根据板块构造理论和构造演化史, 山东省处于一级大地构造单元华北板块和秦岭— 大别— 苏鲁造山带内, 二级大地构造单元自西向东划分为华北坳陷区、鲁西隆起区、胶辽隆起区、胶南— 威海隆起区和苏北隆起区5个分区。山东省大地构造分区如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 山东省大地构造分区Fig.1 Structure districts in Shandong Province

华北坳陷区二级构造单元包括齐广断裂以北和聊考断裂以西的地区, 属于华北地台上发展起来的中生代和新生代断陷盆地的一部分, 以太古宙变质岩系为基底, 其上发育一套以海相碳酸盐岩为主的古生界及海陆交互相— 陆相的古元古界。新近纪开始, 全区进入统一的以沉陷为主的时期, 并一直延续至第四纪, 盆地普遍接受新近纪和第四纪沉积。

鲁西隆起区二级构造单元东侧以昌邑— 大店断裂为界, 北面和西面分别以齐广断裂和聊考断裂为界。该区构造单元内部, 地层基底为太古宙泰山群。中生代侏罗纪以后, 在燕山运动作用下, 使原来统一的基底发生破裂, 沿断裂形成鲁中隆起区、鲁西南潜隆起区和沂沭断裂带等三级构造单元。在三级构造单元基础上进一步破裂形成断垄和断陷构造单元, 以及一系列的凸起和凹陷等五级构造单元, 每一个凸起或凹陷均为独立的最小级别构造单元。凸起和凹陷呈相间排列格局, 自南向北有规律地重复出现, 凸起区域遭受剥蚀, 凹陷区域接受中生代和新生代沉积。

胶辽隆起区二级构造单元以沂沭断裂带的东界断裂(昌邑— 大店断裂)与鲁西隆起区和华北坳陷区分界, 其基底是元古宙— 太古宙胶东群。古生代起长期出露海面, 古生界缺失。全区较为明显地分为胶北隆起区和胶莱盆地(西部)2个三级构造单元。胶北隆起区由元古宇— 太古宇及元古宇变质岩构成; 胶莱盆地中生代沉积一套巨厚的陆相碎屑岩地层, 其间有强烈的陆相火山喷发。中生代印支期及燕山期岩浆活动强烈, 大片分布于胶北隆起区, 主要断裂为NE向及NNE向。

胶南— 威海隆起区二级构造单元为郝官庄断裂及牟平— 即墨断裂带以东区域, 与胶辽隆起区毗邻。该区发育大量的变质表壳岩系, 形态多为条带状或透镜状, 长轴平行区域性片麻理, 主要呈包体状赋存于晋宁期花岗质片麻岩中, 该构造单元内温泉点分布广泛。

从区域构造特征看, 山东省位于太平洋地热带的太平洋西岸高热流带, 该带是华北板块与扬子板块碰撞结合带, 又是华北坳陷与鲁中隆起的结合部, 构造极为发育, 为地热形成及导热、储热提供了良好的通道和场所。

山东省大地热流的空间特征与构造格局密切相关。大地热流值在莱芜市附近形成低值圈闭, 热流值变化梯度大致沿NE方向, 由莱芜低值圈闭区向SW和NE 2个方向逐渐升高(图2)。山东半岛地区热流值大于80 mW/m², 属高热流值区域, 莱州— 青岛一线到烟台以西区域大地热流值在90~100 mW/m²之间, 烟台以东地区大地热流值在100~150 mW/m²之间。胶辽隆起区大地热流值在70~90 mW/m²之间, 与华北大地热流值(47.155 mW/m²)相比明显偏高, 成为维系胶东温泉形成的重要地热背景。该区温泉主要出露于不同时代的花岗岩等酸性岩体以及与围岩的侵入接触部位。温泉形成原因在于温泉出露花岗岩等岩体的热导率较高, 同时, 温泉所处位置在构造形态上属于隆(凸)起中心或近中心部位(或背斜核部), 有利于地壳深部热流侧向运移, 发生折射和再分配, 导致地热流向凸起中心部位(或背斜轴部)汇聚、集中, 形成地热异常带。沂沭断裂带为莫霍面隆起带, 大地热流值为62 mW/m², 断裂带内部汤头附近及郯城附近热流值较邻区略高。鲁西隆起区中部的鲁中隆起区莫霍面埋深较大, 大地热流值在40~50 mW/m²之间, 属热流值最低的地区。华北坳陷区大地热流值在56~79 mW/m²之间, 略高于地球表面平均热流值(59~63 mW/m²)。

图2

Fig.2

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	图2 山东省大地热流分区Fig.2 Terrestrial heat flux districts in Shandong Province

