分类：建筑论文 时间：2021-09-24 热度：265
摘要：日照东部地区具有较好的地热成矿条件及地热找矿前景。研究地热资源的成因、分布规律，对寻找地热资源具有重要的指导意义。本文在介绍日照东部地区地热资源分布特征和赋存规律的基础上，结合地热勘查及施工的成功经验，针对日照东部地区特殊的地热地质条件，采用可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、电磁测深(VES)等方法对典型地热勘查区断裂构造特征及富水性进行解译，并确定地热井位，通过钻探施工及岩矿测试研究地热水成因。结果表明：日照东部花岗岩地区地热资源主要分布在NE向、NNE向及NW向断裂交会带附近，为断裂控制的深循环对流型带状地热资源，热储分布主要受断裂控制;勘查定井宜选择在2条或多条断裂的交会处;可控源音频大地电磁测深对断裂深部发育特征及裂隙含水情况反映明显，可作为花岗岩地区地热勘查定井方法;氢氧同位素检测结果反映研究区内地热水为大气降水补给，补给区为周边山区就近补给，沿断裂入渗循环，吸收热量形成地热水，循环距离不大。
关键词：地热资源;勘查定井方法;CSAMT;补给来源;日照东部地区
0引言
地热能是一种无污染、绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有蕴藏量丰富、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源[1]。地热水可用于洗浴、理疗、养殖、供暖、工业和农业温室等[2]，对调整能源结构，节能减排，改善环境具有重要意义，对培育新兴产业，促进新型城镇化建设，增加就业具有拉动效应，是促进生态文明建设的重要举措。
鲁东地区地热露头较多，地热异常明显，地热资源丰富。日照地区裂隙型带状热储勘查开发风险高、投入大、施工难度大，深入研究断裂构造发育规律及其与地热赋存的关系，对裂隙型带状热储地热资源的成因机制、赋存特征进行综合研究，确定热储来源、导热导水构造特征以及补给来源，揭示日照地区地热资源的生成、赋存及运移规律，评价地热资源潜力，为今后地热找矿确定正确的勘查方向，有目的、有计划地开展地热资源勘查工作，改善地方投资环境，带动地方经济的可持续发展起着重要的作用。
近年来，电磁法作为一种主要的物探方法已成功应用于地热勘查工作中[3]。但进行深部地热资源勘探时，需在常规物探方法的基础上，引用新的技术方法———可控源音频大地电磁测深(CSAMT)，该方法探测深度大，抗干扰能力强、具有分辨率高、地形影响较小、地电信息丰富、资料信噪比高、适应环境能力强等特点，可最大程度地提高深部定井的准确度[49]。多处已施工的地热井表明，可控源音频大地电磁测深是深部地热资源勘查较适宜的方法，适用于郊外或障碍物较少的地段。日照地区特殊的地热地质条件导致在地热勘查实践中定井多次失败，造成较大的经济损失。因此，有必要对日照花岗岩地区地热资源分布规律、地热成因及勘查定井方法进行研究，以减少地热资源勘查的风险及损失，提高地热钻井的成井率，指导地热资源勘查开发提供科学依据，提高清洁能源在能源结构中的占比，达到节能减排的目的。
1区域地质概况
日照东部地区位于沂沭断裂带以东，区内岩石主要由侵入岩、变质岩组成，地层缺失较多。以沂沭断裂带为界形成了鲁东、鲁西2个不同的构造块体，在地层、构造、岩浆岩等方面显示出极大的不一致。由老至新，太古界、元古界、古生界、中生界和新生界均有大面积出露。断裂构造主要以NE向断裂为主(图1)[10]。
2地热分布规律
