

东部边界即为韩旺断层，韩旺断层切割了深部的奥陶系灰岩，是地下热水的富集区，对地下热水的运移和分布起到重要的控制作用。

2.3 地热地质形成条件

地热田位于鲁中隆起之局部凹陷区，地壳运动表现为区域上升运动中的局部下降运动。古生代奥陶纪中奥陶世以来，主要表现为不断的下降运动，沉积了厚度可观的下第三系、白垩系—石炭系地层，主要岩性为粘土岩、页岩、粉细砂岩。其厚度由西向东逐渐增加，由西部的300～500m，过渡到东北部的大于 1000m，最厚可达 1200m。如沙沟村地热深井揭露，该处奥陶统顶板埋深为445m。这些地层热导率低，保温性能好，成为良好的盖层，对区内地下热源起到了较好隔热保温作用。

区内深部盖层之下隐伏或埋藏着巨厚的中奥陶系石灰岩地层，厚度大于 1000m。经过地质历史上不同时期多次的构造运动，使区内发育了良好的断裂构造，如上五井断裂、韩旺断裂、付家庄断裂等。地热田类似于向斜轴部的构造形式，更易形成众多张性裂隙。中奥陶统石灰岩地层在工作区以南的低山丘陵区大面积出露，广泛接受大气降水入渗补给而形成裂隙岩溶水，由南向北迳流，一部分在较浅部位补给奥陶系灰岩含水层，形成常温裂隙岩溶水。另一部分沿层面及断裂构造带或裂隙带向区内径流并向地壳深部下渗，在北部大面积泰山群花岗片麻岩呈坐椅形围成的天然屏障及上部盖层的联合阻挡下，由潜水转化为承压水，由于汇水面积大而盆地面积相对较小，因此补给量非常充沛，地下水的长期对石灰岩进行溶蚀，岩溶得以良好的发育。总之，区内盖层之下巨厚的中奥陶统石灰岩，在强烈的构造运动和丰富地下水的作用下，裂隙、岩溶均得到良好的发育，成为地下水的富水区，如沙沟地热深井，抽水降深128.10m，出水量达81.41 m3/h。丰富的地下水通过深大断裂向深部迳流，成为地下热能源源不断的载体。经深循环加热，在隐伏区由于静水压力和地下水受热后比重的减小所形成的上浮力的作用下，沿断裂破碎带上升至地壳浅部。其发育良好的裂隙、岩溶，成为地下热水的迳流通道和储存空间，地下水在区内已有地温场加热的基础上，叠加了来自深部的地热流体，形成区内沉积盆地型热储层。

虽然区内地热受构造控制明显，但鉴于盆地范围较小，构造发育良好，奥陶系石灰岩热储层普遍分布，分析认为区内热储以层状热储为主，为层状沉积盆地型热储层。

从区域地质条件分析，工作区北部为太古界花岗片麻岩，地质时代老，而区内及南部为新生界古近系和新近系地层，地质时代相对新。工作区处于新老地层的交接部位，又是鲁中隆起的局部凹陷区，是构造运动的焦点所在，亦是断裂构造发育强烈的地带，有利于地下热源的上下沟通和赋存，也是区内地热形成的保证条件之一。

综上所述，区内与地热形成密切相关的四要素均已具备，具有较好的地热形成条件。

3 地温场特征及成因分析

3.1 水温度场特征

根据搜集资料计算，沙沟村地热深井，盖层厚度 445m，井深 1200.68m，其地温梯度为2.53℃/100m。而位于该地热深井东部、距离不足1000 m的沙岭村的DC7号井，物探解释盖层厚度与深井基本一致，井深 72m，该井地温梯度仅为0.80℃/100m。地热田浅部地热指标较弱，反映出区内的地热趋势，而不能完全反映区内深部的地热特征。

3.2 地热田成因分析

沂源县地热田位于鲁中隆起区的局部凹陷区，其特征就是东西向狭长、四周被低山丘陵所环绕、中间平坦。其南部分布大面积奥陶系石灰岩，是盆地内热储层的裸露区，亦是热储层地下水的补给区。上覆较厚的下石炭统—白垩系及古近系、新近系地层，对深部地热具有良好的隔热保温性能；而位于盆地北部大面积出露的太古界花岗片麻岩对热储地下水向北径流起到了良好的阻挡作用。奥陶系石灰岩热储层中丰富的地下水是地热承载和运移的物质基础。而发育良好的断裂及裂隙、岩溶则成为地热传导的通道【2】。根据区域地热地质条件和搜集资料，南麻盆地的热储概念模型可归纳简化为如下图形（图2）。

图2 地热田形成示意图Fig.2 Sketch map of geothermal field formation

4 地热田地热资源评价

4.1 地热资源量评价

参照沂源县沙沟地热井抽水数据，开采地热资源的深井假设按4km2间距布设，共可布5眼井，每眼井的单井出水量为1953.84 m3/d（假设以沙沟地热井最大出水量为计算参数），则区域内热水的开采量为 9769.2m3/d，年开采量为356.58万m3，在该区域内每年可开采的热能为4.1×1014J。

4.2 地热田地热水水质评价

根据沂源县沙沟地热井困水期、枯水期 2个样品的检验报告进行评价。

4.2.1 医疗矿泉水水质评价 对照国家《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010）医疗热矿水水质标准，地热田地热水属于淡、低温热矿水，热水矿化度为 672.1 mg/L，地下热水出水水温为42℃，超过具有医疗价值的矿水浓度水平，具有一定的医疗洗浴价值，可用于洗浴、医疗、娱乐休闲等项目开发。