根据地热资源形成因素及其与地质构造和地热背景的关系, 山东省地热资源可以分为隆起山地板内深循环对流型和沉积断陷盆地传导型^[3]。根据地热资源的赋存形式, 山东省热储可划分为裂隙型带状热储、裂隙孔隙层状热储和裂隙岩溶层状热储3大类。带状热储主要分布在山地对流型地热资源区域内; 层状热储主要分布在盆地传导型地热区域内, 局部构造隆起区亦分布有层状热储。

综合地热成因和热储类型, 可进一步将全省分为4个地热资源区: I— 鲁东地热区; II— 沂沭断裂带地热区; III— 鲁西隆起地热区; IV— 鲁西北地热区(图3, 表1)。其中, 鲁西隆起地热区进一步划分为鲁中隆起地热亚区和鲁西南潜隆起地热亚区。鲁东地热区、沂沭断裂带地热区和鲁中隆起地热亚区地热属于隆起山地对流型地热资源; 鲁西北地热区和鲁西南潜隆起地热亚区属于沉积盆地传导型地热资源。

图3

Fig.3

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	图3 山东省地热资源分区Fig.3 Geothermal resource districts in Shandong Province

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 山东省地热资源分区及热储类型 Tab.1 Geothermal resource districts and thermal reservoir types in Shandong Province 地热资源类型 山东省地热资源分区 热储类型 隆起山地板内 深循环对流型 鲁东地热区(Ⅰ ) 裂隙型带状热储 沂沭断裂带地 热区(Ⅱ ) 裂隙型带状热储 鲁西 隆起 地热 区(Ⅲ ) 鲁中隆起 亚区(Ⅲ 1) 裂隙型带状热储 裂隙岩溶层状热储 沉积断陷 盆地传导型 鲁西南潜隆 起亚区(Ⅲ 2) 裂隙孔隙层状热储 裂隙岩溶层状热储 鲁西北地热区(Ⅳ ) 裂隙孔隙层状热储

表1 山东省地热资源分区及热储类型 Tab.1 Geothermal resource districts and thermal reservoir types in Shandong Province

(1)Ⅰ — 鲁东地热区。该区地热系统为深循环对流型, 热储类型为裂隙型带状热储。热异常的分布受构造控制, 多以温泉形式出露, 均呈点状及带状出露于2组断裂交会处或不同岩体接触带^{[3, 6, 7]}, 埋深较浅, 盖层厚度一般小于50 m。鲁东地热区共出露温泉15处, 露头或孔口实测水温一般在60~89 ℃, 溶解性总固体(total dissolved solids, TDS)值为0.526~13.42 g/L, 热储岩性以花岗岩和片麻岩为主(表2)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 鲁东地区温泉特征 Tab.2 Characteristics of hot springs in East Shandong 名称 热水温度/℃ TDS值/(g· L-1) 热储岩性 宝泉汤 41~82 13.420 片麻岩、大理岩 温泉汤 47.5~52.5 1.290 片麻岩 洪水岚汤 60~80 0.853 花岗岩 七里汤 61~64 0.739 花岗岩 呼雷汤 58~62 0.923 花岗岩、片麻岩 大英汤 58~69 1.963 花岗岩 汤村汤 53 6.627 片麻岩 小汤 40~60 2.523 花岗岩 兴村汤 29.5 0.606 花岗岩 龙泉汤 62 0.543 花岗岩 于家汤 37~66 0.526 花岗岩 艾山汤 47~49 0.844 片岩 温石汤 50 1.494 安山岩、花岗岩 汤东泉 80~89 3.970 花岗岩 东温汤 70~88 5.573 砂岩、正长斑岩

表2 鲁东地区温泉特征 Tab.2 Characteristics of hot springs in East Shandong

(2)Ⅱ — 沂沭断裂带地热区。该区中生代燕山期频繁的岩浆活动沟通了地壳深部的热源。在构造交会部位及其附近, 深层构造裂隙发育, 为深层热水循环提供了良好的通道和储存场所, 地下深处的热水易沿断裂通道上升, 形成地热异常。该区地热系统为深循环对流型, 热储类型为裂隙型带状热储, 分布于凹陷内, 凹陷两侧的凸起区为热水补给区。沂沭断裂带地热区出露温泉1处, 控热断裂为沂沭断裂带的沂水— 汤头断裂及其分支断裂, 热储层岩性为新太古界胶东岩群、白垩系青山群安山岩及白垩系王氏群砂砾岩。1959年温泉自流量388 m³/d, 水温66~70 ℃; 目前温泉附近共有地热井6眼, 井深在65~2 100 m之间, 水温40~60 ℃, 开采量为500 m³/d左右, TDS值为3.038 g/L。

