2020, Vol. 39
地热资源是一种可再生、环保型资源。近年来，世界各国掀起了新一轮地热资源开发利用的浪潮，已被广泛应用于发电、医疗、采暖等方面[1-2]。据统计，2015—2019年，全球42个国家共计2647口井投入地热发电或直接供热使用，仅2019年，全球地热资源直接利用的总装机容量为1.07×106 MWt[3]。中国地热资源量接近全球总量的8%，开发潜力巨大，但由于缺乏合理的产业规划、政策支持开采技术手段的落后，使得地热资源开发利用远落后于风能、太阳能等资源[4]。“十二五”以来，随着勘探力度及资金投入的增加，基本查明了中国地热资源赋存条件、分布特征与开发利用现状，为后续地热资源的可持续科学开发利用提供了技术支撑[5]。
地热资源根据地质构造特征、热流传输方式、温度范围、开发利用方式等因素可分为浅层地热能、水热型地热、干热岩3种类型[6-7]。关于地热区域高异常地温形成机理，国内外已做大量研究工作。目前普遍认为，断裂带、放射性生热、地幔活动等是导致地热异常的主要因素[8-9]。
山东省地热资源较丰富，地热资源特点是热储分布广、类型多、埋藏深度适中，热流体储量大，利用价值高，温度以中低温为主，开发利用条件好[10]。山东省地热资源勘查评价及研究工作始于1959年，经过数十年发展，目前已完成鲁东山地丘陵区、鲁中山地丘陵区和鲁北平原区典型热储发育特征、地热水水化学成分及演化、水同位素特征、地温场特征及地热成因方面的相关研究[11-17]。近年来，水文地质调查及专项水资源开发项目已完成鲁中山区莱芜盆地冷家庄地热井①、东平凸起安驾庄地热田②及新甫山凸起桥沟地热田③钻探及评价工作。2015—2018年，中国地质调查局在鲁中山区部署了1:5万水文地质调查工作，本文在区域水文地质调查的基础上，通过鲁中山区各构造单元热水-其他水体水化学特征对比及同位素分析，结合各单元构造及水文地质特征，对鲁中山区热水成因进行分析，探讨地热形成富集规律，对鲁中山区更好地开发地热资源提供依据。
1 研究区概况 1.1 地热分区说明前人依据水文地质条件、地质构造、地层岩性、热储埋藏、形态特征、热储类型、空间特征等因素，将山东省地热水分为3个大区：鲁东隆起地热区(Ⅰ区)、鲁中南地热区(Ⅱ区)、鲁西北坳陷地热区(Ⅲ区)。根据次级构造、地形地貌及热储的不同特征，鲁中南地热区细分为4个亚区：Ⅱ1为沂沭断裂带地热亚区、Ⅱ2为鲁中隆起地热亚区、Ⅱ3为鲁中南岩溶隐伏地热亚区、Ⅱ4为鲁中南岩溶埋藏地热亚区[14](图 1-a)。本次研究的鲁中山区对应于山东地热分区中的鲁中隆起地热亚区，其主要热储层岩性：盆地内部为寒武系—奥陶系碳酸盐岩，层状热储类型，第四系沉积层及古近系碎屑岩层厚度大于1000 m；盆地边缘与凸起带位置为寒武系—奥陶系碳酸盐岩及太古宙变质花岗岩，盖层厚度一般小于300 m，以裂隙型带状热储为主。
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图 1 鲁中山区地热分区图(a)、构造地质图(b)及岩性柱状图(c) Fig.1 Geothermal zoning map (a), structural geological map (b) and lithologic histogram (c) in the mountainous area of central Shandong Province F1—泰安-口镇断裂; F2—大王庄-铜冶店断裂; F3—石门官庄-沙王庄断裂; F4—蒙阴断裂; F5—汶口断裂; F6—南留断裂; F7—夏张断裂；Ⅰ—鲁东隆起地热区；Ⅱ1—沂沭断裂带地热亚区；Ⅱ2—鲁中隆起地热亚区；Ⅲ3—鲁中南岩溶隐伏地热亚区；Ⅲ4—鲁中南岩溶埋藏地热亚区；Ⅲ5—鲁西北凹陷地热区 |
鲁中山区指位于山东省中部的中低山丘陵区，面积4.1×104 km2，构造位置属于鲁西隆起区，以聊城-兰考断裂和齐河-广饶断裂与华北坳陷区分界[18]。区内主要发育NEE向和NW向断裂组合，以夏张断层、蒙阴断层为代表的NE向或NEE向断裂多表现为高角度走滑断层性质，以大王庄-铜冶店断层、南留断层等为代表的NW向断层主要表现为犁式正断层性质，并与NEE向断裂一起控制了莱芜盆地、汶口盆地、蒙阴盆地等中新生代沉积盆地的发育[19]。盆地内部发育一套巨厚的古近系官庄群碎屑岩[20]，盆地下部及邻侧沉积了寒武系朱砂洞组-奥陶系马家沟群厚层碳酸盐岩，盆地周边及基底岩性为太古宙变质花岗岩类[21]。此外，莱芜盆地内部出露不同规模的燕山期闪长岩体(图 1-b)。
