临清坳陷为中— 新生代复合型断陷盆地^{[7, 8, 9]}, 其中山东省部分位于临清坳陷区东部, 东以沧东断裂为界, 西以聊考断裂为界, 南北均以省界为界, 面积约5 000 km²。根据基底构造格局, 临清坳陷在山东省境内可进一步划分为德州凹陷、莘县凹陷及高唐— 堂邑凸起3个构造单元^[10], 各凹陷内又分布有若干个中— 新生代沉积中心(图1)。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 地质构造纲要图Fig.1 Geological structure sketch in the study area

区内断裂构造十分发育, 主要包括N(N)E、NEE(近EW)向2组, 并见有少量NW向断层。多为张性伸展断层, 具有导热、导水性能。主要断层有聊考断裂、沧东断裂、宁津西断裂、堂邑东断裂和堂邑西断裂等。

区内基底凹陷区地层发育较齐全, 凸起区上古生界— 古近系地层剥蚀, 新近系直接与下古生界寒武系— 奥陶系或太古宇角度不整合接触。根据区域地质条件, 区内地层及其特征如下。

(1)太古宇泰山群: 为本区最老的基底岩系, 岩性主要为片麻岩, 其次为闪长角闪岩和角闪岩, 局部为黑云母石英片岩及黑云斜长变粒岩。

(2)下古生界寒武系— 奥陶系: 为陆表海相沉积, 厚度约1 200 m, 与下伏太古宇不整合接触, 主要为一套碳酸盐岩建造, 夹有泥页岩和膏岩。岩性主要有灰岩、白云岩及页岩等。

(3)上古生界石炭系— 二叠系: 为一套以海退为主的海陆过渡相— 陆相为主的含煤系碎屑岩沉积, 厚度约为800 m, 下部的本溪组和太原组中发育有10~20 m厚的灰岩。

(4)中生界三叠系— 白垩系: 三叠系主要发育杂色陆相碎屑岩, 侏罗系— 白垩系发育杂色陆相碎屑岩, 并夹有安山岩、玄武岩等火成岩, 厚度约2 000 m。

(5)古近系: 最大沉积厚度达3 000 m, 以砂泥岩互层为主, 含薄层油页岩, 与下伏地层呈角度不整合接触。其中孔店组— 沙四段为滨浅湖— 半深湖相沉积; 沙三段、沙一段为深湖— 半深湖— 滨浅湖相沉积, 暗色泥页岩及油页岩发育; 沙二段、东营组为河流相沉积, 为一套红色砂泥岩建造。

(6)新近系: 上部为黄色黏土岩与砂岩互层, 中部为红、黄色砂泥岩互层, 下部为块状灰白色砂岩、砂砾岩及砾岩夹泥岩, 厚约1 000~1 200 m。

(7)第四系: 岩性主要为棕黄色、灰黄色砂质黏土与棕黄色、灰黄色砂岩呈不等厚互层, 厚200~260 m。

区内在新生代馆陶组中发现有丰富的低温地热资源^{[11, 12, 13, 14, 15]}, 并广泛应用于建筑物冬季供暖。通过石油勘探孔及地热井的测温资料统计结果表明, 区内新生界平均地温梯度为2.9 ℃/100 m(图2)。地温梯度最高的是靠近高唐— 堂邑凸起的莘3井, 全井平均为3.22 ℃/100 m; 其次是禹城洼陷南坡靠鲁西隆起的禹8井, 平均为3.2 ℃/100 m。多数井< 3.0 ℃/100 m, 越靠近洼陷中心, 地温梯度越低^[16]。由此可见, 区内地热资源形成的热源主要为来自地球内部的传导热流。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 新生界平均地温梯度等值线图Fig.2 Contour map of average geothermal gradient of Cenozoic

根据石油勘探孔堂古4、堂古1揭露, 研究区寒武系— 奥陶系为一套碳酸盐岩建造, 自下而上可进一步划分为馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组、三山子组和马家沟组, 累计厚度平均1 200 m。

