山東省五蓮縣松柏地區(qū)地?zé)崽锏販貓?chǎng)特征及成因研究

臧 浩，楊 帆

(山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 滕州 277599)

地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部能量轉(zhuǎn)換的一種形式，已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、發(fā)電、采暖等方面[1]。我國(guó)地?zé)豳Y源豐富，其潛在蘊(yùn)含資源量約為全球地?zé)豳Y源的8%，開發(fā)潛力較大，但由于缺乏合理的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，導(dǎo)致地?zé)崮茉吹拈_發(fā)與利用落后于太陽(yáng)能、風(fēng)能等資源[2]。根據(jù)地?zé)嵝纬蓹C(jī)制，地?zé)崮茉捶譃楦蔁釒r、水熱型地?zé)岷蜏\層地?zé)崮?，目前普遍認(rèn)為地?；顒?dòng)、放射性生熱以及斷裂帶等是引起地?zé)岙惓５闹饕蛩?。山東省位于我國(guó)東部臨海區(qū)域，區(qū)域地?zé)豳Y源豐富，以類型多、埋藏深度適中為優(yōu)勢(shì)，同時(shí)區(qū)域熱流體儲(chǔ)量大，以中低溫為主，尤其是膠南地區(qū)，開發(fā)利用價(jià)值良好。此外，開發(fā)地?zé)豳Y源是保障國(guó)家能源安全和綠色可持續(xù)發(fā)展的主要方式之一[1]。鑒于此，本文以五蓮縣松柏地區(qū)的地?zé)豳Y源為研究對(duì)象，通過研究該地?zé)豳Y源的熱儲(chǔ)特征和成因?yàn)檫M(jìn)一步規(guī)劃開發(fā)方案提供基礎(chǔ)依據(jù)，同時(shí)為后續(xù)在該區(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源勘查提供借鑒。

1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)背景

山東省地?zé)豳Y源豐富，根據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)特征、熱儲(chǔ)類型以及地?zé)崴臻g分布規(guī)律，可將山東省地?zé)崴畡澐譃?個(gè)熱儲(chǔ)區(qū)(圖1)，由東向西依次為：魯東地?zé)釁^(qū)、沂沭斷裂帶地?zé)釁^(qū)、魯中南地?zé)釁^(qū)和魯西北地?zé)釁^(qū)。其中，魯中南地?zé)釁^(qū)又可分為魯中低山丘陵區(qū)和魯西南山前傾斜平原區(qū)。松柏地?zé)崽镂挥谏綎|省東部五蓮縣境內(nèi)，屬于魯東地?zé)釁^(qū)的重要組成部分，其大地構(gòu)造位置屬于秦嶺—大別—蘇魯造山帶的膠南—威海隆起區(qū)之五蓮山凸起區(qū)內(nèi)，空間上位于沂沭斷裂帶東側(cè)[3]。松柏地區(qū)位于區(qū)域地層出露，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，主要包括：①古元古界代粉子山群；②下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群和青山群；③第四系沂河組。區(qū)域構(gòu)造以北東向和北西向?yàn)橹鳎渲斜睎|向斷裂為區(qū)域主干斷裂，如松柏—小王疃斷裂，屬于沂沭斷裂帶的次級(jí)斷裂；北西向斷裂相對(duì)較晚，錯(cuò)斷了北東向斷裂，如松柏—叩官斷裂等。區(qū)域地?zé)豳Y源豐富，多分布在北東向與北西向斷裂的交匯部位，即區(qū)域地?zé)豳Y源受構(gòu)造控制較明顯。

圖1 山東省地?zé)岱謪^(qū)示意

2 地?zé)崽锏刭|(zhì)特征

2.1 地層

松柏地?zé)崽飪?nèi)出露地層由老到新依次為(圖2)：①下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群曲格莊組一段(K1q1)為黃綠色細(xì)粒礫巖、含礫粗砂巖、砂巖細(xì)砂巖，分布在長(zhǎng)城嶺水庫(kù)東，竇家莊南及寨山一帶；②下白堊統(tǒng)青山群八畝地組(K1b)分布在松柏鎮(zhèn)東北一帶，巖性為安山巖、凝灰?guī)r；③下白堊統(tǒng)青山群前莊組(K1sq)分布在松柏鎮(zhèn)東北部，巖性為流紋質(zhì)火山角礫巖、含礫粗砂巖、砂巖[4]；④第四系沂河組(Q)分布廣泛，主要展布于松柏鎮(zhèn)駐地及周邊區(qū)域，為中細(xì)砂及礫石層，中細(xì)砂巖，松散透水，細(xì)砂分選好，中等磨圓，具水平節(jié)理。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2.2 構(gòu)造

