薛宇澤，張玉貴，韓元紅，張廷會，薛 超，肖踞輝，彭振洲，郭 斌

（1.自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；2.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710021；3.陜西省一三一煤田地質(zhì)有限公司，陜西 韓城 715400；4.陜西省一三九煤田地質(zhì)水文地質(zhì)有限公司，陜西 渭南 714000）

地?zé)豳Y源是一種穩(wěn)定和高效的可再生清潔能源，充分開發(fā)利用地?zé)豳Y源是推動國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑。淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的重要組成部分，具有分布廣、儲量大的優(yōu)點(diǎn)，研究淺部地溫場特征是開發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源的前提和基礎(chǔ)[1]，同時(shí)對深部地?zé)崽锏目碧?、地?zé)崮苜Y源的評價(jià)、地溫梯度計(jì)算、油氣資源勘探、礦井熱害、農(nóng)業(yè)種植、地下空間規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面具有重要意義。地溫場的準(zhǔn)確分析是地?zé)崮荛_發(fā)利用的先決條件[2]。

王貴玲等[3]對中國陸殼淺層地溫場變溫帶、恒溫帶和增溫帶分布特征及影響因素進(jìn)行分析總結(jié)，認(rèn)為中國陸殼淺層地溫場變溫帶的厚度在全國范圍內(nèi)呈東南低，西北、東北地區(qū)高的特征；恒溫帶的溫度變化特征與全國年平均氣溫變化趨勢基本一致；增溫帶200 m深度以內(nèi)的地溫梯度分布、變化特征與地?zé)釄隹傮w地溫梯度變化較為一致。王均等[4]根據(jù)大量鉆孔測溫資料研究了中國南部地溫分布特征，認(rèn)為地溫分布受地殼結(jié)構(gòu)及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造控制明顯，巖漿巖與碳酸鹽巖分布區(qū)對地溫有一定影響。藺文靜等[5]計(jì)算了中國重點(diǎn)城市淺層地?zé)崮苜Y源量為2.78×1020J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為94.86×108t。衛(wèi)萬順等[6]在大量鉆孔測溫資料的基礎(chǔ)上對北京平原區(qū)淺層地溫場分布特征及影響因素進(jìn)行研究，認(rèn)為區(qū)域地溫場分布與構(gòu)造線相吻合，研究表明構(gòu)造是控制地溫分布的主要因素，淺層地溫場分布受松散層物質(zhì)成分、顆粒度和密度影響顯著，水體參與使地溫場狀態(tài)趨于復(fù)雜。任戰(zhàn)利等[7]認(rèn)為鄂爾多斯盆地中生代晚期地?zé)岙惓^(qū)主要分布在吳旗—慶陽—富縣一帶，異常地溫場的形成可能與秦嶺造山帶燕山晚期構(gòu)造活動有密切聯(lián)系。楊樹彪[8]基于大量的實(shí)測數(shù)據(jù)對上海地區(qū)200 m以淺的松散地層溫度進(jìn)行了研究，對上海地區(qū)變溫帶、恒溫帶和增溫帶具體深度范圍進(jìn)行了劃分，分析了地層的導(dǎo)熱性能及地層溫度的影響因素。高世軒[9]分析了地源熱泵工程地下?lián)Q熱區(qū)地溫場分布特征，認(rèn)為地埋管系統(tǒng)換熱區(qū)地溫場主要受氣溫、建筑冷熱負(fù)荷、原始地溫、巖土導(dǎo)熱系數(shù)等因素影響。王小清等[10]以某工程為例，通過設(shè)置地溫監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行地溫監(jiān)測，分析了地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期地溫場變化特征，結(jié)果表明換熱區(qū)地溫變化與地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況呈規(guī)律性變化，系統(tǒng)運(yùn)行對換熱區(qū)外圍區(qū)域地溫場的影響范圍有限。劉丹丹等[11]根據(jù)西安市內(nèi)布設(shè)的12口長觀孔監(jiān)測的一年內(nèi)的月平均地溫，繪制了不同時(shí)期地溫隨深度變化曲線，系統(tǒng)分析西安市淺層地溫場垂向上的分布特征及其影響因素，認(rèn)為西安市垂向上的分布特征有漸變升溫型和升溫降溫交替型兩種類型，影響其分布的主要因素是地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動以及巖性。周陽等[12]分析了關(guān)中盆地淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用情況、賦存特征和形成模式，認(rèn)為關(guān)中盆地地?zé)崮艿男纬赡Ｊ街饕獮闊醾鲗?dǎo)型和熱對流型，并利用熱儲法計(jì)算出關(guān)中盆地淺層地?zé)崮軣崛萘繛?.38×1016kJ/℃。關(guān)中盆地恒溫帶位于15～20 m埋深處，導(dǎo)熱系數(shù)與恒溫層深度呈弱負(fù)相關(guān)，地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與恒溫層深度呈弱正相關(guān)；大氣溫度年振幅與恒溫層深度呈正相關(guān)，但受制于大氣溫度年振幅數(shù)值變幅有限，因此，它對恒溫層數(shù)值影響范圍有限；導(dǎo)溫系數(shù)與恒溫層深度呈明顯的正相關(guān)[13]。相關(guān)研究大多集中于西安咸陽地區(qū)，對于關(guān)中盆地東部地區(qū)地溫場的研究很少。

