山東省曹縣城區(qū)地?zé)豳Y源地質(zhì)條件綜合研究

馬 龍，馮超臣

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州272100)

曹縣位于山東省西南部，隸屬菏澤市，地處魯西南黃泛平原。近年來(lái)的地?zé)岬刭|(zhì)勘查工作表明，曹縣城區(qū)一帶地?zé)岢傻V地質(zhì)條件有利，低溫地?zé)豳Y源豐富，具有很好的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。目前曹縣城區(qū)地?zé)嵘形催M(jìn)行統(tǒng)一開(kāi)發(fā)利用，加強(qiáng)該區(qū)地?zé)豳Y源地質(zhì)條件的分析研究，有利于進(jìn)一步摸清城區(qū)地?zé)豳Y源特征，推進(jìn)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用，從而促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 區(qū)域地質(zhì)背景[1]

1.1 地層

本區(qū)地表被巨厚的第四系和新近系松散層覆蓋。據(jù)現(xiàn)有揭露地層資料，從老到新的地層有古生界的奧陶系、石炭系及二疊系、中生界侏羅系、新生界的古近系、新近系及第四系。與地?zé)豳Y源有關(guān)的地層主要為:

1.1.1 奧陶系馬家溝組

隱伏于菏澤凸起中部。受構(gòu)造的影響，埋藏深度差異較大，城區(qū)最小埋藏深度1 200 m左右，最大頂板埋深2 600 m，巖性主要為厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r。

1.1.2 新近系明化鎮(zhèn)組

下部為棕紅色泥巖夾粉細(xì)砂巖，上部巖性為黃色泥巖、粉細(xì)砂巖互層，厚800 m左右。

1.2 構(gòu)造

山東省曹縣城區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ)魯西斷隆(Ⅱ)魯西斷塊隆起(Ⅲ)菏澤凸起(Ⅳ)的南部。歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成本區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。

1.2.1 基底斷塊構(gòu)造劃分

根據(jù)區(qū)域大斷裂構(gòu)造的控制，劃分了冉堌凸起、褚廟店凸起、倪集斷陷和候集斷陷等四個(gè)Ⅴ級(jí)構(gòu)造單元。單元內(nèi)次級(jí)斷裂構(gòu)造也較發(fā)育，主要為近東西向(或北西西向)和北東向兩組，這些斷裂互相切割把以上四個(gè)構(gòu)造單元?jiǎng)澐譃楦〉臄鄩K構(gòu)造單元。斷塊單元的劃分見(jiàn)表1。

1.2.2 基底斷塊構(gòu)造概述

1)褚廟店凸起

位于單縣斷裂以南、曹縣斷裂以西的地區(qū)。該凸起新近系下基巖為石炭—二疊系，頂板埋深1 050～1 100 m，向南逐漸增厚;奧陶系為煤系地層的基底由北向南埋深逐漸增加，埋深由1 200 m增加到1 700 m左右。

2)倪集斷陷

位于單縣斷裂與普連集斷裂之間、曹縣斷裂以西的地區(qū)，區(qū)內(nèi)新近系下基巖為侏羅系，頂板埋深約1 050～1 350 m，南部稍厚，北部稍薄。新近系下基巖為石炭—二疊系，厚度700～800 m。煤系地層基底為奧陶系，埋深2 200～2 300 m，稍向南傾斜。

3)候集斷陷

位于城區(qū)的東南部，曹縣斷裂以東的區(qū)域，區(qū)內(nèi)第四系及新近系平均厚約1 000 m，松散層以下隱伏地層為古近系，厚約1 200 m，奧陶系頂板埋深在2 800～3 000 km。

4)冉堌集凸起

位于城區(qū)的北部，普連集斷裂以北的區(qū)域，區(qū)內(nèi)第四系及新近系平均厚約1 000 m，新近系下基巖為石炭—二疊系，厚度700～800 m。