地?zé)崽飪?nèi)構(gòu)造可分為北東向和北西向2組，前者以松柏—小王疃斷裂和F5斷裂為代表，后者以松柏—叩官斷裂為主(圖2)。其中，松柏—小王疃斷裂內(nèi)巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，為壓扭性斷裂，后期經(jīng)物探解譯揭露該斷層地下延伸較深；F5斷裂為張性斷裂，被后期北西向F5斷裂錯(cuò)斷；松柏—叩官斷裂走向約307°，傾向北東，傾角約為80°，大部分被第四系沖洪積覆蓋。此外，松柏1號(hào)井鉆進(jìn)至1 524 m時(shí)鉆井液全部漏失，產(chǎn)能測(cè)試中降深70.28 m時(shí)，涌水量為110.24 m3/h，根據(jù)測(cè)井資料及簡(jiǎn)易水文觀測(cè)資料可知，該地層自1 145 m處以下裂隙極發(fā)育，推測(cè)在1 524 m時(shí)揭露松柏—叩官斷裂。

2.3 巖漿巖

地?zé)崽飪?nèi)巖漿巖極為發(fā)育，以酸性巖漿巖為主，根據(jù)時(shí)代可分為3期(圖2)：①新元古代威海單元條帶狀細(xì)粒含黑云二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖[4]；②早白堊世八水河單元晶洞中粒堿長(zhǎng)花崗巖、望海樓單元晶洞細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、通天嶺單元中粗粒二長(zhǎng)花崗巖及鳳凰嶺單元巨斑狀細(xì)粒含輝角閃石英二長(zhǎng)巖；③地?zé)崽飪?nèi)發(fā)育較多的流紋斑巖脈和花崗斑巖脈，巖脈總體上呈北東—南西向和北西—南東向展布，空間展布與斷裂破碎帶延伸方向一致。

3 地?zé)崽餆醿?chǔ)特征

松柏地?zé)崽镂挥谀z南—威海隆起區(qū)之五蓮山凸起區(qū)內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造—巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致區(qū)域變質(zhì)作用和混合巖化作用極為強(qiáng)烈[5]。同時(shí)，區(qū)域在元古代后期地殼以上升運(yùn)動(dòng)為主，至新生代該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)仍然強(qiáng)烈，導(dǎo)致大量酸性巖漿巖大規(guī)模侵位，形成了研究區(qū)以晉寧期和燕山晚期為主的巖漿巖帶，為地下熱水提供了較充足的熱能[6-7]。因此，研究區(qū)地下熱水主要賦存在以斷裂及不同巖體接觸帶構(gòu)成的地質(zhì)條件和地下水運(yùn)動(dòng)共同組成的系統(tǒng)中。

地?zé)崽锇l(fā)育松柏—小王疃斷裂、松柏—叩官斷裂和F5斷裂，各斷裂的低阻帶發(fā)育深度均在1 800 m以上。其中，松柏—小王疃斷裂為壓性，主要起導(dǎo)熱、阻水作用；松柏—叩官斷裂為張性，主要起導(dǎo)水作用。這3條斷裂形成的構(gòu)造破碎帶組成了區(qū)內(nèi)地下水的富集、儲(chǔ)存空間，也就是地?zé)崃黧w的熱儲(chǔ)[8]。此外，區(qū)內(nèi)地下水與地表水運(yùn)移方向基本一致，大氣降水經(jīng)周邊高山入滲補(bǔ)給地下水，沿地形坡度降向盆地中部徑流，在松柏鎮(zhèn)附近地勢(shì)較低處積蓄，由于松柏—叩官斷裂以張性為主，且該斷裂東部地勢(shì)較高，地下水富集至松柏—叩官斷裂破碎帶中并向西徑流；而松柏?cái)嗔押虵5斷裂又以壓性為主，地下水便在這3條斷裂的交匯部位凝滯，加熱并富集礦物質(zhì)，最終形成地?zé)豳Y源。山東省五蓮縣松柏1號(hào)地?zé)峋疅醿?chǔ)層頂板埋深317 m，底板埋深1 570 m，揭露厚度1 253 m(圖3)。根據(jù)松柏1號(hào)井測(cè)井解釋，松柏1松柏號(hào)井揭露裂隙帶單層厚1.9～17.9 m，孔隙度為0.10%～6.51%，滲透率為0.10×10-3～1.78×10-3μm2。此外，鉆探氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)過程中，在400.91～800.77 m沒有發(fā)現(xiàn)出水點(diǎn)，在800.77 m之后鉆遇含水層，所以本次利用的裂隙帶為800.77 m深度以下裂隙帶，累計(jì)利用厚度334 m。因此，松柏1號(hào)井的有效熱儲(chǔ)厚度為334 m。

