濟(jì)寧城區(qū)南部深埋型低溫層狀地?zé)崽锏淖R(shí)別

濟(jì)寧城區(qū)南部深埋型低溫層狀地?zé)崽锏淖R(shí)別

濟(jì)寧是山東省重要的城市戰(zhàn)略城市。山東省的冷濕氣候特征屬于熱條件普遍規(guī)律?，F(xiàn)在，沒(méi)有熱水形成的井。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,耗煤量日益加大,煤炭資源逐年減少,而地?zé)豳Y源是較清潔的新型能源,其開(kāi)發(fā)利用就顯得極為重要和迫切,因此開(kāi)展?jié)鷮幨谐菂^(qū)地?zé)豳Y源遙感地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)意義重大2。1婦人多采用調(diào)查區(qū)為主濟(jì)寧市城區(qū)地處華北板塊魯西地塊魯西南潛隆菏澤-兗州隆起之濟(jì)寧凹陷內(nèi),該次調(diào)查區(qū)包括濟(jì)寧市市中區(qū)、任城區(qū)、兗州市、鄒城市、汶上縣、嘉祥縣、微山縣各一部分,跨2區(qū)、3縣、2個(gè)縣級(jí)市,以任城區(qū)為主。1.1區(qū)內(nèi)地層及構(gòu)造地層遙感地?zé)嵴{(diào)查區(qū)隸屬華北地層大區(qū)山東區(qū)塊地層區(qū),區(qū)內(nèi)第四系覆蓋厚度可達(dá)200m,從鉆探資料中獲悉,區(qū)內(nèi)主要有古生代寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系,中生代侏羅系、白堊系,新生代新近系、第四系地層。區(qū)內(nèi)侵入巖不太發(fā)育,僅在濟(jì)寧市城區(qū)南部和西北部的西石佛西北和小新莊一帶被發(fā)現(xiàn),在第四系下約161m處見(jiàn)到橄欖輝長(zhǎng)巖體,呈不規(guī)則狀,巖體單一。1.2斜、浚累制斜、沉積相濟(jì)寧市城區(qū)處于濟(jì)寧凹陷-潛向斜中,濟(jì)寧向斜為一復(fù)式向斜,兩翼由一系列近NE向的小型褶皺組成,同時(shí)亦存在近NW向的褶皺疊加,由濟(jì)寧向斜、濟(jì)寧背斜和許莊向斜等組成。四周被孫氏店斷裂、嘉祥斷裂、鄆城斷裂和鳧山斷裂控制,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,經(jīng)歷了復(fù)雜的沉積、構(gòu)造地質(zhì)事件,形成了一套較為完整的地層、構(gòu)造體系。該區(qū)斷裂構(gòu)造不僅控制地層展布,而且規(guī)模大,較發(fā)育。由鉆孔及地震、磁場(chǎng)、重力等物探資料所反映情況看,大多具繼承性、長(zhǎng)期活動(dòng)的特點(diǎn),主體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)均為張性或張扭性斷裂,有利于地下水循環(huán)和儲(chǔ)存,為該區(qū)地?zé)豳Y源形成提供了良好的構(gòu)造環(huán)境(圖1)。2地下地質(zhì)信息地下熱水資源能從遙感衛(wèi)星影象尤其熱紅外圖象中不同程度反應(yīng)出來(lái),其基本原理是:地下熱水、熱氣循環(huán)流通過(guò)多種通道,如斷裂構(gòu)造、巖石節(jié)理或裂隙、土壤孔隙等,由下而上向地表泄漏,所產(chǎn)生的熱紅外信息,可以被TM6,TM5和TM7等3個(gè)熱紅外、紅外波段所記錄,從而在影象中能以形狀、大小、花紋、色彩或色調(diào)等信息特征反映地下熱水資源。