Geochemical Characteristics, Geothermal Heat Flux Distribution and Sustainable Yield Assessment of Geothermal Reservoirs in Shandong, China

Abstract

Shandong, one of China's most populous provinces, faces growing pressure to shift to carbon-neutral energy to mitigate climate change. Situated on the eastern margin of the North China Craton, it has a tectono-magmatic history that favours extensive geothermal resources. This thesis presents an integrated geoscientific investigation into two representative geothermal system types in Shandong Province: (1) convective geothermal systems hosted in intrusive rock that feature active natural recharge and discharge through permeable fractures and faults, located in the Shandong Peninsula; and (2) conductive geothermal systems hosted in sandstone, with limited natural recharge, in the Dezhou area. Geochemical and isotopic analyses of geothermal waters from the Shandong Peninsula indicate a predominantly meteoric origin, variably modified by seawater mixing, water–rock interaction or mineral salt leaching, and shallow groundwater mixing. Reservoir temperatures are estimated to range from 70 to 160°C. Two geothermal system types are identified: (1) deep (~2–5 km) circulation systems associated with major fault zones, with higher reservoir temperatures and isotopic signatures of mixed “old” and modern waters; and (2) shallow circulation systems controlled by minor fractures, displaying minimal water–rock interaction and local seawater influence. Further geothermal exploration in the Shandong Peninsula may be feasible through deeper boreholes targeting higher temperature waters. In Dezhou, the Guantao Formation sandstone reservoir is evaluated through a combination of long-term monitoring, reinjection experiments, lumped parameter modelling and volumetric energy balance calculations. The results indicate that a reinjection rate of 90 percent can help sustain a total yield for the area of approximately 1300 L/s during the heating season and average 500 L/s annually, while satisfying constraints on maximum water level depth and minimal thermal breakthrough risk over a 100-year time frame. These results highlight the critical importance of effective reinjection and sustainable management in maintaining reservoir performance in closed sedimentary geothermal systems. Heat-flux mapping across both regions, yields estimated values ranging from 40 to 200 mW/m² and values for most sites clustering between 60 and 80 mW/m². Superimposed high-flux anomalies, that commonly exceed 100 mW/m², are examined in detail to delineate their spatial distribution and controlling mechanisms, including elevated basal heat input and deep-large fault-focused convective upflow. The outcome of this research contributes to a strategic framework for future geothermal exploration and development, particularly targeting deeper and higher-temperature resources in structurally favourable zones.

Shandong, eitt fjölmennasta hérað Kína, stendur frammi fyrir vaxandi þörf á kolefnishlutlausum orkulausnum til að hamla gegn loftslagsbreytingum. Héraðið er staðsett á austurmörkum Norður-Kína skjaldarins og einkennist af ummerkjum brotahreyfinga og eldvirkni, sem saman stuðla að verulegum jarðhitaauðlindum. Þessi ritgerð fjallar um samþætta jarðvísindalega rannsókn á tveimur dæmigerðum týpum jarðhitakerfa í Shandong héraði: (1) varmahræringarkerfi í innskotsbergi sem einkennast af virku náttúrulegu innstreymi og útrennsli um lekar sprungur og misgengi, staðsett á Shandongskaga; og (2) varmaleiðingarkerfi í sandsteini, með takmarkað náttúrulegt innstreymi, á Dezhou svæðinu. Greining á jarðefnafræði og samsætum jarðhitavatns frá Shandongskaga sýna að það á uppruna sinn í úrkomuvatni sem hefur blandast sjó, víxlverkað við berg og blandast við annað grunnvatn. Hitastig kerfanna er áætlað á bilinu 70 til 160°C. Tvær gerðir jarðhitakerfa eru skilgreindar: (1) djúp (~2–5 km) hringrásarkerfi tengd stórum misgengisbeltum, með hærri hita og samsætum sem benda til blöndu „gamals“ og ungs vatns; og (2) grunn hringrásarkerfi sem stýrast af minni sprungum, með litla víxlverkun vatns og bergs og staðbundin áhrif sjávar. Frekari jarðhitaleit á Shandongskaga kallar á djúpar rannsóknarborholur, sem miðuðu við leit að hærri hita. Í Dezhou er jarðhiti í sandsteinslögum Guantao-myndunarinnar metinn með blöndu af vinnslueftirlitsmælingum, niðurdælingartilraunum, þjöppuðum líkanreikningum og rúmmálsreikningum á orkujöfnuði. Niðurstöðurnar benda til þess að 90% niðurdæling geti hjálpað til við að viðhalda heildarafköstum svæðisins kringum 1300 L/s á upphitunartímabili hvers árs, eða að meðaltali 500 L/s á ári, en jafnframt uppfylla takmarkanir á mesta vatnsborðsdýpi og takmarka kólnunarhættuna yfir 100 ára tímabil. Þessar niðurstöður undirstrika mikilvægi skilvirkrar niðurdælingar og sjálfbærrar stýringar jarðhitavinnslu, til að viðhalda afkastagetu lokaðra setlagajarðhitakerfa. Kortlagning á varmaflæði til yfirborðs á báðum svæðunum, gefur gildi á bilinu 40 til 200 mW/m² auk gilda fyrir flesta staði á bilinu 60 til 80 mW/m². Sérstök varmaflæðishámörk, sem oft fara yfir 100 mW/m², eru skoðuð ítarlega til að greina dreifingu þeirra og þá þætti sem stýra tilvist þeirra, þar á meðal aukið djúpinnstreymi hita og hræring vatns stýrt af sprungum. Niðurstöður þessarar rannsóknar styðja við stefnumótandi áætlun fyrir framtíðarleit og þróun jarðhitanýtingar, með sérstakri áherslu á dýpri og heitari auðlindir á svæðum með jarðfræðilega hagstæðar aðstæður.

山东省作为中国人口大省，面临着应对气候变化、实现能源结构转型的压力。该省地处华北克拉通东缘，历史构造岩浆活动频繁，孕育了丰富的地热资源，为供暖等直接利用领域提供了替代化石能源的可行方案。本文开展综合地学研究，聚焦山东两类具有代表性的地热系统：（1）山东半岛的断裂控制型开放式对流系统；（2）德州地热田的传导型封闭式砂岩热储系统。对山东半岛地热水的地球化学与同位素分析表明，其主要来源为大气降水，并在不同程度上受海水混合、水—岩作用或矿盐淋滤及浅层地下水混合的影响；储层温度估算为70–160℃。据此识别出两种循环类型：（1）受深大断裂控制的深循环（约2–5km），具有较高储层温度及“古水”与现代水的混合同位素特征；（2）受次级裂隙控制的浅循环，水—岩作用弱、局部受海水影响。山东半岛未来勘探可在适宜靶区加深钻探以获取更高温资源。德州地热田的研究以馆陶组砂岩热储为例，综合长期动态监测、野外回灌试验及集中参数模型评估其可持续开采量。结果表明，若保证90%回灌率，采暖季可持续开采量约1300L/s、年均约500L/s，并在100年时间尺度内满足最大水位埋深约束和最小的热突破风险。这些结果强调了在封闭型沉积热储系统中实施有效回灌和可持续管理对于维持热储性能的关键性。区域热通量估算值为40–200mW/m²，大多集中在60–80mW/m²；本研究发现大于100mW/m²的高热流通量异常区，揭示其主要受较高的基底热流与深大构造断裂聚集对流上涌共同控制。研究成果为山东地热资源的战略性勘探方向与开发提供了框架，尤其指向在构造有利带中优先部署更深、更高温的目标。