臨沂市溫泉(井)成熱機制分析及找熱方向研究

王宏雷,祝麗媛

(山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊,山東 臨沂 276006)

地熱資源作為一種清潔能源受到各級政府重視，并在21世紀初掀起一股找熱高潮。臨沂市地處山東省的南端，地熱資源豐富，是全國聞名的“地熱城”，該地著名湯頭溫泉具有兩千多年的歷史，為“瑯琊八景”之首(臨沂市古稱瑯琊郡)[1]。近二十多年，臨沂市為做大做強溫泉文章，在地熱勘探方面做了不少工作，累計投入約1.2億元，打地熱井20余眼，其中有成功的經驗，也有失敗的教訓。為此，對這些年來的地熱地質工作進行總結和梳理是十分必要的。該文在分析總結當地成熱機制基礎上，嘗試從大地構造角度探討該地區地熱資源的成熱規律和找熱方向，為地熱研究工作拋磚引玉。

1 地熱地質條件概況

臨沂市大部分位于魯西隆起區的南部，東側的莒南縣、臨沭縣屬膠遼隆起區，區內沂沭斷裂帶縱貫南北，將臨沂分為東、西2個地塊(西側魯西隆起區屬華北地臺范疇；東側膠遼隆起區屬秦嶺-大別-蘇魯造山帶范疇)，控制了東、西截然不同地塊的地層沉積、巖漿活動和構造運動。

1.1 地層

臨沂市地層區劃屬華北地層大區，魯西地層分區，其分布明顯受構造控制，沂沭斷裂之昌邑-大店斷裂以東，長期遭受剝蝕作用，在漫長的古生代沒有接受沉積，至中生代中期，隨膠萊盆地的下沉，形成了侏羅系及白堊系地層；沂沭斷裂帶以西的地層，除上奧陶統、志留系、泥盆系、下石炭統、三疊系及中、下侏羅統、古近系古新統、新近系缺失以外，其他地層均有發育。全市自老至新可分為太古界沂水巖群、泰山巖群，元古代荊山群、土門群，古生代長清群、九龍群、馬家溝群、月門溝群，中生代淄博群、萊陽群、青山群、大盛群、王氏群，新生代官莊群、臨朐群及第四紀松散堆積物等，共計有群級地層單位15個、組級地層單位60個，組成了該市轄區內復雜的地層系統。受到構造的影響，特別是古生代地層，多呈NW-SE向展布，單斜斷塊狀產出，在凹陷區上覆有較厚的中生代地層(圖1)。

1--第四系；2--白堊系；3--奧陶系；4--寒武系；5--花崗巖；6--斷裂；7--點位名稱井深(m)圖1 臨沂市地熱地質構造略圖

1.2 巖漿巖

全市巖漿分布較廣，約占總面積的六分之一[2]。巖石類型發育齊全，從超基性—基性—中性—酸性均有發育[2]。大部分屬魯西隆起區巖石區，沂沭斷裂帶以東的部分屬膠南-威海隆起區巖石區。形成時代自太古代到中生代均有，由早到晚分為遷西期、阜平期、五臺期、呂梁期、四堡期、晉寧期、震旦期、加里東期、印支期、燕山期十一個巖漿活動期，以燕山期活動最為強烈。依據山東省地層、侵入巖、構造單元劃分方案，全市內巖漿巖劃分為18個序列、81個單元。區內巖漿巖主要出露于各凸起斷塊上，如：尼山凸起、蒙山凸起、沂山凸起等地，在凹陷區深部也有埋藏，如平邑凹陷、蒙陰凹陷、臨沭凹陷。巖性以花崗閃長巖、閃長巖、二長花崗巖為主。

1.3 構造

臨沂市大地構造區劃大部分屬華北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(Ⅱ)，僅莒南縣和臨沭縣位于蘇魯造山帶的膠南-威海隆起區(Ⅱ)，二者被沂沭斷裂帶分開(圖1)。全市共分為魯中隆起(Ⅱa)、沂沭斷裂帶(Ⅱc)、膠南隆起(Ⅳc)3個三級單元，又細分為12個Ⅳ級單元和23個Ⅴ級單元[3]。

