許傳杰，張軍，張玲，李肖蘭，翟立民

(1.山東地礦新能源有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250100；3.山東省地礦局富鐵礦找礦與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100 )

0 引言

干熱巖是一種清潔的可再生地?zé)豳Y源[1]，一般埋藏于地面1km以下，溫度大于200℃，埋深數(shù)千米，內(nèi)部不存在流體或僅有少量地下流體的高溫巖體。

我國(guó)是最早利用地?zé)岬膰?guó)家之一，地?zé)豳Y源的直接利用排世界第一[2-3]。但我國(guó)對(duì)于干熱巖資源的勘查開發(fā)利用，尚處于起步階段。2014年，青海省地勘單位在共和盆地成功鉆獲溫度高達(dá)153℃的干熱巖，是我國(guó)首次發(fā)現(xiàn)大規(guī)?？衫酶蔁釒r資源，這次勘查發(fā)現(xiàn)的干熱巖資源具有埋藏淺、溫度高、分布范圍廣的特點(diǎn)，填補(bǔ)了我國(guó)干熱巖資源的空白。近幾年，我國(guó)在干熱巖資源潛力評(píng)價(jià)[4-6]、應(yīng)用技術(shù)研究[7-9]方面開展了較多工作，也取得了一定的成果和突破。

山東省是能源資源消耗量較大的省份，對(duì)于能源的需求處于持續(xù)增長(zhǎng)的狀態(tài)。開發(fā)利用干熱巖資源可為山東省可持續(xù)發(fā)展提供綠色低碳能源，大大增強(qiáng)能源供應(yīng)保障能力。

1 山東省干熱巖地?zé)豳Y源區(qū)地質(zhì)背景

山東省位于環(huán)太平洋地?zé)釒У奶窖笪靼陡邿崃鲙?，該帶是華北板塊與揚(yáng)子板塊碰撞結(jié)合帶，又是華北坳陷與魯中隆起的結(jié)合部，構(gòu)造極為發(fā)育，尤其是中生代和新生代以來，山東表現(xiàn)為劇烈的斷塊運(yùn)動(dòng)和大陸裂谷伸展作用，并伴隨強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，是地?zé)嵝纬杉皩?dǎo)熱、水熱活動(dòng)異常的發(fā)生基礎(chǔ)。區(qū)域內(nèi)自太古代至新生代地層均有分布，各時(shí)代地層發(fā)育比較齊全。地層中出露以中、新生代地層為主，其次為古生代地層；元古代地層分布局限，太古代地層零星分布，由老至新，地層出露面積逐次增大[10-11]。

山東省一級(jí)構(gòu)造單元以牟平-即墨斷裂和五蓮斷裂及沂沭斷裂帶的昌邑-大店斷裂為界，其北西屬于華北板塊，其南東為蘇魯造山帶。以沂沭斷裂帶、齊河-廣饒斷裂及聊城-蘭考斷裂、牟平-即墨-五蓮斷裂為界，二級(jí)構(gòu)造單元分為魯西隆起區(qū)、華北拗陷區(qū)、膠遼隆起區(qū)(魯東隆起區(qū))，膠南-威海隆起區(qū)、蘇北隆起區(qū)。三級(jí)構(gòu)造單元以大的區(qū)域性斷裂為界(圖1)。

1—一級(jí)單元界線；2—二級(jí)單元界線；3—三級(jí)單元界線；4—四級(jí)單元界線；5—五級(jí)單元界線；6—斷層及推測(cè)斷層；7—不整合界線圖1 山東省地質(zhì)構(gòu)造圖

山東省巖漿活動(dòng)十分頻繁，除中太古代、新太古代、中生代及新生代有較多火山活動(dòng)外，其他地質(zhì)年代均以巖漿侵入活動(dòng)為主。巖漿巖分布廣泛，出露面積30976km2，約占全省陸地面積的20%[12]。截至目前，全省17地市均發(fā)現(xiàn)有地?zé)豳Y源，天然溫泉及人工揭露地?zé)?00多處，水溫基本在40～90℃之間[13]。另外，山東省處于中國(guó)大陸東部濱太平洋構(gòu)造域，中新世以來新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較劇烈，形式復(fù)雜多樣，從溫泉出露地點(diǎn)看，山東省溫泉90%以上出露在地殼新構(gòu)造隆起區(qū)。綜合山東省大地構(gòu)造背景、火山活動(dòng)、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和熱源傳導(dǎo)等特征，為山東省干熱巖資源賦存創(chuàng)造了地質(zhì)條件。

2 資源潛力估算方法

干熱巖所蘊(yùn)含的地?zé)豳Y源量取決于干熱巖的儲(chǔ)層溫度及干熱巖巖石的熱物性。采用體積法估算山東地區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源量，體積法公式如下[6]：

Q=ρ·Cp·V·(T-T0)

