臨沂市沂沭斷裂帶地?zé)岬刭|(zhì)條件及熱儲特征

喬海霞，劉連，高善樸，李佳，楊水旺

(1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊， 河南 鄭州 450016； 3.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 山東 濟南 250100； 4.臨沂市自然資源和規(guī)劃局， 山東 臨沂 276000)

0 引言

能源和環(huán)境是當(dāng)今人類面臨的兩大問題(楊本固和朱偉，2019)。地?zé)豳Y源是一種潔凈無污染、可供直接開發(fā)利用的寶貴天然資源，開發(fā)利用前景廣闊，具重大經(jīng)濟和環(huán)保意義(張誠等，2014①；陳懷玉等，2020；付榮欽等，2022)。研究區(qū)隸屬山東省臨沂市，北起沂水縣馬站，南至郯城南，西到蒼山東部，東至莒南西部，呈條帶狀展布，地理極值坐標(biāo)為：東經(jīng)118°07′45″～119°02′45″，北緯34°23′00″～36°12′00″，位于山東省沂沭斷裂帶區(qū)域，地?zé)豳Y源豐富。諸多學(xué)者(田潔等，2009；王強等，2013)對沂沭斷裂帶地?zé)岬刭|(zhì)條件做了較多研究。本文通過系統(tǒng)分析研究，依據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)條件對沂沭斷裂帶熱儲進(jìn)行了系統(tǒng)分區(qū)，總結(jié)了各分區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征及地?zé)岱植家?guī)律，建立了熱儲概念模型，概略估算了典型地?zé)崽镔Y源量。旨在為區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的勘查和合理開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)處于沂沭斷裂帶中、南段，區(qū)域地質(zhì)演化受到該區(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)條件(郭士昌等，2009；李付全，2011；劉貴增等，2012；韓昱等，2018)。

1.1 地層

區(qū)內(nèi)地層由老至新分為太古界沂水(巖)群、泰山(巖)群，元古界荊山群、土門群，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界古近系、新近系以及第四系松散堆積物等(李付全，2011；韓昱等，2018)。

寒武系、奧陶系區(qū)內(nèi)廣布，厚度約1350 m，在厚層灰?guī)r處，巖溶裂隙發(fā)育，富水性較好，是地?zé)豳Y源形成較佳層位；奧陶系地層厚度約813 m，巖溶極為發(fā)育，是本區(qū)主要供水地帶，也是地?zé)豳Y源賦存區(qū)段。

中生界地層系統(tǒng)非常復(fù)雜，尤其是白堊系地層，厚度一般大于780 m，巖相復(fù)雜，相變頻繁，由于火山噴發(fā)攜帶了地殼深部熱源向淺部運移，對地?zé)豳Y源形成有利；新生界比較發(fā)育，以大面積的第四系為主，古近系和新近系有零量分布，且多被第四系覆蓋，其中古近系成熱地質(zhì)條件良好，厚度約1328 m。第四系為一套陸相碎屑沖積、坡積和洪積層，對下伏熱儲層起到一定的保溫作用，是本區(qū)主要的蓋層。

1.2 構(gòu)造

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。一是屬于新華夏系的沂沭斷裂帶，該斷裂帶南起郯城、北入渤海，縱貫山東中部，大致沿沂河、沭河及灘河分布，呈北北東向 10°～25°方向延伸(劉美娟，2010)。斷裂帶寬約為20～60 km，斷層北段寬約40 km，南段寬約 20 km(李洪奎等，2004；楊啟儉等，2008；牟林凱，2017)，表現(xiàn)形態(tài)呈南窄北寬的喇叭形，將臨沂市大地構(gòu)造切割為華北地臺魯西、魯東地塊兩個Ⅱ級大地構(gòu)造單元(鞏貴仁等，2008；王紅晉等，2014；彭立正等，2018)。由四條主干斷裂中的鄌郚—葛溝斷裂、沂水—湯頭斷裂、安丘—莒縣斷裂、昌邑—大店斷裂(董詠梅等，2009；張鵬等，2010；王強等，2013；李肖蘭等，2021)，呈北北東—南南西縱貫本區(qū)；二是屬于魯西旋鈕構(gòu)造體系的一套弧形斷裂，由收斂部位向西北撒開，橫穿本區(qū)，區(qū)內(nèi)自北向南主要有九山斷裂、韓旺—沂水?dāng)嗔?、金星頭斷裂、馬牧池斷裂、孫祖斷裂、新泰—垛莊斷裂、蒙山斷裂、甘霖斷裂等(圖1)。

