王 璐,段晨陽,孫佳芮,商旭甫

(1.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710068;2．陜西省城市地質(zhì)與地下空間工程技術(shù)研究中心,陜西 西安 710068)

0 引言

地?zé)崮茏鳛橐环N高品質(zhì)、清潔的可再生能源,不僅具備廣泛的應(yīng)用前景,而且其低成本等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步增加了其吸引力。在推動(dòng)清潔供暖、改善大氣環(huán)境和減緩全球氣候變化等方面,地?zé)崮艿闹匾匀找嫱癸@,其所具備的巨大潛力也得到了廣泛的認(rèn)可[1]。而陜西關(guān)中地區(qū)是我國(guó)地?zé)豳Y源比較豐富的地區(qū)之一,具有良好的地質(zhì)條件、地?zé)崽卣骱途薮蟮拈_發(fā)潛力。對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)的地?zé)豳Y源分布規(guī)律及其影響因素進(jìn)行研究,將有助于促進(jìn)該區(qū)域地?zé)崮艿暮侠黹_發(fā)和有效利用。對(duì)實(shí)現(xiàn)國(guó)家制定提出的“碳中和”可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。

1 關(guān)中盆地地質(zhì)條件

1.1 新生界地層巖性

關(guān)中盆地的古近紀(jì)和新近紀(jì)地層較為完整,是該地區(qū)地?zé)峋饕拈_采目標(biāo)層段。這些地層大部分深埋在盆地之下,只有少量露出地表,分布范圍遍及整個(gè)盆地,總的趨勢(shì)是愈向南愈深。從沉積演化的角度看,在戶縣、西安、高陵、渭南一線為凹陷沉積中心。其中古近系為欠平衡補(bǔ)償階段,構(gòu)造沉降緩慢,氣候溫?zé)?新近系以后,具有補(bǔ)償盆地沉積作用,第四系沉積中心基本繼承了新近系沉積格局,但湖盆邊界范圍縮小,河湖沉積物質(zhì)形成了800 m厚的粘土、砂質(zhì)粘土和砂巖沉積層;另外,還有由寒冷干燥氣候下風(fēng)蝕作用形成的大約厚度為160 m的黃土。

1.1.1 古近系

古近系地層存在于關(guān)中地區(qū)較深處,這些地層主要分布于驪山及其周邊區(qū)域,呈扇形散布,向外覆蓋于平原之下,其上部被第四系沉積物所掩蓋。根據(jù)沉積時(shí)間和巖性不同,該地層可以劃分為始新世紅河組和漸新世白鹿原組,主要由河湖相砂礫泥巖錯(cuò)層組成[2]。該地層是關(guān)中地區(qū)主要的熱儲(chǔ)層之一。

1.1.2 新近系

近代以來的巖層主要分布在橫嶺塬、同仁塬、白鹿原和題山周邊區(qū)域,以扇形向西、南和東方向散布,環(huán)繞著驪山[3]。蒲城的東北部也有一些這種巖系的分布。這些巖系的年代可以根據(jù)其距離驪山的遠(yuǎn)近來判斷,靠近驪山的巖石屬于古老的巖系,而離驪山較遠(yuǎn)的則屬于新的巖系。大多數(shù)這些巖系都被盆地所掩埋,成為關(guān)中地區(qū)地?zé)峋饕拈_采層段。這些巖系被第四系的松散層所覆蓋,僅在盆地周緣深切溝谷和山地邊緣才可見其存在。這些巖系可以根據(jù)其沉積時(shí)代和巖性的不同進(jìn)一步分為中新世的保德組和高陵群,上新世的藍(lán)田-灞河組和張家坡組。在寶雞地區(qū),這些巖系被稱為上新世的甘肅群,其巖性主要是由河流和湖泊沉積物形成的砂礫泥巖層。

1.1.3 第四系

第四紀(jì)巖系在整個(gè)地區(qū)廣泛分布,主要由黃土和砂礫石組成。巖石成分種類繁雜,包括了風(fēng)積、沖洪積、湖積等多種類型,同時(shí)也包括了冰水、坡積、滑塌等多種推移作用形成的堆積。其中黃土和砂礫卵石是主要的巖性類型。因?yàn)樵嫉匦蔚牟黄秸?第四紀(jì)巖系的沉積厚度在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)出現(xiàn)了巨大差異,它們自西北向東南方向逐漸增厚。根據(jù)其沉積時(shí)代的不同,可將其劃分為全新世、下更新世的三門組和中上更新世等時(shí)代層段。