区内各类型含水岩组均有分布，莱芜盆地、大汶口盆地等断陷盆地北部的太古宙变质花岗岩类分布区，富水性弱，多为风化裂隙水，地下水以潜流形式向南汇入盆地。盆地南部为下古生界组成的单斜断块，单斜断块南部是以太古宙变质花岗岩类为主的地下水补给区；中部是寒武系—奥陶系碳酸盐岩分布的地下水补给径流区，水位埋深大；单斜断块北部到山前碳酸盐岩隐伏区，为强富水的奥陶系碳酸盐岩含水层。盆地内部，下伏弱富水的石炭系—二叠系、白垩系、古近系碎屑岩含水岩组(图 1-c)[22]。
2 地热地质特征 2.1 热储岩性特征根据山东省大地构造单元划分资料[23]，鲁中山区典型地热田/井主要有位于莱芜盆地内部的冷家庄地热井、新甫山凸起与莱芜盆地毗连区的桥沟地热田和大汶口盆地与东平凸起接触带的安驾庄地热田，具体地热田/井位置见图 1-b。桥沟地热田热水赋存在太古宇泰山群变质岩中(图 1-c)，热储类型为裂隙型带状热储。根据地热井钻孔QG-DR01记录，含水段累计厚度为326.3 m，确定热储层厚度为326.3 m；恒温层埋深为25 m，温度为16.0℃。当抽水降深s=20.48 m时，计算热储层渗透系数K为0.25 m/d，影响半径R为120.71 m，据调查统计，桥沟地热田地热井单井涌水量Q为120~480 m3/d。
冷家庄地热井及安驾庄地热田均位于中新生代沉积盆地腹部，热储类型为裂隙岩溶层状热储。其中，冷家庄LW-DR01地热井为莱芜盆地第一眼地热井，热储岩性为奥陶系马家沟群厚层灰岩(图 1-c)。根据钻探结果，地热井深2700 m，热储盖层为古近系、石炭系—二叠系碎屑岩，盖层厚约2170 m。在2300~2420 m、2650~2690 m段岩溶裂隙发育，累计含水层厚度为170.6 m，加权计算钻遇奥陶系地层孔隙度为5.0%，根据抽水试验，出水量Q=385~1064 m3/d，热储层渗透系数K为0.038~0.043 m/d。根据AJZ-ZK01地热井钻探结果，安驾庄地热田热储盖层为寒武系馒头组碎屑岩，岩性主要为砂页岩、泥岩，盖层厚度103 m；热储岩性为寒武系朱砂洞组碳酸盐岩，岩性主要为白云质灰岩和含燧石条带白云岩(图 1-c)，热储层厚度为109.68 m，主要出水段为120.5~149.0 m，热储岩溶裂隙率为0.122；抽水试验结果，当水位降深s=12.87 m时，出水量为2352.76 m3/d，计算渗透系数K为24.48 m/d。
2.2 地温场特征 2.2.1 莫霍面深度莫霍面通常指地幔与地壳的界面，而地幔是维持地热场的主要热量来源，因此莫霍面的深浅变化是影响地热的重要因素[24]。由山东省莫霍面深度等值线图可以看出，鲁西隆起区(鲁中南山区)莫霍面埋深33~36 km，华北坳陷区(鲁北平原区)莫霍面埋深31~33 km，反映了鲁西隆起区地壳厚度较华北坳陷区厚，特别是本次研究的鲁中山区莫霍面深度为34~36 km，且自西向东随地势增高而埋深呈增大趋势，为山东省莫霍面埋深最大区域(图 2)，说明该区域地壳为山东省厚度最大区，为地热资源形成相对不利区域。从现有资料及实际出热结果可见，该区域地热井或温泉一般位于凹陷与凸起接触带附近，如桥沟地热田、安驾庄地热田。
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图 2 山东莫霍面深度等值线(据参考文献[24]修改) Fig.2 The isobath map of Moho in Shandong Province |