圖1 區(qū)域斷裂帶地質(zhì)構(gòu)造簡圖(據(jù)張誠等，2014①修改)1—中生代地塹及凹陷；2—隆起、凸起地塊；3—斷裂；4—推測斷裂；5—向斜；6—復(fù)向斜；7—背斜；8—地質(zhì)界線

1.3 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿活動劇烈，從地殼深部攜帶出大量熱流，另外巖體中所含放射性元素在衰變過程中也會釋放豐沛的熱量，均成了該區(qū)地?zé)豳Y源的豐富熱能(方寶明，2006；劉貴增等，2012；王貴玲等，2020)。

區(qū)內(nèi)以中生代侵入巖占絕對優(yōu)勢，大面積分布在沂沭斷裂兩側(cè)以及北西向斷裂帶附近，巖性以中酸性為主，多處溫泉在此沿區(qū)域性斷裂展布，明顯受斷裂控制。尤其當(dāng)其巖漿侵入到大理巖層位時，其地?zé)豳Y源更為豐富，水溫也高，有利于形成高熱流值地帶，為斷裂帶下局部巖漿的侵入提供了大量熱源，是臨沂市地?zé)豳Y源豐沛的最重要地質(zhì)條件之一。

1.4 熱流特征

區(qū)內(nèi)存在一條北北東走向的梯度遞變帶，往南逐漸閉合。其特點出現(xiàn)封閉式小串珠狀高值區(qū)，從郯城往北地表熱流值呈高—低—高—低—高的波浪式特征，其熱流值場超過中國大陸地區(qū)大地?zé)崃髌骄?61 mw/m2)水平(江海洋等，2018；曹艷玲等，2021)。大地?zé)崃鞣植即嬖谝欢ㄒ?guī)律性，沂沭斷裂帶西低東高，魯西地塊上沿東西走向有增加的趨勢，魯西地塊近南北展布低值區(qū)，約在44.9～50.2 mw/m2之間；區(qū)內(nèi)相對高值異常帶為東側(cè)膠南隆起帶上熱流值普遍高，約70 mw/m2，形成了東隆西拗的地溫梯度帶。沂沭斷裂帶的地溫梯度一般為2.45 ℃/100 m，熱流值為62.42～65.18 mw/m2(圖2)。

圖2 沂沭斷裂帶及鄰區(qū)熱流值(據(jù)張誠等，2014①修改)

臨沂市地?zé)崛?、井主要分布在區(qū)內(nèi)隆起或梯度帶內(nèi)。居里面深度梯度帶，常與現(xiàn)代活動構(gòu)造相對應(yīng)，地?zé)醾鲗?dǎo)速度快，容易在地殼儲集較高的熱能，因而形成地?zé)帷?/p>

沂沭斷裂帶深切地幔，是一條主要的導(dǎo)、儲熱構(gòu)造，易于為地殼深部地?zé)崽峁?gòu)造條件，在斷裂及構(gòu)造周圍形成地?zé)岙惓；蚋邿崃鲄^(qū)。該區(qū)為熱流等物理特性呈現(xiàn)熱條件相對較好的地?zé)豳Y源地區(qū)。

1.5 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件明顯受地形、地貌、地層、大氣降水等條件制約，同時受大地構(gòu)造的控制。全市劃分為以下三大水文地質(zhì)區(qū)：