表1 曹縣地區(qū)Ⅴ級(jí)構(gòu)造單元及次級(jí)斷塊構(gòu)造劃分表

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 熱源與補(bǔ)給源

根據(jù)物探資料推斷，本區(qū)莫霍面埋深在30～33 km左右，是莫霍面的相對(duì)隆起區(qū)，熱源主要來(lái)自地殼深層正常的熱流傳導(dǎo)，且本區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，對(duì)地殼深部的熱源起到了重要的溝通和傳導(dǎo)作用，地殼深部的熱能可通過(guò)斷裂及巖漿巖侵入兩側(cè)的破碎帶熱的傳導(dǎo)和地下水的深循環(huán)對(duì)流作用，將熱能輸送至熱儲(chǔ)層，遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫，使熱能儲(chǔ)存下來(lái)。其次是巖漿熱液活動(dòng)及放射元素蛻變;另外在中新生代沉積了巨厚的松散、半固結(jié)狀沉積物，在不斷的壓實(shí)、成巖過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一定的物理—化學(xué)熱，也為本提供了部分熱源。本區(qū)的熱源條件較好。

地?zé)崴闹饕a(bǔ)給來(lái)源為大氣降水的垂直入滲經(jīng)深部循環(huán)補(bǔ)給，其次是側(cè)向徑流補(bǔ)給和沉積時(shí)保留下來(lái)的封存水和沉積水。

2.2 熱儲(chǔ)層

熱儲(chǔ)是地殼內(nèi)能夠富集和貯集地?zé)崮?、并使地?zé)彷d體能進(jìn)行對(duì)流運(yùn)動(dòng)的地質(zhì)體，是地?zé)峥辈楣ぷ鞯哪康膶?。根?jù)現(xiàn)有地?zé)岬刭|(zhì)資料，本區(qū)的熱儲(chǔ)層有兩個(gè)，一是上部新近系碎屑巖孔隙含水熱儲(chǔ)層，二是下部古生界寒武—奧陶系巖溶裂隙型含水熱儲(chǔ)層(見(jiàn)圖1)。

2.2.1 新近系碎屑巖孔隙含水熱儲(chǔ)層

屬層狀裂隙—孔隙型熱儲(chǔ)。新近系碎屑巖孔隙含水熱儲(chǔ)層埋深600 m以下熱儲(chǔ)，底板埋深在1 000～1 350 m之間，熱儲(chǔ)厚度600 m左右。

2.2.2 奧陶系石灰?guī)r層熱儲(chǔ)層

屬灰?guī)r類(lèi)裂隙—巖溶型熱儲(chǔ)。該熱儲(chǔ)主要位于單縣斷裂以南、曹縣斷裂以西的曹城鎮(zhèn)斷塊內(nèi)，頂板埋深在1 200～1 700 m。熱儲(chǔ)層為奧陶系石灰?guī)r層，厚度約600～800 m，埋藏于石炭-二疊系煤系地層之下。受斷裂構(gòu)造的影響，灰?guī)r巖溶裂隙比較發(fā)育，為深部地?zé)崴w循環(huán)運(yùn)移提供了通道及儲(chǔ)存空間，尤期是奧陶系頂部古風(fēng)化殼較厚，巖溶裂隙更為發(fā)育，形成了良好的儲(chǔ)熱條件。

圖1 曹縣城區(qū)地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)概念模型

2.3 蓋層

蓋層是指熱儲(chǔ)的覆蓋層，它是地?zé)嵝纬傻闹匾獥l件，其作用是防止熱儲(chǔ)層中的熱能大量散失。對(duì)于不同的熱儲(chǔ)層有不同的蓋層系統(tǒng)。本區(qū)第四系厚230 m左右，巖性主要為粘土、粉質(zhì)粘土和細(xì)砂互層;新近系明化鎮(zhèn)組上部，厚約370 m，巖性主要為泥巖和細(xì)砂巖為主。上述地層密度小，導(dǎo)熱性能差，熱阻大，是天然良好的新近系明化鎮(zhèn)組下部熱儲(chǔ)層的蓋層。寒武-奧陶系巖溶裂隙地?zé)醿?chǔ)層，還具有石炭-二疊系蓋層，厚度約200～400 m，巖性主要為頁(yè)巖、泥巖、粘土巖及砂巖，特別是泥巖層及粘土巖層熱導(dǎo)率低，是深部寒武-奧陶系巖溶裂隙地?zé)醿?chǔ)的保溫蓋層。