(1)

式中：Q—干熱巖資源儲(chǔ)量；ρ—巖石密度；Cp—巖石比熱；V—巖石體體積；T—特定深度上的巖石溫度；T0—地表平均溫度或特定參考溫度。

鑒于現(xiàn)階段鉆探技術(shù)水平和地?zé)豳Y源的經(jīng)濟(jì)開采深度，目前干熱巖的評(píng)價(jià)深度限于地殼淺部10km以內(nèi)[14-15]。通常一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，地形起伏的相對(duì)高差3km 左右，因此地殼淺部水熱型地?zé)豳Y源主要賦存于3km以淺。此外，在以熱傳導(dǎo)為主的非火山活動(dòng)區(qū)，3km以淺的地殼表層不可能具有較高溫的干熱巖，因此，選擇將山東省干熱巖資源評(píng)價(jià)的深度范圍限定在3～10km。

深部溫度是干熱巖地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)的直接參數(shù)，主要由地表溫度、地表熱流、巖石熱導(dǎo)率、巖石生熱率來決定。在一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)條件下，對(duì)于均勻?qū)訝畹某练e巖分布區(qū)，其單層內(nèi)熱導(dǎo)率和生熱率可以近似為常數(shù)，依據(jù)不同巖性取其平均值即可，相應(yīng)的深部溫度可由下式進(jìn)行計(jì)算[5]：

T(Z) =T0+q0×Z/K-AZ2/2K

(2)

式中：T0—地表溫度；q0—地表熱流；K—巖石熱導(dǎo)率；A—巖石生熱率；Z—深度。

3 數(shù)據(jù)獲取及參數(shù)選取

根據(jù)山東省地?zé)岬刭|(zhì)資料及巖性、巖石生熱率、巖石熱導(dǎo)率、地溫梯度等數(shù)據(jù)資料，將山東省分為4個(gè)大區(qū)，分別是魯東地區(qū)、魯西北地區(qū)、沂沭斷裂帶地區(qū)、魯中南地區(qū)，通過大地?zé)崃髦?、生熱率、熱?dǎo)率、地溫梯度、居里面、巖性等資料圈定了魯東地區(qū)共6個(gè)干熱巖重點(diǎn)勘查區(qū)，魯西北地區(qū)共8個(gè)干熱巖重點(diǎn)勘查區(qū)，魯中南地區(qū)共2個(gè)干熱巖重點(diǎn)勘查區(qū)(圖2)。

1—魯西北地區(qū)；2—魯中南地區(qū)；3—沂沭斷裂帶地區(qū)；4—魯東地區(qū)；5—干熱巖重點(diǎn)勘查區(qū)圖2 山東省干熱巖地?zé)豳Y源量估算分區(qū)圖

3.1 大地?zé)崃髦?/h3>

大地?zé)崃髦岛?jiǎn)稱熱流, 地球內(nèi)部熱能傳輸至地表的一種現(xiàn)象, 是地?zé)釄?chǎng)最重要的表征。中國(guó)熱流測(cè)量工作開展較晚, 但發(fā)展迅速, 先后在華北、東北、攀西、三江、青藏、東南沿海地區(qū)取得了一大批熱流數(shù)據(jù), 并編制了中國(guó)大地?zé)崃鲌D[16-19]。本次工作以樣品測(cè)試及搜集大地?zé)崃髦禐榛A(chǔ)繪制了山東省大地?zé)崃髦捣謪^(qū)圖(圖3)，為山東省干熱巖資源量計(jì)算提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

山東省的大地?zé)崃髦到橛?5～100mW/m2。空間規(guī)律表現(xiàn)為，深大斷裂附近大地?zé)崃髦迪鄬?duì)較高，魯中南隆起地區(qū)大地?zé)崃髦递^低。最高值在魯西北的陳莊潛凸起區(qū)、廣饒潛凸起區(qū)以及魯東文登地區(qū)，另外，魯中南菏澤潛凸起區(qū)大地?zé)崃髦递^高。

3.2 巖石熱導(dǎo)率

又稱“導(dǎo)熱系數(shù)”，是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度，即指當(dāng)溫度垂直向下梯度為1℃/m時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量。熱導(dǎo)率是巖石熱物性參數(shù)，一般采集巖石樣品測(cè)試分析來獲取。

山東地區(qū)的研究資料比較豐富，全省熱導(dǎo)率主要是搜集前人實(shí)測(cè)巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)(山東地質(zhì)志)進(jìn)行取值，4km以淺的巖石熱導(dǎo)率可根據(jù)鉆探數(shù)據(jù)獲取， 4km深度以下的巖石熱導(dǎo)率根據(jù)推測(cè)巖石性質(zhì)取定值。為了方便計(jì)算，山東省4個(gè)分區(qū)巖石熱導(dǎo)率取值為各區(qū)采集樣品數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值，搜集地?zé)峋畮r芯熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)見表1。

