韓昱,劉玉仙,申丹丹,劉玉想,李波,孫中瑾
(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,山東省地礦工程勘察院,山東 濟南 250014;2.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟南 250031)
臨沂市地?zé)豳Y源豐富,溫泉歷史源遠流長,目前已發(fā)現(xiàn)地?zé)岙惓|c49處,地?zé)豳Y源分布面廣,遍布全市每個縣(區(qū)),開發(fā)潛力大,利用前景廣闊[1]。費縣上冶地區(qū)巖溶熱儲埋藏深度大、地質(zhì)條件較為復(fù)雜,以往的深部地?zé)峥碧焦ぷ鬏^少,研究程度不高。受蒙山斷裂及其次級構(gòu)造的影響,該區(qū)深部巖溶熱儲隱伏于巨厚的古近系、白堊系、侏羅石炭系之下奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r之中,地?zé)豳Y源類型為低溫地?zé)豳Y源溫?zé)崴?。費縣上冶地區(qū)熱儲埋深大,受斷裂構(gòu)造控制明顯,屬于深部巖溶熱儲。深部巖溶熱儲主要指埋深500m以下賦存于寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖地層中的巖溶熱儲。受斷裂構(gòu)造控制明顯,在空間上具層狀兼帶狀特征[2]。
費縣上冶地區(qū)具有較強的區(qū)位優(yōu)勢,日蘭高速橫穿東西,S234省道縱貫?zāi)媳?,交通極其便利。屬于暖溫帶半溫潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,大陸性氣候明顯,多年平均氣溫14.2℃,多年平均降水量841.5mm,多年平均蒸發(fā)量1187.53mm,多年平均無霜期為198d。地貌類型為殘丘及山間洼地。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育,主要為浚河及其支流。
費縣上冶地區(qū)地處沂蒙山區(qū)南部沂沭斷裂帶外圍的西部,在地層分區(qū)上屬魯西地層分區(qū)泰山地層小區(qū)。區(qū)域上地層出露較全,自太古界、古生界、中生界至新生界均有出露。各地層或斷塊呈NW—SE向及EW向展布,第四系多分布于山前及山間河谷地帶。根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔及地質(zhì)資料,地層由老至新有新太古代泰山巖群、寒武系、奧陶系、石炭系、侏羅系、白堊系、古近系及第四系。
(1)泰山巖群:分布在費縣上冶地區(qū)北部蒙山斷裂以北地區(qū),其巖性為黑云母斜長片麻巖、角閃石巖、黑云母變粒巖等,厚度>100m。
(2)奧陶系:主要出露于浚河以南的較廣地區(qū),基本沿走向呈近NW—SE向分布,巖層傾向NE,傾角11°~23°之間,巖性以灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r為主,是區(qū)內(nèi)的主要熱儲層,厚度800m左右。
(3)石炭系:區(qū)內(nèi)零星出露于奧陶紀(jì)灰?guī)r北部,與奧陶紀(jì)馬家溝群呈平行不整合接觸。巖性主要為鋁土質(zhì)、鐵質(zhì)泥巖,鐵礦層,厚度0~15m。
(4)侏羅系:只在區(qū)內(nèi)西南部一帶少量出露。巖性主要為礫巖、砂礫巖,砂巖發(fā)育,地層厚度47m左右。
