摘要
前人研究成果已揭示了热源、水源、通道、热储和盖层等因素对地热系统的控制作用，但针对鲁中山区中低温地热系统的研究仍较为薄弱，制约了该区地热资源的科学开发。本文通过总结山东省五里地区的地热地质条件及地温场特征，分析了对地热资源的形成分布起到控制作用的因素，探讨了地热资源形成模式。研究结果表明：山东五里地区属于传导型和断裂-深循环型相叠加中低温地热系统，地热水上升至地表过程中与浅层地下冷水发生了混合作用。研究区热源主要来源于地层中放射性生热元素的衰变生热和地壳深部；断裂构造为地热水的补给和运移提供了良好通道；热储类型以寒武系—奥陶系灰岩裂隙岩溶型层状热储为主，兼有裂隙带状热储特征；盖层为馒头组泥岩、泥灰岩。本研究工作确定了五里地区放射性生热与深部传导热的协同贡献，明确了西店—苏峪寺断裂作为深循环通道的关键作用，为同类中低温地热田的成因解析与靶区预测提供了范例。
Abstract
Previous studies have elucidated the controlling factors of geothermal systems, including heat sources, water sources, conduits, thermal reservoirs, and caprocks. However, research on medium-low temperature geothermal systems in the Luzhong Mountain area of Shandong Province remains limited, hindering the scientific exploitation of geothermal resources in this region. This study systematically investigates the geothermal geological conditions and geothermal field characteristics of the Wuli area in Shandong Province, analyzes the controlling factors influencing the formation and distribution of geothermal resources, and proposes a genetic model for geothermal resource formation. The results demonstrate that the Wuli area represents a medium-low temperature geothermal system superimposed by conductive and fault-controlled deep-circulation mechanisms. During ascent, geothermal water undergoes mixing processes with shallow groundwater. The heat sources primarily derive from radioactive decay of heat-generating elements within strata and deep crustal heat flow. Fault structures act as critical pathways for geothermal water recharge and migration. The thermal reservoirs are dominated by Cambrian-Ordovician limestone fractured-karst layered reservoirs, accompanied by fractured zonal reservoirs. The caprock consists of mudstones and marls of the Mantou Formation. This study quantifies the synergistic contributions of radiogenic heat and deep conductive heat, and identifies the Xidian-Suyusi Fault as the principal deep-circulation conduit. These findings provide a methodological framework for genetic analysis and target prediction in analogous medium-low temperature geothermal fields.
0 引言