1 區(qū)域概況

1.1 基本情況

韓城地區(qū)位于關(guān)中盆地東部，賦存埋藏較深的碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲[14]。前人對該區(qū)地溫場的初步研究認(rèn)為韓城地區(qū)可能存在地?zé)岙惓^(qū)（圖1），但尚需進(jìn)一步驗(yàn)證，總體而言該地區(qū)的地溫場研究開展程度仍相對較低[15]。選取韓城地區(qū)的一口測試井，通過在井下布設(shè)溫度傳感器進(jìn)行一年數(shù)據(jù)采集，分析淺部地層垂向分布特征，劃分出變溫帶、恒溫帶及增溫帶，推測出地溫梯度，為該區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供參考。

圖1 關(guān)中地區(qū)淺部地?zé)岙惓^(qū)分布（據(jù)文獻(xiàn)[15]修改）Fig.1 Shallow geothermally-anomalous area in Guanzhong Basin（According to reference[15]）

1.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)在構(gòu)造上地處渭北隆起的東部，南接汾渭地塹系（圖2），是鄂爾多斯地塊東南緣與汾渭地塹的交界地帶[16]。斷層為本區(qū)最為發(fā)育的構(gòu)造形式，韓城大斷裂為區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的斷裂，北起禹門口，南至合陽、蒲城，主要表現(xiàn)為正斷層，斷層面沿走向及傾向呈舒緩波狀，走向NE20°～50°，傾向南東，傾角大于60°，斷距超過500 m，至禹門口可達(dá)到1 000 m以上。韓城地區(qū)以該大斷裂（圖3）為界分為2個地貌單元[17]：大斷裂東南部為黃土臺塬區(qū)，沉積了巨厚第四系松散沉積物，形成了渭河地塹的東北部地形平緩地區(qū)，是韓城市的主要農(nóng)業(yè)區(qū)；大斷裂西北部是以黃土梁峁景觀為主的低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，地形復(fù)雜，是煤炭資源的主要開發(fā)區(qū)[18]，出露的地層主要以奧陶系的石灰?guī)r及石炭系—三疊系的砂泥巖為主。

圖2 關(guān)中地區(qū)區(qū)域構(gòu)造劃分Fig.2 Regional tectonic division of Guanzhong Basin

圖3 韓城河津地區(qū)區(qū)域構(gòu)造斷裂發(fā)育（據(jù)文獻(xiàn)[17]修改）Fig.3 Development of tectonic and fault of Hejin in Hancheng（According to reference[17]）

2 測試方法

地溫監(jiān)測孔要選在地形平坦、地下水位淺、地表水干擾少的地段[19]。選取韓城大斷裂東南部黃土塬區(qū)一口荒廢多年的農(nóng)業(yè)灌溉井作為測試井（圖4），井深70 m，水位11 m，地層主要由淺黃色、棕黃色黃土層，粉質(zhì)黏土夾中細(xì)砂，礫卵石層組成，井內(nèi)水態(tài)長期靜止與地層溫度已達(dá)平衡，能夠反映出地層的原始溫度。

圖4 韓城地區(qū)淺部地溫測試井井位示意圖Fig.4 Location of shallow geothermal test well in Hancheng

研究選用的TD-016C型總線式測溫光纜由多個數(shù)字傳感器通過總線串聯(lián)組成，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的分布式多點(diǎn)溫度測量，測溫范圍為-50～100℃，精度為0.1℃，通過總線進(jìn)行信號傳輸。該測溫光纜具有接線簡單、操作方便、精度高、抗拉性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用測溫光纜分別測量5，10，12.5，15，17.5，20，22.5，25，27.5，30，32.5，35，40，45，50 m深度處的地層溫度，采集周期為2 h。2020年5月開始將測溫光纜從井口放入后不再移動，進(jìn)行為期1 a的溫度測量，傳感器自動記錄溫度數(shù)據(jù)并上傳云端保存。

