山东省干热岩地热资源潜力估算

许传杰，张军，张玲，李肖兰，翟立民

(1.山东地矿新能源有限公司，山东 济南 250014；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250100；3.山东省地矿局富铁矿找矿与资源评价重点实验室，山东 济南 250100 )

0 引言

干热岩是一种清洁的可再生地热资源[1]，一般埋藏于地面1km以下，温度大于200℃，埋深数千米，内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体。

我国是最早利用地热的国家之一，地热资源的直接利用排世界第一[2-3]。但我国对于干热岩资源的勘查开发利用，尚处于起步阶段。2014年，青海省地勘单位在共和盆地成功钻获温度高达153℃的干热岩，是我国首次发现大规模可利用干热岩资源，这次勘查发现的干热岩资源具有埋藏浅、温度高、分布范围广的特点，填补了我国干热岩资源的空白。近几年，我国在干热岩资源潜力评价[4-6]、应用技术研究[7-9]方面开展了较多工作，也取得了一定的成果和突破。

山东省是能源资源消耗量较大的省份，对于能源的需求处于持续增长的状态。开发利用干热岩资源可为山东省可持续发展提供绿色低碳能源，大大增强能源供应保障能力。

1 山东省干热岩地热资源区地质背景

山东省位于环太平洋地热带的太平洋西岸高热流带，该带是华北板块与扬子板块碰撞结合带，又是华北坳陷与鲁中隆起的结合部，构造极为发育，尤其是中生代和新生代以来，山东表现为剧烈的断块运动和大陆裂谷伸展作用，并伴随强烈的岩浆活动，是地热形成及导热、水热活动异常的发生基础。区域内自太古代至新生代地层均有分布，各时代地层发育比较齐全。地层中出露以中、新生代地层为主，其次为古生代地层；元古代地层分布局限，太古代地层零星分布，由老至新，地层出露面积逐次增大[10-11]。

山东省一级构造单元以牟平-即墨断裂和五莲断裂及沂沭断裂带的昌邑-大店断裂为界，其北西属于华北板块，其南东为苏鲁造山带。以沂沭断裂带、齐河-广饶断裂及聊城-兰考断裂、牟平-即墨-五莲断裂为界，二级构造单元分为鲁西隆起区、华北拗陷区、胶辽隆起区(鲁东隆起区)，胶南-威海隆起区、苏北隆起区。三级构造单元以大的区域性断裂为界(图1)。

1—一级单元界线；2—二级单元界线；3—三级单元界线；4—四级单元界线；5—五级单元界线；6—断层及推测断层；7—不整合界线图1 山东省地质构造图

山东省岩浆活动十分频繁，除中太古代、新太古代、中生代及新生代有较多火山活动外，其他地质年代均以岩浆侵入活动为主。岩浆岩分布广泛，出露面积30976km2，约占全省陆地面积的20%[12]。截至目前，全省17地市均发现有地热资源，天然温泉及人工揭露地热800多处，水温基本在40～90℃之间[13]。另外，山东省处于中国大陆东部滨太平洋构造域，中新世以来新构造运动较剧烈，形式复杂多样，从温泉出露地点看，山东省温泉90%以上出露在地壳新构造隆起区。综合山东省大地构造背景、火山活动、新构造运动和热源传导等特征，为山东省干热岩资源赋存创造了地质条件。

2 资源潜力估算方法

干热岩所蕴含的地热资源量取决于干热岩的储层温度及干热岩岩石的热物性。采用体积法估算山东地区干热岩地热资源量，体积法公式如下[6]：

Q=ρ·Cp·V·(T-T0)

(1)

式中：Q—干热岩资源储量；ρ—岩石密度；Cp—岩石比热；V—岩石体体积；T—特定深度上的岩石温度；T0—地表平均温度或特定参考温度。

鉴于现阶段钻探技术水平和地热资源的经济开采深度，目前干热岩的评价深度限于地壳浅部10km以内[14-15]。通常一个独立的水文地质单元，地形起伏的相对高差3km 左右，因此地壳浅部水热型地热资源主要赋存于3km以浅。此外，在以热传导为主的非火山活动区，3km以浅的地壳表层不可能具有较高温的干热岩，因此，选择将山东省干热岩资源评价的深度范围限定在3～10km。

深部温度是干热岩地热资源量评价的直接参数，主要由地表温度、地表热流、岩石热导率、岩石生热率来决定。在一维稳态热传导条件下，对于均匀层状的沉积岩分布区，其单层内热导率和生热率可以近似为常数，依据不同岩性取其平均值即可，相应的深部温度可由下式进行计算[5]：

T(Z) =T0+q0×Z/K-AZ2/2K

(2)

式中：T0—地表温度；q0—地表热流；K—岩石热导率；A—岩石生热率；Z—深度。

3 数据获取及参数选取

根据山东省地热地质资料及岩性、岩石生热率、岩石热导率、地温梯度等数据资料，将山东省分为4个大区，分别是鲁东地区、鲁西北地区、沂沭断裂带地区、鲁中南地区，通过大地热流值、生热率、热导率、地温梯度、居里面、岩性等资料圈定了鲁东地区共6个干热岩重点勘查区，鲁西北地区共8个干热岩重点勘查区，鲁中南地区共2个干热岩重点勘查区(图2)。