(3)Ⅲ — 鲁西隆起地热区。该区位于沂沭断裂带以西、齐广断裂以南和聊考断裂以东的广大区域, 分为鲁中隆起亚区和鲁西南潜隆起亚区。

鲁中隆起亚区(Ⅲ ₁)地热异常位于凸起和凹陷的交接带附近及控制凹陷的NW向、NE向和SE向新构造断裂交会处。该区热储类型为裂隙型带状热储和馆陶组及寒武系— 奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙层状热储, 尤其是深部热储层既受断裂构造所控制, 又具有带状热储特征^[8]。区内出露3处温泉(表3), 水温为40~60.2 ℃, 热储层埋深一般在200~1 500 m之间。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 鲁中隆起亚区温泉特征 Tab.3 Characteristics of hot springs in the sub-uplift district of Central Shandong 名称 热水温度/℃ TDS值/(g· L-1) 热储岩性 汪家坡温泉 29~30 0.615 新太古代侵入岩 桥沟温泉 30~45.9 0.796 花岗闪长岩 安驾汤泉 60~60.2 2.543 朱砂洞组白云岩

表3 鲁中隆起亚区温泉特征 Tab.3 Characteristics of hot springs in the sub-uplift district of Central Shandong

鲁西南潜隆起亚区(Ⅲ ₂)有2个较好的可开发利用的热储层, 即新近系明化镇组孔隙热储层和寒武系— 奥陶系碳酸盐岩岩溶热储层, 属低温型层状热储, 局部为上部孔隙及下部岩溶复合型层状热储。盖层厚度一般在700 m左右, 热水温度一般在40~68 ℃之间, 热储岩性为细砂岩和砂砾岩。

(4)Ⅳ — 鲁西北地热区。该区包括齐广断裂以北和聊考断裂以西的地区, 属于中生代和新生代断陷盆地的一部分, 以太古宙变质岩系为基底, 热储类型主要为裂隙孔隙层状热储, 局部为上部孔隙及下部岩溶复合型层状热储, 由地温增温形成, 是地热资源开发潜力最大的地区。热储层主要为新近系馆陶组热储层组和古近系东营组热储层组, 其次为新近系明化镇组下段热储层组、古近系沙河街组热储层组和寒武系— 奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙热储层组。盖层厚度一般在850~1 200 m之间, 热储底板埋深一般小于2 800 m, 最深超过3 500 m。热水温度一般在40~70 ℃之间, 基底隆起处深部水温可达90~110 ℃^[3], 热储岩性为细砂岩和砂砾岩。

采用热储法计算地热资源量^[1], 即

Q=Crρr(1-φ)V(T1-T0)+Cwρwqw(T1-T0), (1)

式中: Q为地热资源量, kJ; C_r和C_w分别为热储岩石和水的比热, KJ/(kg· ℃); ρ _r和ρ _w分别为热储岩石密度和水的密度, kg/m³; φ 为热储岩石孔隙率(或裂隙率); q_w为热储流体储量, 包括静储量和弹性储量, m³; T₁为热储温度, ℃ ; T₀为恒温层温度, ℃; V为热储体积, m³。

通过计算, 山东省隆起山地型地热资源储存总量为38 326.47× 10¹⁶J, 折合标准煤130.99´ 10⁹t, 可利用地热资源总量为5 969.27× 10¹⁶J, 折合标准煤20.40´ 10⁹t; 沉积盆地型地热资源总储量为171 332.18× 10¹⁶J, 折合标准煤585.55´ 10⁹t, 可利用地热资源总量为36 085.93× 10¹⁶J, 折合标准煤123.33´ 10⁹t。

隆起山地型地热流体可开采量计算采用泉(井)热量法, 统计各温泉或自流井的流量, 将温泉和自流井的总流量作为天然补给量和可开采量。

沉积盆地地热流体可开采量采用最大允许降深法计算, 设定一定开采期限(一般为100 a), 计算区中心水位降深与单井开采附加水位降深之和不大于100 m时, 求得的最大开采量, 作为该区地热流体的可开采量。表达式为

Qwk=4πTS1ln(6.11Ttμ* R12), (2)

Qwd=2πTS2ln(0.473R2r)。 (3)

式中: Q_wk和Q_wd分别为地热流体和单井地热流体的可开采量, m³/a; S1和 S2分别为开采区中心和单井附加水位降深, m; R₁ 和R₂分别为开采区和单井控制半径, m; μ*为热储含水层弹性释放系数; t为开采时间, a; T为导水系数, m²/a; r为抽水井半径, m。

通过计算, 山东省隆起山地型地热流体可开采量为12.68× 10⁸m³/a, 地热流体可开采热量为18.85× 10¹⁶J/a, 折合标准煤0.065´ 10⁹t/a; 山东省沉积盆地型地热区地热流体可开采量为13.84× 10⁸m³/a, 地热流体可开采热量为20.62× 10¹⁶J/a, 折合标准煤0.07´ 10⁹t/a。以上地热流体可开采量计算结果均不考虑回灌条件。