(1)馒头组: 主要分布于莘县凹陷、堂邑凸起等地区, 岩性为棕红色— 紫褐色页岩夹灰色泥质灰岩、泥质白云岩等, 厚120~260 m。

(2)张夏组: 本区广泛分布, 岩性以厚层状鲕粒灰岩为主, 夹白云岩、白云质灰岩。厚度较稳定, 约160~200 m, 与下伏馒头组整合接触。

(3)崮山组: 全区广泛分布, 上部为泥晶灰岩、鲕粒灰岩或竹叶状灰岩, 下部为灰色、灰绿色或紫褐色页岩, 厚34~86 m, 与下伏张夏组整合接触。

(4)炒米店组: 全区广泛分布, 岩性为灰色中薄层泥晶灰岩、泥灰岩夹薄层状砾屑灰岩为主, 厚15~70 m, 与下伏崮山组整合接触。

(5)三山子组: 根据岩性特征可分为3段, 下段岩性主要为厚层状灰色白云岩, 个别井夹竹叶状灰岩、竹叶状白云岩, 厚50~150 m; 中段岩性以灰色块状白云岩为主, 局部夹石膏, 厚35~110 m; 上段岩性以灰色厚层状细— 微晶白云岩为主, 局部夹石膏, 白云岩中通常含燧石结核, 厚35~100 m。

(6)马家沟组: 根据岩性自下而上可分为6段, 分别东黄山段、北庵庄段、土峪段、五阳山段、阁庄段与八陡段, 其中1段、3段和5段岩性主要为薄层状泥晶— 微晶白云岩、泥质白云岩, 局部夹灰白色石膏岩、膏质白云岩; 2段、4段和6段岩性主要为厚层泥晶灰岩、白云质灰岩等。

根据中原油田地震勘探及石油钻探成果, 区内寒武系— 奥陶系顶板埋深平均为6 000 m左右, 在洼陷区埋深大, 凸起区埋深小。其中, 冠北洼陷区埋深为7 000~9 000 m; 堂邑凸起埋深为3 000~4 000 m(图3, 图4)。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 奥陶系顶板埋深等值线图Fig.3 Contour map of Ordovician burial depth

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 研究区地层及温度分布剖面图Fig.4 Profile of strata and temperature distribution in the study area

在德州凹陷、莘县凹陷及堂邑凸起中心区寒武系— 奥陶系厚度达1 200 m左右, 在凹陷及凸起的边缘厚度变薄直至尖灭(图5)。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 寒武系— 奥陶系厚度等值线图[17]Fig.5 Contour map of Cambrian-Ordovician thickness[17]

区内基底断裂构造发育, 寒武系— 奥陶系地层岩性以灰岩、白云岩与泥灰岩等可溶性岩石为主, 有利于岩溶裂隙的产生。白云岩在适宜条件下可充分溶解, 发生重结晶作用, 形成中小型溶孔、溶洞; 灰岩一旦条件适合可迅速形成大中型溶洞^[18]。根据陈墨香^[19]统计结果, 鲁西北地区下古生界碳酸盐岩岩溶裂隙发育段占地层厚度比值为10%~30%, 其中寒武系的平均值为10%~15%, 奥陶系平均值为15%~25%。由此可见, 寒武系— 奥陶系具备有利于地热开发的天然裂隙。此外, 灰岩与白云岩为可溶性岩石, 在水力压裂作用下, 可以同时产生溶蚀作用, 极大地降低了人工储层建造的难度。

区内寒武系— 奥陶系上覆地层主要为陆相杂色碎屑岩沉积, 岩性以砂岩、页岩及泥岩为主, 含煤系及油页岩地层。大地热流的计算公式为

q=λ∙G, (1)

式中: q为热流, W/m²; λ 为岩石的平均热导率, W· m^-1· K^-1; G为平均地温梯度, K/m。

其中λ 受地层岩性的控制, 华北平原内新生代地层的平均热导率为2.0~2.2 W· m^-1· K^-1, 中生代及上古生代砂页岩平均热导率2.05 W· m^-1· K^-1[19]。根据能量守恒原理, 针对一个特定的区域, 可以概略的认为其大地热流为一定值, 由此推测中生代与晚古生代地层中的地温梯度与上部新生代地层平均地温梯度大致相同。本次采用新生代地层中平均地温梯度及奥陶系顶板埋深来计算奥陶系顶板处的地层温度。计算公式为

tr=h-h0∙G+t0, (2)

式中: t_r为地层温度, ℃; h为地层埋深, m; h₀为恒温带埋深, 取20 m; t₀为恒温带温度, 取当地平均气温12 ℃。

根据计算结果(图6), 德州凹陷区奥陶系顶板处的地层温度自东北向西南增高, 在冠北洼陷地温达240 ℃; 凹陷边缘地温较低, 为120 ℃左右; 平均地温约180 ℃左右。高唐— 堂邑凸起区奥陶系顶板处的地层温度120~140 ℃。莘县凹陷区奥陶系顶板处的地层温度整体呈现自西南向东北增高的趋势, 平均地温约180 ℃左右。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 奥陶系顶板地层温度等值线图Fig.6 Contour map of Ordovician roof temperature