3.3 巖石生熱率

巖石生熱率是指單位體積的巖石在單位時(shí)間內(nèi)由其所含的放射性元素衰變而產(chǎn)生的熱量。巖石放射性元素的衰變生熱主要取決于巖石中放射性物質(zhì)U、Th和K的含量。通過測(cè)定樣品中U、Th和K的含量和樣品密度，按Birch(1954)給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出樣品的生熱率[20]。

1—<50mW/m2；2—50～55mW/m2；3—55～60mW/m2；4—60～65mW/m2；5—65～70mW/m2；6—70～75mW/m2；7—75～80mW/m2；8—80～85mW/m2；9—>85mW/m2；10—斷裂圖3 山東省大地?zé)崃髦捣謪^(qū)圖

表1 收集山東省地?zé)峋畮r芯熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)一覽表

續(xù)表1

山東省巖石生熱率是對(duì)研究區(qū)取巖樣90件測(cè)試U、Th和K的含量，通過上式計(jì)算獲得，數(shù)據(jù)見表2和表3。為了方便計(jì)算，在魯西北重點(diǎn)勘查區(qū)根據(jù)相關(guān)資料取值3.18，其他區(qū)域生熱率取值為巖樣測(cè)試數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值。

3.4 基準(zhǔn)溫度

基準(zhǔn)溫度就是地表溫度，本文以山東地區(qū)年平均氣溫13℃近似代表基準(zhǔn)溫度，4個(gè)分區(qū)干熱巖地?zé)豳Y源計(jì)算參數(shù)見表2、表3。

表2 山東省干熱巖重點(diǎn)勘查區(qū)地?zé)豳Y源計(jì)算參數(shù)表

表3 山東省除重點(diǎn)勘查區(qū)外的干熱巖分區(qū)地?zé)豳Y源計(jì)算參數(shù)表

3.5 溫度估算

根據(jù)上述方法對(duì)山東省干熱巖分區(qū)3～10km不同層次深部估算溫度，依據(jù)所計(jì)算的溫度結(jié)果繪制了山東省3～10km深溫度分布圖，其中圖4、圖5分別是3.5km、9.5km等溫線圖。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外干熱巖資源開采利用經(jīng)驗(yàn)，考慮經(jīng)濟(jì)、效能的可持續(xù)發(fā)展，150℃以上的干熱巖更具開采價(jià)值，本文所估算的不同深度的溫度值對(duì)山東省干熱巖資源的開發(fā)利用具有很好的參考價(jià)值。

圖4 山東省干熱巖估算3.5km等溫線

圖5 山東省干熱巖估算9.5km等溫線

4 結(jié)果分析

根據(jù)所計(jì)算的山東地區(qū)3～10km深度的溫度結(jié)果，采用體積法估算山東地區(qū)干熱巖資源儲(chǔ)量。分別在4個(gè)分區(qū)以深度上每1km為單位，計(jì)算3～10km深處各段的干熱巖資源潛力(表4)。

山東省干熱巖在3～10km深處資源總量為2.63×1023J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤8.97×1012t。同時(shí)分析表明山東魯西北地區(qū)具有淺部開發(fā)利用干熱巖的潛能，在魯西北地區(qū)和魯東地區(qū)5km深度以下多個(gè)重點(diǎn)勘查區(qū)溫度推算都超過150℃，另外，在魯中南地區(qū)的沂南縣6km深度推算溫度也達(dá)到150℃以上。因此山東魯西北地區(qū)以及魯東地區(qū)在蓬萊-招遠(yuǎn)、龍泉、文登-榮成、魯中南地區(qū)的沂南縣附近極有可能成為山東省干熱巖勘探的先行重點(diǎn)勘查區(qū)。

表4 山東省3～10km深度干熱巖資源估算結(jié)果

5 結(jié)論

(1)山東地區(qū)絕大部分區(qū)域的大地?zé)崃髦党^63mW/m2，屬于地?zé)岙惓^(qū)。其中魯西北部分地區(qū)熱流值超過75mW/m2，魯東部分區(qū)域及沂沭斷裂帶附近熱流值超過70 mW/m2。高熱流區(qū)與深部巖漿活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。

(2) 根據(jù)深部溫度及資源量計(jì)算結(jié)果來看，目前現(xiàn)階段山東省干熱巖在3～10km深度范圍內(nèi)資源總量按2%的可開采資源量計(jì)算，合1794.4×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，大約是全國(guó)2019年能源消耗總量的37倍。

(3) 在魯西北、魯東的蓬萊-招遠(yuǎn)、龍泉、文登-榮成一帶以及魯中南沂南附近具有開發(fā)利用干熱巖資源的潛能，具有良好的勘查開發(fā)利用前景。