通过对已收集资料的分析研究表明，鲁东地区带状裂隙型地热资源分布具有一定的规律性，已成井的地热井均在断裂构造裂隙带内(图1)，属于基岩裂隙深循环对流型地热系统，分布在2组以上断裂交会部位，特别是凹陷区边缘的2组以上断裂交会部位，主要导热构造断裂为NE向断裂，导水断裂通常为NW向断裂[1114]。推断补给来源为大气降水，地热田具有一定的汇水面积，通常在一条河流的流域内，热储类型为带状热储，热储岩性为安山岩、闪长岩和花岗岩类，传热方式主要为构造对流热，盖层为厚度小于50m的第四系松散沉积或无盖层(图2)。
结合已有资料表明，日照地区地热水的成因是大气降水在地势较高的低山丘陵区降落，沿区域断裂带或不同岩体接触带流向大地深部，在导水断裂与导热断裂交会处进行水热对流，形成局部的热异常。
3勘查定井方法
分析日照东部区域已有的地质、构造、水文地质、地热地质等方面的资料，根据日照地区地热资源的地质条件及分布规律，圈定可能存在地热资源赋存条件的区域，然后采用可控源音频大地电磁测深、视电祖率电磁测深等方法对圈定的存在地热成热条件的重点区域进行深部断裂构造及富水性探测，通过地热钻探验证地球物理勘探解译成果，最后通过岩矿测试分析地热流体的成因及补给来源，从而确定日照地区地热勘查定井较适用的方法。
3.1区域地质资料的搜集和分析
日照东部地区地热资源的埋藏分布大多受构造断裂控制，广泛搜集区域地质构造资料及已有水文地质、地热地质的勘查资料，进而确定勘查区所处地质构造部位，基底埋藏特征、地层岩性特征、地热水储存和运移特征等，为下一步地热勘查工作提供科学依据。
3.2地热地质调查调查
研究区的地层及岩性特征，地质构造、岩浆活动与新构造运动情况，分析地热勘查区地热形成的地质构造背景，调查勘查区地表热异常分布特征及与构造的关系，圈定可能赋存地热资源的构造断裂位置。
可控源音频大地电磁测深综合了普通电阻率法和激发极化法的优势，利于解决较大深度的地质问题，如寻找隐伏金属矿、油气构造勘查、推覆体或火山岩下找煤、地热勘查和水文工程地质勘查等，均取得了良好的地质效果。
3.3地球物理勘探
对圈定的断裂构造位置，采用可控源音频大地电磁测深、视电阻率电测深等方法，针对性地布置可控源大地电磁测深剖面，准确判定断裂构造产状、展布特征及地层富水情况，最后选择布井有利部位。
3.4地热钻探
地热钻探是地热勘查中最直观、最准确有效的方法，但因投资较大，工作量受到限制。因此，地热钻孔施工前要综合分析所有相关资料，结合物探解译成果，精心编制地热钻孔施工设计，钻探过程中应尽量开展各种样品采集、测试及试验工作，获取最多的地热地质信息。
3.5岩矿测试
测定地热流体中的常规离子成分、微量元素及氢氧同位素，通过分析研究测试结果，确定地热流体的水化学类型、地热流体成因及补给来源。
4地热勘查成果
4.1五莲县松柏镇地热资源勘查
该勘查区位于五莲县松柏镇，地貌类型为剥蚀丘陵区，地形呈西高东低之势。出露岩性主要为震旦纪和燕山期花岗岩，冲沟附近分布少量残坡积含砾粉质黏土，区内发育NE向和NW向2组断裂。主要导热断裂为NE向松柏小王疃断裂，是本次勘查的主要靶区，该断裂走向15°～30°之间，倾向SE，倾角在70°～80°，为压扭性断裂，后期经物探解译该断层地下延伸较深，形成较好的导热通道。NW向松柏叩官断裂，走向NW307°左右，倾向NE，倾角80°左右，为张性断裂，东段大部分被第四系冲洪积覆盖(图3)。
为查明这2条断裂的情况，选择可控源音频大地电磁测深法进行深部构造物探，发现L2剖面线在桩号2000～2280位置，深度1700m以深，视电阻率等值线相对低阻，视电阻率值小于5000Ω·m，为松柏叩官断裂及F5断裂交会部位，推断该位置岩石破碎，富水性较强(图4)。拟设地热井附近有一测温井，井号ZK1，井深350m，涌水量25.142m3/h，井底水温26.7℃，地温梯度为3.61℃/100m，地热显示异常，以此推算在井深2000m时，热储温度可达88.60℃①。