ETM是美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat-7攜帶的遙感光學(xué)遙感器——主題制圖儀,共有7個(gè)波段,分辨率為30m,它的光譜范圍及主要用途如表1所示,地質(zhì)綜合信息遙感解譯的主要依據(jù)是ETM圖象信息本身的物理真實(shí)性和地質(zhì)信息客觀性。濟(jì)寧市城區(qū)地?zé)豳Y源遙感調(diào)查的依據(jù)就是前期遙感工作發(fā)現(xiàn)了該區(qū)存在較好的地?zé)岙惓！?.1異及地表結(jié)構(gòu)變化應(yīng)用遙感圖象解譯隱伏區(qū)的斷裂線性構(gòu)造比常規(guī)野外方法更有效。隱伏區(qū)斷裂構(gòu)造野外不能直接見(jiàn)到斷層面露頭。與隱伏和深部斷裂有關(guān)的植被、土壤含水量差異及地表結(jié)構(gòu)變化很難在地面近距離觀察中識(shí)別。但通過(guò)遙感圖象的超出可見(jiàn)光范圍的多波段信息“概括”作用,使這些個(gè)別的或分散的形跡與線性構(gòu)造聯(lián)系起來(lái),從而有助于識(shí)別那些地面工作中不易發(fā)現(xiàn)或遺漏的斷裂構(gòu)造,有效彌補(bǔ)地面地質(zhì)工作的不足,從而提高地質(zhì)工作程度。遙感解譯獲得的構(gòu)造豐富了該區(qū)多級(jí)斷裂構(gòu)造,結(jié)合物探成果,修正和驗(yàn)證了區(qū)內(nèi)大型斷裂構(gòu)造的位置,其構(gòu)造含水性、控水性在一定程度上從遙感圖象反映上也得到判斷(圖2)。2.2地面、西部熱影響應(yīng)然性質(zhì)的對(duì)比研究依據(jù)ETM6熱紅外圖象和與ETM6多波段合成的影象上所顯示的地?zé)岙惓Ｐ畔?綜合研究分析認(rèn)為,濟(jì)寧市城區(qū)南部、西部存在3處明顯的地?zé)徇b感異常,且信息強(qiáng)度極好。(1)熱紅外信號(hào)分析西五里營(yíng)熱異常位于濟(jì)寧市城區(qū)西偏南方向,分布在西五里營(yíng)村以西、劉營(yíng)、十里鋪一帶,呈不規(guī)則橢圓形,面積大于12.50km2。在熱紅外波段影象圖上,地?zé)豳Y源遙感異常大致與構(gòu)造展布方向一致,熱異常在ETM642合成影象上呈鮮亮于背景的紅色、桔紅色調(diào),色調(diào)邊界較清晰;在ETM6黑白影象上熱異常為亮白色,明顯亮于背景。圖3是濟(jì)寧市城區(qū)ETM642波段合成灰度影象,被近SN向濟(jì)寧斷裂和店子斷裂所切。該異常區(qū)內(nèi)鉆孔測(cè)溫在675～750m深度測(cè)得的溫度一般在34.65～36.8℃。(2)地表斷裂異常識(shí)別八里廟熱異常位于濟(jì)寧市城區(qū)西南,約距市區(qū)1.5km,遙感地?zé)岙惓Ｃ娣e大于15km2。地處八里廟村、張橋、孟莊、李集一帶,呈橢圓形。該異常的西界被NE15°西五里營(yíng)斷裂所切,東界受NW345°劉堤頭斷裂切過(guò),而近EW向八里廟斷裂、胡莊斷裂為遙感解譯斷裂,這2條斷裂近乎平行展現(xiàn),相距約700m。地溫異常出現(xiàn)在構(gòu)造匯合部位。熱異常在ETM6黑白影象上為亮白色,明顯亮于背景(圖3)。在彩色影象圖上可以看出淺桔紅色熱異常色,該異常內(nèi)構(gòu)造發(fā)育,斷裂交叉匯集,為地表水的滲透、存儲(chǔ)、地?zé)嵝畔⑸弦绲忍峁┝肆己脴?gòu)造空間。該異常內(nèi)孔深1095m處測(cè)溫達(dá)到48.9℃。(3)異常斷裂與異常影象前十里營(yíng)遙感地?zé)岙惓Ｎ挥跐?jì)寧市城區(qū)東南約2km左右。