地热资源是一种可再生的清洁能源，与传统化石能源相比具有储量丰富、分布范围广、绿色环保的优势；与太阳能、风能等其他清洁能源相比，具有不受天气变化影响、稳定性好、能源利用效率高、运行成本低等优点，其开发利用对推动温室气体减排和实现“碳中和”“碳达峰”目标具有重要意义（周总瑛等，2015；王转转等，2019；马冰等，2021；曹锐等， 2022）。近年来，随着全球能源短缺日益严重和环境污染问题频发，地热能源勘查越来越受到世界各国的高度重视（王贵玲和蔺文静，2020；张畅等，2022）。
20 世纪以来，不同学者对中国地热资源赋存背景及地热资源特征进行了系统的研究（程立群等， 2020；槐永波等，2020；张伟等，2021）。张英等 （2017）通过对地热形成的地质要素和地质作用进行分析认为，充足的热源是地热系统形成的基础，充足的水源补给、断裂构造、高渗透性储层及较好的盖层是地热系统形成的主控因素。何治亮等 （2017）为了更好地分析地热资源的分布特征和富集规律，优选有利勘探开发目标，以不同级次的构造单元为基础，结合构造发育、地层结构及地热资源分布的特点，将地热单元由大到小划分为地热域、地热区、地热带、地热系统和地热藏共5个级别。王亮等（2022）通过对贵州地区地热资源热储、盖层特征及区域重磁资料的综合分析研究，提出贵州地区地热成因模式是以深部断裂控制的“地温梯度” 自动增温循环生热为主，以岩浆岩余热作用为辅。综合分析前人成果，热源、水源、通道、热储和盖层等地质要素的研究是建立热储概念模型的基础，对分析地热成因机理具有重要意义（郭飒飒等，2022； 乔海霞等，2022）。
山东省青州市五里地区分布有Ⅲ级地热异常，具有较好的地热生成环境和赋存条件，属中低温地热系统。寒武系—奥陶系灰岩裂隙岩溶型层状热储是正在开发利用的潜力层位，目前已建有两眼地热井。本文通过对青州五里地区地温测量、可控源音频大地电磁测深、氢氧稳定同位素测试等资料的综合研究，总结区内的地热地质条件及地温场特征，分析对地热资源的形成分布起到控制作用的因素，探讨了地热资源形成模式，为后续地热资源勘探开发提供重要依据。
1 研究区地质概况
1.1 自然地理
研究区地处鲁中山区沂山山脉北麓和鲁北平原洽接地带，最高点驼山海拔408 m，最低点在张高村北，海拔 16.2 m，相对高差约 400 m。地势西南高东北低，地貌主要为低山丘陵、河谷阶地2种类型。
研究区属暖温带半湿润季风气候区，气候温和，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春秋温暖适中。多年（1955—2019年）平均降雨量为664 mm，干旱指数为2.24，平均气温12.7℃。近年来，平均气温有所升高，2019 年为 14.3℃，最低年（1969 年）为 11.4℃。七月份为全年最高气温，多年平均为 26.3℃，一月份为全年最低气温，多年平均为-2.9℃，年温差为29.2℃，多年平均无霜期191.7 d。
区内河流较少，主要为南阳河，该河为弥河支流，发源于青州西南玲珑山下井塘古村，全长 15.3 km，流域面积7.65 km2。
1.2 区域地质
研究区内地层由老到新可分为古生界寒武系、奥陶系及新生界第四系（图1）。寒武系—奥陶系分布于研究区西南部，地层露头良好，层序连续且完整，岩性主要为灰岩、白云岩和白云质灰岩（郭恒， 2019）。第四系分布于研究区东北部，岩性主要为黏土、粉质黏土和砂砾石层（王念理和王公远， 2022）。
图1研究区地热地质简图
区内断裂构造主要为北东向、北西向 2 组。北东向西店—苏峪寺断裂，为一隐伏断裂，切割古生界地层，被第四系覆盖，走向 40°，总长约 17.75 km，断裂性质表现为张性。北西向青州断裂，位于研究区北东部，全长21 km，走向335°，倾向北东，局部倾向南西，倾角一般大于 70°。该断裂早期张性活动形成了大量的构造角砾岩，晚期则以压扭逆冲为主形成断层泥及小型牵引褶皱。
1.3 水文地质
根据研究区出露的地层岩性、地下水的埋藏赋存条件，可将含水层划分为松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组2种。
（1）第四系松散岩类孔隙含水岩组：研究区内第四系沉积厚度由南向北逐渐增大，含水层主要由中细砂、粗砂、砂砾石、卵砾石等组成，粒度由上而下逐渐变粗，由西南向东北逐渐变细。东北部含水层顶板埋深30～50 m，底板埋深50～120 m，一般分为 2～4 层。其中，最下部含水层层位稳定，厚度较大，一般为 5～10 m，岩性为卵砾石或砂砾石，透水性强，为农业供水的主要目的层。水位埋深23～35 m，单井涌水量为 720～1200 m3 /d，为 HCO3-Na·Ca 型水，矿化度0.4～0.6 g/L。
（2）碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组：该含水岩组在研究区西南部丘陵区广泛发育，基岩裸露； 其他地区多隐伏于第四系和新近系之下，分布面积广。含水层岩性为奥陶系马家沟组、寒武系炒米店组及寒武系—奥陶系三山子组的灰岩、白云岩及白云质灰岩等，其中，与下伏侵入岩不整合接触的朱砂洞组为研究区主要热储层位，溶蚀裂隙较发育，地下水具承压性，单井涌水量为500～1000 m3 /d。
