臨沂市沂沭斷裂帶地熱地質條件及熱儲特征

喬海霞，劉連，高善樸，李佳，楊水旺

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

0 引言

能源和環境是當今人類面臨的兩大問題(楊本固和朱偉，2019)。地熱資源是一種潔凈無污染、可供直接開發利用的寶貴天然資源，開發利用前景廣闊，具重大經濟和環保意義(張誠等，2014①；陳懷玉等，2020；付榮欽等，2022)。研究區隸屬山東省臨沂市，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，地理極值坐標為：東經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域，地熱資源豐富。諸多學者(田潔等，2009；王強等，2013)對沂沭斷裂帶地熱地質條件做了較多研究。本文通過系統分析研究，依據地熱地質條件對沂沭斷裂帶熱儲進行了系統分區，總結了各分區地熱地質特征及地熱分布規律，建立了熱儲概念模型，概略估算了典型地熱田資源量。旨在為區內地熱資源的勘查和合理開發利用提供依據。

1 區域地質背景

研究區處于沂沭斷裂帶中、南段，區域地質演化受到該區內斷裂構造帶的強烈控制，經歷了復雜的沉積、巖漿、變質、構造等地質事件，形成了一套較為完整的巖石和構造體系，為地熱資源的形成提供了有利的地質條件(郭士昌等，2009；李付全，2011；劉貴增等，2012；韓昱等，2018)。

1.1 地層

區內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、奧陶系區內廣布，厚度約1350 m，在厚層灰巖處，巖溶裂隙發育，富水性較好，是地熱資源形成較佳層位；奧陶系地層厚度約813 m，巖溶極為發育，是本區主要供水地帶，也是地熱資源賦存區段。

中生界地層系統非常復雜，尤其是白堊系地層，厚度一般大于780 m，巖相復雜，相變頻繁，由于火山噴發攜帶了地殼深部熱源向淺部運移，對地熱資源形成有利；新生界比較發育，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，是本區主要的蓋層。

1.2 構造

區內斷裂構造較為發育。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)，表現形態呈南窄北寬的喇叭形，將臨沂市大地構造切割為華北地臺魯西、魯東地塊兩個Ⅱ級大地構造單元(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；二是屬于魯西旋鈕構造體系的一套弧形斷裂，由收斂部位向西北撒開，橫穿本區，區內自北向南主要有九山斷裂、韓旺—沂水斷裂、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 區域斷裂帶地質構造簡圖(據張誠等，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—復向斜；7—背斜；8—地質界線

1.3 巖漿巖

區內巖漿活動劇烈，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，均成了該區地熱資源的豐富熱能(方寶明，2006；劉貴增等，2012；王貴玲等，2020)。

區內以中生代侵入巖占絕對優勢，大面積分布在沂沭斷裂兩側以及北西向斷裂帶附近，巖性以中酸性為主，多處溫泉在此沿區域性斷裂展布，明顯受斷裂控制。尤其當其巖漿侵入到大理巖層位時，其地熱資源更為豐富，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，是臨沂市地熱資源豐沛的最重要地質條件之一。

1.4 熱流特征

區內存在一條北北東走向的梯度遞變帶，往南逐漸閉合。其特點出現封閉式小串珠狀高值區，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大地熱流平均值(61 mw/m2)水平(江海洋等，2018；曹艷玲等，2021)。大地熱流分布存在一定規律性，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，約在44.9～50.2 mw/m2之間；區內相對高值異常帶為東側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 沂沭斷裂帶及鄰區熱流值(據張誠等，2014①修改)

臨沂市地熱泉、井主要分布在區內隆起或梯度帶內。居里面深度梯度帶，常與現代活動構造相對應，地熱傳導速度快，容易在地殼儲集較高的熱能，因而形成地熱。

沂沭斷裂帶深切地幔，是一條主要的導、儲熱構造，易于為地殼深部地熱提供構造條件，在斷裂及構造周圍形成地熱異?；蚋邿崃鲄^。該區為熱流等物理特性呈現熱條件相對較好的地熱資源地區。