地處張堌堆、趙村、魚(yú)塘、前十里營(yíng)、大郝村、蔣屯一帶,呈蠕蟲(chóng)狀,地?zé)岙惓Ｃ娣e大于29km2(圖3)。地?zé)岙惓|界被孫氏店斷裂所切,異常中心部位有四分廠斷裂、代莊斷裂(斷裂走向NW351°)與近EW向3條平行斷裂通過(guò),遙感地?zé)豳Y源異常受斷裂控制呈EW向展布,并被第四系覆蓋。在異常的北部與西南部,沿?cái)嗔逊植加虚蠙燧x長(zhǎng)巖侵入體,在TM642合成影象上出現(xiàn)反射光譜低暗異常,呈暗藍(lán)色,異常中心部分呈鮮紅及桔紅色調(diào),往邊部色調(diào)逐漸變淺,在TM6波段呈明顯亮于背景的亮白色調(diào)。從鉆孔資料中得知,該異常內(nèi)21(50)號(hào)孔深979.75m處測(cè)溫達(dá)42.25℃,水質(zhì)分析中,氡放射性元素高出背景值近3倍,顯示該地?zé)豳Y源是有一定保健作用的地下熱水資源。3地?zé)崽锏牡厍蛭锢硖卣?.1斷裂發(fā)育情況結(jié)合濟(jì)寧市城區(qū)地質(zhì)特征和遙感地?zé)岙惓０袇^(qū),布置直流視電阻率測(cè)深點(diǎn)152個(gè),AB/2極距最小3m,最大3000m,點(diǎn)距250～500m。電測(cè)深解釋推斷了6條主要斷裂:孫氏店斷裂、八里廟斷裂、代莊斷裂、劉堤頭斷裂、濟(jì)寧斷裂和孟莊斷裂。根據(jù)低阻異常延深情況,認(rèn)為上述斷裂均有較大的延深,其導(dǎo)水導(dǎo)熱性較好。通過(guò)對(duì)電測(cè)深曲線的定量解釋,并結(jié)合煤炭鉆孔資料編繪出奧陶系熱儲(chǔ)層,總的趨勢(shì)是“奧灰”呈水平產(chǎn)出,微微向SW傾斜,埋深厚度從北向南、從東往西呈增厚趨勢(shì)。濟(jì)寧凹陷的構(gòu)造格架為濟(jì)寧凹陷東邊界,4條次級(jí)斷層由NE—SW形成了5級(jí)臺(tái)階形狀,每個(gè)臺(tái)階內(nèi)奧頂埋深相對(duì)變化較小,總體向SW傾斜。3.2魯中丘陵山區(qū)熱輻合排鹽政策調(diào)查區(qū)位于環(huán)魯中南低山丘陵傾斜平原區(qū),隆起幅度較小,凹陷區(qū)大地?zé)崃髦?6～57mW/m2,較地球表面平均熱流值59～63mW/m2略低,可能與該區(qū)地下水豐富且埋深淺有關(guān)。據(jù)河北平原地?zé)豳Y料,一般蓋層厚度超過(guò)500m即能起到很好的保溫效果形成地?zé)岙惓?。該區(qū)靠近魯中丘陵山區(qū),地下水徑流交替積極,對(duì)地溫場(chǎng)影響較大,若徑流條件好,受冷水流干擾會(huì)使地溫降低,反之若徑流條件差,冷水不易混入,在合適的地層構(gòu)造條件下會(huì)形成地?zé)?。該工作區(qū)中南部蓋層厚度一般大于600m,東、西兩側(cè)的孫氏店斷裂和嘉祥斷裂落差大,外側(cè)的寒武-奧陶系與濟(jì)寧凹陷內(nèi)中生界、上古生界砂頁(yè)巖接觸,地層阻水能力較強(qiáng),冷水區(qū)的裂隙巖溶水不易直接補(bǔ)給凹陷區(qū)內(nèi)的奧陶系裂隙巖溶水,下伏奧陶系裂隙巖溶水處于相對(duì)封閉狀態(tài),徑流條件較差,具備形成地?zé)岬臈l件。3.3測(cè)溫變化規(guī)律收集到濟(jì)寧煤田地質(zhì)勘探68個(gè)鉆孔系統(tǒng)測(cè)溫資料1,測(cè)量深度一般600～1300m,同時(shí)進(jìn)行了60口機(jī)民井測(cè)溫,測(cè)量深度一般20～200m。