西安市淺層地溫場特征及其影響因素分析

劉彩波，胡安焱，黃景銳，李 霞

(1.長安大學(xué) 環(huán) 境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西 安710054;2.長安大學(xué) 地 球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西 安710054)

淺層地溫能是指地表以下一定深度范圍內(nèi)(一般為恒溫帶至200 m埋深)，溫度低于25℃，是當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價值的地球內(nèi)部的地?zé)豳Y源，淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的一部分。西安地區(qū)位于渭河盆地東部，有良好的地?zé)岬刭|(zhì)條件，其熱流體為單相熱水，水溫一般在40℃ ～85℃，為中低溫?zé)崴偷責(zé)釁^(qū)，淺層地溫資源豐富［1］，擁有很好的開采條件。西安市正逐步重視淺層地溫能的開發(fā)利用，研究淺層地溫場的分布特征，對探索淺層地溫能資源分布規(guī)律，潛力評價及其開發(fā)利用都具有較高的實用價值和重要的理論意義。本文全面收集和整理了西安市淺層地溫場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析了淺層地溫場的分布特征，還研究了對淺層地溫場的主要影響因素。

1 西安市地質(zhì)概況

西安地區(qū)位于渭河斷陷盆地中斷南沿地段。西安地區(qū)自新生代以來，曾受到較強(qiáng)的南北拉張，致使地幔上隆斷裂，切割地殼較深、形成了較深的新生代斷陷盆地，而控制盆地邊緣的斷裂切割地殼較深、形成了縱橫交錯的斷裂構(gòu)造網(wǎng)，區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要斷裂有:渭河斷裂(F1)，斷裂主體沿渭河分布，斷裂走向近EW，區(qū)內(nèi)分布長約120 km。長安——臨潼斷裂(F2)，由若干次級斷裂斜列組成，走向近NE，斷裂斜穿西安市郊，區(qū)內(nèi)分布長約150 km，斷裂南段較北段活動強(qiáng)烈;新開門—焦岱斷裂(F3)，由庫峪口經(jīng)焦岱、馬騰空至新開門，該斷裂走向近NW，傾向南西，傾角60°～70°。灞河斷裂(F4)，自藍(lán)田經(jīng)泄湖、灞橋、草灘鎮(zhèn)過渭河與涇河斷裂相接，走向NW，傾向南西。主斷裂的次級伸展斷裂主要有灃河、皂河、浐河等斷裂。斷裂構(gòu)造溝通地下深部熱量為西安地區(qū)偏高的地下熱流奠定了地質(zhì)構(gòu)造條件，這些大斷裂構(gòu)造中部又分布有很多次一級小斷裂，斷裂交匯部位基底巖石破碎，地?zé)崴h(huán)條件良好［2］。另外，第三系地層上部沉積有較厚的松散地層，比熱容高，熱傳導(dǎo)系數(shù)低，因此，西安地區(qū)地?zé)崮軆α控S富，為淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用提供了條件。

1.1 地溫數(shù)據(jù)采集

地溫場的研究首先要獲得可靠準(zhǔn)確的地溫資料。本次淺層地溫場研究資料主要來源是通過設(shè)立主要的監(jiān)測井，并定期的觀測地溫，主要的觀測井有:1號井西安市高陵楊官寨、2號井西安市草灘六路、3號井西安市三橋石化大道、4號井西安市昆明路閔旗寨、5號井西安市郭杜鎮(zhèn)前鋒村、6號井西安市油庫、7號井西安市技工學(xué)校、8號井西安市新筑麥王村。

觀測井系統(tǒng)測溫:測溫主要運(yùn)用DCW－1多通道地溫儀，一個月測量三次，每次間隔時間為10 d，本次計算采用了2011年12月至2012年9月的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 地溫數(shù)據(jù)分析

由于長期受太陽熱輻射的影響，地殼淺部吸收部分熱能，保存了一定的熱量。通常，一個地區(qū)的溫度一般高于當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?℃ ～2℃［3］。也有些文獻(xiàn)認(rèn)為，土壤恒溫層溫度、地表土壤年均溫度、年均氣溫三者近似相等［4］。西安地區(qū)地面年平均氣溫為13.6℃，本文中取恒溫帶溫度高于年平均氣溫1.5℃。因此，取恒溫層溫度為15.1℃。

根據(jù)1～8號監(jiān)測井10～30 m地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，可得出這八個監(jiān)測點(diǎn)在不同時間地溫隨深度的變化(如表1)，地溫隨深度變化趨勢(如圖1)。