(5)白堊系:主要沿東管莊、萬泉莊、武家匯一線出露。上部巖性為黃綠色安山凝灰質(zhì)含集塊火山角礫巖,安山凝灰質(zhì)火山角礫巖,熔安山凝灰質(zhì)火山礫巖,中部為紫紅色、黃綠色泥質(zhì)粉砂巖,發(fā)育交錯層理,夾少量雜色礫巖,下部黃綠色砂巖、巖屑晶屑砂巖、凝灰質(zhì)砂巖,發(fā)育交錯層理及槽狀層理,地層總厚度約1565m。
(6)古近系:分布于區(qū)域中北部,與下伏地層呈不整合接觸,上部被第四系松散堆積物覆蓋,上部巖性為石灰?guī)r質(zhì)礫巖、砂礫巖、復(fù)成分礫巖,含鈣質(zhì)結(jié)核,中部巖性為磚紅色、灰色、灰紫色、灰綠色砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、鈣質(zhì)砂巖等,下部巖性為磚紅色、灰紫色的礫巖、含礫粗砂巖,礫石成分安山質(zhì),厚度約900m。
(7)第四系:分布于盆地及山麓低洼處,由殘積、坡積、沖積等松散物構(gòu)成,厚度約20m左右。巖性以砂質(zhì)、粉砂質(zhì)粘土組成,局部夾礫石層。
1—第四系;2—古近系;3—白堊系;4—侏羅系;5—石炭系;6—奧陶系;7—實測及推測地質(zhì)界線;8—實測及推測角度不整合界線;9—實測性質(zhì)不明斷層;10—推測性質(zhì)不明斷層;11—張扭性斷裂;12—角礫巖帶;13—地?zé)峋恢眉熬幪枺?4—費縣上冶研究區(qū)范圍圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡圖
研究區(qū)在大地構(gòu)造單元上位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)尼山-平邑斷隆(Ⅳ)平邑凹陷(Ⅴ)的中部。該區(qū)部分基巖裸露,基底由泰山巖群變質(zhì)巖組成,蓋層為古生界碳酸鹽巖,中生界和新生界地層僅山間谷地和山前麓坡地帶分布。
該區(qū)地處沂沭斷裂帶外圍的西部,區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育,以斷裂構(gòu)造為主(圖1),主要為NW向蒙山斷裂、NNE向上冶東嶺斷裂及其次生NNW向構(gòu)造。
(1)蒙山斷裂:位于蒙山南麓,走向290°,傾向SW,傾角60°。全長125km,斷裂帶寬度100m左右,東北盤為新太古代泰山巖群變質(zhì)巖,西南盤為古近系礫巖。構(gòu)造帶主要由碎裂巖、斷層角礫巖組成,局部地段可見充填石英巖脈。角礫巖多呈透鏡體,顯示的力學(xué)性質(zhì)為早期張性,后期右行壓扭性,末期顯示的是張性—張扭性。該斷裂活動時期主要在中生代早期,新生代有繼承性活動,控制著區(qū)內(nèi)中、新生代地層的沉積。
(2)上冶東嶺斷裂:位于工作區(qū)偏東部,經(jīng)過上冶鎮(zhèn),延長約4.5km,走向9°左右,傾向NE,兩盤巖性為古近紀(jì)地層,斷距較小,為正斷層。
區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造對地下熱水的形成、運移和分布起著重要作用,其切割了深部巖層,是地球深部熱源向上傳導(dǎo)的重要通道。
區(qū)內(nèi)巖漿巖比較發(fā)育,主要活動時期為晚太古代和中生代。主要分布于蒙山斷裂以北,以南零星有噴出巖(安山玢巖)出露。晚太古代主要分為阜平期和五臺期,阜平期侵入巖巖性主要為條帶狀中?;◢忛W長巖、條帶狀中粒英云閃長巖及角閃巖;五臺期侵入巖主要為中粒含黑云花崗閃長巖、中粒片麻狀黑云英云閃長巖。