(1)沂沭斷裂帶以西中低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)。大面積分布的碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，是大、中型集中供水水源地的主要分布區(qū)和大泉的主要出露區(qū)。區(qū)內(nèi)主要含水層由古生界奧陶系和寒武系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，厚度大、分布廣，其巖溶裂隙發(fā)育，彼此連通，為地下水提供了充裕的賦存空間。區(qū)內(nèi)地下水埋深2～15 m，年變幅1～5 m。集中開采區(qū)，地下水埋深、變幅變化較大，局部形成降落漏斗，水質(zhì)較好，多為HCO3—Ca、HCO3—Ca Mg型水，礦化度小于0.5 g/L。

(2)沂沭斷裂帶及其以東低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)。區(qū)內(nèi)以裂隙水為主，主要賦存在風(fēng)化裂隙中。碎屑巖類裂隙水含水層巖性主要為中生界侏羅系砂巖、礫巖，裂隙發(fā)育密集、細(xì)小、富水性較弱，單井涌水量小于100 m3/d；基巖裂隙水含水層巖性主要是太古界泰山(巖)群變質(zhì)巖、混合巖、混合花崗巖、膠東(巖)群片麻巖，一般單井出水量100 m3/d左右。地下水埋深1～5 m，水位年變幅2～3 m，水質(zhì)良好，多為HCO3—Ca、HCO3·Cl—Ca型水，礦化度一般小于1 g/L。

本區(qū)地勢較高，高差變化較大。地下水受大氣降水明顯控制，豐水期地下水補給快、徑流快、排泄也快，形成“三快”地區(qū)。

沂沭斷裂帶北部基巖裂隙水及碎屑巖裂隙水除受大氣降水補給外，還有地表水排泄?jié)B透和地下徑流補給，地下水由北向西南、東南方向運動，在構(gòu)造有利地段地下水以泉的形式排泄，或以地下潛流的形式與孔隙潛水混合排入沂河或沭河。在構(gòu)造帶的坳陷(地塹)地區(qū)，北部沿沂水—湯頭、鄌郚—葛溝斷裂徑流而下的深部地下水，到湯頭附近受近東西向阻水?dāng)嗔训臄r截上升，于湯頭村西出露成為溫泉。

(3)臨郯蒼平原水文地質(zhì)區(qū)。本區(qū)主要由河流沖積、沖洪積物相互連接組成，地下水具有易采易補的特點，且有較大的儲水空間，含水層巖性以中粗砂為主，厚5～20 m，頂板埋深4 m左右，富水性較強，單井出水量1000～3000 m3/d。區(qū)內(nèi)地下水埋深1～4 m，水位年變幅1～3 m。地下水水質(zhì)較好，地下水類型一般為HCO3—Ca型，礦化度小于0.5 g/L。

2 地?zé)岬刭|(zhì)條件

2.1 地?zé)岢傻V條件

沂沭斷裂帶是由四條主干斷裂(自東向西分別為昌邑—大店斷裂、安丘—莒縣斷裂、沂水—湯頭斷裂、鄌郚—葛溝斷裂)組成的具有兩塹夾一壘構(gòu)造樣式的組合型斷裂。沂沭斷裂帶以NW向臨朐—高崖斷裂、蒙山斷裂為界，自北向南分成三段，即昌濰凹陷、汞丹山地壘、郯城凹陷。研究區(qū)內(nèi)汞丹山地壘最為復(fù)雜，橫向上由西而東分三個部分，西為馬站凹陷，東為安丘—苔縣凹陷，亦為二塹夾一壘構(gòu)造樣式(李洪奎等，2004；田潔等，2009)。由于該地主次級斷裂切割錯斷，在這些次級斷裂與主干斷裂的交匯部位形成了多處地?zé)崽铩?/p>

