沂沭断裂带地热资源特征及成因分析

摘要：临沂城区位于沂沭断裂带西侧，沂沭断裂带是一条巨型新华夏系断裂构造带。临沂城区赋存着丰富的地热资源，通过对研究区地球物理勘探、地温测量、水质分析等资料的研究，分析了研究区地热地质特征，论述了地热资源成因。临沂城区东北部热储类型为基岩构造裂隙带状热储，地热水类型为基岩构造裂隙水，补给来源为大气降水，沂沭断裂带及其次一级断裂为导水、导热构造，浅部地下水经过深循环后被加温形成地热资源。地热水主要为溶滤型的陆相沉积水，水化学类型为ClNa·Ca型，地热水中常规组分随热储层深度的增加而增大。选择钾镁地球化学温标和无蒸汽损失的石英温标计算热储温度在78～104°C，为中低温热储，为断裂控制的深循环对流型地热田模式。

关键词：沂沭断裂带；地热资源；带状热储；控热构造；临沂城区；山东省

中图分类号：P314文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.001

引文格式：刘小平，赵有美，张金鑫，等.沂沭断裂带地热资源特征及成因分析——以山东省临沂城区地热为例［J］.山东国土资源，2023，39（6）：17. LIU Xiaoping， ZHAO Youmei，ZHANG Jinxin，et al.Analysis on Characteristics and Origin of Geothermal Resources in Yishu Fault Zone——Taking Geothermal Resources in Urban Area in Linyi City in Shandong Province as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（6）：17.

0引言

地球內部富集有大量的热量，是天然的热能储存供给地下热库，地热能作为一种比较珍贵的矿产资源，已成为一种可供人类利用并有着巨大发展前景的能源。地热能已用于发电、温室种植、热带鱼类养殖、居民供暖、医学理疗、温泉休闲旅游等方面［1］。临沂市城区东北部蕴藏着丰富的水热型地热资源，作为“中国温泉之城”，地热资源梯级利用率达到 50%以上，地热作为清洁的可持续利用的资源，在助力碳达峰、碳中和及促进经济可持续发展等方面发挥着重要作用［2］。

临沂城区位于沂沭断裂带西侧，沂沭断裂带是一条巨型新华夏系断裂构造带。由于其规模巨大，断裂破碎带宽，且深切至上地幔，加之新生代以来岩浆活动频繁、构造活动强烈，成为形成区域地热的主要导水控热地质构造。沂沭断裂带内出露的汤头温泉水温70℃，热水中含氟、锶、偏硅酸离子等多种有益元素，水量500m3/d左右，是沂沭断裂带内已探明的地热资源。前人对沂沭断裂带地热地质条件做了较多研究［37］，基于前人研究的基础上，本文以临沂城区东北部2条控水控热构造为研究对象，通过地球物理勘探、地温测量、地热水水化学分析等方法，系统分析临沂城区东北部地热地质特征及影响因素，论述了沂沭断裂对研究区地热资源的控水控热作用，为临沂温泉城建设提供科学支撑。

1区域地质背景

郯庐断裂带是发育在我国大陆东部的由多条NNE向断裂组成的巨型构造活动带，它控制着我国东部地质构造的空间展布［8］。沂沭断裂带是郯庐断裂的中段，它对山东省中部的构造格局、地貌景观、地层展布、岩浆岩发育、矿产以及地震等都有着明显的控制作用［9］。沂沭构造断裂带形成时间较老，活动时间长，燕山期和古近纪仍在活动，新近纪以来也相当活跃，是山东主要的发震构造，对地下热水资源形成也起到极为重要的作用。断裂的多次运动，垂直和水平位移及常被EW向、NW向和NE向小断裂的多次切割，形成构造东侧北移，西侧南移的复杂构造深断裂带。

沂沭断裂带呈NNE向10°～25°方向延伸，南窄北宽，主要由4条主干断裂组成，自东向西为昌邑大店断裂、安丘莒县断裂、沂水汤头断裂、鄌郚葛沟断裂，除4条主干断裂外尚有白芬子浮来山等平行断裂束。由于4条主干断裂的切割，中段形成了两堑一垒构造，中央为凸起，两侧为地堑式槽地，南北两端为中新生代凹陷。据中国科学院地球物理研究所大地电测深资料表明，上述4条断裂都切穿地壳，深达上地幔（属地壳断裂），莫霍面深度30～50 km左右。在沂河地堑下20余千米处，存在高电导层（可能是局部软、流层）［1011］。断裂带下局部岩浆的侵入，将提供大量的热源，有利于形成高热流值地带。