圖3 松柏地?zé)崽?號(hào)地?zé)峋責(zé)崞拭?/p>

此外，松柏地?zé)崽锷喜繛榈谒南导鞍讏紫登嗌饺喊水€地組(K1b)安山巖、凝灰?guī)r為主，該地層致密不導(dǎo)熱，保溫隔熱性能好，為良好的蓋層，山東省五蓮縣松柏1號(hào)地?zé)峋w層頂板埋深0 m，底板埋深317 m，蓋層厚度317 m。同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，根據(jù)松柏1號(hào)井鉆探資料認(rèn)為：北北東向的松柏小王疃斷裂與北東向的F5斷裂在一定深度上與北西向的松柏—叩官大斷裂交匯，形成良好的縱橫交錯(cuò)熱通道網(wǎng)絡(luò)，松柏1號(hào)井出水量及水溫較理想，說明上述斷裂是地下熱能向上運(yùn)移的良好通道。構(gòu)造與深部熱源溝通應(yīng)是該區(qū)的重要熱源，而大氣降水補(bǔ)給、周邊山區(qū)地下水的徑流補(bǔ)給是地下熱水的重要來源。

4 地?zé)崽锏販貓?chǎng)特征

4.1 莫霍面與居里等溫面

莫霍面是地殼與地幔的分界面，其中地幔是維持地溫場(chǎng)的主要熱量來源，因此，莫霍面的埋深對(duì)地?zé)崴男纬捎绊戄^大。由圖4(a)可知：研究區(qū)莫霍面深度為33～34 km，且具有自西向東莫霍面埋深逐漸增大的變化趨勢(shì)，相對(duì)山東省其他區(qū)域莫霍面埋深而言，研究區(qū)莫霍面深度較淺，有利于地?zé)豳Y源的形成。

居里等溫面與地?zé)豳Y源的分布息息相關(guān)，通常居里等溫面隆起區(qū)域是斷裂、巖漿巖等發(fā)育區(qū)域，是地殼深處熱能釋放的主要場(chǎng)所，同時(shí)在地表以地?zé)岙惓^(qū)體現(xiàn)；居里等溫面凹陷區(qū)域以沉積巖為主，一般屬于穩(wěn)定地塊，其低溫梯度相對(duì)較小。由圖4(b)可知：山東省的居里等溫面呈北東—南西向展布，且從西向居里等溫面等值線埋深具有“深→淺→深”的變化趨勢(shì)，同時(shí)具有“魯中南地區(qū)的居里等溫面較寬，魯東地區(qū)的居里等溫面較窄”的特征；研究區(qū)沂沭斷裂帶東側(cè)之魯東地?zé)釁^(qū)內(nèi)，居里等值線埋深25～27 km，是沉積凹陷向隆起區(qū)轉(zhuǎn)變的交接部位，故對(duì)地?zé)崴男纬捎欣?/p>

圖4 研究區(qū)莫霍面深度等值線和居里等溫面等值線

4.2 大地?zé)崃髦?/h3>

大地?zé)崃髦凳欠从车貧ど畈肯虻乇韨鬏敓崮艿膯挝唬茄芯康責(zé)崴Y源潛力必不可少的參數(shù)之一。山東省位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，其大地?zé)崃髦饕芸赜谛律窖蟀鍓K的俯沖構(gòu)造熱事件(華北板塊與揚(yáng)子板塊碰撞)。文獻(xiàn)[9-15](表1)顯示：山東地區(qū)大地?zé)崃髦禐?6.4～75.2 mW/m2，其中魯西地區(qū)大地?zé)崃髦迪鄬?duì)較低，魯東地區(qū)大地?zé)崃髦灯毡檩^高，且李學(xué)倫等通過硅熱流值研究表明，山東半島的平均熱流值為62.45 mW/m2，其地?zé)釄?chǎng)劃分為2個(gè)較高的和1個(gè)較低的地?zé)岙惓^(qū)[16]。其中，高異常區(qū)分別與膠北隆起和文登隆起區(qū)相對(duì)應(yīng)。松柏地?zé)崽镂挥谏綎|膠南市西南部，經(jīng)過大致估算，地?zé)崽锔浇拇蟮責(zé)崃髦导s為60 mW/m2，略低于山東半島平均熱流值。故本文計(jì)算過程中地?zé)崽锏拇蟮責(zé)崃髦挡捎?0 mW/m2。