大地热流是表征由地球内部向地表传输并在单位面积上散发的热量，是地球内部热作用过程最直接的表示方式，其中蕴涵着丰富的地质、地球物理和地球动力学信息，可作为评价地热资源潜力的必要参数[25-28]。中国大陆东部大地热流及岩石圈热状态空间分布主要受新生代太平洋板块俯冲构造热事件影响[29]，而山东省大地构造位置位于华北板块与扬子板块碰撞结合带，属于环太平洋地热带，其大地热流的空间分布特征与构造格局密切相关。前人研究及统计数据(表 1)表明，鲁西隆起区大地热流值为48~70 mW/m2[26-27]，其中鲁中山区为山东省大地热流低值区，且在莱芜市(莱芜盆地腹部)附近形成低值圈闭[30]，大地热流值在40~50 mW/m2之间，属于热流值最低区域，与前文所述鲁中山区莫霍面埋深较大有较好的对应关系。
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表 1 鲁西隆起区大地热流数据 Table 1 The earth heat flow data sheet in the western Shandong uplift terrain |
莱芜盆地地热专项调查资料①显示，莱芜盆地恒温带深度为25 m，恒温带温度为16.0℃，深度1000 m以浅(主要为第四系及古近系)的地温梯度小于2℃/100 m，而深度大于1000 m，地温梯度大于2℃/100 m。表 2中LW-8-2井与LW-T117井均为莱芜盆地腹部的煤田地质勘探孔，目的层位为石炭系—二叠系煤层，计算的地温梯度分别为1.59℃/100 m和2.15℃/100 m。LW-DR01井底及热储层岩性为奥陶系马家沟群碳酸盐岩，井深2700.7 m，计算地温梯度为2.86℃/100 m。以上说明，莱芜盆地内部不同地层的地温梯度存在差异，且地温梯度具有随埋深增加逐渐增大的趋势，对应图 3温度随深度变化曲线底部“右拐”。安驾庄地热田地温场在垂直方向上的变化，总体规律是温度随深度的增加而增加，从埋深10 m，温度17℃，增加到朱砂洞组热储层温度52~72℃，地温梯度一般为3.0~8.58℃/100 m。安驾庄地热田详查资料②表明，热储盖层馒头组地温梯度为14.7℃/100 m，朱砂洞组热储层地温梯度为6.33℃/100 m(表 2)。桥沟地热田周边测温数据③表明，区内恒温带深度为25 m，恒温带温度16℃，通过QG-DR01地热井计算地温梯度为7.4℃/100 m(表 2)。
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表 2 鲁中山区典型地热井测温及地温梯度数据 Table 2 Temperature measurement and geothermal gradient data of typical geothermal wells in the mountainous area of central Shandong Province |
由图 3可以看出，在大地热流整体较低的鲁中山区，构造沉积盆地与凸起接触带位置地温梯度远高于沉积盆地内部，即在温度随深度变化曲线中，构造接触带位置曲线更表现出“右拐”特点，地温梯度变化特征与大地热流分布特征相似。这种情况说明，造成本区地温提升的原因主要是地幔传导热源，属于正常的地热增温，与区域大地热流背景一致。
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图 3 研究区不同地热井测温曲线图 Fig.3 The temperature measurement curves of different geothermal wells in the study area |
地热流体水化学组分及其同位素特征往往保留着地热系统形成演化过程中的地球化学信息，常被用来分析地热流体的起源及地热系统中相关的地球化学过程，是认识地热资源形成机制、赋存环境及循环机理的有效手段之一[31]。本文对不同地热井水化学数据进行搜集及取样分析(冷家庄LW-DR01井数据来源于专项调查报告①，桥沟QG-DR01井数据来源于专项调查报告③)，并对地热井/田所属构造部位不同类型含水岩组及汶河水进行就近取样分析，共获取21组水化学全分析数据。水化学分析在山东省地矿工程勘察院实验测试中心进行，测试数据见表 3。
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表 3 鲁中山区典型地热井级周边水化学测试数据 Table 3 Hydrochemical test data of typical geothermal wells in the mountainous area of central Shandong Province |