1.5 水文地質條件

區內水文地質條件明顯受地形、地貌、地層、大氣降水等條件制約，同時受大地構造的控制。全市劃分為以下三大水文地質區：

(1)沂沭斷裂帶以西中低山丘陵水文地質區。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和大泉的主要出露區。區內主要含水層由古生界奧陶系和寒武系灰巖、白云質灰巖、泥灰巖組成，厚度大、分布廣，其巖溶裂隙發育，彼此連通，為地下水提供了充裕的賦存空間。區內地下水埋深2～15 m，年變幅1～5 m。集中開采區，地下水埋深、變幅變化較大，局部形成降落漏斗，水質較好，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區。區內以裂隙水為主，主要賦存在風化裂隙中。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，裂隙發育密集、細小、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，水質良好，多為HCO3—Ca、HCO3·Cl—Ca型水，礦化度一般小于1 g/L。

本區地勢較高，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。

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，還有地表水排泄滲透和地下徑流補給，地下水由北向西南、東南方向運動，在構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。在構造帶的坳陷(地塹)地區，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斷裂的攔截上升，于湯頭村西出露成為溫泉。

(3)臨郯蒼平原水文地質區。本區主要由河流沖積、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。區內地下水埋深1～4 m，水位年變幅1～3 m。地下水水質較好，地下水類型一般為HCO3—Ca型，礦化度小于0.5 g/L。

2 地熱地質條件

2.1 地熱成礦條件

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。研究區內汞丹山地壘最為復雜，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熱田。

郯城凹陷內白堊系廣布，蓋層厚度加大，深部熱儲埋深過大，淺部地熱異常不明顯，僅在馬陵山區新構造運動強烈。在成熱條件方面明顯遜色于中段(圖3)。

圖3 研究區構造位置圖(據張誠等，2014①修改)1—昌維凹陷；2—汞丹山地壘；3—郯城凹陷；4—地熱田；5—主干斷裂；6—新生帶盆地；7—中生代地塹；8—研究區

2.2 成因模式分析

區內地下水補充源主要為大氣降水，其次為地表徑流補給。區內不同走向斷裂縱橫交錯，構造裂隙發育，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、運移和深循環提供了空間。

沂沭斷裂帶以西裂隙巖溶水在西部地區接受補給后，沿魯西旋扭構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，經地溫加熱后，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，形成淺部地熱異常和熱礦水自流。

沂沭斷裂帶內白堊系廣布，次級斷裂構造發育，西、北、東三面地下水向南徑流，進行深循環加熱，沿巖體底部或通過近南北向斷裂破碎帶繼續向南運動，當受巖體或斷層阻擋時，在奧陶系灰巖凸起帶或斷裂復合部位富集。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，形成淺部地熱異常區或溢出地表。

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、西兩側為主。西側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；而另一部分則越過鄌郚—葛溝斷裂進行深循環，補給地塹內地下水，由于地塹內蓋層較厚，地下水在地塹內形成盲區，于深部富集，富集區受熱儲埋深的制約；東側補給區為汞丹山凸起區，由于分布大面積的前寒武系變質巖，裂隙發育深度淺，難以形成深循環徑流，地下水運移至沂水—湯頭斷裂東側時，即溢出地表成泉，由于地下水循環深度淺，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，故東側之地下水越過沂水—湯頭斷裂形成地下水深循環徑流的量極小。這也是沂水—湯頭斷裂兩側未發現地熱露頭的主要原因。