郯城凹陷內(nèi)白堊系廣布，蓋層厚度加大，深部熱儲埋深過大，淺部地?zé)岙惓２幻黠@，僅在馬陵山區(qū)新構(gòu)造運動強烈。在成熱條件方面明顯遜色于中段(圖3)。

圖3 研究區(qū)構(gòu)造位置圖(據(jù)張誠等，2014①修改)1—昌維凹陷；2—汞丹山地壘；3—郯城凹陷；4—地?zé)崽铮?—主干斷裂；6—新生帶盆地；7—中生代地塹；8—研究區(qū)

2.2 成因模式分析

區(qū)內(nèi)地下水補充源主要為大氣降水，其次為地表徑流補給。區(qū)內(nèi)不同走向斷裂縱橫交錯，構(gòu)造裂隙發(fā)育，斷裂帶深部的局部巖漿侵入可提供大量熱源，形成高熱流值帶，為地下水的存儲、運移和深循環(huán)提供了空間。

沂沭斷裂帶以西裂隙巖溶水在西部地區(qū)接受補給后，沿魯西旋扭構(gòu)造自北西向南東徑流，至西部主斷裂附近，受斷裂或地層、巖體的阻擋，一部分參與地下深循環(huán)，經(jīng)地溫加熱后，沿斷裂通道和巖層裂隙上升至淺部，或通過鉆孔揭露涌出地表，形成淺部地?zé)岙惓：蜔岬V水自流。

沂沭斷裂帶內(nèi)白堊系廣布，次級斷裂構(gòu)造發(fā)育，西、北、東三面地下水向南徑流，進(jìn)行深循環(huán)加熱，沿巖體底部或通過近南北向斷裂破碎帶繼續(xù)向南運動，當(dāng)受巖體或斷層阻擋時，在奧陶系灰?guī)r凸起帶或斷裂復(fù)合部位富集。但由于上覆巨厚的白堊系蓋層，地下熱水只能沿張性或張扭性斷裂帶向地表排泄，形成淺部地?zé)岙惓^(qū)或溢出地表。

馬站—蘇村地塹地下水接受來自西、北、東三面的地下水徑流補給，尤以東、西兩側(cè)為主。西側(cè)之地下水沿北西向斷裂及斷陷盆地向南東方向運移至鄌郚—葛溝斷裂附近，一部分地下水富集于鄌郚—葛溝斷裂西側(cè)；而另一部分則越過鄌郚—葛溝斷裂進(jìn)行深循環(huán)，補給地塹內(nèi)地下水，由于地塹內(nèi)蓋層較厚，地下水在地塹內(nèi)形成盲區(qū)，于深部富集，富集區(qū)受熱儲埋深的制約；東側(cè)補給區(qū)為汞丹山凸起區(qū)，由于分布大面積的前寒武系變質(zhì)巖，裂隙發(fā)育深度淺，難以形成深循環(huán)徑流，地下水運移至沂水—湯頭斷裂東側(cè)時，即溢出地表成泉，由于地下水循環(huán)深度淺，泉水多為正常地下水溫，由于沂水—湯頭斷裂西盤為白堊系大盛群砂頁巖，阻水性較強，故東側(cè)之地下水越過沂水—湯頭斷裂形成地下水深循環(huán)徑流的量極小。這也是沂水—湯頭斷裂兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)地?zé)崧额^的主要原因。

莒縣—郯城地塹臨沂段也是接受西、北、東三面地下水的徑流補給，但由于兩側(cè)補給區(qū)均以變質(zhì)巖和巖漿巖為主，地下水循環(huán)深度淺，故多以淺層地下水徑流及泉的形式進(jìn)行排泄。至目前未發(fā)現(xiàn)地?zé)崧额^。沂沭斷裂帶以東地區(qū)，以太古代變質(zhì)巖及各期巖漿巖為主，僅在臨沭盆地、莒南盆地分布白堊系青山群和王氏群，裂隙不發(fā)育，來自北東方向補給的地下水徑流至昌邑—大店斷裂附近時，多以泉水的形式流出地表(圖4)。