地热流体在形成和运移过程中不断与围岩发生水岩反应，溶解围岩的矿物质成分，通常地热流体循环越深，循环时间越久，水岩作用越充分，其矿物质含量就越高，水化学类型也就越复杂[32]。从表 3可以看出，鲁中山区不同构造单元地热井水化学样品TDS值均较大，高于周边其他类型水体值，其中，莱芜盆地冷家庄地热井水TDS值高达3078 mg/L，反映较深的地热流体循环深度。各地热井水pH值均与各水体类型背景值相近，为中性或偏碱性。从不同地热井及周边地下水Schoeller图(图 4)可以看出，地热水各离子组分含量较其他水体值高；地热水阳离子组分含量变化规律为Na++K+>Ca2+>Mg2+，阴离子组分含量为SO42->Cl->HCO3-。其他水体阳离子组分含量变化规律为Ca2+> Na++K+> Mg2+，阴离子组分含量为HCO3-> SO42->Cl-，地热水表现出Na++K+及SO42-富集的特点(图 4)。
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图 4 研究山区不同地热井及周边地下水Schoeller图 Fig.4 The Scholler diagrams of different geothermal wells and surrounding groundwater in the study area a—莱芜盆地；b—新甫山凸起与莱芜盆地毗连区；c—大汶口盆地与东平凸起接触带 |
结合研究区不同构造单元地热井及周边各类型地下水化学三线图(图 5)，各地热水化学类型分异特征明显，且主要体现在阴离子(SO42-+Cl-)及阳离子(Na++K+)的相对含量。冷家庄地热井LW-DR01中SO42-+Cl-的阴离子总量占比高达95%，Na++K+的阳离子总量占比大于40%；桥沟地热井QG-DR01中SO42-+Cl-的阴离子总量占比大于60%，Na++K+的阳离子总量占比大于60%；安驾庄地热井J002中SO42-+Cl-的阴离子总量占比接近90%，Na++K+的阳离子总量占比接近60%，与Schoeller图(图 4)显示的主要离子富集规律一致。采用舒卡列夫水化学分类法对水化学样品进行分类统计表明，研究区地热水化学类型均为SO4-Na·Ca型及SO4·R-Na·Ca型(R为Cl或HCO3)，明显有别于其余水体的HCO3-Ca型(表 3)。
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图 5 研究区不同地热井及周边地下水Piper图 Fig.5 The Piper diagrams of different geothermal wells and surrounding groundwater in the study area a—莱芜盆地；b—新甫山凸起与莱芜盆地毗连区；c—大汶口盆地与东平凸起接触带 |
Giggenbach基于Na-K和K-Mg两种阳离子地温计提出Na-K-Mg三角图解法，用来判断评价地热水的水-岩平衡状态[33-34]。Na-K-Mg三角图将地热水分为未平衡区(未成熟水)、部分平衡区(混合区)、平衡区(成熟水)3种类型。将研究区不同水体类型水化学样品的Na+、K+、Mg2+离子含量转化后投影到Na-K-Mg三角图解(图 6)上，可以看出，区内地热水与其他水体样品分异特征明显，但均属于未平衡区范围。说明研究区地热水水-岩相互作用未达到平衡状态，溶解作用仍在进行，可能是由于浅部地下水的大量混合[35]，使地热水中阳离子元素含量变低，所以不宜采用阳离子温标估算热储温度。当温度小于300℃时，水中溶解的SiO2一般不受其他离子或络合物影响，因此适合使用SiO2地热温标估算热储温度。
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图 6 研究区地热水Na-K-Mg三角图 Fig.6 Triangular diagram of geothermal water in the study area |