地溫一般隨深度增加而升高,不同深度地溫變化幅度與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層巖性有關(guān)。利用濟(jì)寧市城區(qū)南部的55,56,59號(hào)孔系統(tǒng)測(cè)溫資料分別繪制的測(cè)溫曲線(圖4)可看出,該區(qū)地溫場(chǎng)垂向具有明顯的變溫帶、恒溫帶和增溫帶。3個(gè)不同地區(qū)的測(cè)溫曲線變化規(guī)律總體上基本一致,在恒溫帶以下均呈近斜直線型,但不同地層巖性其導(dǎo)熱率等存在差異。如55,56號(hào)孔在侏羅系、二疊系砂、頁(yè)巖為主地層中,巖性較穩(wěn)定,富水性差,地溫呈近直線型均勻增加,地溫梯度相對(duì)較低,對(duì)地殼深部熱能向上傳導(dǎo)起保溫隔熱作用;進(jìn)入石炭系后,由于距奧陶系熱儲(chǔ)層較近,加之有石灰?guī)r沉積,富水性增強(qiáng),地層熱導(dǎo)率增大,地溫出現(xiàn)一個(gè)突變,測(cè)溫曲線較上部斜率增大,地溫梯度可達(dá)3.4～3.9℃/100m。從新二號(hào)礦區(qū)的59號(hào)孔測(cè)溫曲線可以看出,由于熱儲(chǔ)埋深在1300m左右,1260m深度以上測(cè)溫曲線基本呈一斜直線型,地溫增加速率較均勻,平均地溫梯度2.6℃/100m。增溫帶中實(shí)測(cè)的59號(hào)孔1103.2m處水溫41.2℃,77號(hào)孔1095m處48.9℃,51號(hào)孔1004m處40.6℃。3.4重力異常正等值線范圍濟(jì)寧市城區(qū)處在布格重力異常正等值線與布格重力異常零等值線的交接線的西側(cè),大多處于布格重力異常正等值線范圍,其重力值不高。布格重力異常形態(tài)總體呈橢圓帶狀沿NE方向大體與濟(jì)寧潛向斜展布方向一致,說(shuō)明主干斷裂構(gòu)造控制著地層展布方向,表明濟(jì)寧凹陷處于總體隆起區(qū)背景內(nèi),為不明顯的上地幔隆起帶,莫霍面埋深比四周地區(qū)略淺一些,大體埋深33～34km。3.5不同埋深熱儲(chǔ)溫度測(cè)算奧陶系熱儲(chǔ)層受斷裂構(gòu)造控制,埋藏條件較復(fù)雜。根據(jù)濟(jì)寧諸煤田勘探鉆孔資料及該次地球物理勘探成果,濟(jì)寧市城區(qū)地?zé)崽飱W陶系熱儲(chǔ)頂板埋深總體規(guī)律為北淺南深、東淺西深。根據(jù)奧灰熱儲(chǔ)埋藏條件,利用該次測(cè)溫資料的蓋層地溫梯度計(jì)算結(jié)果,推測(cè)不同埋藏條件下熱儲(chǔ)溫度。在地?zé)崽飽|部、北部熱儲(chǔ)埋深600～800m區(qū)域,平均地溫梯度按2.88℃/100m,推算熱儲(chǔ)平均溫度30～36℃;中部熱儲(chǔ)埋深在800～1000m,平均地溫梯度按2.65℃/100m,推算熱儲(chǔ)平均溫度35～40℃;西南部熱儲(chǔ)埋深在1000～1400m,平均地溫梯度按2.64℃/100m,推算熱儲(chǔ)平均溫度40～51℃。4地?zé)崽锏牡厍蚧瘜W(xué)特征4.1水化類(lèi)型該調(diào)查采集的地下熱水為濟(jì)寧二號(hào)井(D05孔)-700m處煤礦疏干排水,水溫35℃。由濟(jì)寧煤田多年來(lái)對(duì)采煤疏干排水與奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層富水性特征的研究可知:采煤疏干所排之水主要來(lái)自于下伏奧灰水的越流補(bǔ)給和斷裂帶滲流補(bǔ)給,基本上代表奧陶系熱儲(chǔ)地下熱水的水質(zhì)。