松柏1号井完井深度1570m，在1524m处钻遇松柏叩官断裂，井底温度87.12℃，涌水量2645.76m3/d，水温75℃，地热水允许开采量为1486.08m3/d(54.24万m3/a)，年累计可利用热能2.362×107MJ(按地热水温75℃计)，折合标准煤8059.34t/a;根据水质分析结果，松柏1号井地热流体氟含量为7.50mg/L、偏硅酸含量为145.73mg/L，二者含量已达到国家命名矿水浓度，可命名为氟水、硅水，具有较高的医疗价值，可作为理疗热矿水开发利用②。
4.2日照市东港区三庄镇地热资源勘查
该勘查区位于日照市东港区三庄镇以北龙门崮风景区内，地貌类型为剥蚀丘陵区，总体地形呈SW—NE向，中间高，四周低。地层岩性为白垩纪安山岩，岩浆岩为燕山晚期埠柳序列凤凰山单元石英二长岩(图5)，断裂以NE向压扭性断裂和NW向张性断裂为主，多条断裂在该处交会。选择视电阻率电磁测深和可控源音频大地电磁测深法进行深部构造物探。
在可控源音频大地电磁测深法L7线桩号1600～2000浅部相对两侧呈现低阻反映，深度800m以浅区域视电阻率100～1200Ω·m，等值线梯度变化，结合地质资料，推断F4和F5断裂构造在该区域交会引起，F4断裂倾向NE，倾角约为75°，F5断裂倾向NE，倾角约为70°;桩号2100～2120，深部500～2000m位置，视电阻率约为400～2000Ω·m，呈现低阻异常，推测为F4、F6断裂在深部交会引起(图6)。
在视电阻率电磁测深D1剖面线桩号1600～2000浅部相对两侧呈现“V”字型异常反映，在深度600m～1200m范围内，等值线较密，整体梯度变化较大，结合地质资料，推断F4和F6断裂构造在该区域交会引起，F4断裂倾向NE，倾角约为75°，F6断裂倾向NW，倾角约为70°。桩号1600～1800浅部视电阻率梯度变化较大，结合已知资料，推断F5断层的电性反映，倾向NE，倾角约为70°，深部与F6交会(图7)。
首先施工测温孔CW1，在井深480m时钻遇F4断裂，最终成井深度703m。涌水量21.63m3/h，井底温度28.10℃，地温梯度达2.11℃/100m，由此推测，LDR1地热井在井深2000m时，井温度可达50℃左右。
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LDR1井完井深度2010.60m，井底温度57.12℃，出水量720m3/d，出水口水温40℃，地热流体中氟(4.15mg/L)，依据现行《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)附录E中“理疗热矿泉水水质标准”，达到命名矿水浓度，具有较高的医疗价值，可作为洗浴、疗养用水或在医生指导下进行理疗保健。
4.3日照市东港区陈疃镇地热资源勘查
该勘查区位于日照市东港区陈疃镇北1km，地1—推断断层图7LDR1井D1电测深视电阻率断面图貌类型为低山丘陵区，地形总体呈南高北低，中间为一较宽阔的冲沟。地层上部为第四纪粉质黏土，下部有花岗岩侵入。研究区内发育NE向、NW向2组深大断裂，分别为F1、F2、F4断裂和F3断裂(图8)。
NE向F1、F2、F4断裂平行展布后与NW向F3断裂交会。选择可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)进行深部构造物探。