本文采用适用于20~330℃区间的无蒸汽损失石英地温计[36]计算公式计算热储温度，具体公式如下：
| $ T = \frac{{1309}}{{5.19 - \lg \rho \left( {{\rm{Si}}{{\rm{O}}_2}} \right)}} - 273.15 $ | (1) |
式中：T为地温(℃)；ρ(SiO2)为溶液中SiO2质量浓度(mg/L)。
结合不同地热井水中SiO2质量浓度数据(表 3)，计算所得冷家庄DR01地热井热储温度为94.90℃，桥沟地热井DR01热储温度为89.43℃，安驾庄地热田J002地热井热储温度为86.49℃。计算温度与统计的地热井井底温度(表 2)对比结果揭示，计算热储温度均高于井底实测温度，差值在12.60~41.03℃范围内。造成以上结果的原因，一是井底测量温度不能代表井底的真实温度，因为井底测温多为非稳态测温，后期抽水试验实测出水温度值偏高可以说明这一点；二是地热井实际钻凿的储层厚度通常较浅，不能代表真实热储温度[37]。
3 热水成因 3.1 热水补给来源由水中8种常见的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-离子毫克当量百分数组合而成的Langlier-Ludwig图解(图 7)，常用来分析地热水的来源[38-40]。根据离子组成的相对含量，将图内区域分为4部分，Ⅰ代表碱金属离子(Na+K)的重碳酸盐类型区；Ⅱ代表碱土金属离子(Ca+Mg)的重碳酸盐类型区；Ⅲ代表碱土金属离子的氯酸盐及硫酸盐分布区；Ⅳ代表碱金属离子的氯酸盐及硫酸盐分布区。图 7左上方为较纯的地热水，右下方为接受大气降水形成的水及浅表冷水区，中间部分为二者的混合，且自左上角沿混合线向右下角代表受大气降水或浅表冷水混合程度增大。由图 7可以看出，研究区地热水位于Ⅳ区靠下及边缘位置，且明显分异于其他类型水体分布特征。这说明，研究区地热水均受到了浅表冷水和大气降水的混入，区内所采地热水是地热热源水和补给凉水的混合型水。
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图 7 研究区Langlier-Ludwig图解 Fig.7 Langlier-Ludwig diagram in the study area Ⅰ—碱金属离子(Na+K)的重碳酸盐类型区；Ⅱ—碱土金属离子(Ca+Mg)的重碳酸盐类型区；Ⅲ—碱土金属离子的氯酸盐及硫酸盐分布区；Ⅳ—碱金属离子的氯酸盐及硫酸盐分布区 |
为进一步分析鲁中山区地热水补给来源，对研究区各构造单元热水及其周边不同水体进行稳定同位素18O、2H取样分析(冷家庄DR01井数据来源于专项调查报告①，桥沟DR01井数据来源于专项调查报告③)。测试分析在核工业地质分析测试研究中心完成，数据结果见表 3。统计结果显示，地热水稳定同位素δ18O值和δD值明显小于各构造单位内部水体稳定同位素值。位于莱芜盆地的冷家庄地热井DR01的δ18O值为-9.9‰，δD值为-73.0‰，其余水体δ18O值介于-8.2‰~-3.1‰之间，δD值介于-71.2‰~-43.0‰之间，该现象在新甫山凸起与莱芜盆地毗连区的桥沟地热田与东平凸起与大汶口盆地接触带的安驾庄地热田显示出同样的结果。鲁中山区不同构造单元地热水、不同类型含水岩组地下水及地表水的δ18O和δD同位素数据基本都落在当地大气降水线[21]附近(图 8)，说明鲁中山区的地热水是大气来源，只是因降水补给的高程、径流途径不同而异。
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图 8 研究区δD和δ18O散点关系图 Fig.8 Scatter diagram between δD and δ18O in the study area |