(1)沂沭斷裂帶

是郯-廬深大斷裂在山東部分的稱謂，它從郯城入界，大致沿臨沂市中東部的沂河、沭河分布，走向NE 10°～25°，由4條主干斷裂組成，從西至東依次為鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂、安丘-莒縣斷裂、昌邑-大店斷裂，四條主干斷裂形成“兩塹夾一壘”的構造格局，形態上南窄北寬，是該地區的主干大斷裂，對兩側的主要構造、沉積作用、巖漿活動、地形地貌都起著明顯的控制作用[4]。

(2)NW—SE向斷裂

多分布于沂沭斷裂帶西側，由北至南的主要斷裂有：沂水-沂源斷裂、姚店子-崔家峪斷裂、沂南-馬牧池斷裂、銅冶店-孫祖斷裂、新泰-蒙陰斷裂、蒙山斷裂、蒼山-尼山斷裂、嶧城斷裂。均呈NW—SE走向。

(3)NE—SW向斷裂：主要分布于沂沭斷裂帶的東側，大至平行于沂沭斷裂，主要斷裂有莒南斷裂、相邸-高閣莊斷裂等。

1.4 區域地熱地質背景

臨沂市大部分地區為花崗巖、灰巖、砂頁巖裸露區，地增溫梯度在2.3～2.7℃/100m間，地溫異常區可達3℃以上。

該地區溫泉水多在28～75℃，屬中低溫型熱礦水，地熱流體類型多為Cl-Na·Ca，Cl·SO4-Na，Cl·HCO3-Na·Ca，氟、偏硅酸含量高是主要特征，礦化度多在0.6～3.8g/L，pH一般在7.0～8.5之間。

根據地熱形成的4個條件“儲、蓋、通、源”[5]，該地區可成為“熱儲”層的巖層，以深埋于斷陷盆地內的太古代花崗巖裂隙、中下寒武紀的砂巖、灰巖裂隙及中生代火山巖裂隙為主；“蓋層”以為中生代的砂(礫)巖、火山凝灰(角礫)巖為主；斷裂構造為主要通道，或以人工井鑿通；“水源”以大氣降水為主要補給源，經遠距離深循環后形成熱水資源；“熱源”則以深大斷裂溝通大地深部，通過熱傳導形成熱源，該地區可溝通深部熱源的斷裂主要有“沂沭斷裂帶”的四條斷裂，及NW向的蒙山斷裂、銅冶店-孫祖斷裂、蒼山-尼山斷裂、嶧城斷裂。特別是“沂沭斷裂帶”自中生代以來構造活動十分頻繁，新構造運動明顯，伴有巖漿侵入和火山噴發，形成“兩塹夾一壘”的構造格局。大地電磁測深資料表明，上述四條斷裂均切穿地殼，深達上地幔。其莫霍面埋深33～34km，而魯西為34～38km,魯東為32～34km[6]，存在地幔隆起，是大地熱流高值區，其熱流平均值在67.67mW/m2，高于其他地區。

2 溫泉(井)介紹

目前，臨沂市共有地熱泉(井)20余眼，分布在12個縣區(表1)。

表1 臨沂市地熱溫泉(井)統計

從地質構造上看，地熱井多沿大的構造斷裂分布，特別是沿沂沭斷裂帶分布較多，水溫水量也較好，如銅井地熱井、湯坊崖地熱井、湯頭溫泉等，以西、以東地熱井分布較小，水溫水量也較差。其他如沿蒙山斷裂分布邢家莊地熱井、薛莊地熱井、汪家坡地熱井。

按其發現過程可分為3類，一類是自然形成，如湯頭溫泉，自然出露于湯河邊(由于近年水頭下降，現已轉為井采)，已有兩千余年的利用史；第二類為生產中無意發現的，如張莊松山溫泉井、銅井溫泉井、汪家坡溫泉井，是人民在工作、生產中偶然打出的地熱井，其井深一般較淺(小于300m)；第三類是地質工作者通過地質勘探發現的，如湯坊崖地熱井、白塔地熱井、新村地熱井等，其井深較大，一般在1800～2300m不等(除一、二類的4眼泉(井)外,其余地熱井均屬第三類)。

20余眼溫泉(井)中，水溫、水量較好的有7眼，分別處在河東區(湯頭溫泉、湯頭知春湖地熱井、湯坊崖地熱井、白塔地熱井)、沂南縣(張莊溫泉、銅井溫泉)和郯城縣(新村地熱井)。