研究区位于沂沭断裂带的西部，区内断裂构造较为发育（图1），主要断裂有鄌郚葛沟断裂、沂水汤头断裂、蒙山断裂、汤头许家长沟断裂。根据地热钻孔揭露的资料，研究区沂沭断裂带内地层自上而下为第四系、新近系、白垩系和新太古代泰山岩群。其中新近纪馆陶组岩性主要为石灰质胶结砾岩，厚度932.73m。白垩纪八亩地组岩性以安山凝灰岩、火山角砾岩及紫红色粗砂岩类页岩为主，厚度240m。新太古代泰山岩群岩性为花岗片麻岩、斜长角闪岩，不等厚互层，质地坚硬。

2研究方法

3结果与分析

3.1地热资源特征

3.1.1热储盖层

根据物探资料，结合区内已施工的地热井揭露的地层资料，在鄌郚葛沟断裂带以东，自上而下电阻率由低到高变化，过度均匀，从等值线变化梯度分析（图2）。大致可划分为3个电性层，其中第一层的视电阻率值在100～300Ω·m之间，等值线间距宽变化缓，同一电性层厚度大岩性稳定，底板埋藏深度650m左右。第一电性层为新近纪角砾岩；第二层的视电阻率值在350～5000Ω·m之间，自上而下视电阻率逐步增大，等值线变化均匀平缓，说明该电性层所对应的地层岩性稳定，厚度大，底板埋藏深度1200m左右。第二电性层为白垩纪安山岩；第三电性层为高阻基地层，其视电阻率值大于5000Ω·m，其主要电性特征为电阻率值高且局部变化不均匀，根据区内的地质及地球物理特征分析高阻基地电性层为火成岩埋藏深度1200m左右。

区内第四系、新近系胶结砾岩及白垩系的砂岩、安山岩孔隙度较小，一般小于20%，为良好的热储盖层。TQ1热储盖层为上覆第四系粉质黏土、粉土和白垩纪安山岩，厚约60m左右；TQ2热储盖层为上覆第四系粉质黏土、粉土、新近纪角砾岩、白垩纪安山岩，厚约1200m左右。

3.1.2热储层

沂水汤头断裂、鄌郚葛沟断裂是活动强烈，切割深度大，破碎带宽构造，在其主干断裂与其他分支断裂交会部位，深层构造裂隙较为发育，脆性的安山岩和花岗岩在断裂构造的影响下，易形成裂隙，可成为地下水的良好載体，在断裂交会部位岩石破碎，构造裂隙发育，形成良好的热储层。

根据已有的地热井所揭露地层的埋深、岩性、结构、地温等，研究区热储类型为基岩构造裂隙带状热储，属于温水—温热水型。TQ1热储层为构造裂隙带状热储，岩性主要为白垩系青山群的安山岩，热储层顶板埋深在60m；TQ2热储层为构造裂隙带状热储，岩性为泰山岩群花岗岩，热储层顶板埋深在1200m。

3.1.3地热通道及水源

研究区地热资源的形成主要受构造控制。区内有主干断裂沂水汤头断裂和鄌郚葛沟断裂，为深大断裂，活动强烈，断裂深切上地壳，在断裂破碎带中岩层强烈破碎，是地热水深循环的良好通道，次一级断裂有蒙山断裂、汤头许家长沟断裂，由于长期的构造活动，影响带宽度较大，其影响带必然具备一定的宽度，节理裂隙较为发育，其主干断裂与其他分支断裂交会部位，深层构造裂隙较为发育，为热传导提供了良好的通道和场所。

研究区内的北部、东北部和西北部地区大面积基岩出露，大气降水和地表水入渗补给基岩裂隙水后，一方面在沂沭断裂带的次生断裂发育的地段，次生断裂沟通了与主干断裂沂沭断裂带热能的联系，将深部的热量传导至浅部的含水层中，深部传导出的大量热能在浅部的热储层中的空间储存下来，加热地下水形成了地下热水。另一方面，浅部的基岩裂隙水从北部、东北部、西北部广大地区向南和东南方向沿着断裂和断裂带径流补给到深部基岩构造裂隙带内，在深部热能传导下，经过深循环后被加温形成地热资源。