圖4 沂沭斷裂帶熱儲概念模型示意圖(據(jù)張誠等，2014①修改)1—白堊系青山群組；2—白堊系大盛群組；3—奧陶—寒武系灰?guī)r；4—太古界泰山(巖)群組

2.3 熱儲特征

沂沭斷裂帶熱儲層按空隙類型大致可分為孔隙型熱儲、裂隙型熱儲、巖溶裂隙型熱儲等類型。地?zé)醿Ψ植际軘嗔褬?gòu)造控制明顯，具有帶狀或點狀、局部層狀分布特征。地下熱水主要賦存于古生界寒武系、奧陶系灰?guī)r、砂巖以及中生界白堊系和新生界古近系安山巖、砂礫巖中的構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙以及巖溶裂隙中。地層結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造是研究區(qū)形成地?zé)岬闹饕刂埔蛩?，區(qū)內(nèi)地?zé)醿扔袛嗫匦?，也有深埋型。根?jù)區(qū)內(nèi)地層巖性的分布及埋藏條件，熱儲類型有：

(1)新生代古近系熱儲主要分布在沂沭斷裂帶以西斷陷盆地內(nèi)，該熱儲是本區(qū)淺部熱儲層，以河湖相沉積為主，一般厚約350～785 m，巖性以泥灰?guī)r、泥巖、砂礫巖為主，為孔隙裂隙型熱儲，上覆泥巖為熱儲蓋層。該熱儲裂隙連通性差，故熱儲一般富水性較弱。

(2)中生代白堊系熱儲分布在沂沭斷裂帶內(nèi)白堊系地層中的張性、張扭性斷裂帶中，熱儲層為一套火山碎屑巖系，由于巖性結(jié)構(gòu)相對致密，孔隙、裂隙不發(fā)育，具有較好的隔熱保溫性能，一般作為深埋型熱儲的蓋層。但當(dāng)在構(gòu)造有利部位時，地下水有較好的儲存運移空間，成為較好的熱儲層。熱儲特征因所處的構(gòu)造部位的不同而有所差異。

(3)古生代寒武系及奧陶系熱儲層包括奧陶系灰?guī)r、寒武系張夏灰?guī)r、朱砂洞灰?guī)r、震旦系佟家莊組薄層灰?guī)r巖溶熱儲；寒武系李官組及震旦系佟家莊組石英砂巖裂隙熱儲。該類熱儲主要分布在鄌郚—葛溝斷裂兩側(cè)，熱儲具有點狀、帶狀兼層狀的特征，其分布受斷裂的嚴(yán)格控制，富水性差別較大，一般熱儲中心部位富水性較強。

2.4 熱儲分區(qū)

區(qū)內(nèi)地?zé)醿κ艽蟮貥?gòu)造部位的嚴(yán)格控制。依據(jù)地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造位置將區(qū)內(nèi)地?zé)醿Υ笾驴蓜澐譃?個區(qū)段(圖5)，其中鄌郚—葛溝斷裂以西熱儲區(qū)(I區(qū))根據(jù)該熱儲區(qū)的巖性特征及熱儲埋藏條件又分為4個亞區(qū)：即蒙山斷裂以北熱儲區(qū)、平邑—方城盆地東端熱儲區(qū)、臨沂城區(qū)及臨沂單斜熱儲區(qū)和馬頭—重坊熱儲區(qū)。區(qū)內(nèi)有典型地?zé)崽锓植?，如蒙山斷裂以北熱儲區(qū)內(nèi)典型地?zé)崽锇ㄒ誓香~井地?zé)崽锛耙誓纤缮降責(zé)崽铮获R站—蘇村地塹熱儲區(qū)內(nèi)地?zé)崽镏饕袦^地?zé)崽锛霸S家湖地?zé)崽?；臨沂城區(qū)及臨沂單斜熱儲區(qū)內(nèi)分布有北城新區(qū)地?zé)崽铩?/p>

