日照东部地区地热资源成因分布规律及勘查定井方法研究

秦福锋，许丙彩，冯英明*，李忠涵

(1.山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266555；2.日照海洋地质院士工作站，山东 日照 276826)

0 引言

地热能是一种无污染、绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有蕴藏量丰富、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源[1]。地热水可用于洗浴、理疗、养殖、供暖、工业和农业温室等[2]，对调整能源结构，节能减排，改善环境具有重要意义，对培育新兴产业，促进新型城镇化建设，增加就业具有拉动效应，是促进生态文明建设的重要举措。

鲁东地区地热露头较多，地热异常明显，地热资源丰富。日照地区裂隙型带状热储勘查开发风险高、投入大、施工难度大，深入研究断裂构造发育规律及其与地热赋存的关系，对裂隙型带状热储地热资源的成因机制、赋存特征进行综合研究，确定热储来源、导热导水构造特征以及补给来源，揭示日照地区地热资源的生成、赋存及运移规律，评价地热资源潜力，为今后地热找矿确定正确的勘查方向，有目的、有计划地开展地热资源勘查工作，改善地方投资环境，带动地方经济的可持续发展起着重要的作用。

近年来，电磁法作为一种主要的物探方法已成功应用于地热勘查工作中[3]。但进行深部地热资源勘探时，需在常规物探方法的基础上，引用新的技术方法——可控源音频大地电磁测深(CSAMT)，该方法探测深度大，抗干扰能力强、具有分辨率高、地形影响较小、地电信息丰富、资料信噪比高、适应环境能力强等特点，可最大程度地提高深部定井的准确度[4-9]。多处已施工的地热井表明，可控源音频大地电磁测深是深部地热资源勘查较适宜的方法，适用于郊外或障碍物较少的地段。日照地区特殊的地热地质条件导致在地热勘查实践中定井多次失败，造成较大的经济损失。因此，有必要对日照花岗岩地区地热资源分布规律、地热成因及勘查定井方法进行研究，以减少地热资源勘查的风险及损失，提高地热钻井的成井率，指导地热资源勘查开发提供科学依据，提高清洁能源在能源结构中的占比，达到节能减排的目的。

1 区域地质概况

日照东部地区位于沂沭断裂带以东，区内岩石主要由侵入岩、变质岩组成，地层缺失较多。以沂沭断裂带为界形成了鲁东、鲁西2个不同的构造块体，在地层、构造、岩浆岩等方面显示出极大的不一致。由老至新，太古界、元古界、古生界、中生界和新生界均有大面积出露。断裂构造主要以NE向断裂为主(图1)[10]。

1—压性断裂及产状/压扭性断裂及产状；2—张性断裂及产状/张扭性断裂及产状；3—性质不明断裂及推测断裂/深大断裂及推测深大断裂；4—断裂破碎带；5—中深构造相韧性变形带；6—中浅构造相韧性变形带；7—火山机构；8—地热井图1 研究区构造简图

2 地热分布规律

通过对已收集资料的分析研究表明，鲁东地区带状裂隙型地热资源分布具有一定的规律性，已成井的地热井均在断裂构造裂隙带内(图1)，属于基岩裂隙深循环对流型地热系统，分布在2组以上断裂交会部位，特别是凹陷区边缘的2组以上断裂交会部位，主要导热构造断裂为NE向断裂，导水断裂通常为NW向断裂[11-14]。推断补给来源为大气降水，地热田具有一定的汇水面积，通常在一条河流的流域内，热储类型为带状热储，热储岩性为安山岩、闪长岩和花岗岩类，传热方式主要为构造对流热，盖层为厚度小于50m的第四系松散沉积或无盖层(图2)。

图2 热储概念模型图

结合已有资料表明，日照地区地热水的成因是大气降水在地势较高的低山丘陵区降落，沿区域断裂带或不同岩体接触带流向大地深部，在导水断裂与导热断裂交会处进行水热对流，形成局部的热异常。

3 勘查定井方法

分析日照东部区域已有的地质、构造、水文地质、地热地质等方面的资料，根据日照地区地热资源的地质条件及分布规律，圈定可能存在地热资源赋存条件的区域，然后采用可控源音频大地电磁测深、视电祖率电磁测深等方法对圈定的存在地热成热条件的重点区域进行深部断裂构造及富水性探测，通过地热钻探验证地球物理勘探解译成果，最后通过岩矿测试分析地热流体的成因及补给来源，从而确定日照地区地热勘查定井较适用的方法。