1.2 斷裂構(gòu)造及構(gòu)造單元

在關(guān)中地區(qū)內(nèi)部,可以劃分為三個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元,包括北部斜坡、南部坳陷和西部隆起,以及六個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元和26個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元(如表1)。通過對(duì)區(qū)域進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)存在35條不同方向和規(guī)模的斷裂,其中控制盆地的主要斷裂包括秦嶺山前斷裂、余下-鐵爐子斷裂、隴縣-岐山-馬召斷裂、口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂、盆地北緣斷裂帶等[4]。此外,還存在控制構(gòu)造單元的斷裂,主要包括臨潼-長(zhǎng)安斷裂、華山山前斷裂、渭南塬前斷裂、驪山山前斷裂等[5]。

表1 關(guān)中地區(qū)構(gòu)造單元表

2 地溫梯度變化規(guī)律

2.1 地溫梯度水平變化規(guī)律

根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法及估算規(guī)程》(DZ/T 0331-2020),地溫梯度是指地溫隨深度變化的速率,單位為攝氏度每百米或攝氏度每千米(℃/100m或℃/km)其計(jì)算公式為[6]:

(1)

式中:T為代表該點(diǎn)溫度;H為代表該點(diǎn)深度;T0為代表恒溫層溫度,取值15℃;H0為代表恒溫層深度,取值20 m。

由測(cè)井資料,可知各測(cè)井不同深度的溫度,繼而可求得各點(diǎn)地溫梯度。

利用上述地溫梯度計(jì)算公式,分別計(jì)算各地?zé)峋? 000 m、2 500 m、3 000 m處地溫梯度,并分別繪制關(guān)中地區(qū)2 000 m、2 500 m、3 000 m處地溫梯度分區(qū)圖(圖1～圖3)。

由圖1中可以看出關(guān)中盆地大部分地區(qū)2 000 m處地溫梯度在2.5～3℃/100m。2 000 m處地溫梯度在3～3.5℃/100m的區(qū)域分布于楊凌-咸陽斷階、西安斷凹、秦嶺山前斷裂處余下斷階以及固市斷凹東部和中間一帶。地溫梯度大于3.5℃/100m區(qū)域零星分布于楊凌-咸陽斷階、西安斷凹及固市斷凹東部和中間一帶。

由圖2可知,關(guān)中盆地大部分區(qū)域2 500 m深度地溫梯度值在3.0℃/100m以下,但絕大多數(shù)值仍高于2.5℃/100m;少部分區(qū)域在3.0～3.5℃/100m,主要位于楊凌-咸陽斷階、西安斷凹以及固市斷凹東部一帶;極少部分區(qū)域高于3.5℃/100m,分布于楊凌-咸陽斷階、西安斷凹及其與白鹿塬斷階交匯處的局部地區(qū)、以及固市斷凹與二華斷階交匯處的局部地區(qū)。

由圖3可知,關(guān)中盆地大部分地區(qū)3 000 m處地溫梯度為2.5～3.0℃/100m。3 000 m處地溫梯度在3.0～3.5℃/100m的區(qū)域分布于楊凌-咸陽斷階、西安斷凹以及固市斷凹東部一帶。3 000 m處地溫梯度大于3.5℃/100m分布于固市斷凹與二華斷階交匯處的局部地區(qū)。

隨著地層深度的增加地溫梯度值逐漸在降低,但整體趨勢(shì)不變,呈現(xiàn)盆地四周地溫梯度值低,盆地中央值高的趨勢(shì),渭北巖溶熱儲(chǔ)區(qū)地溫梯度值低,中部砂巖熱儲(chǔ)區(qū)和固市斷凹東部和中間一帶相對(duì)較高的特點(diǎn)。

圖1 陜西關(guān)中地區(qū)2 000 m地溫梯度分區(qū)圖

圖2 陜西關(guān)中地區(qū)2 500 m地溫梯度分區(qū)圖

圖3 陜西關(guān)中地區(qū)3 000 m地溫梯度分區(qū)圖

2.2 地溫梯度垂直變化規(guī)律

對(duì)地溫梯度垂直變化規(guī)律的分析基于成井報(bào)告中電測(cè)井溫度進(jìn)行計(jì)算獲得規(guī)律。為更好反映關(guān)中盆地不同構(gòu)造單元的情況,在考慮平面分布盡量均勻的原則和成井報(bào)告基礎(chǔ)上,各構(gòu)造單元選取3個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行分析,并繪制井深-地溫梯度關(guān)系圖(圖4)。