近年來，臨沂發揮獨特的地熱資源優勢，突出地熱資源特色，大力發展溫泉療養、溫泉旅游、溫泉休閑、溫泉文化產業，現已建成河東湯頭、沂南銅井、沂南松山、沂水許家湖、郯城新村、平邑汪家坡6個溫泉開發利用示范區。

3 主要溫泉(井)成熱機制簡介

臨沂市現有地熱泉(井)均屬斷裂帶狀分布的構造控熱型地熱田，熱源多為深部熱流的向上傳導。熱儲多為深埋地下的灰巖裂隙或基巖裂隙，蓋層多為寒武系砂頁巖，或白堊系凝灰巖、砂礫巖。地下水沿斷裂深循環對流，吸收深部巖體中的熱能成為地熱水。地熱水再通過斷裂或鉆孔溝通至地面，形成可利用的溫泉水。

3.1 湯頭溫泉

湯頭溫泉自然出露于湯頭鎮湯河的左岸邊、湯山下(古火山口)，具有2600多年的歷史，公元前86年即已建村，漢昭帝時封劉安國為溫水侯，因處湯水源頭，故名“湯頭”。北魏水文學家酈道元的《水經注》有“湯泉入沂”之說，《沂州府志》將“野館湯泉”列為“瑯琊八景”之首。其形成于鄌郚-葛溝斷裂與沂水-湯頭斷裂之間的地塹內(蘇村凹陷)，控熱斷裂為湯頭-鄭家莊斷裂，走向55°，傾向NW，傾角較陡約70°，斷裂帶寬80m左右，略呈弧形，斷裂兩盤均為白堊紀安山巖。目前水溫在60℃左右，水量500m3/d。

其形成機制為：鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂溝通深部熱源，湯頭-鄭家莊斷裂的張性裂隙起到了地下水富集形成熱儲和溝通地面的作用。大氣降水在補給區垂直入滲地下后，沿構造裂隙向湯頭方向深循環徑流，并沿途加熱進入地熱田后，在湯頭-擲家莊斷裂南盤的阻隔下，沿構造破碎帶水位迅速抬升，于有利部位出露排泄，形成了古老的湯頭溫泉(圖2)[注]山東省地質環境監測總站,臨沂市河東區湯頭鎮地熱資源調查與評價報告。。

1—灰巖；2—砂巖；3—安山巖；4—片麻巖；5—溫泉；6—地熱水開采井群圖2 湯頭地熱地質構造略圖

3.2 白塔地熱井

白塔地熱井深2030m，0～295m為白堊紀八畝地組安山質角礫巖；295～945m為侏羅紀三臺子組粉砂巖；945～1950m為灰黑色安山玢巖；1950～2036m為灰白色、肉紅色二長花崗巖。其熱儲為砂巖、安山巖構造裂隙，控熱構造為白塔-徐家五湖斷裂，走向68°，傾向SE，傾角72°～85°，為正斷層。斷裂東端止于汞丹山斷凸，將沂水-湯頭斷裂左行錯斷，錯距約1000m；西端延伸至鄌郚-葛溝斷裂。開采水溫49℃，可采量280m3/d。

白塔地熱井的成熱機制與湯頭溫泉相似，所處位置也是在鄌郚-葛溝斷裂與沂水-湯頭斷裂形成的地塹中部，控熱斷裂走向均為NE—SW，但一個傾向NW(湯頭溫泉)，一個傾向SE。大氣降水在補給區垂直入滲地下后，存貯于白塔-徐家五湖斷裂的構造裂隙中，鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂溝通深部熱源，通過熱傳導，形成地熱水資源。

3.3 湯坊崖地熱井

湯坊崖地熱處在沂河東岸，井深1800m，17～947m為新近紀官莊組石灰質膠結礫巖，947～1187m為白堊紀青山群安山巖，太古界泰山巖群花崗變質巖，其熱儲為花崗變質巖斷裂破碎帶裂隙，控熱構造為鄌郚-葛溝斷裂和蒙山斷裂。其水溫52℃，可采量300m3/d。

