江海洋，王樹星，劉 連，曹艷玲，史 猛，李婷婷，孫文廣

（1. 山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東·濟南 250014；2. 山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東·煙臺 264000；3. 臨沂市國土資源局，山東·臨沂 276301）

沂沭斷裂帶是中國東部巨型活動斷裂帶——郯廬斷裂帶山東地區(qū)的稱謂，它對山東地區(qū)大地構(gòu)造格局的形成起到了重要的控制作用。沂沭斷裂帶在近代仍有活動，四條主干斷裂均為第四紀活動斷裂。自西向東分別為鄌郚—葛溝斷裂、沂水—湯頭斷裂、安丘—莒縣斷裂和昌邑—大店斷裂。除此之外還包括較多次級斷裂[1-2]。斷裂帶內(nèi)及兩側(cè)地質(zhì)條件有利于地熱資源的形成，分布有多個地熱異常區(qū)，擁有2600年歷史的湯頭溫泉就坐落于此。沂沭斷裂帶地熱富集區(qū)是臨沂市最重要的地熱富集區(qū)，多年以來一直是臨沂市地熱資源開發(fā)的重點區(qū)域，近年來該區(qū)共施工了20余口地熱井，大部分比較成功，是臨沂市地熱資源總體規(guī)劃布局的中軸線[3-11]。

1 地質(zhì)條件及地熱資源分布特征

1.1 地層與構(gòu)造

研究區(qū)內(nèi)斷裂十分發(fā)育。北北東向的四條主干斷裂縱貫全區(qū)，另外自北向南分布有九山斷裂、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、甘霖斷裂等規(guī)模不一的次級斷裂體系。沂沭斷裂帶在多期活動中，主斷面表現(xiàn)出不同的力學性質(zhì)。先期的張性活動，形成了寬大的斷裂破碎帶，并引發(fā)了中生代白堊紀火山噴發(fā)和斷陷沉積。新生代古近紀以來又表現(xiàn)為強烈的擠壓，形成一系列壓性構(gòu)造，主斷面為壓扭性力學性質(zhì)，表現(xiàn)為阻水、隔熱的水文地質(zhì)特征。

鄌郚—葛溝斷裂以西，各斷陷盆地內(nèi)自南西向北東依次分布新太古界泰山巖群，元古界震旦系，古生界寒武系和奧陶系，中生界石炭系、二迭系、侏羅系和白堊系，新生界古近系、新近系及第四系等；鄌郚—葛溝斷裂與沂水—湯頭斷裂之間的馬站—蘇村地塹、昌邑—大店斷裂與安丘—莒縣斷裂之間的莒縣—郯城地塹內(nèi)，主要分布中生界白堊系萊陽群、青山群、大盛群、王氏群；中部汞丹山地壘主要分布太古界泰山巖群；昌邑—大店斷裂以東，分布元古界沂水巖群、荊山群片麻巖；中生界白堊系萊陽群、青山群、大盛群、王氏群及第四系（圖1）。

圖1 沂沭斷裂帶區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Regional geological map of Yishu Fault Zone

1.2 大地熱流分布特征

大地熱流可以反映區(qū)域的地熱背景狀態(tài)和地質(zhì)構(gòu)造活動狀況。大地熱流值沿沂沭斷裂帶表現(xiàn)為一條梯度遞變帶[3-4](圖2)，自北向南在濰坊、臨沂城區(qū)、郯城各有一個小的封閉高值區(qū)，大于全球平均值（63mw/m2）10mw/m2以上。郯城、濰坊地區(qū)大地熱流值最高大于75mw/m2，臨沂城區(qū)約為70mw/m2。沂沭斷裂帶東側(cè)要高于西側(cè)，熱流值在魯西地塊上呈近南北展布低值區(qū)，約在44.9～50.2mw/m2之間，而膠南隆起帶上熱流值約70mw/m2。

圖2 沂沭斷裂帶及鄰區(qū)大地熱流值(mw/m2)Fig.2 Heat flow values of Yishu Fault Zone and adjacent area

1.3 地溫場分布特征

沂沭斷裂帶中、新生代活動強烈，并伴隨著頻繁的巖漿活動。深切上地幔的斷裂破碎帶為地下水深循環(huán)提供了通道，地下水深循環(huán)又加快了深部熱流的上涌。研究區(qū)熱源具有多元性質(zhì)，既有地幔熱流，又有殼源放射性元素衰變產(chǎn)熱以及斷裂帶活動產(chǎn)生的熱量。但值得指出的是，沂沭斷裂帶四條主干斷裂都曾經(jīng)歷過張性階段，斷距較大，屬于近似開放系統(tǒng)，熱量散失較快，很難聚集。沂沭斷裂帶的地溫梯度一般為小于2.5℃/100m，相對較小；次級壓扭性斷裂附近。