該水水化學(xué)類(lèi)型為SO4-Na型,陰離子以SO2?442-為主,含量1534.506mg/L,占陰離子總量的77.51%;其次為HCO-3,含量為460.80mg/L,占陰離子總量的18.32%;陽(yáng)離子以Na+為主,含量881.80mg/L,占陽(yáng)離子總量的95.79%;其次為Ca2+,含量22.42mg/L,占陽(yáng)離子總量的2.79%;礦化度2960.86mg/L,pH值8.31,全硬度77.53mg/L。SO2?442-和Na+在地?zé)崴姓贾鲗?dǎo)地位,而HCO-3含量的降低,表明地?zé)崴邮墁F(xiàn)代大氣降水補(bǔ)給量小,處于相對(duì)封閉的地質(zhì)環(huán)境中。經(jīng)計(jì)算,該地?zé)崴肗a/γCl=43.08,γSO4/γCl=36.4,γ(HCO3+SO4)/γCl=45,這些元素比例系數(shù)遠(yuǎn)大于海水,反映了地下熱水具有大陸溶濾水的特征。4.2礦水及偏硼礦水由化驗(yàn)結(jié)果知,濟(jì)寧市城區(qū)地?zé)崽锏責(zé)崴泻卸喾N對(duì)人體健康有益的微量元素和組分,氟、鍶、偏硅酸、偏硼酸等成分均有一定程度的富集。對(duì)照《醫(yī)療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》,地?zé)崴械姆繛?.56mg/L,達(dá)到命名礦水濃度,命名為氟水;偏硼酸含量為5.90mg/L,達(dá)到了礦水濃度,命名為硼礦水。地?zé)崴形⒘吭馗患菄鷰r成分、地下熱水循環(huán)交替條件較差及有利的地球化學(xué)環(huán)境條件共同作用的結(jié)果。4.3地?zé)崴械姆派湫詿崴治鼋Y(jié)果中總α含量為24.2mBq/L,總β含量11.9mBq/L,226Ra含量79.7mBq/L,氡的含量為120.6mBq/L?？傮w上看其地下熱水中放射性元素含量較大。究其原因,是由于濟(jì)寧市區(qū)南有大面積輝長(zhǎng)巖體穿插侵入,地下熱水在流經(jīng)輝長(zhǎng)巖體進(jìn)行深循環(huán)過(guò)程中,不斷溶解圍巖物質(zhì)成分產(chǎn)生熱蝕變,放射性物質(zhì)不斷在熱水中聚集的結(jié)果。根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》地下水放射性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),由地?zé)崴需D的含量(g/L)來(lái)確定其放射性強(qiáng)度。換算關(guān)系為1g=3.7×1010Bq。經(jīng)計(jì)算,D05號(hào)采樣點(diǎn)鐳的含量為2.15×10-11g/L,為弱放射性水。5奧陶系熱儲(chǔ)層含水層位及熱源通過(guò)資料分析認(rèn)為,濟(jì)寧市城區(qū)南部3處相距很近的遙感地?zé)岙惓?都是濟(jì)寧市城區(qū)深部奧陶系熱儲(chǔ)地下熱水信息在遙感熱紅外影象上的反映。蓋層地?zé)崽飪?nèi)奧陶系上覆的石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、第四系總厚度600～1400m。主要由泥巖、砂巖、黏土等碎屑巖組成,總體富水性差,為相對(duì)隔水層,且導(dǎo)熱性能差,熱阻大,是地下熱水良好的天然熱儲(chǔ)保溫蓋層。