3.1 区域地质资料的搜集和分析

日照东部地区地热资源的埋藏分布大多受构造断裂控制，广泛搜集区域地质构造资料及已有水文地质、地热地质的勘查资料，进而确定勘查区所处地质构造部位，基底埋藏特征、地层岩性特征、地热水储存和运移特征等，为下一步地热勘查工作提供科学依据。

3.2 地热地质调查

调查研究区的地层及岩性特征，地质构造、岩浆活动与新构造运动情况，分析地热勘查区地热形成的地质构造背景，调查勘查区地表热异常分布特征及与构造的关系，圈定可能赋存地热资源的构造断裂位置。

可控源音频大地电磁测深综合了普通电阻率法和激发极化法的优势，利于解决较大深度的地质问题，如寻找隐伏金属矿、油气构造勘查、推覆体或火山岩下找煤、地热勘查和水文工程地质勘查等，均取得了良好的地质效果。

3.3 地球物理勘探

对圈定的断裂构造位置，采用可控源音频大地电磁测深、视电阻率电测深等方法，针对性地布置可控源大地电磁测深剖面，准确判定断裂构造产状、展布特征及地层富水情况，最后选择布井有利部位。

3.4 地热钻探

地热钻探是地热勘查中最直观、最准确有效的方法，但因投资较大，工作量受到限制。因此，地热钻孔施工前要综合分析所有相关资料，结合物探解译成果，精心编制地热钻孔施工设计，钻探过程中应尽量开展各种样品采集、测试及试验工作，获取最多的地热地质信息。

3.5 岩矿测试

测定地热流体中的常规离子成分、微量元素及氢氧同位素，通过分析研究测试结果，确定地热流体的水化学类型、地热流体成因及补给来源。

4 地热勘查成果

4.1 五莲县松柏镇地热资源勘查

该勘查区位于五莲县松柏镇，地貌类型为剥蚀丘陵区，地形呈西高东低之势。出露岩性主要为震旦纪和燕山期花岗岩，冲沟附近分布少量残坡积含砾粉质黏土，区内发育NE向和NW向2组断裂。主要导热断裂为NE向松柏-小王疃断裂，是本次勘查的主要靶区，该断裂走向15°～30°之间，倾向SE，倾角在70°～80°，为压扭性断裂，后期经物探解译该断层地下延伸较深，形成较好的导热通道。NW向松柏-叩官断裂，走向NW 307°左右，倾向NE，倾角80°左右，为张性断裂，东段大部分被第四系冲洪积覆盖(图3)。

1—第四纪沂河组；2—白垩纪青山群石前庄组；3—崂山序列八水河单元；4—崂山序列望海楼单元；5—伟德山序列通天岭单元；6—埠柳序列大水泊单元；7—荣成序列威海单元；8—石英(流纹)斑岩；9—花岗斑岩；10—实测地质界线；11—压扭性断裂；12—张性断裂；13—湖泊；14—道路；15— CSAMT法勘探线及桩号；16—检测点；17—测温井及编号；18—地热井及编号图3 松柏1号井工程部署图

为查明这2条断裂的情况，选择可控源音频大地电磁测深法进行深部构造物探，发现L2剖面线在桩号2000～2280位置，深度1700m以深，视电阻率等值线相对低阻，视电阻率值小于5000Ω·m，为松柏-叩官断裂及F5断裂交会部位，推断该位置岩石破碎，富水性较强(图4)。拟设地热井附近有一测温井，井号ZK1，井深350m，涌水量25.142m3/h，井底水温26.7℃，地温梯度为3.61℃/100m，地热显示异常，以此推算在井深2000m时，热储温度可达88.60℃(1)山东省第八地质矿产勘查院，山东省五莲县东部地区地热资源调查报告，2017年。。

1—推断断层；2—设计钻井图4 松柏1号井L2剖面线视电阻率等值线图

松柏1号井完井深度1570m，在1524m处钻遇松柏-叩官断裂，井底温度87.12℃，涌水量2645.76m3/d，水温75℃，地热水允许开采量为1486.08m3/d(54.24万m3/a)，年累计可利用热能2.362×107MJ(按地热水温75℃计)，折合标准煤8059.34t/a；根据水质分析结果，松柏1号井地热流体氟含量为7.50mg/L、偏硅酸含量为145.73mg/L，二者含量已达到国家命名矿水浓度，可命名为氟水、硅水，具有较高的医疗价值，可作为理疗热矿水开发利用(2)山东省煤田地质局第一勘探队，山东省五莲县松柏1号井单井地热资源勘查报告，2018年。。