表1 山東省大地?zé)崃髦到y(tǒng)計(jì)

4.3 地溫場(chǎng)

根據(jù)位于松柏地?zé)崽飪?nèi)北山前J07井的測(cè)井資料，該區(qū)域內(nèi)恒溫帶最高值為16.5 ℃。但是該區(qū)域測(cè)溫密度過大，導(dǎo)致地溫場(chǎng)等值線分布與松柏—小王疃斷裂的展布特征存在差異，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①松柏—小王疃斷裂附近恒溫帶溫度較高，一般在16 ℃左右，而松柏—叩官斷裂恒溫帶溫度突降，僅13～15 ℃；②小范圍內(nèi)恒溫帶溫度發(fā)生了陡變，形成團(tuán)狀低溫恒溫帶區(qū)，說明發(fā)育于該處的松柏—叩官斷裂導(dǎo)熱條件較差，該斷裂帶上的一系列測(cè)溫井水量又較周邊區(qū)域大(均大于5 m3/h)，說明該斷裂富水性較好，以導(dǎo)水、儲(chǔ)水為主。綜上所述，推斷此處由于淺部地下水沿松柏—叩官斷裂快速?gòu)搅鲙ё吡舜蟛糠譄崃?，使恒溫帶溫度偏低；與之相交的松柏—小王疃斷裂和周邊由于富水性較差，深部熱流上涌使斷裂周邊形成高恒溫帶區(qū)，也說明松柏—小王疃斷裂為導(dǎo)熱構(gòu)造[16]。

4.4 地溫梯度

松柏區(qū)地溫梯度異常區(qū)均呈長(zhǎng)軸方向?yàn)楸北睎|向的扁橢圓狀排列于松柏—小王疃斷裂東盤，西盤地溫梯度變化速率較快，等值線密集；松柏—小王疃斷裂傾向東，東盤正好為其上盤，松柏—小王疃斷裂深部的大地?zé)崃餮貥?gòu)造面上溢，對(duì)上盤產(chǎn)生“烘烤”效應(yīng)，故形成高地溫梯度異常區(qū)[17]，使在其上盤鉆孔內(nèi)的地溫梯度達(dá)3.61 ℃/hm，松柏1號(hào)井地溫梯度達(dá)到4.73 ℃/hm，再次證明松柏—小王疃斷裂以導(dǎo)熱作用為主。此外，距松柏1號(hào)井向東稍遠(yuǎn)的J01、J02井地溫梯度相對(duì)較低，均未達(dá)到3 ℃/hm，短距離地溫梯度值發(fā)生了顯著變化，J01和J02井又呈線狀排列于松柏—叩官斷裂上盤，兩井出水量也較大，說明松柏—叩官斷裂以導(dǎo)水為主，較低溫度的地下水循環(huán)至松柏—小王疃斷裂時(shí)，使具有較高溫度松柏—小王疃斷裂上盤發(fā)生了“降溫”，導(dǎo)致了地溫梯度陡降。這與該地區(qū)出現(xiàn)恒溫帶溫度陡變的構(gòu)造原理基本一致。

根據(jù)松柏1號(hào)井測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)及測(cè)溫曲線得出40.50 m以下為增溫帶，根據(jù)公式計(jì)算地溫梯度：

Δt=(t-t0)/(H-H0)×100

式中，Δt為地溫梯度；t為地層溫度；t0為恒溫帶溫度；H為地層深度；H0為恒溫帶深度。

松柏1號(hào)井測(cè)溫深度1 570 m，孔底溫度87.13 ℃，40.50 m深度以下為增溫帶，根據(jù)公式計(jì)算，松柏1號(hào)井孔地溫梯度為4.73 ℃/hm，地?zé)岙惓７浅Ｃ黠@。

