山東省曹縣城區地熱資源地質條件綜合研究

馬 龍，馮超臣

(山東省魯南地質工程勘察院，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。近年來的地熱地質勘查工作表明，曹縣城區一帶地熱成礦地質條件有利，低溫地熱資源豐富，具有很好的開發應用前景。目前曹縣城區地熱尚未進行統一開發利用，加強該區地熱資源地質條件的分析研究，有利于進一步摸清城區地熱資源特征，推進地熱資源的開發利用，從而促進當地社會經濟發展。

1 區域地質背景[1]

1.1 地層

本區地表被巨厚的第四系和新近系松散層覆蓋。據現有揭露地層資料，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。與地熱資源有關的地層主要為:

1.1.1 奧陶系馬家溝組

隱伏于菏澤凸起中部。受構造的影響，埋藏深度差異較大，城區最小埋藏深度1 200 m左右，最大頂板埋深2 600 m，巖性主要為厚層灰巖、白云質灰巖及泥灰巖。

1.1.2 新近系明化鎮組

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

1.2 構造

山東省曹縣城區位于中朝準地臺(Ⅰ)魯西斷隆(Ⅱ)魯西斷塊隆起(Ⅲ)菏澤凸起(Ⅳ)的南部。歷次構造運動造成本區斷裂構造十分發育。

1.2.1 基底斷塊構造劃分

根據區域大斷裂構造的控制，劃分了冉堌凸起、褚廟店凸起、倪集斷陷和候集斷陷等四個Ⅴ級構造單元。單元內次級斷裂構造也較發育，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構造單元劃分為更小的斷塊構造單元。斷塊單元的劃分見表1。

1.2.2 基底斷塊構造概述

1)褚廟店凸起

位于單縣斷裂以南、曹縣斷裂以西的地區。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，區內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

位于城區的東南部，曹縣斷裂以東的區域，區內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

位于城區的北部，普連集斷裂以北的區域，區內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Ⅴ級構造單元及次級斷塊構造劃分表

2 地熱地質條件

2.1 熱源與補給源

根據物探資料推斷，本區莫霍面埋深在30～33 km左右，是莫霍面的相對隆起區，熱源主要來自地殼深層正常的熱流傳導，且本區斷裂構造發育，對地殼深部的熱源起到了重要的溝通和傳導作用，地殼深部的熱能可通過斷裂及巖漿巖侵入兩側的破碎帶熱的傳導和地下水的深循環對流作用，將熱能輸送至熱儲層，遇到上覆巨厚的碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫，使熱能儲存下來。其次是巖漿熱液活動及放射元素蛻變;另外在中新生代沉積了巨厚的松散、半固結狀沉積物，在不斷的壓實、成巖過程中，會產生一定的物理—化學熱，也為本提供了部分熱源。本區的熱源條件較好。

地熱水的主要補給來源為大氣降水的垂直入滲經深部循環補給，其次是側向徑流補給和沉積時保留下來的封存水和沉積水。

2.2 熱儲層

熱儲是地殼內能夠富集和貯集地熱能、并使地熱載體能進行對流運動的地質體，是地熱勘查工作的目的層。根據現有地熱地質資料，本區的熱儲層有兩個，一是上部新近系碎屑巖孔隙含水熱儲層，二是下部古生界寒武—奧陶系巖溶裂隙型含水熱儲層(見圖1)。

2.2.1 新近系碎屑巖孔隙含水熱儲層

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

2.2.2 奧陶系石灰巖層熱儲層

屬灰巖類裂隙—巖溶型熱儲。該熱儲主要位于單縣斷裂以南、曹縣斷裂以西的曹城鎮斷塊內，頂板埋深在1 200～1 700 m。熱儲層為奧陶系石灰巖層，厚度約600～800 m，埋藏于石炭-二疊系煤系地層之下。受斷裂構造的影響，灰巖巖溶裂隙比較發育，為深部地熱水體循環運移提供了通道及儲存空間，尤期是奧陶系頂部古風化殼較厚，巖溶裂隙更為發育，形成了良好的儲熱條件。

圖1 曹縣城區地熱資源熱儲概念模型

2.3 蓋層

蓋層是指熱儲的覆蓋層，它是地熱形成的重要條件，其作用是防止熱儲層中的熱能大量散失。對于不同的熱儲層有不同的蓋層系統。本區第四系厚230 m左右，巖性主要為粘土、粉質粘土和細砂互層;新近系明化鎮組上部，厚約370 m，巖性主要為泥巖和細砂巖為主。上述地層密度小，導熱性能差，熱阻大，是天然良好的新近系明化鎮組下部熱儲層的蓋層。寒武-奧陶系巖溶裂隙地熱儲層，還具有石炭-二疊系蓋層，厚度約200～400 m，巖性主要為頁巖、泥巖、粘土巖及砂巖，特別是泥巖層及粘土巖層熱導率低，是深部寒武-奧陶系巖溶裂隙地熱儲的保溫蓋層。