2.4 控?zé)岷蛯?dǎo)水構(gòu)造

控?zé)岷蛯?dǎo)水構(gòu)造是地?zé)嵝纬傻谋貍錀l件。本區(qū)西部靠近聊考斷裂，北部為常樂(lè)集斷裂，曹縣斷裂北東向斜穿本區(qū)，單縣斷裂從曹縣城區(qū)北部東西向穿過(guò)，這四條斷裂控制了區(qū)域內(nèi)凸起與凹陷的邊界，它們切割深度大，活動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，破壞了地殼的連續(xù)性，是本區(qū)主要的控?zé)針?gòu)造。曹縣城區(qū)有多條東西向的次級(jí)斷裂構(gòu)造。這些斷裂切割深度一般在1 000～3 500 m之間，溝通了不同含水層之間的聯(lián)系，使其沿?cái)嗔芽蛇M(jìn)行垂向?qū)α?，為該區(qū)內(nèi)的導(dǎo)水構(gòu)造。，從圖2可以看出，大致以單縣斷裂(F4)為界，在F4斷裂以北的倪集斷陷盆地的南緣，發(fā)育一條上寬下窄的斷裂破碎帶，它由規(guī)模較大的近于平行的六條斷裂組成(F4-F9)。F4—F6斷裂傾向北，傾角 55°～60°，F(xiàn)8-F9斷裂傾向南，傾角 45°～55°，除 F4 斷距較大(1.3 km)外，其余斷裂斷距一般小于100 m，斷裂帶破碎嚴(yán)重，為該地區(qū)導(dǎo)熱的通道。

3 地溫場(chǎng)特征

本區(qū)地溫場(chǎng)特征主要受地質(zhì)構(gòu)造的影響，其次受蓋層及巖性變化影響。在常溫帶下，地溫隨著深度增加逐漸增高。經(jīng)對(duì)井溫資料的綜合統(tǒng)計(jì)分析，確定該地常溫帶深度為20 m，常溫帶值選用當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?4.5℃。

3.1 地溫場(chǎng)的水平方向地溫特征

根據(jù)對(duì)曹縣城區(qū)內(nèi)30～40 m的淺層水井測(cè)溫資料，曹縣城區(qū)及城區(qū)北部地溫梯度最高達(dá)3.0℃/100m，東部成武—蘇集一帶，地溫梯度1.2～1.5℃/100m。兩者地溫梯度相差0.5～1.5℃ /100m，這種地溫、地溫梯度的差異，反映了該區(qū)深部地質(zhì)構(gòu)造基底埋深的差異。在魏灣—曹縣之間分布一條地溫、地溫梯度異常帶，背景值 2.0℃/100m，異常值 3.0℃/100m，反映地?zé)徇\(yùn)移的的通道，與單縣斷裂曹縣段相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明該斷裂為張性斷裂，具有深部地?zé)嵯蛏线\(yùn)移的條件，從而形成地溫梯度異常帶。

3.2 地溫場(chǎng)的垂向分布

本區(qū)地溫場(chǎng)的垂向分布，以曹縣附近D1#井測(cè)溫資料為例(圖3)，地表至奧灰基底間，總體是隨著深度的增加，地溫增高，奧灰頂板埋深1 850 m，溫度達(dá)68.5℃，按當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?4.5℃，蓋層地溫梯度平均值約為3℃/100m。根據(jù)地層的增溫與厚度，計(jì)算了地溫梯度，可以看出地溫梯度隨著地層成巖程度的提高逐層降低，變化范圍在 2.14～3.45℃/100m。

4 熱儲(chǔ)層地?zé)崴瘜W(xué)特征

4.1 新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層地?zé)崴?/h3>

該地?zé)崴疅o(wú)肉眼可見(jiàn)物，色度小于5，無(wú)臭，味正常，透明，渾濁度小于1。地?zé)崴兄饕?yáng)離子為鈉和鈣，其次為鎂，其含量分別為 1 158.00 mg/L、107.60 mg/L 和 33.90 mg/L;主要陰離子為硫酸根和氯離子，其次為重碳酸根，其含量分別為 1 588.66 mg/L、845.68 mg/L 和 191.69 mg/L;礦化度為 3 957.52 mg/L，屬咸水;總硬度(CaCO3)408.31 mg/L，屬硬水;pH值為 7.75，屬中性水，水化學(xué)類(lèi)型為 SO4·Cl-Na型。該地?zé)崴擅麨楹杷?、偏硼酸醫(yī)療熱礦水，含有多種對(duì)人體有益的微量元素，對(duì)金屬有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)普通水泥的建筑有結(jié)晶性侵蝕，而對(duì)抗硫酸巖水泥無(wú)侵蝕性;對(duì)A、B兩種類(lèi)型的水泥均無(wú)分解性侵蝕，可生成硫酸鈣、硅酸鈣垢，不生成碳酸鈣垢;不宜直接做為農(nóng)田灌溉、漁業(yè)用水，不能做為生活飲用水;地?zé)嵛菜欧艑?huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