圖5 研究區(qū)內(nèi)熱儲分區(qū)圖(據(jù)張誠等，2014①修改)1—地?zé)岙惓＃?—地?zé)峋?—已知斷裂；4—熱儲分區(qū)及編號；5—城鎮(zhèn)

地?zé)崴纬尚杈邆錈嵩?、通道、熱儲、蓋層四要素，現(xiàn)將各個區(qū)段熱儲特征分述見表1。

表1 熱儲分區(qū)熱儲特征一覽表

2.5 地?zé)岙惓７植家?guī)律

(1)次級張性、張扭性斷裂與主干斷裂交匯處。大地?zé)崃髦诞惓８咧低植荚谏畲髷嗔鸦顒訋?張維等，2020)。區(qū)內(nèi)北北東向的縱向主干斷裂常被東西向、北東向、北西向斷裂橫向切割，使斷裂在平面上呈網(wǎng)絡(luò)狀，沂沭斷裂帶兩側(cè)的地?zé)岢雎饵c均位于上述斷裂的交匯部位(楊曉飛和范二川，2020)。

(2)主干斷裂交匯處形成小規(guī)模的火山口附近，及潛火山侵入作用下的圍巖蝕變帶是地?zé)岢雎兜挠欣囟?。如馬站—蘇村地塹內(nèi)和地塹西側(cè)，中生代和上新世有大量花崗巖侵入和中基性巖漿噴出，深部熱能易沿巖體與圍巖的接觸帶和裂隙帶上升形成地?zé)岙惓^(qū)。

(3)蓋層厚度理想、具有深埋型灰?guī)r熱儲的部位。沂沭斷裂帶是一條高溫異常帶，沿斷裂帶因地質(zhì)條件的不同，地溫有所起伏，斷續(xù)出現(xiàn)高溫地帶。沂沭斷裂帶的馬站—蘇村地塹內(nèi)，鄌郚—葛溝斷裂兩側(cè)局部地段，尤其沂水縣城到河?xùn)|湯頭地段具備此類條件，可能有比較豐富的地?zé)豳Y源。但據(jù)臨沂城區(qū)附近施工的地?zé)峋?，地?zé)嵩鰷芈实陀谡Ｖ?，未顯示出高溫異常。

3 地?zé)豳Y源量

根據(jù)熱儲分區(qū)及特征，建立典型地?zé)崽餆醿Ω拍钅Ｐ?圖4)，依據(jù)規(guī)范，采用熱儲法計算已備案地?zé)豳Y源量(2014年)見表2。

表2 沂沭斷裂帶區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源量一覽表

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)地?zé)岢傻V地質(zhì)條件優(yōu)越，沂沭斷裂帶地區(qū)是臨沂市地?zé)豳Y源分布區(qū)的主要組成部分。該地區(qū)地層、構(gòu)造及巖漿巖的分布，形成了一套有利于地?zé)豳Y源形成的較為完整的巖石和構(gòu)造體系，為熱流特性相對較好的地?zé)豳Y源地區(qū)。

(2)沂沭斷裂帶地?zé)醿κ艿貙咏Y(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造等主要因素控制，其熱儲類型根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性的分布及埋藏條件分為“新生代古近系熱儲(本區(qū)淺部熱儲層)、中生代白堊系熱儲(深埋型熱儲)、古生代寒武系及奧陶系熱儲(斷控型熱儲)”等三類熱儲類型。

(3)沂沭斷裂帶地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，地?zé)崽飻?shù)量多、熱儲存量大，經(jīng)濟效益可觀。

注 釋

① 張誠, 劉連, 江海洋, 王飛, 張宗元, 趙長福. 2014. 山東省臨沂市沂沭斷裂帶地?zé)豳Y源調(diào)查報告[R]. 濟南:山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院.