2.4 控熱和導水構造

控熱和導水構造是地熱形成的必備條件。本區西部靠近聊考斷裂，北部為常樂集斷裂，曹縣斷裂北東向斜穿本區，單縣斷裂從曹縣城區北部東西向穿過，這四條斷裂控制了區域內凸起與凹陷的邊界，它們切割深度大，活動時間長，破壞了地殼的連續性，是本區主要的控熱構造。曹縣城區有多條東西向的次級斷裂構造。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系，使其沿斷裂可進行垂向對流，為該區內的導水構造。，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，發育一條上寬下窄的斷裂破碎帶，它由規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°，F8-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，斷裂帶破碎嚴重，為該地區導熱的通道。

3 地溫場特征

本區地溫場特征主要受地質構造的影響，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。經對井溫資料的綜合統計分析，確定該地常溫帶深度為20 m，常溫帶值選用當地年平均氣溫14.5℃。

3.1 地溫場的水平方向地溫特征

根據對曹縣城區內30～40 m的淺層水井測溫資料，曹縣城區及城區北部地溫梯度最高達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，反映了該區深部地質構造基底埋深的差異。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，反映地熱運移的的通道，與單縣斷裂曹縣段相對應，說明該斷裂為張性斷裂，具有深部地熱向上運移的條件，從而形成地溫梯度異常帶。

3.2 地溫場的垂向分布

本區地溫場的垂向分布，以曹縣附近D1#井測溫資料為例(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68.5℃，按當地平均氣溫14.5℃，蓋層地溫梯度平均值約為3℃/100m。根據地層的增溫與厚度，計算了地溫梯度，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 熱儲層地熱水水化學特征

4.1 新近系明化鎮組熱儲層地熱水

該地熱水無肉眼可見物，色度小于5，無臭，味正常，透明，渾濁度小于1。地熱水中主要陽離子為鈉和鈣，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，水化學類型為 SO4·Cl-Na型。該地熱水可命名為含偏硅酸、偏硼酸醫療熱礦水，含有多種對人體有益的微量元素，對金屬有強腐蝕性，對普通水泥的建筑有結晶性侵蝕，而對抗硫酸巖水泥無侵蝕性;對A、B兩種類型的水泥均無分解性侵蝕，可生成硫酸鈣、硅酸鈣垢，不生成碳酸鈣垢;不宜直接做為農田灌溉、漁業用水，不能做為生活飲用水;地熱尾水排放將會對環境產生一定影響。

4.2 奧陶紀熱儲層地熱水

該地熱水感官性狀微顯淡黃色，口感略有咸味，有輕微的硫化氫味，清澈透明不含異物。地熱水中主要陽離子為鈣和鈉，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;水化學類型為 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。按醫療熱礦水水質標準，地熱水中的 F、Sr達到命名礦泉水濃度，H2S、H2SiO3達到了礦水濃度，HBO2達到了醫療價值濃度，命名為含偏硅酸、偏硼酸的氟醫療熱礦水。奧陶系熱儲層地熱水對金屬有強腐蝕性，對普通水泥的建筑有結晶性侵蝕，而對抗硫酸鹽水泥無侵蝕性;可生成硫酸鈣、硅酸鈣垢，不生成碳酸鈣垢;不宜直接做為農田灌溉、漁業用水，不能做為生活飲用水;地熱尾水排放將會對環境產生一定影響。

5 結語

(1)曹縣城區位于中朝準地臺魯西斷隆魯西斷塊隆起菏澤凸起的南部，區域斷裂構造十分發育，地熱成礦地質條件有利。

(2)該區可被利用的熱儲層主要有2個，分別為新近紀明化鎮組熱儲和奧陶紀灰巖類裂隙—巖溶熱儲。

(3)新近系明化鎮組熱儲層地熱水水化學類型為 SO4·Cl—Na型，命名為含偏硅酸、偏硼酸醫療熱礦水;奧陶系熱儲層地熱水水化學類型為 SO4—Ca·Na型，命名為含偏硅酸、偏硼酸的氟醫療熱礦水。兩種熱礦水均含有多種對人體有益的微量元素，對金屬有強腐蝕性，對普通水泥的建筑有結晶性侵蝕，而對抗硫酸巖水泥無侵蝕性;對 A、B兩種類型的水泥均無分解性侵蝕，可生成硫酸鈣、硅酸鈣垢，不生成碳酸鈣垢;不宜直接做為農田灌溉、漁業用水，不能做為生活飲用水;地熱尾水排放將會對環境產生一定影響。

(4)在使用過程中應做好梯級綜合利用，使這一寶貴的地熱資源能夠充分發揮作用。地熱水通過換熱器大于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行梯級利用，以提高經濟效益。因該地熱水有強腐蝕性和結垢多的特點，應采用間接供熱方式，循環系統要選用防腐材料。

(5)加強日常監測工作。地熱資源開發利用過程中，應建立地熱水動態監測系統，對開采量及其引起的水位、水溫、水質變化及環境影響實行有效監測，保證地熱資源的可持續開發與利用。

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