在地热地质研究中，根据研究对象的不同，大至沉积盆地小到温泉，均可称为一个地热系统[41]。Muffler[42]根据地热系统的地质环境和热量传递方式将地热系统划分为对流型和传导型2类。王贵玲等[41]综合考虑中国不同地区水热系统赋存的地热地质背景、源通盖储条件，将中国主要水热型地热系统划分为对流型、传导型和传导-对流复合型。本文根据鲁中山区各地热系统所处构造位置，结合地热井/田热储类型、断裂发育特征认为，位于冷家庄地热系统是靠正常地热增温率增温的深层沉积层含水系统，热量来源是简单地通过地壳垂直大地热流传导聚热，大气降水或浅表冷水沿盆地边界深大断裂——泰安-口镇断裂(F1)和大王庄-铜冶店断裂(F2)，深径流入渗补给深部奥陶系含水层，由于流体在深部含水层中的流动非常缓慢，使流体有足够时间通过热传导加热而形成热水系统(图 9)。
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图 9 莱芜盆地及新甫山凸起地热富集模式剖面 Fig.9 The profile of geothermal enrichment model in Laiwu Basin and Xinfushan Uplift F1—泰安-口镇断裂; F2—大王庄-铜冶店断裂; F8—徂徕山断裂; F9—北店子断裂; F10—滂河断裂; C-P-E—石炭系、二叠系、古近系碎屑岩；-O—寒武系-奥陶系碳酸盐岩；Ar—太古宇变质岩 |
桥沟地热系统及安驾庄地热系统由于位于盆地边缘隆起区，属于热对流型地热系统。桥沟地热田内发育滂河断裂和北店子断裂(F9)2条交汇断裂，其中北店子断裂为沟通深部热源的深大断裂，来自浅表冷水及大气降水沿滂河断裂下渗进行深循环，地下水不断得到来自深部热能的加热，温度升高，热水受徂徕山前致密花岗闪长岩阻挡，于滂河断裂与北店子断裂交汇位置上溢成泉(图 9)。调查资料显示，安驾庄地热田内断裂构造发育，且区内NNE向断裂体系为至今活跃的活动断裂②。活动断裂沟通深部热源，使热流体沿断裂通道上涌至溶蚀发育的朱砂洞热储层，并在热储层中横向扩散，持续混合加热东平凸起方向下渗的大气降水及浅表冷水。热储上覆的馒头组砂页岩形成良好保温盖层，使热水得以保温，富集在朱砂洞组含水层中(图 10)。
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图 10 大汶口盆地与东平凸起接触带地热富集模式剖面
Fig.10 The profile of geothermal enrichment model inthe contact zone between Dawenkou Basin and Dongping Uplift
 2-3g—寒武系崮山组； 2-3m—寒武系馒头组； 2z—寒武系朱砂洞组；Ar—太古宇变质岩
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(1) 鲁中山区莫霍面深度为34~36 km，地热流值为48~70 mW/m2，为山东省大地热流低值区、莫霍面埋深最大区域，属于地热资源形成相对不利区域。构造沉积盆地与凸起接触带位置地温梯度远高于沉积盆地内部，为成热相对有利区域。
(2) 鲁中山区地热水与其他水体样品水化学分异特征明显，热水的TDS表现为异常高值，水化学类型为SO4-Na·Ca及SO4·R-Na·Ca(R为Cl或HCO3)型水，明显有别于其余水体的HCO3-Ca型水，水化学离子表现为Na++K+及SO42-富集的特点。
(3) 鲁中山区热储温度为86.4~94.9℃，多为中低温热储范畴，大气降水为热水主要补给来源。浅表冷水和大气降水的混入，使热储内地热水尚未达到水-岩相互作用离子平衡状态。
(4) 莱芜盆地的冷家庄地热系统靠正常地热增温率增温，热量来源通过地壳垂直大地热流传导聚热，属于传导型地热系统。位于盆缘凸起的桥沟和安驾庄地热田属于对流型地热系统，其特点是，大气降水和浅表冷水沿断裂下渗进行深循环，热源沿地热田内沟通深部热源断裂上涌，持续加热、混合下渗冷水，形成热水。
致谢: 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心“沂蒙山革命老区1:5万水文地质调查”项目组全体成员支持了本次工作，感谢两位审稿专家的宝贵意见。
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