日照市刘东楼地区地热资源开发利用可行性分析

袁杰，杨鹏，魏同政，王新玲，康日斐

(1.山东省第八地质矿产勘查院,山东 日照 276826；2.蒙阴县自然资源和规划局,山东 蒙阴 276200)

0 引言

地热资源是一种绿色的清洁能源，具有节能环保，可再生等优势，现已广泛利用于医疗保健、洗浴、供暖、养殖等领域[1-9]。地热资源的勘探与开发不仅可以加快地方经济的发展，还能丰富旅游产业，改善能源结构[10-15]。研究区位于日照市东港区秦楼街道刘东楼村东，属于山海天旅游度假区，研究该地区地热资源开发利用可行性，对山海天地区的旅游业有很大的助益。本文通过对该地区地热地质条件及开发利用进行探讨，为同类花岗岩地区寻找地热资源提供指导(1)山东省第八地质矿产勘查院，日照山海天旅游度假区刘东楼地区地热资源调查报告，2016年。。

1 地质背景

研究区位于苏鲁造山带、胶南-荣成隆起区、胶南断隆区、胶南凸起东部[16]。出露地层主要有第四纪山前组、临沂组、潍北组及旭口组，区内岩浆活动较频繁，尤其以晚元古代最为强烈，因而有大面积的侵入岩分布，以酸性岩为主。

刘东楼地区位于日照-青岛断裂以东，受其影响，构造较发育，多为NE向，次为NW向。通过物探解译，该地区发现两条具有较大发育深度和规模的低阻带，推测是两条断裂的低阻特征反应(图1)。其中F1断裂走向为NE向，倾向为SE，倾角为75°～80°左右，构造特征为压扭性；F2走向为NW向，向NE陡倾，切割深度较大，影响范围广，构造特征为张性，富水性及导水性较好，呈明显低阻特征。

1—第四纪旭口组；2—第四纪临沂组；3—第四纪山前组；4—丝山单元二长花岗岩；5—细粒闪长岩脉；6—滩涂；7—断裂构造；8—地质界线图1 研究区地质图

2 地热地质特征

2.1 热储特征及埋藏条件

2.1.1 热储形态及埋藏条件

研究区属“断控型”带状热储区，热储为走向NE向(F1)和NW向(F2)共同组成的构造破碎带。

断裂构造由于应力作用，使原岩的连续性遭受破坏，岩石破碎裂隙发育，多被水或泥质物质充填，从而引起了电阻率的降低，破坏了电磁场的连续稳定性，使电位场发生畸变，通常反映为明显的低阻异常，但随着断裂中含水量的不同，电阻率的反映将有明显的差异，电阻率越低往往表示断裂带富水性越好[17-21]。由于研究区第四系厚度较大，F1，F2断裂未见明显露头：

F1构造走向为NE向，倾向为SE，倾角为75°～80°左右，构造特征为压扭性，根据物探解译的低阻带情况，F1构造带发育宽度在180m左右，阻值在500～1100Ω·m之间，低阻带发育深度约1800m。

F2走向为NW向，向NE陡倾，倾角约80°，切割深度较大，影响范围广，构造特征为张性，富水性及导水性较好，根据物探解译的低阻带情况，构造带发育宽度约150m，整体电阻值较F1偏低，在300～1000Ω·m之间，低阻带发育深度约1500m。

F1断裂构造特征为压扭性，为主要的控热断裂，F2断裂构造特征为张性，富水性及导水性较好，这两者交会部位形成热储，电阻率低值反应明显，使区内电阻率呈较大的差异性。

2.1.2 热储概念模型

根据研究区地热地质条件，明确热源、水源、盖层、通道、热储层各个相关因子，从而建立热储概念模型[22]。研究区热储概念模型见图2。

1—第四纪松散沉积物；2—丝山单元二长花岗岩；3—大地深部热流；4—地表水流向；5—构造破碎带；6—地下水流向；7—节理裂隙图2 研究区热储概念模型

(1)热源

根据测温孔ZK01水质分析报告，地下水226Ra含量为0.0366Bq/L，总α含量为0.0821Bq/L，总β含量为0.224Bq/L；地下水具有微弱的放射性，说明地下水是在具有一定放射性的环境下形成的。其形成是地下水在深部循环过程中，随着深度增加、温度升高，溶解围岩物质成分，使围岩产生热水蚀变，放射性物质不断在地热流体中聚集的结果。