4.2.2 渔业用水水质评价 根据国家渔业用水标准（GB11607-89），悦庄盆地热水 pH值 7.44，铅、汞、砷、铬、鎘、锌、铜以及氟化物温度均符合标准，地热水温度42℃，属于中低温，适宜渔业用水。

4.2.3 工业用水水质评价 悦庄盆地地热水，矿化度含量较高，不适宜于制革、染料、纺织、制糖、淀粉、食品、建筑等工业用水，但由于温度较高，可作为工业供热加以开发利用。

4.2.4 农田灌溉水质评价 根据《农田灌溉水质标准》（GB5084-92），热水中温度超过灌溉水质标准，对农作物有伤害，不适宜农田灌溉。

4.2.5 地热流体腐蚀性评价 根据天津大学对地热流体腐蚀性的研究成果，当地热水中氯离子含量超过25% 毫摩百分数时，采用拉申（Larson）腐蚀指数评价较为合理【3】，拉申指数表达式为：

式中：LI—拉申指数；Cl—氯化物或卤化物浓度（mg/L）；SO4—硫酸盐浓度（mg/L）；ALK—总碱度（mg/L），以上三项以等当量的 CaCO3（mg/L）表示。

经计算，地热水的拉申指数为 9.42，大于 3小于 10，属于中等腐蚀性水，对铁等金属有一定的腐蚀性。

4.2.6 地下热水结垢趋势评价 当地热水热储层向地面运移或在管道输送过程中，由于温度和压力降低，使其中一些成分达到饱和状态，从而在井管或管线上出现固体沉淀，形成水垢。按化学成分可分为碳酸钙垢、硫酸盐垢和硅酸盐垢。

（1）碳酸钙垢：当热水中氯离子含量大于25mmol百分数时，用拉申指数定性评价。评价标准：LI＞0.5时，不结垢；LI＜0.5时，可能结垢。沙沟地热井拉申指数为9.42，大于0.5，不会产生碳酸钙垢。

（2）硫酸钙垢：在地热温度低于 100℃时，硫酸钙垢主要以二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）的形态沉淀，判断硫酸钙的结垢趋势可用相对饱和度RS定性判断。

其中Ca2+与为相应离子浓度（mg/L），k是与温度及水中总固形物含量有关的常数。当RS＜1 时无 CaSO4·2H2O 垢生成，当 RS＞1 时，可能生成CaSO4·2H2O。经计算，沙沟地热井硫酸钙RS=0.382，不会产生硫酸钙垢。

（3）硅酸盐垢：硅酸盐水垢的结构比较复杂，一般对硅酸盐垢，采用相对饱和度RS进行评价，其表达式为：

其中：SiO2—可溶性SiO2分子浓度（mg/L），e—自然对数底2.7183， T—地热水温度（℃）。

当RS ＜1，无 SiO2垢生成，当RS ＞1，有 SiO2垢生成。

经计算，沙沟地热井RS值 0.0016，RS ＜1，无硅酸盐垢生成。

5 地热资源开发利用前景评价

沂源地热田面积20.84km2， 经地热资源计算，地热田可利用地热资源量 2.87×1017J，热能总储量相当于97.95万t标准煤的产热量。可利用热能资源总量为4.31×1016J，相当于14.70万t标准煤的产热量。对照《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010）地热田规模分级，该地热田均为小型地热田规模。

该区热储层埋深为 450～1200m 之间， 地热井的成井深度小于 2000m，根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010），该区地热资源的开发利用属于经济型。

从地热流体开发利用对环境的影响程度看，因地热水中不含有害气体成分，有害物质成分含量均低于《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010）规定的允许排放浓度，因此，该区地热水开发利用后的废弃水排放对环境影响甚微。

按医疗热矿水水质标准划分，地热田地热水属淡、温型医疗热矿水，按地热资源温度分级，地热田地热水属低温地热资源温热水，可以在医疗保健、温泉洗浴、温室种植、水产养殖以及房屋采暖等方面开发利用。此外，该区地热水结垢趋势很小，可用于工业和民用锅炉。地热水开发利用后的废弃水可作为农业灌溉用的补充水源。

6 结论

沂源城区地热田属小型低温地热田，水质属淡、温型医疗热矿水，资源丰富质优，易于开发，应用面广，可直接开发利用后废水可直接排放，对环境影响甚微，因此，沂源地热田地热资源开发利用前景良好。

1 蔡有兄，钟秀燕. 山东省鲁中南地区典型地热田概述[J]. 山东国土资源，2015，31（5）：24～30

2 孔繁业，梁礼革. 南宁盆地热地质条件与地热资源开发前景评价[C]. 北京：中国能源研究会地热专家委员会，2005：116～130

3 蔡义汉. 地热直接利用[M]. 天津：天津大学出版社，2004

Geothermal geological conditions and development prospects of geothermal resources in Yiyuan city

Yin Xiuzhen
Shandong Geologicalprospecting Institute of China Chemical Geology and Mines General Bureau，Shandong Jinan，250013，China

Yiyuan County is a small basin in the middle and low hilly areas with a central-south shandong tectonic erosion. The area is 20.84km2. The geothermal resources can be calculated by geothermal resources. The total amount of geothermal resources is 2.87×1017J, The calorific value 0.9795 million tons of standard coal. The total amount of available thermal resources is 4.31×1016J, equivalent to 0.1470 million tons of standard coal heat production, is a small low-temperature geothermal field. Water quality is light and warm medical hot mineral water, rich in resources, easy to develop, wide application, with good prospects for development and utilization.

geothermal, geothermal resources, prospect evaluation, Yiyuan

P314.1

A

1006–5296（2017）03–0168–06

尹秀贞（1979～）女， 水工环专业，硕士，高级工程师

2017-07-31；改回日期：2017-08-06