3.1.4热源

研究区地热水热源主要来自于地壳深部及上地幔的热传导、岩浆岩侵入和火山喷发时发出热能及岩浆岩放射性热能，并受沂沭断裂带的控制。沂沭断裂带自中生代以来断裂带内新构造活动十分频繁，新构造运动迹象明显，伴有岩浆岩侵入和火山喷发，导致沂沭断裂带为高热流地带。沂沭断裂带4条主干断裂均深至莫霍面，连接了上地幔的大地热流，构成区内循环对流型热源。在沂沭断裂带的次生断裂发育的地段，这些次生断裂沟通了与主干断裂沂沭断裂带热能的联系，深部传导出的大量热能在浅部的热储层中的空间储存下来。同时岩浆岩侵入和火山喷发时均发出大量的热量，沂沭断裂具有多期活动性，且新构造运动迹象明显，并伴随多期的岩浆活动性，白垩纪青山群次火山岩广布地热异常区内，深部还有火成岩体存在，岩浆余热使深部地下水温度升高。

3.2地下热水的地球化学特征

3.2.1地热水常规组分

地下热水的形成是在高温、高压的深循环作用下，流经了复杂的岩层或构造带，循环运动中溶解了多种岩石的化学矿物成分，使地下热水的水化学特征较普通地下水复杂［19］。

研究区内地热水水化学类型为ClNa·Ca型，Cl含量为1101.41～1402.66mg/L，SO24为271.26～408.83mg/L，Na⁺为655.00～762.50mg/L，Ca²⁺为230.50～301.14mg/L，矿化度2530.55～3037.89mg/L（表1）；根据Piper水化学类型三线图（图3），研究区内地热水分布在相同的区域，说明研究区内地热水具有相同的补径排条件，地下热水常规离子随热储层的深度加大，各离子含量也增加。

利用地热水中不同离子的比例关系，可以确定地热水的沉积运移环境［20］，研究区中ρ（Cl）/ρ（Br）为1079.81～1149.72，大于300，属于溶滤水，γ（Na）/γ（Cl）为0.84～0.92，平均为0.88，陆相沉积水，可认为研究区地热水为溶滤型的陆相沉积水。

3.2.2地下热水特征组分

研究区内氟离子含量为2.75～4.0 mg/L，锶离子含量为10.75～14.00 mg/L，偏硅酸含量38.01～107.25 mg/L（表2），对照《医疗热矿水水质标准》，区内地热水中的氟、锶、偏硅酸含量达到命名矿水浓度，具有医疗价值［21］。

研究区内地热水中氟、锶、偏硅酸等有益元素富集，是由于围岩中氟化物、锶和硅酸盐矿物成分含量较高，地热水循环深度较深，地球化学环境条件也利于氟离子、锶、偏硅酸的运移。地热水中的氟离子、锶、偏硅酸浓度与水温大致呈现正相关关系，表明随着温度的升高，氟离子、锶、偏硅酸等离子溶解度随之增大。

3.3地热异常区

3.3.1地热异常区圈定

研究区地热异常区受鄌郚葛沟断裂及沂水汤头断裂展布控制。总的规律是在深大断裂沂水汤头断裂、鄌郚葛沟断裂带内地温梯度较高，一般大于3℃/100m。其分布形状受断裂构造的控制，大体沿主干断裂呈线状分布，远离主干断裂地温梯度较低，一般小于3℃/100m。

地热异常区地温场在垂直方向上变温带、恒温带、增温带变化规律明显（图4），0～30m，地温处于下降阶段，为变温带；30～40m曲线较平直，温度变化较小，为恒温带；40m以后地温处于逐步上升阶段，为增温带；30m深度平均地温为17.5℃。

3.3.2地热异常区热储温度

地热温标类型很多，各种温标都有自已的适用条件，根据研究区的地热地质特征和地热水水化学特征，热储埋深较浅的选用钾镁温标、热储埋深较深的选用无蒸汽损失的石英温标计算热储基础温度。

经计算（表3），研究区热储层估算温度为78.35～104.56℃，结合实际地热水温度，说明研究区地热水热储为中低温热储，推测深部热储温度大致在78～104°C。

3.4成因模式

根据临沂城区地热田特定的地质构造、地热资源特征、热源及地热水的补给来源等方面，研究临沂城区地热田的成因机制。临沂城区地热田内的热储盖层主要为第四系松散层、新近系角砾岩、白垩系砂岩、安山岩和泰山岩群花岗岩，其孔隙度较小，保温效果较好；同时白垩系的砂岩、安山岩、花岗岩在断裂构造的影响下，易形成裂隙，成为地下水的良好载体，形成热储层。