地球内部热流主要通过传导、对流、热岩浆上移携带(岩浆侵入或火山喷发)3种形式向外传递，其中对流是地热流体向地表传递最有效的形式[23]。研究区主要发育F1和F2断裂，低阻带发育深度1600m左右,宽度较大,断裂发育使完整基岩形成了自下而上的破碎带,为深部热流向地表传导提供对流通道,地下水在此富集,并受深部热流的“烘烤”加热,从而形成地热资源。

(2)水源

水源由两部分组成，一是大气降水，在西部、北部入渗补给地下水；另外由于F2构造沟通了大海，海水也是地下水的重要补给来源，本次测温孔打穿的含水层水源主要为海水补给。

(3)盖层

研究区盖层主要为晚元古代二长花岗岩体，断裂破碎带上盘岩石相对完整，保温性较好，浅部地下凉水无法与深部地热流体发生水量交换，此外花岗岩体上部的第四系淤泥质粘土也具有一定盖层功能。

(4)通道

研究区内导水通道主要为物探解译的F2断裂，具有良好的导水性能，是西北丘陵区深部地下水和东部黄海海水补给地下水的主要流通通道。F1断裂主要为成热构造，构造特征为压扭性，发育深度较大，可与大地深部热流产生热交换，具有较好的导热功能。

(5)热储层

区内热储层位于F1断裂和F2断裂交会部位，是受两者共同影响的构造破碎带。地下水经F2断裂径流后受F1断裂和岩脉阻挡，形成局部富水段，地下水凝滞深循环后与围岩溶滤、交代，并受大地深部热流加热形成富含矿物质、具有较高温度的地热流体。

综上,研究区属“断控型”带状热储,地下水接受入渗补给后,沿着导水构造汇集,在深部加热并与围岩发生溶滤作用,形成富含矿物质的地热水,最终沿断裂破碎带传输至地表,形成了地热异常区。

2.2 地热流体流场特征

研究区地势整体西北高，东南低，大气降水入渗补给地下水后沿地形坡度降自西北向东南径流，由于F2为张性断裂，地下水在F2断裂形成的破碎带内形成强径流带；而F1断裂为压扭性，具有阻水作用，西北地区的地下水流至F1断裂后凝滞形成富水区，并在地下深部热源和岩浆余热的作用下形成地热流体，以对流的形式沿F1断裂下盘自地下深部向浅部运移，形成地热流体富集区。

此外由于F2断裂延伸方向距离黄海很近，仅2km左右，海水沿F2断裂形成的破碎通道内可自东南向西北向内陆径流，形成高矿化度咸水，咸水在F1断裂附近受阻碍后亦受到深部热源和断裂活动余热的作用下加热，并以对流方式沿着F1断裂上盘向浅部运移。区内地热流体即为这两者混合形成。

根据地面调查，L01和测温孔ZK01由于靠近导水通道F2，水质较差，味咸，为海水影响造成；而L04离F2断裂较远，则水质较好，L02，L03，CD06由于远离F2构造且位于F1断裂下盘附近，则水质较好，除废弃的机井外地下水井均用于饮用水，刘东楼村中现存的机井地下水也均不咸，这也说明研究区内的地热流体以F1构造带为界，西部流场特征为地下水自西北向东南径流，东部流场特征为海水沿F2构造向西北径流(图3)。但从大的区域上来说，地下水自西北向东南排泄入大海。

1—第四纪松散沉积物；2—丝山单元二长花岗岩;3—大气降水；4—地表水流向；5—流线；6—淡水井及编号；7—咸水井及编号；8—断裂构造；9—地质界线图3 研究区地热流体流场形态示意图

2.3 地温场特征

通过对研究区范围内7口机民井及测温孔的测温数据分析，大部分测温曲线在25m以上处于由高渐低或由低渐高的变化趋势；而在25～35m之间，水温处于一个相对恒定的温度范围16.1～16.3℃之间；到35m以下，温度逐渐稳定上升。因此，研究区内的变温带位于25m以上；恒温带为25～35m之间，恒温带温度取平均值16.2℃；35m以下进入增温带。

研究区的地温趋势是按NE向构造展布的，这与物探解译的F1断裂构造走向基本一致，这说明F1断裂为导热断裂，对研究区内地热资源温度起控制作用(图4)。

测温孔ZK01孔地温增温率比较平缓，一般地温增温值为0.1℃/5m，部分孔深处尚不能达到0.1℃/5m，但在105～110m之间，地温值由16.8℃陡增至17.4℃，上升了0.6℃，达到了0.6℃/5m，该段也是测温孔的主要出水段，为断裂破碎带发育部位，这说明构造破碎带对地温场的高低有着决定意义。按公式Δt/Δh=(T"t)/(H"h)计算，测温孔ZK01地温梯度值为2.12℃/100m，为研究区内测得的地温梯度值最高值。