3 地溫垂向分布特征

3.1 測溫曲線一般特征

淺部地層的溫度主要由太陽能與地球內(nèi)部生熱共同影響，其影響因素包括淺部地層巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)及大氣溫度等多方面。淺部地層在垂向上會隨著氣候變化劃分出變溫帶、恒溫帶及增溫帶3個部分。

每天取12個數(shù)據(jù)的平均數(shù)作為當(dāng)天溫度數(shù)據(jù)，將30 d的溫度數(shù)據(jù)平均處理后作為當(dāng)月溫度數(shù)據(jù)，得到韓城大斷裂東南地區(qū)不同深度地層溫度變化（表1），繪制50 m以上地層溫度變化曲線（圖5）。從圖5可以 看出 從2020年5月 至2021年4月1個 周 期年期間，不同時(shí)間地層溫度的變化大致可分為4個階段：①0～10 m地層溫度波動敏感，其中，5 m處地溫隨時(shí)間變化劇烈，具有明顯的季節(jié)性，10 m處地層溫度強(qiáng)烈收斂，受季節(jié)氣候變化影響逐漸減小；②10～15 m溫度變化曲線進(jìn)一步收斂，15 m處地層溫度基本匯聚；③15～35 m處地層溫度常年保持在15.3℃左右；④35～50 m溫度隨深度的增加緩慢升高，且不隨時(shí)間變化。

圖5 韓城地區(qū)50 m以淺溫度變化曲線Fig.5 Temperature curves above 50 m in Hancheng

表1 不同深度地層溫度變化Table 1 Stratum temperatures at different depths

3.2 變溫帶

變溫帶受太陽輻射的影響，其溫度有季節(jié)、年份等周期性變化，氣候是影響溫度的主要因素。2020年5月到2021年4月1個周期年期間（圖6），5～10月大氣溫度高于11月至次年的4月，8月的大氣溫度最高，1月的大氣溫度最低；5 m處地層，6～11月的溫度高于12月至次年5月的溫度，最高溫度出現(xiàn)在9月，最低溫度出現(xiàn)在2月，表明5 m處地層溫度與大氣溫度變化趨勢基本一致，地層溫度響應(yīng)滯后大氣溫度1個月，5 m以上地層受大氣溫度影響深遠(yuǎn)；10 m處地層最高溫度16.1℃出現(xiàn)在1月，最低溫度15.1℃出現(xiàn)在5月，溫差為1.0℃，并且最高溫度與最低溫度的出現(xiàn)時(shí)間幾乎與氣象條件相反，且由于土體導(dǎo)熱性質(zhì)，10 m處地層溫度響應(yīng)滯后大氣溫度3～5個月[20]；12.5 m處地層全年最高溫與最低溫溫差為0.3℃，溫差進(jìn)一步縮?。?5 m處地層溫差為0.1℃，全年溫度幾乎恒定，大氣溫度變化對地下影響可以忽略。由此可推斷：地面到地下15 m為變溫帶，變溫帶的溫度隨氣溫的變化有規(guī)律地變化，地溫的變化存在明顯的滯后，在變溫帶深度范圍內(nèi)隨深度的增加滯后時(shí)間變長。

圖6 韓城地區(qū)不同深度地層溫度與大氣溫度對比Fig.6 Contrast of stratum temperatures and atmosphere temperatures at different depths in Hancheng

3.3 恒溫帶

恒溫帶也稱常溫帶，是指地表下某一深度處溫度基本保持恒定不變的地帶（或?qū)樱腥?、月、季、年之分，通常所說的恒溫帶系指年恒溫帶[21]。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，韓城大斷裂東南地區(qū)15 m以下的地層溫度常年保持恒定，幾乎不受大氣溫度的影響。深度超過32.5 m的地層，溫度略有上升，因此，確定韓城大斷裂東南地區(qū)恒溫帶深度范圍在15.0～32.5 m，厚度為17.5 m，溫度為15.3℃。韓城的年平均氣溫為13.5℃，兩者相差1.8℃。