1.4 地熱資源分布特征

依據(jù)異常區(qū)所處的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景、遙感解譯熱紅外信息反映的強弱、地溫場特征和地下熱水賦存條件等因素，同時適當考慮熱儲類型、水溫、水量、已知開發(fā)利用溫泉情況及開發(fā)利用遠景、地理環(huán)境等因素將研究區(qū)劃分出28個地熱異常區(qū)[3]，占臨沂市地熱異常區(qū)總數(shù)的57.14%。自北向南依次分布有沂水地熱田、銅井地熱田、松山地熱田、湯頭地熱田、北城新區(qū)地熱田、西高都地熱田等。已備案地熱可采資源量15135.35m3/d，占臨沂市已備案地熱資源總量的88.51%。

2 水化學特征

2.1 礦化度及pH

研究區(qū)地熱水礦化度范圍為462.65～15677.35mg/L（表1），在空間上呈現(xiàn)出北低南高、西低東高的規(guī)律。其中沂水東方瑞海地熱水礦化度最低，為462.65mg/L，莒南大店地熱水礦化度最高，為15677.35mg/L。pH值為7.02～9.57，均屬于弱堿性水。

表1 區(qū)內(nèi)地熱水水質(zhì)分析成果表(mg/L)Table 1 Results of water quality analysis (mg/L)

2.2 主要離子特征

（1）rNa/rCl

區(qū)內(nèi)水化學類型比較復雜，除沂水地熱田外，礦化度均超過1g/L，Cl-及Na+離子含量較高，利用各地熱水中元素的摩爾濃度比rNa/rCl與大洋水（rNa/rCl=0.85）作對比判斷地熱水的來源，經(jīng)計算湯坊崖地熱井及北城新區(qū)DR1井略小于0.85，可能存在部分古代沉積水；其余地熱水中元素的rNa/rCl均大于0.85，符合大陸溶濾水的基本特征，即地熱水的補給來源主要為大氣降水。

（2）離子組成

為了直觀地表達各地熱水中主要離子的組成，采用上述10組地熱水水質(zhì)分析結(jié)果，繪制了各主要離子成分的玫瑰花圖[12-14]（圖3）。區(qū)內(nèi)地熱水陰離子以Cl-為主，主要陽離子為Na+離子，地下水化學類型以Cl-Na型和Cl-Na·Ca型為主，區(qū)內(nèi)地熱水經(jīng)過了較長時間的循環(huán)及水巖反應。

圖3 主要離子成分玫瑰花圖Fig.3 Rose diagram of major ionic components

2.3 地熱流體組分動態(tài)特征

天然狀態(tài)下，地下水水化學動態(tài)比較穩(wěn)定，而人類活動可能對地下水動態(tài)產(chǎn)生多重影響。國內(nèi)外很多地熱田因開采量的增大出現(xiàn)了水質(zhì)淡化甚至污染的情況。

臨沂市地熱資源開發(fā)管理處對研究區(qū)內(nèi)已開發(fā)地熱田進行了長期的水質(zhì)監(jiān)測，定期采取地熱水樣進行水質(zhì)分析[11]。由于湯頭溫泉開發(fā)利用程度較高，水質(zhì)監(jiān)測資料最為豐富（圖4）。湯頭溫泉的水化學成分處于持續(xù)變化中，2005-2007年，各主要化學組分含量呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，2007年達到最低值，隨后又穩(wěn)步回升。通過與湯頭地熱田歷年開采量對比發(fā)現(xiàn)，在此期間溫泉開采量較大。地熱水開采量過大刺激冷水補給增加，是導致這一現(xiàn)象的根本原因。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，當開采量長期保持較高水平，地熱水的礦化度及主要離子成分均不同程度降低，呈現(xiàn)水質(zhì)淡化趨勢并伴隨著水位、水溫的降低；當開采量較小時，地下水水溫、水量、水質(zhì)動態(tài)變化均較小。

圖4 湯頭溫泉主要化學組分變化趨勢圖Fig.4 Changing trend of main chemical composition of Tangtou hot spring

表2 湯頭溫泉水質(zhì)變化情況一覽表Table2 List of water quality changes in Tangtou hot spring

2.4 微量組分特征

地熱水在深循環(huán)過程中，與圍巖發(fā)生相互作用，水中溶解的微量元素不斷增加，尤其在相對封閉穩(wěn)定的循環(huán)系統(tǒng)中更有利于水中化學組分的聚集，區(qū)內(nèi)地熱水富含F(xiàn)、Sr、Li、偏硅酸等對人體有益的微量組分(表3)?！独懑煙岬V水水質(zhì)標準》[15]根據(jù)對人體有益的化學組分含量高低將理療熱礦水劃分為命名礦水濃度、礦水濃度和有醫(yī)療價值濃度三類。根據(jù)本次水化學分析結(jié)果，區(qū)內(nèi)10個地熱田地熱水中F含量為1.72～11.5mg/L，有8處達到命名氟型醫(yī)療熱礦水的濃度，1處達到礦水濃度，1處達到有醫(yī)療價值濃度；地熱水中Sr含量為0.23～52.52mg/L，有3處達到命名鍶水醫(yī)療熱礦水的濃度；5處地熱田Li含量達到了礦水濃度標準；偏硅酸含量為31.2～87.75mg/L，有三處達到命名偏硅酸型醫(yī)療熱礦水的濃度，其余7處達到礦水濃度。研究區(qū)地熱水具有較高的醫(yī)療價值，適宜作為理療用水。