1—鲁西北地区；2—鲁中南地区；3—沂沭断裂带地区；4—鲁东地区；5—干热岩重点勘查区图2 山东省干热岩地热资源量估算分区图

3.1 大地热流值

大地热流值简称热流, 地球内部热能传输至地表的一种现象, 是地热场最重要的表征。中国热流测量工作开展较晚, 但发展迅速, 先后在华北、东北、攀西、三江、青藏、东南沿海地区取得了一大批热流数据, 并编制了中国大地热流图[16-19]。本次工作以样品测试及搜集大地热流值为基础绘制了山东省大地热流值分区图(图3)，为山东省干热岩资源量计算提供了数据基础。

山东省的大地热流值介于45～100mW/m2。空间规律表现为，深大断裂附近大地热流值相对较高，鲁中南隆起地区大地热流值较低。最高值在鲁西北的陈庄潜凸起区、广饶潜凸起区以及鲁东文登地区，另外，鲁中南菏泽潜凸起区大地热流值较高。

3.2 岩石热导率

又称“导热系数”，是物质导热能力的量度，即指当温度垂直向下梯度为1℃/m时，单位时间内通过单位水平截面积所传递的热量。热导率是岩石热物性参数，一般采集岩石样品测试分析来获取。

山东地区的研究资料比较丰富，全省热导率主要是搜集前人实测岩石热导率数据(山东地质志)进行取值，4km以浅的岩石热导率可根据钻探数据获取， 4km深度以下的岩石热导率根据推测岩石性质取定值。为了方便计算，山东省4个分区岩石热导率取值为各区采集样品数据的算数平均值，搜集地热井岩芯热导率数据见表1。

3.3 岩石生热率

岩石生热率是指单位体积的岩石在单位时间内由其所含的放射性元素衰变而产生的热量。岩石放射性元素的衰变生热主要取决于岩石中放射性物质U、Th和K的含量。通过测定样品中U、Th和K的含量和样品密度，按Birch(1954)给出的经验公式计算出样品的生热率[20]。

1—<50mW/m2；2—50～55mW/m2；3—55～60mW/m2；4—60～65mW/m2；5—65～70mW/m2；6—70～75mW/m2；7—75～80mW/m2；8—80～85mW/m2；9—>85mW/m2；10—断裂图3 山东省大地热流值分区图

表1 收集山东省地热井岩芯热导率数据一览表

续表1

山东省岩石生热率是对研究区取岩样90件测试U、Th和K的含量，通过上式计算获得，数据见表2和表3。为了方便计算，在鲁西北重点勘查区根据相关资料取值3.18，其他区域生热率取值为岩样测试数据的算数平均值。

3.4 基准温度

基准温度就是地表温度，本文以山东地区年平均气温13℃近似代表基准温度，4个分区干热岩地热资源计算参数见表2、表3。

表2 山东省干热岩重点勘查区地热资源计算参数表

表3 山东省除重点勘查区外的干热岩分区地热资源计算参数表

3.5 温度估算

根据上述方法对山东省干热岩分区3～10km不同层次深部估算温度，依据所计算的温度结果绘制了山东省3～10km深温度分布图，其中图4、图5分别是3.5km、9.5km等温线图。

根据国内外干热岩资源开采利用经验，考虑经济、效能的可持续发展，150℃以上的干热岩更具开采价值，本文所估算的不同深度的温度值对山东省干热岩资源的开发利用具有很好的参考价值。

图4 山东省干热岩估算3.5km等温线

图5 山东省干热岩估算9.5km等温线

4 结果分析

根据所计算的山东地区3～10km深度的温度结果，采用体积法估算山东地区干热岩资源储量。分别在4个分区以深度上每1km为单位，计算3～10km深处各段的干热岩资源潜力(表4)。

山东省干热岩在3～10km深处资源总量为2.63×1023J，折合标准煤8.97×1012t。同时分析表明山东鲁西北地区具有浅部开发利用干热岩的潜能，在鲁西北地区和鲁东地区5km深度以下多个重点勘查区温度推算都超过150℃，另外，在鲁中南地区的沂南县6km深度推算温度也达到150℃以上。因此山东鲁西北地区以及鲁东地区在蓬莱-招远、龙泉、文登-荣成、鲁中南地区的沂南县附近极有可能成为山东省干热岩勘探的先行重点勘查区。

表4 山东省3～10km深度干热岩资源估算结果

5 结论

(1)山东地区绝大部分区域的大地热流值超过63mW/m2，属于地热异常区。其中鲁西北部分地区热流值超过75mW/m2，鲁东部分区域及沂沭断裂带附近热流值超过70 mW/m2。高热流区与深部岩浆活动、地质构造密切相关。

(2) 根据深部温度及资源量计算结果来看，目前现阶段山东省干热岩在3～10km深度范围内资源总量按2%的可开采资源量计算，合1794.4×108t标准煤，大约是全国2019年能源消耗总量的37倍。

(3) 在鲁西北、鲁东的蓬莱-招远、龙泉、文登-荣成一带以及鲁中南沂南附近具有开发利用干热岩资源的潜能，具有良好的勘查开发利用前景。