臨沂市處于沂沭斷裂帶中、南段,區(qū)域地質(zhì)演化受到區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造帶的強烈控制,經(jīng)歷了復(fù)雜的沉積、巖漿、變質(zhì)、構(gòu)造等地質(zhì)事件,形成了一套較為完整的巖石和構(gòu)造體系,為地?zé)豳Y源的形成提供了有利的地質(zhì)、構(gòu)造和水文地質(zhì)條件[3]。費縣上冶地區(qū)位于蒙山斷裂以南,近SN的上冶東嶺斷裂及其次級斷裂與蒙山斷裂溝通,熱儲上覆地層具備一定的保溫能力,使得該區(qū)具備地?zé)嵝纬傻牡刭|(zhì)條件(圖1)。深部裂隙-巖溶熱儲主要賦存于古生代奧陶系中,熱儲巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙、溶孔、溶洞為主,構(gòu)造裂隙次之,空間上多呈層狀或似層狀分布,代表性巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云巖等[4]。
根據(jù)《山東省地?zé)岬刭|(zhì)圖》(2008年編制),費縣上冶地區(qū)在區(qū)域上屬于魯西地?zé)釁^(qū)(Ⅲ),調(diào)查區(qū)及其附近利用的熱儲層為受斷裂構(gòu)造控制的層狀兼帶狀熱儲,蒙山斷裂以南基巖大多出露,自南向北基本以單斜構(gòu)造展布,南邊地層為較老的寒武奧陶紀(jì)灰?guī)r,往北為較新地層,項目區(qū)南部奧陶紀(jì)、寒武紀(jì)灰?guī)r裸露,大氣降水一部分通過淺部巖石溶蝕裂隙、溶洞由南向北徑流,受淺部古近系、侏羅系的阻擋,形成淺部巖溶地下水滯留環(huán)境,即形成淺部巖溶地下水的富水地段。另一部分通過各斷裂構(gòu)造、巖石裂隙繼續(xù)向北緩慢徑流,進行深部循環(huán),當(dāng)徑流至蒙山斷裂附近,受蒙山斷裂北部不透水花崗巖、花崗片麻巖層的阻擋,在蒙山斷裂南側(cè)深部形成滯流承壓水。
費縣上冶地區(qū)地?zé)豳Y源重點研究區(qū)主要在蒙山斷層西南、上冶東嶺斷裂及其次級斷裂中北部區(qū)域,該區(qū)域熱儲蓋層厚度大,受斷裂構(gòu)造的控制較為明顯,是地?zé)豳Y源富集區(qū)。
根據(jù)勘探鉆孔資料,費縣上冶地區(qū)揭露的地層主要為第四系、古近系、白堊系、侏羅石炭系及奧陶系(未揭穿)。地?zé)豳Y源主要賦存在奧陶紀(jì)灰?guī)r中,屬于受斷裂構(gòu)造控制的層狀兼帶狀裂隙-巖溶型熱儲。費縣上冶奧陶紀(jì)馬家溝群熱儲具有以下特征:頂板埋深935.00m,熱儲的平均裂隙率為7%[5],底板未揭穿,地層總厚度一般在800m左右,熱儲含水層厚度在50~100m,是區(qū)內(nèi)較好的熱儲層。巖性上段為青灰色質(zhì)純石灰?guī)r,局部方解石脈發(fā)育;上段巖性青灰色石灰?guī)r、灰白色的白云質(zhì)灰?guī)r,局部夾淺黃色、紫紅色的泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。單井涌水量約220m3/d,井口水溫在41.5℃左右。
另外位于上冶地區(qū)東南約8.5km的費縣薛莊XZ1地?zé)峋?,奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲頂板埋深為1657.00m,底板埋深1830.00m,鉆探揭露厚度173.00m,由于該鉆孔距離蒙山斷裂較近,受巖漿巖和斷裂構(gòu)造的綜合影響,只揭露了奧灰含水層的“肩部”,并未揭露奧陶紀(jì)灰?guī)r的主要含水層。XZ1地?zé)峋删?000.20m,自流量約24m3/d,抽水時水量約130.00m3/d,降深370.00m,水溫43℃,該層灰?guī)r由于埋深大,地下水循環(huán)條件差,導(dǎo)致肩部灰?guī)r裂隙不發(fā)育,富水性差,含水量微弱。實際的揭露含水層位為泰山巖群頂部與奧陶紀(jì)灰?guī)r接觸的斷裂構(gòu)造帶,該層巖石全風(fēng)化呈粗砂狀,埋深大,補給條件較差,水量較小。