表3 研究區(qū)地熱水有益組分一覽表(mg/L)Table 3 List of bene ficial components of hot water (mg/L)

3 環(huán)境同位素特征

環(huán)境同位素組成在地下水運移過程中具有一定的穩(wěn)定性，但對溫度變化、水巖反應、蒸汽散發(fā)、混合稀釋等過程具有敏感標記作用，放射性同位素獨特的衰變特性可以用來計時定年?？梢岳铆h(huán)境同位素的這些特性來研究地熱水的補給來源和循環(huán)過程。

3.1 放射性同位素特征

地熱水均經(jīng)歷了較長時間的徑流循環(huán)，其滯留含水層的時間較長。利用水中氚的含量可以大致區(qū)分地熱水是核爆前還是核爆后補給。1952年以前補給的地下水中不含核爆氚，經(jīng)歷幾十年的衰變，含量已經(jīng)可以忽略。3H小于1TU（儀器檢出限）可認為是1952年以前補給的；大于1TU則有相當一部分為1952年后補給。對于大于60年的年老地下水，可以用14C進行測年。

東方瑞海、松山、湯坊崖地熱水中3H含量均小于1TU，主要為1952年前補給。其余地熱水3H大于1TU，為1952年以前的補給水與近代補給水的混合水。

銅井地熱水、湯頭溫泉水14C含量分別為67.40±1.18PMC、65.36±2.53PMC， 其 表 觀 年 齡 為3.26±0.15Ka、3.52±0.32Ka。由于受到淺部年輕冷水混合作用，研究區(qū)地熱水年齡應該大于3500a。

3.2 氫氧穩(wěn)定同位素特征

地熱流體中穩(wěn)定同位素δD和δ18O的組成通常用于確定地熱流體的成因，本次采集并檢測了區(qū)內(nèi)地熱水、常溫地下水共21件。地熱水投點主要落在關(guān)系曲線的左下方，常溫地下水主要落在右上方，都在全球雨水線附近，反映區(qū)內(nèi)地下水為大氣降水補給。

圖5 δD-δ18O關(guān)系圖Fig.5 Relation diagram of δD-δ18O

4 熱儲溫度

地熱水的出水口溫度并不能代表熱儲層的溫度，因為熱水運移過程中難以避免地與淺層冷水及圍巖發(fā)生熱量交換，使水溫降低。雖然鉆探揭露含水層后可以進行穩(wěn)態(tài)測溫，但地溫場的恢復需要幾個月的時間，往往難以進行。目前主要用地球化學溫標計算熱儲溫度。常見的地熱溫標有SiO2地熱溫標、陽離子地熱溫標、同位素地熱溫標和氣體溫標四類，其適用范圍各異[16-18]。

溫度是調(diào)節(jié)水中SiO2含量的主要因素，即使熱泉水因傳導損失而冷卻，其SiO2含量仍對地下溫度具有指示作用。計算結(jié)果通常略高于實際出水溫度，反映該地熱水在深循環(huán)過程中曾經(jīng)達到過的溫度。

SiO2溫標計算公式如下：

式中：

t：估算熱儲溫度，℃；

C1：水中溶解的SiO2含量，mg/L。

本文采用SiO2溫標計算熱儲溫度（表4），熱儲溫度在68.5～125.7℃之間，與32～74℃的出水口溫度相差較大，反映了各地熱水均有較多冷水混入，在地熱井完井過程中做好上層冷水封堵工作能夠較大幅度提高鉆取的地熱水溫度。

表4 熱儲溫度計算結(jié)果一覽表Table 4 Calculation results of thermal storage temperature

5 結(jié)論

（1）區(qū)內(nèi)地熱水水化學類型以Cl-Na型和Cl-Na·Ca型為主，礦化度均較高。已開發(fā)的地熱田隨著開采量的增加，地下熱水水質(zhì)有淡化的趨勢，應合理控制開采量，保證地熱資源的可持續(xù)性利用。

（2）區(qū)內(nèi)地熱水富含F(xiàn)、Sr、Li、偏硅酸等對人體有益的化學組分，具有較高的醫(yī)療價值，適宜作為理療用水。

（3）研究區(qū)內(nèi)主要由大氣降水補給形成，少數(shù)可能存在古代沉積水。地熱流體平均年齡在3500a左右，徑流路徑長、更新速度慢。

（4）SiO2溫標推算的熱儲溫度與出水口溫度相差較大，反映了各地熱水均有較多冷水混入，在地熱井完井過程中做好上層冷水封堵工作能夠大幅提高開采的地熱水溫度。