4.2 日照市东港区三庄镇地热资源勘查

该勘查区位于日照市东港区三庄镇以北龙门崮风景区内，地貌类型为剥蚀丘陵区，总体地形呈SW—NE向，中间高，四周低。地层岩性为白垩纪安山岩，岩浆岩为燕山晚期埠柳序列凤凰山单元石英二长岩(图5)，断裂以NE向压扭性断裂和NW向张性断裂为主，多条断裂在该处交会。选择视电阻率电磁测深和可控源音频大地电磁测深法进行深部构造物探。

在可控源音频大地电磁测深法L7线桩号1600～2000浅部相对两侧呈现低阻反映，深度800m以浅区域视电阻率100～1200Ω·m，等值线梯度变化，结合地质资料，推断F4和F5断裂构造在该区域交会引起，F4断裂倾向NE，倾角约为75°，F5断裂倾向NE，倾角约为70°；桩号2100～2120，深部500～2000m位置，视电阻率约为400～2000Ω·m，呈现低阻异常，推测为F4、F6断裂在深部交会引起(图6)。

1—推断断层；2—设计钻井图6 LDR1井L7剖面线视电阻率等值线图

在视电阻率电磁测深D1剖面线桩号1600～2000浅部相对两侧呈现“V”字型异常反映，在深度-600m～-1200m范围内，等值线较密，整体梯度变化较大，结合地质资料，推断F4和F6断裂构造在该区域交会引起，F4断裂倾向NE，倾角约为75°，F6断裂倾向NW，倾角约为70°。桩号1600～1800浅部视电阻率梯度变化较大，结合已知资料，推断F5断层的电性反映，倾向NE，倾角约为70°，深部与F6交会(图7)。

1—推断断层图7 LDR1井D1电测深视电阻率断面图

首先施工测温孔CW1，在井深480m时钻遇F4断裂，最终成井深度703m。涌水量21.63m3/h，井底温度28.10℃，地温梯度达2.11℃/100m，由此推测，LDR1地热井在井深2000m时，井温度可达50℃左右。

LDR1井完井深度2010.60m，井底温度57.12℃，出水量720m3/d，出水口水温40℃，地热流体中氟(4.15mg/L)，依据现行《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)附录E中“理疗热矿泉水水质标准”，达到命名矿水浓度，具有较高的医疗价值，可作为洗浴、疗养用水或在医生指导下进行理疗保健。

4.3 日照市东港区陈疃镇地热资源勘查

该勘查区位于日照市东港区陈疃镇北1km，地貌类型为低山丘陵区，地形总体呈南高北低，中间为一较宽阔的冲沟。地层上部为第四纪粉质黏土，下部有花岗岩侵入。研究区内发育NE向、NW向2组深大断裂，分别为F1、F2、F4断裂和F3断裂(图8)。

1—第四纪沂河组含砾混粒砂；2—第四纪临沂组含砾砂质亚黏土、含砾黏土质砂层；3—燕山早期玲珑序列郭家店单元中粗粒二长花岗岩；4—月季山序列朱子岭单元细中粒含角闪黑云二长花岗质片麻岩；5—月季山序列后石沟单元中粗粒含黑云二长花岗质片麻岩；6—实测地质界线；7—张扭性断裂；8—张性断裂；9—性质不明断裂；10—物探推断断裂；11—构造破碎带；12—物探推断构造破碎带；13— CSAMT测点及点线号；14—CSAMT质量检查点；15—测温井及编号；16—地热井及编号图8 CTDR1井工程部署图

NE向F1、F2、F4断裂平行展布后与NW向F3断裂交会。选择可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)进行深部构造物探。

在L6线1100～1900号点之间，视电阻率明显呈低阻反映，并且向下延伸较大，视电阻率等值线呈规模较大“U”字型变化，结合地质资料推断为构造破碎带的反映；在1900～2600号点之间，深部有一条向东延伸的低阻异常带，结合地质资料推断为F3断裂构造反映，并于西部构造破碎带相交会；在2500～3200号点之间，视电阻率呈低阻反映，视电阻率等值线呈“V”字型变化，结合地质资料推断为F1断裂构造反映，并且深部与F3断裂构造相交会(图9)。首先在拟设地热井以西施工测温孔CTCW1，完井深度350m，在井深350m时钻遇破碎带，涌水量59.63m3/h，井底温度20.60℃，经计算，地温梯度达2.34℃/100m，由此推测，CTDR1地热井在井深2000m时，井底温度可达55℃左右。