熱儲(chǔ)層:據(jù)煤田地質(zhì)勘探資料,上述蓋層下伏奧陶紀(jì)中統(tǒng)上部碳酸鹽巖,主要為灰色及棕灰色厚層狀石灰?guī)r、豹皮灰?guī)r,夾泥灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖等,古剝蝕風(fēng)化帶和裂隙巖溶發(fā)育帶厚度一般在200m以上,巖溶裂隙發(fā)育,連通性較好,為地?zé)崴男纬商峁┝藘?chǔ)集、運(yùn)移空間,是奧陶系熱儲(chǔ)層的主要含水層位。熱儲(chǔ)層的富水性極不均勻,一般在構(gòu)造影響帶附近裂隙巖溶較發(fā)育,富水性強(qiáng)。熱源及傳導(dǎo):該區(qū)熱儲(chǔ)層熱源一是來(lái)自地殼深部及上地幔傳導(dǎo)熱流,二是深大斷裂溝通深部熱源后局部對(duì)流型熱源。區(qū)內(nèi)的孫氏店斷裂及西鄰嘉祥斷裂是2條規(guī)模較大的斷裂,可能斷至莫霍面,除了它本身產(chǎn)生一定的摩擦熱能外,主要是溝通了上地幔的巖漿熱源。在工作區(qū)中南部,形成于中生代燕山期的大斷裂伴有多期巖漿入侵活動(dòng),證明區(qū)內(nèi)具有深切上地幔的斷裂構(gòu)造存在。地殼深部的熱能通過(guò)斷裂構(gòu)造導(dǎo)通和地下水深循環(huán)對(duì)流作用,將熱能輸送到奧陶系熱儲(chǔ)層中,在上覆巨厚碎屑巖和松散巖蓋層的阻熱保溫作用下,熱能便儲(chǔ)存下來(lái)。地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源:由區(qū)域水文地質(zhì)條件和水質(zhì)分析資料認(rèn)為,區(qū)內(nèi)地下熱水的來(lái)源除部分為沉積物形成時(shí)保存下來(lái)的沉積水外,絕大部分為濟(jì)寧凹陷區(qū)東、西、北側(cè)向徑流補(bǔ)給,奧陶系巖溶水在接受大氣降水和孔隙水的補(bǔ)給后,少部分巖溶水通過(guò)地層裂隙或斷裂帶,在水頭差的作用下,向凹陷區(qū)深處運(yùn)移至熱儲(chǔ)層,經(jīng)圍巖加熱后形成地下熱水。6熱資源的估算6.1上覆巖溶膠質(zhì)地層根據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件,區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層由中奧陶紀(jì)馬家溝組上部的八陡段、閣莊段和五陽(yáng)山段碳酸鹽巖之風(fēng)化裂隙帶和裂隙巖溶發(fā)育帶構(gòu)成,厚度200m左右,埋藏深度600～1400m;上覆石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和第四系,含有巨厚的泥巖、頁(yè)巖、黏土巖等隔水層,導(dǎo)熱性能差,構(gòu)成良好的保溫蓋層;來(lái)自地殼深部的大地傳導(dǎo)熱流和深大斷裂帶對(duì)流是主要熱源;凹陷東、西、北側(cè)寒武-奧陶系裂隙巖溶水的側(cè)向徑流補(bǔ)給是地?zé)崴闹饕a(bǔ)給水源(圖5)。6.2嘉祥斷裂帶的西部邊界東部邊界為孫氏店斷裂南段(西賈以南),小屯-陳廠斷裂作為東北邊界;據(jù)區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件,嘉祥斷裂為整個(gè)濟(jì)寧凹陷地?zé)崽锏奈鞑窟吔?但考慮到嘉祥斷裂距濟(jì)寧市城區(qū)較遠(yuǎn),地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用經(jīng)濟(jì)效益較差,因此,將重點(diǎn)工作區(qū)西界作為地?zé)崽锏奈鞑窟吔?奧陶系頂板埋深600m線為濟(jì)寧市城區(qū)地?zé)崽锏谋辈窟吔?賈莊以北則以重點(diǎn)工作區(qū)為界