恒溫層的溫度受多種因素共同制約，其中氣候因素影響最大，控制整體變化趨勢。恒溫帶與大氣溫度的關(guān)系可以表示為：

式中：TH為恒溫帶溫度，℃；TD為同位置的年平均氣溫，℃。

由式（1）計(jì)算得出韓城大斷裂東南地區(qū)的恒溫帶溫度為15.885℃，而實(shí)測恒溫帶溫度為15.300℃，二者相差0.585℃，說明實(shí)測數(shù)據(jù)可靠。恒溫層溫度比大氣溫度高1.800℃，符合前人研究規(guī)律。

3.4 增溫帶

恒溫帶以下稱增溫帶，主要受地球內(nèi)部熱能影響，溫度隨深度增加而升高。由研究區(qū)35 m以深地層溫度分布統(tǒng)計(jì)（圖7）可知，地層溫度隨著深度的增加開始緩慢升高，且其變化趨勢與大氣溫度、季節(jié)時(shí)間無明顯關(guān)聯(lián)。35 m地層處的平均地溫為15.40℃，40 m地層處平均地溫為15.60℃，45 m地層平均地溫為15.72℃，50 m地層平均地溫為15.87℃。從32.5～50.0 m之間17.50 m的范圍內(nèi)溫度由15.30℃變?yōu)?5.87℃，溫度增加了0.57℃，按照地溫梯度的定義計(jì)算韓城地區(qū)35～100 m地溫梯度為3.25℃/hm。據(jù)前人研究周邊地區(qū)地溫梯度小于3.00℃/hm，故初步判斷研究區(qū)為淺部地?zé)岙惓^(qū)[22]。

圖7 韓城地區(qū)35～50 m地層溫度變化Fig.7 Variation of stratum temperatures at 35～50 m in Hancheng

4 淺部地溫異常原因分析

1）韓城大斷裂下盤地層受多次構(gòu)造破壞，斷層節(jié)理發(fā)育，裂隙率高，形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，作為導(dǎo)熱通道在垂向上劇烈切割并溝通深部古生界奧陶系巖溶熱儲層，將深部熱量帶到淺部地層[23]。

2）測試井位于韓城大斷裂東南黃土臺塬地區(qū)，沉積了數(shù)百米的第四系松散沉積物，淺部松散層的孔隙水由于受到地形地貌的控制，河流切割嚴(yán)重，地下水徑流方向統(tǒng)一性差，多數(shù)由塬心流向兩側(cè)河谷，黃土臺塬區(qū)唯一的補(bǔ)給途徑是大雨或暴雨產(chǎn)生地表徑流后沿“流海縫”裂隙入滲補(bǔ)給地下水[24]。受補(bǔ)給量的限制，徑流強(qiáng)度相對較弱，地表徑流條件好，大氣降水以面流和片流的形式很快排泄到溝谷流走，含水層的補(bǔ)充有限，導(dǎo)致韓城大斷裂東南黃土臺塬區(qū)淺部地層地下水活動不豐富。

3）大斷裂南部第四系與新近系松散層黃土厚度大，作為深部巖溶熱儲的蓋層，有利于隔熱保溫。

綜上所述，韓城大斷裂作為通道將地球深部熱量傳導(dǎo)上來，由于黃土臺塬淺部松散層含水不豐富及較弱的徑流強(qiáng)度和淺部巨厚第四系與新近系松散層的保溫作用，共同造成研究區(qū)地溫梯度高于周邊地區(qū)。

5 結(jié)論

基于實(shí)測數(shù)據(jù)對關(guān)中盆地韓城大斷裂東南地區(qū)淺部地層溫度在垂向上的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

1）韓城大斷裂東南地區(qū)地溫垂向分布分帶明顯、規(guī)律性好，可分為變溫帶、恒溫帶及增溫帶。

2）變溫帶的范圍從地面到地下10 m，地溫受大氣影響顯著，其溫度隨氣溫的變化而有規(guī)律地變化，對比大氣溫度有明顯的滯后性，5 m以淺地層滯后大氣溫度1個月，地下5～10 m地層滯后大氣溫度3～5個月。

3）地下15 m附近及更深處，季節(jié)性的氣溫變化的影響較小。韓城東南地區(qū)恒溫帶深度范圍為15.0～32.5 m，厚度17.5 m，溫度15.3℃，比大氣溫度高1.8℃。

4）韓城大斷裂東南地區(qū)淺部地溫體溫梯度高于區(qū)域平均地溫溫度，推測可能有以下原因：①韓城大斷裂作為導(dǎo)熱通道將深部熱量帶到淺部地層；②淺部地層地下水徑流強(qiáng)度相對較弱，熱量得以保存；③第四系與新近系松散層黃土厚度較大，隔熱保溫性能較好。