綜合分析費縣上冶地區(qū)奧灰熱儲的埋深,總體分布規(guī)律為西南淺東北深,局部受斷裂構(gòu)造影響較大,熱儲埋藏深度大,富水性一般,地?zé)豳Y源類型為熱對流型低溫地?zé)豳Y源溫?zé)崴?/p>
2.3.1 恒溫帶地溫及深度
根據(jù)費縣上冶地區(qū)系統(tǒng)測溫資料統(tǒng)計分析(圖2),結(jié)合區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件,得出項目區(qū)的恒溫帶深度為15m,地溫為15.5℃。
圖2 費縣上冶地區(qū)測溫曲線圖
2.3.2 地溫場的水平分布特征
地溫梯度值主要與基巖頂板埋藏深度和斷裂發(fā)育情況有關(guān),費縣上冶地區(qū)基巖頂板埋深分布規(guī)律為南淺北深。一般說來,蓋層薄,熱傳導(dǎo)快,蓋層地溫梯度值大,基巖頂板埋藏深,蓋層厚,熱傳導(dǎo)較慢,蓋層地溫梯度值相對較小。在靠近活動斷裂的附近地溫梯度高,遠離斷裂帶則地溫梯度低[6]。根據(jù)相關(guān)資料,上冶地區(qū)的地溫梯度一般在1.43~2.00℃/100m。
2.3.3 地溫場的垂直分布特征
從費縣上冶ZK1地?zé)峋疁y溫曲線圖可以看出(圖3),孔底地?zé)崴疁貫?6.1℃,0~100m地溫上升較快,100~1640m地溫梯度明顯減小,為1.62℃/100m,測溫曲線總體上呈一條近似傾斜的直線。在垂直方向上,地溫在恒溫帶15m埋深以下的變化趨勢為地溫隨著深度的增加而遞增,綜合計算地溫梯度為1.62℃/100m。
圖3 費縣上冶地區(qū)ZK1地?zé)峋疁y溫曲線圖
熱水的形成一般是地下水通過斷裂等通道與來自深部的熱水發(fā)生對流和巖石的熱傳導(dǎo),被加溫后儲集或經(jīng)通道泄出地面。熱水在形成和運移過程中溶濾了巖石的各種化學(xué)成分,尤其是熱儲巖石成分,熱水循環(huán)途徑和循環(huán)時間等因素決定了熱水的化學(xué)成分[7]。
水化學(xué)場的形成受水的補給來源、徑流途徑等控制。該區(qū)地下熱水主要賦存于奧陶紀(jì)的石灰?guī)r中,其常規(guī)離子含量隨枯、豐水期變化不大,由于埋深大等因素的影響,該區(qū)地下水處于一種半封閉狀態(tài),水交替循環(huán)微弱,經(jīng)深循環(huán)的地下熱水在該區(qū)聚集,受水溫影響,地下水的溶解能力增大,使各種離子成分含量增加,其礦化度較高(圖4)。
圖4 ZK1,ZK2井δD,δO18值與標(biāo)準(zhǔn)曲線對比圖
表1 費縣上冶地區(qū)ZK1地?zé)峋|(zhì)分析
注:由國土資源部濟南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心測試。
上冶地區(qū)地?zé)崴泻胸S富的微量元素及其他化學(xué)組分。其中F-含量為3.26mg/L,達到國家標(biāo)準(zhǔn)命名礦水濃度標(biāo)準(zhǔn),偏硅酸含量25.56mg/L,達到國家標(biāo)準(zhǔn)礦水濃度,偏硼酸含量1.44mg/L,達到國家標(biāo)準(zhǔn)有醫(yī)療價值濃度標(biāo)準(zhǔn)。地?zé)崴袑θ梭w有害的毒理性元素含量很低,可作為醫(yī)療保健用水。