關(guān)中盆地各構(gòu)造單元的地溫梯度均隨深度增大而逐漸減小,且減小幅度也逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。從構(gòu)造單元來看,寶雞凸起三口地?zé)峋堪倜自鰷卦?.08℃～2.48℃,西安凹陷三口地?zé)峋堪倜自鰷卦?.89℃～3.35℃,咸禮凸起三口地?zé)峋堪倜自鰷卦?.25℃～3.23℃,臨藍(lán)凸起三口地?zé)峋堪倜自鰷卦?.10℃～2.58℃,固市凹陷三口地?zé)峋堪倜自鰷卦?.87℃～3.40℃。

圖4 各構(gòu)造單元地?zé)峋疁y(cè)井深度-地溫梯度關(guān)系圖

3 影響關(guān)中地區(qū)地溫場(chǎng)的主要因素

3.1 地質(zhì)構(gòu)造

渭河斷陷帶是一條新生代地質(zhì)構(gòu)造帶,位于秦嶺斷塊山地和鄂爾斯地塊之間,呈現(xiàn)整體向南傾斜的特點(diǎn),是一條不對(duì)稱的地塹[7]。根據(jù)近東西向、北東向和北西向正傾滑斷層系統(tǒng)的控制,渭河斷陷帶內(nèi)部形成了許多大小不一的次級(jí)斷塊構(gòu)造。在這些次級(jí)斷塊中,它們的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可以基本上分為兩種類型:凸起和坳陷。古近紀(jì)、新近紀(jì)和第四紀(jì)沉積厚度較大的單元屬于坳陷,只發(fā)展出第II級(jí)以下河流階地;而新生代沉積較少的單元屬于凸起,發(fā)展出第III級(jí)以上河流階地和黃土臺(tái)塬。坳陷區(qū)的地殼相對(duì)較薄弱,地殼構(gòu)造活動(dòng)較為劇烈,地表熱流密度較高;相反,凸起地區(qū)的地殼相對(duì)較厚,地表熱流密度較低。

凸起和坳陷之間是由活動(dòng)斷層所界定的,大型坳陷和凸起之間的交界斷層以及大型坳陷與強(qiáng)烈凸起的斷塊山地之間的交界斷層,往往是中強(qiáng)度地震活動(dòng)的區(qū)域,容易出現(xiàn)地溫異常點(diǎn)。

3.2 巖性

一般,砂巖、泥巖,熱導(dǎo)性能良好,使熱量快速傳遞,從而使地溫梯度數(shù)值偏小;粉土、黏土及礫石等,熱導(dǎo)性能較差,對(duì)熱量傳遞起到阻礙作用,進(jìn)而使得地溫梯度數(shù)值增大。砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)都比較高,因此具有較好的傳導(dǎo)性能。例如,具有高結(jié)晶度的巖層容易傳熱,所以在這種情況下地溫梯度的變化相對(duì)較小[8]。

在固市斷凹與二華斷階交匯處,此處深部有花崗巖侵入巖體影響地層溫度,所以此處地溫梯度較高。

4 結(jié)語

本文在前人的基礎(chǔ)上,對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)地?zé)崃黧w特征及地溫梯度分布規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了闡述,得出以下結(jié)論:

(1)通過分析地層深度分別為2 000 m、2 500 m、3 000 m的地溫梯度分布情況,得出隨著地層深度的增加地溫梯度值逐漸在降低,但整體趨勢(shì)不變,呈現(xiàn)盆地四周地溫梯度值低,盆地中央值高的趨勢(shì),渭北巖溶熱儲(chǔ)區(qū)地溫梯度值低,中部砂巖熱儲(chǔ)區(qū)和固市斷凹東部和中間一帶相對(duì)較高的特點(diǎn)。

(2)基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)比關(guān)中地區(qū)不同構(gòu)造單元的地體溫度垂直變化規(guī)律初步得出各構(gòu)造單元每百米增溫寶雞凸起≈臨藍(lán)凸起<西安凹陷≈固市凹陷<咸禮凸起的結(jié)論。

(3)地溫梯度與地質(zhì)構(gòu)造地層巖性有著密切關(guān)系。