在L6线1100～1900号点之间，视电阻率明显呈低阻反映，并且向下延伸较大，视电阻率等值线呈规模较大“U”字型变化，结合地质资料推断为构造破碎带的反映;在1900～2600号点之间，深部有一条向东延伸的低阻异常带，结合地质资料推断为F3断裂构造反映，并于西部构造破碎带相交会;在2500～3200号点之间，视电阻率呈低阻反映，视电阻率等值线呈“V”字型变化，结合地质资料推断为F1断裂构造反映，并且深部与F3断裂构造相交会(图9)。首先在拟设地热井以西施工测温孔CTCW1，完井深度350m，在井深350m时钻遇破碎带，涌水量59.63m3/h，井底温度20.60℃，经计算，地温梯度达2.34℃/100m，由此推测，CTDR1地热井在井深2000m时，井底温度可达55℃左右。
CTDR1井完井深度2012.60m，井底温度62.47℃，涌水量600m3/d，出水口水温37℃，地热流体中氟(5.08mg/L)，依据现行《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615—2010)附录E中“理疗热矿泉水水质标准”，达到命名矿水浓度，具有较高的医疗价值，可作为洗浴、疗养用水或在医生指导下进行理疗保健。
5地热水补给来源分析
地下水属于自然界水循环中的地下径流阶段中的水，它的形成、运动、演化均与大气降水、地表水有密切联系。而地下热水的水化学成分是在漫长的地下径流过程中逐步形成的，由于其赋存介质、水动力条件及温度的不同，不同条件下的地下热水的水化学特征也具有较大的差异。地下热水中的化学成分可以作为寻找地下热水的标志，帮助分析地下热水的形成原因。所以，地下热水的水化学分析是十分重要的。
5.1水化学特征
地下热水的化学成分是在漫长的地质历史中形成的，在其形成过程中，除受到所流经岩石的种类和性质影响外，其成分的演变还受到各种化学作用的严格控制。地热水水化学特征不仅是地下热水与围岩间的溶解作用和溶滤作用，还受岩浆活动、大气降水入渗及含水层之间的补给等因素影响。分析研究地热水水化学类型以及各组分之间的联系，为更好的开发利用地热水资源提供水化学依据[16]。
三口地热井是日照成井效果较好的地热井，均位于日照东部地区，各井位相距较远，比较分散(图10)。地热流体分析结果表明(表1)，研究区内地热水为中性偏碱性水，pH为8～8.8。TDS差异较大，为0.285～1.495g/L。从离子成分看，三口地热井地热水阳离子中Na+占比最高，阴离子较为离散，不同地热井中HCO3、SO24和Cl含量不同，水化学类型包括SO4·ClNa型及HCO3Na型，并无明显规律(图11)。这从侧面证明，研究区地热水循环受断裂控制，在隔水断裂的作用下，各地热系统之间循环途径不同，水力联系较弱，各成体系，并不构成区域统一的水流场。
5.2氢氧稳定同位素特征
氢的稳定同位素氘，由于围岩贫氢，导致氢从热源向采样点运移途中不受物理化学过程影响，浓度基本保持不变，适于作水分子起源的标记或示踪剂;另一方面，氧的同位素18O，由于围岩富氧，导致18O对于温度变化、水岩相互作用、蒸汽散发、不同来源水的混合与稀释表面蒸发十分敏感，适于作这些过程的地质指示剂。因此地热流体中稳定同位素δD和δ18O的组成通常用于确定地热流体的成因[1617]。
三口地热井的氢氧同位素检测数据表明，它们的δD和δ18O的值均在克雷格标准降水直线δD=8δ18O+10及我国降水线δD=7.8δ18O+8.2附近(表2，图12)，说明这三口地热井所在地区的地下热水来源由大气降水补给形成，属大气降水成因，证明前述地热水的补给来源为大气降水的判断是正确的。——论文作者：秦福锋1，2，许丙彩1，2，冯英明1，2*，李忠涵1，2