湯坊崖地熱井在大地構造上處在鄌郚-葛溝斷裂與蒙山斷裂交會處，此兩條斷裂均是該地區較大的深大斷裂，起到了溝通深部熱源作用，斷裂交會處的裂隙利于地下水的富集。

3.4 銅井地熱井、松山地熱井

2個地熱井均是農民為生活、生產用水無意中打出的，兩井南北相距約15km。在構造上，兩井均處在鄌郚-葛溝斷裂的西側(分別相距約2km和8km)(圖3)。

1—第四系；2—白堊系；3—奧陶系；4—寒武系；5—斷裂；6—地熱井圖3 銅井、松山地熱井區域構造圖

銅井地熱井深258m，水量737m3/d，水溫72℃，為上升泉；其熱儲為帶狀兼具層狀，為隱伏于銅井巖體下的中、下寒武系地層，巖性以大理巖、灰巖為主。蓋層為銅井巖體，巖性為閃長巖、閃長玢巖?？責釘嗔褳殂~井斷裂，斷裂走向NW—SE，傾向NE，傾角75°。銅井地熱井位于銅井斷裂東端與銅井-松山斷裂及鄌郚-葛溝斷裂的交會處，此處破碎帶較發育，利于地下水的富集，后兩條斷裂則起到阻水和溝通深部熱源作用[9-11]。

松山地熱井處在銅冶店-孫祖斷裂與銅井-松山斷裂交會處，井深280m，水量1200m3/d，水溫51℃，為上升泉。蓋層為李官組的泥巖、砂巖，熱儲層為二長花崗巖破碎帶?？責釘嗔褳殂~冶店-孫祖斷裂，走向NW,傾向NE，傾角大于80°；銅井-松山斷裂，北起銅井地熱田，南至松山，NE走向，分布于寒武系地層中，斷裂近直立，為一阻水斷裂。銅冶店-孫祖斷裂是一條規模較大的區域深大斷裂，總長約21km，略呈弧形展布，走向NW,主要傾向SW,傾角60°～78°，局部傾向NE，推測是在基底構造的基礎上發展而來，其力學性質受到沂沭斷裂帶左行活動影響較大。松山地熱井的成熱機制為，地下水沿銅冶店-孫祖斷裂由西向東徑流過程中，經深循環而受熱，遇銅井-松山斷裂的阻隔而富集上升。

3.5 新村地熱井

新村地熱井處在沂河東岸，東距鄌郚-葛溝斷裂約8km，井深1897m，水量約1249m3/d，水溫52℃。0～640m為白堊紀砂巖、安山巖；640～1800m為寒武紀頁巖、灰巖、白云巖；1800～1870m為震旦紀佟家莊組砂巖；1870～1897m為老基底二長花崗巖。熱儲為佟莊組的砂巖構造裂隙，控熱構造為嶧城斷裂。

3.6 西高都地熱井

該井處在鄌郚-葛溝斷裂附近，井深2501m，水溫40℃，水量136.32m3/d。蓋層為第四系和白堊系青山群八畝地組，熱儲為奧陶-寒武系灰巖、白云巖巖溶裂隙及斷裂破碎帶。其控熱構造為鄌郚-葛溝斷裂西側的NW向次級構造。地下水沿巖層傾向或構造裂隙帶由西向東進行徑流，經大地熱流深循環加熱后形成地熱水，在巖溶裂隙和斷裂破碎帶中儲集，呈層狀兼帶狀熱儲。

4 成熱機制規律性初探

通過對以上水溫、水量較好溫泉(井)的成熱機制分析，可發現該地區溫泉(井)的一些共性特點：

(1)地下水補給。溫泉(井)的地下水補給多沿NW—SE斷裂，由NW向SE深循環徑流補給，此主要受到當地構造格局的影響(臨沂市在構造上多為NW向的凸起與凹陷相間分布)。

(2)控熱斷裂。沂沭斷裂帶內部，以NE—SW向斷裂為主(湯頭溫泉的湯頭-鄭家莊斷裂、白塔地熱井的白塔-徐家五湖斷裂)；沂沭斷裂帶以西，以NW—SE深大斷裂以主(銅井地熱井的銅井斷裂、松山地熱井的孫祖斷裂、新村地熱井的嶧城斷裂)。

(3)熱源以深大斷裂溝通深部熱源，向上熱傳導為主。主要體現在沂沭斷裂帶之鄌郚-葛溝斷裂、沂水-湯頭斷裂，以及NW—SE向的銅冶店-孫祖斷裂、新泰-蒙陰斷裂、蒙山斷裂、蒼山-尼山斷裂、嶧城斷裂上。