2.4 地热流体质量评价

2.4.1 地热流体化学组分特征

测温孔内地下水水温22.9℃，属温水；总硬度8054.95mg/L，溶解性总固体7973.72mg/L，属咸水，pH为7.68，属中性水；阳离子主要为Na+和Ca2+，阴离子以Cl-为主，并含有对人体有益的F-，H2SiO3，HBO2，Sr等组分(表1)。

靠近导水通道F2的测温孔ZK01地下水矿化度高达8g/L，味咸，化学类型为Cl-Na型，该类型的水多是海相沉积或与海相沉积有关的水，也就是说研究区地下水可能是海水补给与大气降水溶滤混合补给的结果[24-26]。

为了验证上述说法，将其与海水化学成分相比较，发现其中部分离子比值较为接近(表1)，说明测温孔地下水可能存在海水补给。Sr(11.38mg/L)的富集，说明地下水接受了远程补给，与围岩发生了溶滤、交代作用。

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1—物探解译构造；2—地温梯度等值线；◇图4 研究区周边地温梯度等值线分布图

表1 海水与测温孔地下水成因系数

2.4.2 地热流体质量评价

研究区地热水中含有丰富的微量元素及特殊化学组分。根据《地热资源地质调查规范》(GB11615-2010)中《理疗热矿水水质标准》[27]，本区地下水中氟(3.45mg/L)和锶(11.38mg/L)的含量达到了命名矿水浓度标准，可命名为氟水、锶水；偏硅酸(27.14mg/L)和偏硼酸(1.78mg/L)含量达到了有医疗价值的浓度标准，这些元素在限值内均为对人体健康有益的元素，故本区地下水为具有医疗保健价值的地下水，可作为理疗热矿水利用(表2)。

表2 按理疗热矿水水质评价表 单位：mg/L

该地热水不宜作为生活饮用水、农业灌溉用水和渔业用水，工业利用可提取的有用元素均未达到国家标准，为腐蚀性、不结垢的地热水，主要的开发利用方向为理疗洗浴、采暖等。

3 开发利用可行性分析

刘东楼地区地热资源分布呈带状，面积较小，热储及顶板岩性以花岗岩为主，为断控型热储，热储埋深较大，按温标计算热储温度为45.18℃，为温热水储层。根据物探资料，反映热储层的低阻带埋深达到1600m左右。根据规范，考虑当前地热资源开采技术及经济合理性，成井深度在1000～3000m之间，属经济的，故本研究区若施工1600m的地热井，成井深度是经济的。

本次测温孔孔底水温22.9℃，地温梯度值为2.12℃/100m，如按施工地热井按成井深度1600m推算，井底温度为46.52℃，根据规范对热储层温度划分，40℃≤t<60℃属低温地热资源的温热水，考虑到对水质的评价和允许开采量，适合作为理疗用水使用。

根据测温孔水样分析报告，研究区地下水中锶和氟含量较高，可命名为氟水、锶水；偏硅酸和偏硼酸含量达到了有医疗价值的浓度，溶解性总固体含量为7973.72mg/L，考虑到水质具有腐蚀性，按规范对其利用方向、方式评价见表3，研究区内地下水可以直接利用作为理疗洗浴用水，其他使用方向可间接利用。

表3 不同质地热流体的利用方向、方式与排放要求

4 结论

研究区地热类型属构造控制型，热储为由F1，F2两条断裂共同影响的构造破碎带，热储岩性为角闪二长花岗岩，其中F1断裂走向NE，为压扭性，是主要控热、阻水构造；F2断裂走向NW，为张性，是主要的导水构造和水源通道。研究区地热资源的水源为海水和大气降水，热源为深部大地热流，盖层为完整的角闪二长花岗岩和第四系。

研究区热储研究区恒温带埋深25～35m，恒温层温度16.2℃，测温孔地温梯度为2.12℃/100m。

研究区地下水属于氟型、锶型低温温水型矿水，具有医疗价值，地热资源开发方式适宜直接利用理疗洗浴用水，可与山海天旅游资源开发密切结合，可以产生一定的经济和社会效益，合理开发对环境影响较小。