5 地?zé)岢梢蚍治?/h2>

松柏地?zé)崽镂挥谝抒饠嗔褞б詵|，區(qū)域內(nèi)分布多期侵入巖漿巖，第四系較薄，基巖大部裸露，斷裂較發(fā)育。巖性以二長(zhǎng)花崗巖為主，硬度較大，富水性較差，其熱水富集部位主要為斷裂破碎帶及不同巖體接觸帶，熱儲(chǔ)類型為裂隙帶狀熱對(duì)流型熱儲(chǔ)，故地?zé)豳Y源的賦存和分布主要受斷裂帶及不同巖體接觸帶控制。

5.1 不同巖體接觸帶控?zé)?/h3>

研究區(qū)第四系分布范圍較小且厚度薄(平均厚度一般小于10 m)，第四系之下為白堊系凝灰?guī)r、安山巖等火山沉積巖，下伏新元古代威海單元條帶狀細(xì)粒含黑云二長(zhǎng)花崗質(zhì)片麻巖(NhηγRw)、早白堊世鳳凰嶺單元巨斑狀細(xì)粒含輝角閃石英二長(zhǎng)巖(K1ηοBf)、早白堊世通天嶺單元中粗粒二長(zhǎng)花崗巖(K1ηγWt)、早白堊世望海樓單元晶洞細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖(K1ηγLw)和早白堊世八水河單元晶洞中粒堿長(zhǎng)花崗巖(K1λπLb)，同時(shí)后期花崗斑巖脈(γπ)和流紋斑巖脈(λπ)的侵入，形成了廣泛分布的巖體接觸帶，是該區(qū)域地下水熱源導(dǎo)水和導(dǎo)熱通道，即松柏地區(qū)的地?zé)崴谑軜?gòu)造控制的同時(shí)也受巖體的侵入界面控制。此外，松柏1號(hào)井在鉆進(jìn)過程中揭露出侵入界面時(shí)，伴隨著鉆孔沖洗液消耗量明顯變化，間接證實(shí)了巖體侵入界面為該區(qū)域?qū)岷蛯?dǎo)水構(gòu)造的推論。

5.2 構(gòu)造破碎帶控?zé)?/h3>

松柏地?zé)崽飪?nèi)發(fā)育北東向和北西向2組深大斷裂，分別為北東向松柏—小王疃斷裂、F5斷裂與北西向松柏—叩官斷裂，2組斷裂帶交匯于松柏鎮(zhèn)北。斷裂破碎帶對(duì)地?zé)岢傻V具有2個(gè)方面的作用：①作為熱水運(yùn)移通道；②作為熱源。F5斷裂和松柏—叩官斷裂均為張性斷裂，導(dǎo)水導(dǎo)熱性較好；松柏—小王疃斷裂為壓扭性斷裂，造成兩側(cè)巖性擠壓破碎，有利于熱水的集聚。

松柏地區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要包括2個(gè)方面：①大氣降水的直接補(bǔ)給；②地表水系對(duì)地下水的徑流補(bǔ)給。松柏地區(qū)地下熱水的熱源主要來自于地殼深處的熱流，通過斷裂破碎帶以及巖漿巖侵入界面等上溢，進(jìn)而使得地下水受持續(xù)熱源的作用而形成地?zé)崴?/p>

松柏地?zé)崽镏械責(zé)崴某梢虬?種途徑：①由大氣降水沿構(gòu)造裂隙以及侵入巖的侵入界面深入地下深處，在沿活動(dòng)斷裂運(yùn)移過程中，經(jīng)來自地殼深部的熱流加熱，并溶解、溶濾圍巖中的有益微量組分，由此形成熱礦水；②來自巖體的基巖裂隙水通過構(gòu)造裂隙及侵入面運(yùn)移，經(jīng)過深部熱流加熱，形成熱礦水。

6 結(jié)論

(1)松柏地區(qū)淺部地下水沿松柏—叩官斷裂快速?gòu)搅鲙ё吡舜蟛糠譄崃浚又c之相交的松柏—小王疃斷裂和周邊由于富水性較差，深部熱流上涌使斷裂周邊形成高恒溫帶區(qū)，證實(shí)了松柏—小王疃斷裂為導(dǎo)熱構(gòu)造。

(2)松柏地區(qū)熱水富集部位主要為斷裂破碎帶及不同巖體接觸帶。

(3)松柏地?zé)崽锏臒醿?chǔ)類型為裂隙帶狀熱對(duì)流型熱儲(chǔ)，地?zé)豳Y源的賦存和分布主要受斷裂帶及不同巖體接觸帶控制。