1—推断断层；2—设计钻井图9 CTDR1井L6剖面线视电阻率等值线图

CTDR1井完井深度2012.60m，井底温度62.47℃，涌水量600m3/d，出水口水温37℃，地热流体中氟(5.08mg/L)，依据现行《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)附录E中“理疗热矿泉水水质标准”，达到命名矿水浓度，具有较高的医疗价值，可作为洗浴、疗养用水或在医生指导下进行理疗保健。

5 地热水补给来源分析

地下水属于自然界水循环中的地下径流阶段中的水，它的形成、运动、演化均与大气降水、地表水有密切联系。而地下热水的水化学成分是在漫长的地下径流过程中逐步形成的，由于其赋存介质、水动力条件及温度的不同，不同条件下的地下热水的水化学特征也具有较大的差异。地下热水中的化学成分可以作为寻找地下热水的标志，帮助分析地下热水的形成原因。所以，地下热水的水化学分析是十分重要的。

5.1 水化学特征

地下热水的化学成分是在漫长的地质历史中形成的，在其形成过程中，除受到所流经岩石的种类和性质影响外，其成分的演变还受到各种化学作用的严格控制。地热水水化学特征不仅是地下热水与围岩间的溶解作用和溶滤作用，还受岩浆活动、大气降水入渗及含水层之间的补给等因素影响。分析研究地热水水化学类型以及各组分之间的联系，为更好的开发利用地热水资源提供水化学依据[16]。

1—地热井编号/深度、出水口水温/涌水量；2—地热流体采样位置；3—断裂；4—韧性变形带图10 地热流体采样分布图

表1 地热水水化学组分一览表 单位：mg/L

图11 地热井地热流体离子成分piper三线图

5.2 氢氧稳定同位素特征

氢的稳定同位素氘，由于围岩贫氢，导致氢从热源向采样点运移途中不受物理化学过程影响，浓度基本保持不变，适于作水分子起源的标记或示踪剂;另一方面，氧的同位素18O，由于围岩富氧，导致18O对于温度变化、水-岩相互作用、蒸汽散发、不同来源水的混合与稀释表面蒸发十分敏感，适于作这些过程的地质指示剂。因此地热流体中稳定同位素δD和δ18O的组成通常用于确定地热流体的成因[16-17]。

三口地热井的氢氧同位素检测数据表明，它们的δD和δ18O的值均在克雷格标准降水直线δD=8δ18O+10及我国降水线δD=7.8δ18O+8.2附近(表2，图12)，说明这三口地热井所在地区的地下热水来源由大气降水补给形成，属大气降水成因，证明前述地热水的补给来源为大气降水的判断是正确的。

表2 δD和δ18O值一览表

图12 地热井地热流体中δD，δ18O值与标准雨水线对比图

6 结论

(1)日照东部花岗岩地区地热资源分布于地势低洼的NE向、NNE向及NW向断裂交会处；断裂是控制地热资源分布的主导因素，热储岩性主要以中生代及元古宙二长花岗岩为主；地热水主要接受山区大气降水的入渗补给，地下水沿构造裂隙向地壳深部运移，经围岩加热后沿断裂交会形成的构造薄弱部位向上运移，形成地热田，为断裂控制的深循环对流型带状热储地热田。

(2)根据氢氧同位素检测结果，反映研究区内地热水为大气降水补给，补给区为周边山区就近补给，沿断裂入渗循环，吸收热量形成地热水，循环距离不大。

(3)在日照地区进行地热勘查时，可控源音频大地电磁测深对断裂深部发育特征反映明显，应首选在2条或多条深大断裂交会处定井，地热井宜布置在地势低洼处，具有一定的汇水面积，可获得出水量较大的地热井。

(4)物探工作程度、解译及地质推断的准确性关系到打井的成败。在探测深部断裂发育特征时，应采用2种以上物探方法相互对比，根据地层岩性、构造条件、构造裂隙的富水性等确定地热井位置；地热井要布置在实际施工的物探剖面上，勘探深度应大于拟钻地热井的深度。