研究区南部灰岩大面积裸露，可直接接受大气降水的入渗补给。在近山前的隐伏区，灰岩埋藏较浅，可接受第四系含水岩组的垂直补给。另外，区内断裂构造十分发育，切割深度大，这些断裂构造多具有张性特征，因此，浅部地下水也可通过断裂破碎带下渗补给深部裂隙岩溶水。
2 地热地质特征
2.1 地温场特征
地温场是地球内部热能通过导热率不同的岩石在地壳上的表现，主要受地层岩性、构造和地下水运动等条件的影响，其变化是地质构造条件和地质历史的综合反映。本研究利用区内2口地热井测温数据计算地温梯度平均值，计算公式为：
(1)
式（1）中：dT/dZ为地温梯度平均值（℃/100 m）， H为计算段深度（m），h为恒温层埋深（m），T为计算段深度H处地温（℃），t为恒温层温度（℃）。
综合分析CDR1地热井测温曲线可知（图2），井深80 m处为恒温层的顶界面，该深度对应的温度即为恒温层的温度，约为20.44℃，钻孔底部1340 m处井水温度为 52.74℃，故该井地温梯度平均值为 2.56℃/100 m。CDR2 地热井在井深约 80 m 处温度为 20.10℃，钻孔底部（1700 m）的井水温度为 56.00℃，经计算，CDR2 井地温梯度平均值为 2.22℃/100 m（图3）。综合两口井数据，研究区地温梯度平均为2.39℃/100 m。
图2CDR1地热井地温、地温梯度垂向曲线图
1—第四系；2—寒武系—奥陶系三山子组；3—寒武系—奥陶系炒米店组；4—寒武系崮山组；5—寒武系张夏组；6—寒武系馒头组；7—寒武系朱砂洞组；8—侵入岩；9—白云岩；10—灰岩；11—泥岩；12—花岗岩；13—井温曲线；14—地温梯度曲线
2.2 热储温度
热储温度常用地球化学温标计算，其理论基础为某种反应产物的平衡和温度相关。研究区 CDR1 井、CDR2 井地热水样品落在 Na-K-Mg 三角图的右下角区域（图4），说明研究区地下热水未达到平衡状态，属于未成熟水，可能受浅部地下冷水的混合作用影响（宋小庆等，2012；袁星芳等，2020）。由于热水中的二氧化硅是由热水溶解石英所形成，这部分热水在其达到取样点时没有沸腾，因此，研究区热储温度的计算适合用 SiO2温标法来估算热储温度，选用计算公式如下（李状等，2022）：
（1）石英温标-无蒸汽分离或混合作用
(2)
（2）石英温标-无蒸汽损失（0～250℃）
(3)
（3）石英温标-最大蒸汽损失在100℃（0～250℃）
(4)
式（2）、（3）、（4）中：SiO2为SiO2含量（mg/L）；T为热储温度（℃）。
经计算，研究区 CDR1 井热储温度为 63.58℃， CDR2 井热储温度为 56.23℃（表1）。根据测温结果，CDR1 井井口水温 40℃，CDR2 井井口水温 36℃，均低于热储温度，说明地热水在上升过程中与浅层地下冷水发生混合作用。
2.3 地热水循环深度
李状等（2022）研究认为，地下热水的循环深度可以通过当地地热增温级来估算，具体公式如下：
(5)
式（5）中：G 为地热增温级（地温梯度的倒数， m/℃）（根据 CDR1 井及 CDR2 井的测温结果可知， CDR1井、CDR2井的地热增温级分别为 39.06 m/℃、 45.05 m/℃）；tZ 为地下热储温度（℃），CDR1 井取 63.58℃，CDR2 井取 56.23℃；t0 为恒温带温度， CDR1 井取 20.44℃、CDR2 井取 20.10℃；Z0为恒温带深度，取80 m。
经计算，CDR1 井地热水的循环深度为 1765.05 m，CDR2井地热水的循环深度为 1707.65 m。因此，研究区平均地下热水循环深度为1736.35 m。
图3CDR2地热井地温、地温梯度垂向曲线图
1—第四系；2—寒武系—奥陶系三山子组；3—寒武系—奥陶系炒米店组；4—寒武系崮山组；5—寒武系张夏组；6—寒武系馒头组；7—寒武系朱砂洞组；8—侵入岩；9—白云岩；10—灰岩；11—泥岩；12—花岗岩；13—井温曲线；14—地温梯度曲线
表1研究区热储温度估算结果一览
图4研究区CDR1井、CDR2井水样Na-K-Mg三角图
3 控热因素分析
3.1 水源补给因素
前人研究成果表明，氢氧稳定同位素指标对地热流体的补给来源具有一定指示作用（王成明等， 2013；付云霞等，2021）。
根据氢氧同位素测试分析结果，研究区 CDR1 井地热流体中 δD 值为-60.52‰，δ18O 值为-6.41‰，将该组数据与张杰等（2019）在胶东半岛和薛磊等 （2020）在济南东部取得的地热流体氢氧同位素数据进行对比分析，绘制氢氧同位素关系图（图5）。经综合分析，山东五里地区数据点落于大气降水线之下，且略偏离大气降水线，发生了“氧漂移”现象。