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，但由于兩側補給區均以變質巖和巖漿巖為主，地下水循環深度淺，故多以淺層地下水徑流及泉的形式進行排泄。至目前未發現地熱露頭。沂沭斷裂帶以東地區，以太古代變質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—寒武系灰巖；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。地熱儲分布受斷裂構造控制明顯，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、奧陶系灰巖、砂巖以及中生界白堊系和新生界古近系安山巖、砂礫巖中的構造裂隙、風化裂隙以及巖溶裂隙中。地層結構和斷裂構造是研究區形成地熱的主要控制因素，區內地熱儲既有斷控型，也有深埋型。根據區內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，該熱儲是本區淺部熱儲層，以河湖相沉積為主，一般厚約350～785 m，巖性以泥灰巖、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，由于巖性結構相對致密，孔隙、裂隙不發育，具有較好的隔熱保溫性能，一般作為深埋型熱儲的蓋層。但當在構造有利部位時，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巖、寒武系張夏灰巖、朱砂洞灰巖、震旦系佟家莊組薄層灰巖巖溶熱儲；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，熱儲具有點狀、帶狀兼層狀的特征，其分布受斷裂的嚴格控制，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

區內地熱儲受大地構造部位的嚴格控制。依據地層結構及構造位置將區內地熱儲大致可劃分為7個區段(圖5)，其中鄌郚—葛溝斷裂以西熱儲區(I區)根據該熱儲區的巖性特征及熱儲埋藏條件又分為4個亞區：即蒙山斷裂以北熱儲區、平邑—方城盆地東端熱儲區、臨沂城區及臨沂單斜熱儲區和馬頭—重坊熱儲區。區內有典型地熱田分布，如蒙山斷裂以北熱儲區內典型地熱田包括沂南銅井地熱田及沂南松山地熱田；馬站—蘇村地塹熱儲區內地熱田主要有湯頭地熱田及許家湖地熱田；臨沂城區及臨沂單斜熱儲區內分布有北城新區地熱田。

圖5 研究區內熱儲分區圖(據張誠等，2014①修改)1—地熱異常；2—地熱井；3—已知斷裂；4—熱儲分區及編號；5—城鎮

地熱水形成需具備熱源、通道、熱儲、蓋層四要素，現將各個區段熱儲特征分述見表1。

表1 熱儲分區熱儲特征一覽表

2.5 地熱異常分布規律

(1)次級張性、張扭性斷裂與主干斷裂交匯處。大地熱流值異常高值往往分布在深大斷裂活動帶(張維等，2020)。區內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絡狀，沂沭斷裂帶兩側的地熱出露點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模的火山口附近，及潛火山侵入作用下的圍巖蝕變帶是地熱出露的有利地段。如馬站—蘇村地塹內和地塹西側，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熱異常區。

(3)蓋層厚度理想、具有深埋型灰巖熱儲的部位。沂沭斷裂帶是一條高溫異常帶，沿斷裂帶因地質條件的不同，地溫有所起伏，斷續出現高溫地帶。沂沭斷裂帶的馬站—蘇村地塹內，鄌郚—葛溝斷裂兩側局部地段，尤其沂水縣城到河東湯頭地段具備此類條件，可能有比較豐富的地熱資源。但據臨沂城區附近施工的地熱井看，地熱增溫率低于正常值，未顯示出高溫異常。

3 地熱資源量

根據熱儲分區及特征，建立典型地熱田熱儲概念模型(圖4)，依據規范，采用熱儲法計算已備案地熱資源量(2014年)見表2。

表2 沂沭斷裂帶區內地熱資源量一覽表

4 結論

(1)研究區地熱成礦地質條件優越，沂沭斷裂帶地區是臨沂市地熱資源分布區的主要組成部分。該地區地層、構造及巖漿巖的分布，形成了一套有利于地熱資源形成的較為完整的巖石和構造體系，為熱流特性相對較好的地熱資源地區。

(2)沂沭斷裂帶地熱儲受地層結構和斷裂構造等主要因素控制，其熱儲類型根據區內地層巖性的分布及埋藏條件分為“新生代古近系熱儲(本區淺部熱儲層)、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)沂沭斷裂帶地區地熱資源豐富，地熱田數量多、熱儲存量大，經濟效益可觀。

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熱資源調查報告[R]. 濟南:山東省第一地質礦產勘查院.