(4)大部分水溫、水量較好地熱井均處在沂沭斷裂帶之沂水-湯頭斷裂以西。

(5)水溫、水量較好溫泉(井)的控熱斷裂均為張性斷裂或張扭性斷裂(湯頭溫泉、白塔地熱井)，或處在兩條深大斷裂交會處(湯坊崖地熱井、銅井地熱井)。

(6)大部分控熱斷裂的傾角均較大(大于70°以上)。

(7)大部分水溫、水量較好溫泉(井)均位于凹陷區內(湯頭溫泉、湯坊崖地熱井、白塔地熱井位于蘇村凹陷內，新村地熱井位于馬頭凹陷)。

(8)傾向NE、NW的控熱斷裂出水量要好于傾向SW、SE的斷裂。如湯頭溫泉與白塔地熱井，銅井地熱井與湯坊崖地熱井。

5 找熱方向探索

受太平洋板塊向NWW擴張及印度洋-澳大利亞板塊向北運動的影響，山東目前的最大主應力σ1方位為70°～80°，大小51.5MPa；最小主應力σ3方位為340°～350°，大小33.9MPa。造成沂沭斷裂帶現階段表現為“左旋壓性扭動”。造成沂沭斷裂帶內部斷裂處在擠壓狀態(在南端郯城段表現尤為強烈)，此總體上不利于地下熱水在斷裂帶內的運移和富集。

沂沭斷裂帶以西的斷裂多呈NW—SE走向，力學性質各不相同，但受沂沭斷裂帶“左旋壓扭”強烈影響，其東端走向明顯向北偏移，部分地段表現出張性斷裂性質，較利于地下水沿NW向斷裂向東運移，并遠距離深循環，通過鄌郚-葛溝深大斷裂的阻隔及溝通深部熱源，地熱水得以富集于斷裂交會處的裂隙中，從而形成溫泉或地熱資源。

通過以上大地構造分析，結合該地區地熱形成規律。該文認為，臨沂地區具備較好找熱前景的靶區應位于沂沭斷裂帶與NW向深大斷裂交會處。具體位于沂南至郯城，沿鄌郚-葛溝斷裂附近的狹長地帶。此地帶受沂沭斷裂帶的影響，幾條大的NW向斷裂的東端表現為張扭性質，如姚店子-崔家峪斷裂、沂南-馬牧池斷裂、銅冶店-孫祖斷裂、新泰-蒙陰斷裂、蒙山斷裂、蒼山-尼山斷裂、嶧城斷裂，在與鄌郚-葛溝斷裂交會附近張性裂隙較發育，有利于地下水的深循環、富集形成熱儲構造。此外，受沂沭斷裂活動的影響，這些斷裂與鄌郚-葛溝斷裂交會處多處在凹陷區，如平邑凹陷的東端、馬頭凹陷、蘇村凹陷等，其上覆蓋有較厚的白堊紀凝灰巖、砂礫巖，從而形成熱儲蓋層，均有利于地熱資源的形成。

6 結論

臨沂地區地熱資源的分布是有一定的規律可尋的。以沂沭斷裂帶的“左旋壓性扭動”構造特點及地熱形成的4個條件，臨沂地區地熱資源主要分布于沂沭斷裂帶與NW向深大斷裂交會處。根據這個成熱規律，未來找熱工作有利靶區應置于2個地方：①平邑凹陷東端靠近鄌郚-葛溝斷裂附近，特別是蒙山斷裂與鄌郚-葛溝斷裂深部交會附近；②馬頭凹陷靠近鄌郚-葛溝斷裂附近，特別是尼山斷裂、嶧城斷裂與鄌郚-葛溝斷裂交會附近。

受燕山晚期火山運動的影響，以上凹陷靶區上部覆蓋有較厚的火山角礫巖、火山凝灰巖及安山巖巖體，深部還埋藏有寒武系、奧陶系的砂巖、灰巖、白云巖及花崗巖，以上巖體的裂隙均可成為地熱水的熱儲層。在實際工作中，熱儲層的電性會因圍巖的不同而各異，特別是與白堊系地層的電性差異性較小，加之凹陷區內地層分布的不規律性，都給地熱勘探定井增加了困難，還需要地質工作者發揮智慧、努力探索，付出更多的辛勤才智，才能探尋出更多地下資源。

致謝：該文在寫作過程中，得到山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊肖丙建研究員、葛君星工程師、祝麗媛工程師提供的幫助，在此深表感謝。