尹观和倪师军（2001）研究认为，氘过量参数 d （d=δD-8δ18O）与地下水补给来源、地热水在地下的滞留时间和所处的水文地质环境有关。d<-10‰，则补给来源为干热气候条件下的降水，若-10‰<d<10‰，则为正常大气降水，若d>10‰，则说明是与现今不同气候的降水（苏艳等，2007；祁家明等， 2019）。经计算，研究区地热流体 d为-9.24‰，说明该地区地热流体主要接受大气降水的补给，但由于深循环作用，补给路径较远，因此地热流体在热储层中滞留时间较长，且所处的水文地质环境较为封闭。
图5山东五里地区地下热水δD-δ18O关系图
3.2 热源因素
根据前人研究成果，地层岩石中的放射性元素衰变会产生伽马射线并释放一定的能量，产生相应的热量，衰变越强释放的能量越多，因此，在自然伽马测井上反映的射线强度越大，生热率越高（罗昕等，2020）。具体计算公式如下：
(6)
式（6）中：A 为生热率（µW/m3）；GR 为自然伽马测井值（API）。
根据研究区 CDR1 地热井测井结果，花岗岩段的自然伽玛值为中高，一般在 50～300 API。经计算，CDR1井花岗岩体的生热率平均为 2.75 µW/m3，高于中国大陆地壳生热率0.58～1.12 µW/m3。
与其他参数相比，大地热流值更能反映某一地区的地温场特征，其计算公式如下：
(7)
式（7）中：q为大地热流值（mW/m2）；K为岩石热导率（W/m℃；花岗岩取值为 2.721，灰岩取值 2.01）； dT/dZ为地温梯度平均值（℃/100 m）。
经计算，研究区平均大地热流值为 58.75 mW/ m2，高于华北地区平均值 47.155 mW/m2（金秉福等，2000），具有相对较高的地热异常背景。
综上所述，研究区内花岗岩体放射性元素的衰变生热为区内地下热水的形成提供了辅助热源。
3.3 通道因素
研究区内断裂构造发育，规模较大，切割较深，对大地构造单元的划分和地层的形成具有控制作用。通过研究区可控源音频大地电磁综合剖面图可知，L1 测线 1800 点附近，视电阻率曲线表现为 “V”型低阻凹槽，中心区域电阻率仅为20 Ω·m左右 （图6）；L2 测线 1320 点附近，视电阻率曲线出现扭曲、错动，呈现梯度带的变化特征（图7）。这些地球物理特征可以推断区域地质资料上隐伏断裂西店—苏峪寺断裂（F1）的存在，该断裂宽度约 60 m，走向 NE40°，倾向 SE，倾角 60°～80°，纵向上发育深度约 1300～1400 m。根据钻孔揭露，CDR1 井和 CDR2 井分别在 1360~1380 m 深度和 1285~1300 m 深度发现构造破碎带，更加证实了西店—苏峪寺断裂的存在，该断裂为研究区内地下水的深部循环提供了良好的通道。
图6研究区L1线可控源音频大地电磁综合剖面图
3.4 储盖因素
根据研究区 CDR1、CDR2 井钻孔资料，区内地层寒武系—奥陶系长清群李官组缺失，朱砂洞组与下伏侵入岩之间角度不整合接触，接触部位岩溶裂隙较发育，具有较好的储水和储热性能。
另外，研究区 CDR1 井测井数据显示，在 700～800 m 深度平均地温梯度为 1.77℃/100 m；900～1000 m深度平均地温梯度为1.34℃/100 m；这2个深度的平均地温梯度明显偏低，为热储层的反映。其中，700～800 m热储岩性主要为朱砂洞组灰岩，900～1000 m热储岩性主要为受构造影响的破碎侵入岩。
根据热储类型、埋藏条件和地热流体性质等的差异，研究区以寒武系—奥陶系灰岩裂隙岩溶型层状热储为主，兼有裂隙带状热储特征。
研究区朱砂洞组上覆的馒头组泥岩、泥灰岩等岩石热传导率较低，导水性、透水性、渗透性较差，且地层厚度大于200 m，具有较好的隔热隔水性能，构成了灰岩热储的盖层。
4 地热水形成模式
通过上述研究发现，研究区西南部丘陵区海拔相对较高，基岩裸露，断裂构造发育，为大气降水向深部渗透提供了有利条件。首先，大气降水在这些区域沿断裂构造向地下深部运移，运移到一定深度后被地壳深部传导上来的热和侵入岩中放射性元素的衰变生热共同加热形成热水。接着沿西店— 苏峪寺断裂向上运移到寒武系—奥陶系灰岩裂隙岩溶中与之前岩溶中被传导加热的岩溶水混合，由于上部馒头组泥岩、泥灰岩等岩石热传导率较低，导水性、透水性、渗透性较差，起到了较好的隔热、隔水作用，使深部形成的热水能够在此很好地保留住。最终，形成了区内的地热资源（图8）。
5 结论
（1）山东五里地区地温梯度平均为 2.39℃/100 m，属于传导型和断裂-深循环型相叠加中低温地热系统，地热水上升至地表过程中与浅层地下冷水发生混合作用。
图7研究区L2线可控源音频大地电磁综合剖面图
图8研究区地热水形成模式示意图
（2）研究区热源主要来源于地壳深部及花岗岩体的放射性元素生热；研究区内发育的西店—苏峪寺断裂为地热水的储存运移提供了良好空间和通道；研究区以寒武系—奥陶系灰岩裂隙岩溶型层状热储为主，兼有裂隙带状热储特征；盖层为馒头组泥灰岩。
（3）研究区地下水补给来源于青州西南部山区大气降水，沿断裂带下渗、经深循环被地壳深部传导上来的热和侵入岩中放射性元素的衰变生热共同加热，后沿西店—苏峪寺断裂运移至具有较好的储水和储热性能的灰岩区富集，形成隐伏地热资源。