4.2 奧陶紀(jì)熱儲(chǔ)層地?zé)崴?/h3>

該地?zé)崴泄傩誀钗@淡黃色，口感略有咸味，有輕微的硫化氫味，清澈透明不含異物。地?zé)崴兄饕?yáng)離子為鈣和鈉，其含量分別為 487.62 mg/L、494.36 mg/L;主要陰離子為硫酸根和氯離子，其含量分別為 1 775.62 mg/L、484.9 mg/L;水化學(xué)類(lèi)型為 SO4·CI-Ca·Na型。礦化度為3 593.45 mg/L，屬咸水;總硬度(CaCO3)為 1 572.52 mg/L，屬極硬水;pH值為7.08，屬中性水。按醫(yī)療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，地?zé)崴械?F、Sr達(dá)到命名礦泉水濃度，H2S、H2SiO3達(dá)到了礦水濃度，HBO2達(dá)到了醫(yī)療價(jià)值濃度，命名為含偏硅酸、偏硼酸的氟醫(yī)療熱礦水。奧陶系熱儲(chǔ)層地?zé)崴畬?duì)金屬有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)普通水泥的建筑有結(jié)晶性侵蝕，而對(duì)抗硫酸鹽水泥無(wú)侵蝕性;可生成硫酸鈣、硅酸鈣垢，不生成碳酸鈣垢;不宜直接做為農(nóng)田灌溉、漁業(yè)用水，不能做為生活飲用水;地?zé)嵛菜欧艑?huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)曹縣城區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)魯西斷隆魯西斷塊隆起菏澤凸起的南部，區(qū)域斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，地?zé)岢傻V地質(zhì)條件有利。

(2)該區(qū)可被利用的熱儲(chǔ)層主要有2個(gè)，分別為新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)和奧陶紀(jì)灰?guī)r類(lèi)裂隙—巖溶熱儲(chǔ)。

(3)新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層地?zé)崴瘜W(xué)類(lèi)型為 SO4·Cl—Na型，命名為含偏硅酸、偏硼酸醫(yī)療熱礦水;奧陶系熱儲(chǔ)層地?zé)崴瘜W(xué)類(lèi)型為 SO4—Ca·Na型，命名為含偏硅酸、偏硼酸的氟醫(yī)療熱礦水。兩種熱礦水均含有多種對(duì)人體有益的微量元素，對(duì)金屬有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)普通水泥的建筑有結(jié)晶性侵蝕，而對(duì)抗硫酸巖水泥無(wú)侵蝕性;對(duì) A、B兩種類(lèi)型的水泥均無(wú)分解性侵蝕，可生成硫酸鈣、硅酸鈣垢，不生成碳酸鈣垢;不宜直接做為農(nóng)田灌溉、漁業(yè)用水，不能做為生活飲用水;地?zé)嵛菜欧艑?huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

(4)在使用過(guò)程中應(yīng)做好梯級(jí)綜合利用，使這一寶貴的地?zé)豳Y源能夠充分發(fā)揮作用。地?zé)崴ㄟ^(guò)換熱器大于50℃水用于取暖、供熱、烘干，40℃水用于洗浴、木材浸泡等的方式進(jìn)行梯級(jí)利用，以提高經(jīng)濟(jì)效益。因該地?zé)崴袕?qiáng)腐蝕性和結(jié)垢多的特點(diǎn)，應(yīng)采用間接供熱方式，循環(huán)系統(tǒng)要選用防腐材料。

(5)加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)工作。地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，應(yīng)建立地?zé)崴畡?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)采量及其引起的水位、水溫、水質(zhì)變化及環(huán)境影響實(shí)行有效監(jiān)測(cè)，保證地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)與利用。

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