地热田热储为NNE向鄌郚葛沟断裂、沂水汤头断裂与近EW向蒙山断裂及汤头许家长沟断裂控制的构造裂隙型热储，热储中心在断裂的交会处。深大断裂带两侧构造裂隙发育既是热能储存场所，也是热能传输、运移的主要通道，同时为大气降水入渗补给和深部热流上升提供了理想通道。地热田内地热水为构造裂隙水，主要接受大气降水补给和浅部地下冷水的补给，大气降水和浅部地下水通过鄌郚葛沟断裂、沂水汤头断裂破碎带入渗，经过深部循环热源加热后形成地热资源，通过次一级的蒙山断裂、汤头许家长沟断裂破碎带以对流的方式上升至地表浅部，以地热井及地热泉的形式排泄。

综上所述，临沂城区地热田为深循环对流型成因（图5），即在基岩山区接受大气降水入渗补给，沿着鄌郚葛沟断裂、沂水汤头断裂等深大断裂深循环到地下深处，入渗地下水沿着断裂构造带往深部运移过程中不断吸取来自地壳深部及上地幔传导的热流，在吸取热量的同时不断地发生局部水热传导对流，热源主要为导热断裂带水热对流聚热，大地热流传导、放射性元素衰变等热源。加热水温约78～104°C，通过次一级蒙山断裂、汤头许家长沟断裂循环至地下60～1200m处形成地热水资源。

4结论

（1）临沂城区地热流体水化学类型为ClNa·Ca型，地热水中常规组分随热储层深度的增加而增大。氟、锶、偏硅酸浓度与水温大致呈正相关关系，随着温度的升高，溶解度随之增大，根据地热水的ρ（Cl）/ρ（Br）、γ（Na）/γ（Cl）判断，地热水主要为溶滤型的陆相沉积水。

（2）研究区热储类型为构造裂隙带状热储，热储为基岩构造裂隙层；热源主要为导热断裂带水热对流聚热，大地热流传导、放射性元素衰变等热源。深大断裂及次一级断裂为控水、控热构造，地热水经过深循环后被加温形成地热资源。

（3）根据临沂城区地热形成的地质条件和地热水水化学特征，选择钾镁地球化学温标和无蒸汽损失的石英温标对地热异常区热储温度进行估算，推测深部热储温度大致在 78～104°C， 为中低温热储，为断裂控制的深循环对流型地热田模式。

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Analysis on Characteristics and Origin of

Geothermal Resources in Yishu Fault Zone

——Taking Geothermal Resources in Urban Area in Linyi

City in Shandong Province as an Example

LIU Xiaoping ZHAO Youmei ZHANG Jinxin WU Shuang

（1.No.801 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Provincial Groundwater Environmental Protection and Rehabilitation Engineering Technology Research Center， Shandong Ji'nan 250014， China; 2.Weifang Land Reserve Center， Shandong Weifang 261000，China;3.Linyi Administrative Approval Bureau Government Service Center， Shandong Linyi 276000， China）

Abstract：Linyi city is located in western Yishu fault zone. It is a giant Neocathaysian fault zone. There are rich geothermal resources in Linyi city. Through geophysical exploration， geothermal measurement and water quality analysis， geological characteristics of geothermal resources in the study area have been analyzed， and the origin of geothermal resources has been discussed. Geothermal reservoirs in the northeastern Linyi city is bedrock structural fissure type， geothermal water is bedrock structural fissure type， and the recharge source is atmospheric precipitation. Yishu fault zone and its secondary faults are water and heat conduction structures. After deep circulation， the shallow groundwater is heated to form geothermal resources. The geothermal water is mainly dissolved and filtrated continental sedimentary water， and hydrochemical type is Cl-Na·Ca. The conventional components of geothermal water will increase accompanying with the depth of thermal reservoir. By using geochemistry temperature scale and the non-steam loss quartz temperature scale of K and Mg， the temperature of the thermal storage is calculated as 78～104 ℃. It is a medium low temperature heat storage， and a deep circulation convection geothermal field model controlled by faults.

Key words：Yishu fault zone；geothermal resources；banded heat storage；heat control structures；Linyi city; Shandong province