該地?zé)崴灰俗鳛樯铒嬘盟⑥r(nóng)業(yè)灌溉用水和漁業(yè)用水,工業(yè)利用可提取的有用元素均未達到國家標(biāo)準(zhǔn),為腐蝕性、結(jié)垢性大的地?zé)崴?,主要的開發(fā)利用方向為理療洗浴、采暖等。
ZK1地?zé)崴凰販y試分析項目δD為-73×10-3,δ18O為-10.0×10-3,距離ZK1地?zé)峋髂霞s4.5km灰?guī)r直接出露區(qū)(補給區(qū)地下冷水)的寧國莊村ZK2井,其主要含水層為奧陶紀(jì)馬家溝群八陡組灰?guī)r,δD值為-59×10-3,δ18O值為-8.1×10-3,ZK1,ZK2井水的δD,δ18O同位素均分布于全球雨水線和我國雨水線附近,說明其補給直接或間接來源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓娜霛B補給,該區(qū)地下熱水主要為大氣降水成因,通過深循環(huán)在地溫作用下加熱而形成的[8]。ZK1井較西南部地下冷水的δD,δ18O值明顯偏低,這說明上冶地區(qū)的地下熱水不是直接來源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓木徒霛B補給,而是經(jīng)過較長距離的徑流,發(fā)生了明顯的氫氧同位素漂移。
為了評價地下熱水的可更新能力,引入定義為d=δD—8δ18O的2H過量參數(shù)d[9],d可以作為水巖反應(yīng)中18O同位素交換程度的衡量指標(biāo)。d值越小,水文地質(zhì)環(huán)境越封閉,水在含水層中滯留時間愈長,地下水徑流速度愈慢,地下熱水的可更新能力越弱[10]。d值表征了某水樣同位素對現(xiàn)代大氣降水的偏離程度,當(dāng)d<10%,表明為正常大氣降水;當(dāng)d<-10%時,表明干熱氣候條件下(蒸發(fā)濃縮)的降水;當(dāng)d>+10%時,表明是與現(xiàn)今不同氣候條件下的降水[11]。經(jīng)過計算,ZK1地?zé)崴膁值為7,ZK2井冷水的d值為5.8,說明均為現(xiàn)今氣候條件下正常大氣降水補給形成。d值的不同說明了ZK1井相比西南部的冷水的可更新能力弱,地下熱水的補給路徑更長,地質(zhì)環(huán)境更封閉,水巖反應(yīng)更強烈。
地?zé)嵝纬傻幕疽貫椋骸皟?、蓋、通、源”。建立地?zé)岣拍钅P?必須要查明儲熱蓋層、導(dǎo)水通道以及熱量來源,依據(jù)區(qū)域地質(zhì)地?zé)岜尘?通過水化學(xué)、同位素資料進行地下熱水流動系統(tǒng)分析[12],明確上冶地區(qū)地?zé)岣拍钅P偷母鱾€因素,最終綜合建立地?zé)岣拍钅P汀?/p>
根據(jù)上冶地區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件與物探解譯資料分析,該區(qū)地處蒙山斷裂南側(cè),近SN向的上冶東嶺斷裂及其次級斷裂與蒙山斷裂溝通,具備地?zé)嵝纬傻牡責(zé)岬刭|(zhì)條件。
上冶地區(qū)南部奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r廣泛出露,直接或者間接接受大氣降水的補給,區(qū)內(nèi)熱儲層隱伏于古近系、白堊系、侏羅石炭紀(jì)地層之下,受斷裂構(gòu)造的影響,巖溶裂隙較為發(fā)育,局部地層較為破碎,為地下水的儲存、運移和深循環(huán)加溫提供了條件。區(qū)內(nèi)熱儲層主要為奧陶紀(jì)馬家溝群的灰?guī)r,巖性為灰?guī)r及豹皮灰?guī)r[13],在蒙山斷裂南側(cè),灰?guī)r段巖溶較發(fā)育,且位于盆地深部,封閉性較好,是較為理想的熱儲層,鉆孔揭露的厚度約650m。
本地區(qū)熱儲蓋層為第四系的粉砂質(zhì)粘土、古近系的砂巖、泥巖、碳酸巖、白堊系的粉細砂巖、礫巖、安山凝灰質(zhì)角礫巖和侏羅石炭系的砂巖、泥巖、頁巖,ZK1鉆孔揭露厚度約935m,厚度大、連續(xù)性好、致密堅硬、熱導(dǎo)率低、保溫隔水性好,是良好的不透水蓋層。
區(qū)內(nèi)蒙山斷裂以及NNE向的上冶東嶺斷裂、NW向的次級斷裂溝通了深部熱源,形成地下水深循環(huán)和熱對流,并且是地下水的良好儲集場所及地下水運移通道。地下熱水及熱量在此處易集中,使水溫增高[14]。
該區(qū)地?zé)犷愋蜑槭軘嗔褬?gòu)造控制的層狀兼帶狀型。位于地殼板塊內(nèi)部地殼的地?zé)釤嵩矗ǔJ且詠碜缘貧ど畈康臒醾鲗?dǎo)為主,也可通過導(dǎo)水導(dǎo)熱的斷裂帶通過熱對流傳至淺部。工作區(qū)主要為熱傳導(dǎo)熱源,在較厚的古近系、侏羅系、白堊系中,可以獲得區(qū)域性的大地?zé)崃?。另外根?jù)物探資料上冶東嶺斷裂及其次級斷裂切割深度較大,在一定程度上溝通了深部熱源,獲得對流熱源。
1—第四系;2—古近系;3—白堊系;4—侏羅-石炭系;5—奧陶系;6—寒武系;7—新太古代泰山巖群;8—粉質(zhì)粘土;9—礫巖;10—砂礫巖;11—粉細砂巖;12—安山凝灰質(zhì)角礫巖;13—泥巖;14—頁巖;15—灰?guī)r;16—白云巖;17—閃長巖;18—斷層;19—地層界線;20—大氣降水;21—大地?zé)崃鳎?2—地下水運移方向圖5 費縣上冶地區(qū)熱儲概念模型示意圖
費縣上冶地區(qū)重點研究范圍采用熱儲法計算的地?zé)豳Y源總量為1.57×1017J,相當(dāng)于535.84萬t標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)熱量。按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》GB/T11615—2010進行計算,可采地?zé)豳Y源量為2.36×1016J,相當(dāng)于80.55萬t標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)熱量。
根據(jù)ZK1地?zé)峋_定的開采100年排出熱量對熱儲的影響半徑等于615.07m,開采100年允許的開采量為58.50m3/d,合理布井?dāng)?shù)最終取值為11眼,故費縣上冶地區(qū)重點研究范圍內(nèi)奧陶紀(jì)碳酸鹽巖溶裂隙地下熱水的可開采量為643.50m3/d。
受蒙山斷裂及其次級構(gòu)造的影響,費縣上冶地區(qū)的地?zé)豳Y源主要賦存在奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r中,屬于受斷裂構(gòu)造控制的層狀兼帶狀裂隙-巖溶型熱儲。該區(qū)奧灰熱儲的埋深總體分布規(guī)律為西南淺東北深,埋深大,富水性一般,地?zé)豳Y源類型為低溫地?zé)豳Y源溫?zé)崴?。費縣上冶地區(qū)地?zé)崴难a給直接或間接來源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓娜霛B補給,水化學(xué)類型為SO4-Na·Ca型,礦化度較高,具有大陸溶濾水的特征,富含多種有益的微量元素,可作為醫(yī)療保健用水,開發(fā)利用方向為理療洗浴、采暖。
致謝:感謝費縣國土資源局對此次工作的大力支持。