圖1 監(jiān)測井地溫隨深度變化圖

1、4、5號監(jiān)測井的地溫非常接近恒溫層溫度，而其他監(jiān)測井的地溫明顯高于恒溫層溫度。2號和3號井位于渭河斷裂與灞河斷裂的交界處附近，溫度出現(xiàn)異常明顯偏高，8號井受活動斷裂帶影響較小，溫度升高幅度較小，7號井位于活動斷裂的交界處，6號井位于長安－臨潼斷裂帶附近，由此可見，這些地溫高于恒溫層溫度的監(jiān)測井均位于斷裂帶附近，離斷裂帶越近，地溫升高幅度越多，在斷裂帶的交界處，地溫升高幅度也較多。

本文中取恒溫層溫度為15.1℃，綜合分析可知，由于1、4、5號幾乎不受斷裂帶的影響，在深度為20 m時，1、4、5號井的溫度均接近15.1℃，同時為了便于計算將恒溫層深度確定為20 m。

2 淺層地溫場特征

2.1 地溫梯度的分布特征

地溫的大小用地溫梯度來表示。根據(jù)西安地區(qū)地?zé)峋⒐┧诘乃疁睾秃銣貛зY料計算地溫梯度G:

式中:ΔT/ΔH即G為地溫梯度(℃/100m);T為鉆孔取水段水溫(℃);T恒為恒溫帶溫度;H為鉆孔取水段平均埋深(m);H恒為恒溫帶埋深。

根據(jù)8個監(jiān)測井的水溫數(shù)據(jù)，可計算出地溫梯度(如表2)所示，1、4、5號井受斷裂帶等因素影響較小，地溫梯度較小，均在1.5～2.0℃ /100m范圍內(nèi)。2、3號井地溫梯度相比其他監(jiān)測井最大，均＞6℃/100m，這兩個監(jiān)測井位于渭河斷裂與灞河斷裂的交界處附近，地溫梯度明顯偏高。6、7號井位于斷裂帶附近，地溫梯度較高為3.0～6.0℃/100m。

表2 監(jiān)測井的地溫梯度

2.2 大地?zé)崃?/h3>

西安地區(qū)位于渭河盆地東部，新生界沉積厚度為7 000 m，構(gòu)成了良好的地?zé)岬刭|(zhì)條件。熱流體為單相熱水，水溫一般在40℃ ～85℃，為中低溫?zé)崴偷責(zé)釁^(qū)，受區(qū)域構(gòu)造控制，是以傳導(dǎo)方式為主的地?zé)嵯到y(tǒng)。西安地區(qū)具有良好的地溫場背景，大地?zé)崃髌骄?8.8 mw/m2，高于全球(61.1 mw/m2)大地?zé)崃髌骄担?］。城區(qū)高熱流值與隱伏活動斷裂有關(guān)。

2.3 不同深度地溫分布特征

根據(jù)地溫梯度的計算結(jié)果，各井在任意深度上的溫度可按照如下公式計算:

本文中計算了各監(jiān)測井在150 m，200 m深度時的溫度(如表3)。在150 m深度時平均地溫為19.81℃，在200 m深度時，平均地溫為21.53℃。

根據(jù)《西安地?zé)崞詹閳蟾妗焚Y料可得，西安地區(qū)的各種地?zé)犸@示形跡表明地溫既受控于基地起伏、構(gòu)造展布、又受控于地層巖性的變化，在垂直方向上有明顯的遞增和突變性，水平方向上有明顯的方向性和成帶性。

表1 監(jiān)測井在不同深度的平均地溫 ℃

2.3.1 地溫垂向分布特征

垂向上地溫分布的基本規(guī)律是，地溫隨深度增大而升高，但由于地層巖性，地質(zhì)構(gòu)造及其他因素影響，垂向上升溫特征因地而異，歸納起來有漸變升溫型、突變升溫型以及升溫與降溫交替型。其中，漸變升溫型是區(qū)內(nèi)垂向升溫的主要形式。

2.3.2 地溫水平分布特征

西安地區(qū)地溫分布總趨勢，表現(xiàn)出中部較高，東南部次之，北部及東部局部較低的展布特征。并且呈現(xiàn)出平均地溫梯度水平方向上變化較大、不同深度地溫水平方向上變化趨勢基本一致、等溫面起伏高差強(qiáng)烈異常的特點(diǎn)。位于渭河斷裂(F1)和灞河斷裂(F4)交匯處附近的2、3號井地溫達(dá)到最大值，位于新開門—焦岱斷裂(F3)和長安—臨潼斷裂交匯處附近的7號井地溫值次之(如圖2、3)。

表3 監(jiān)測井在不同深度的地溫

3 淺層地溫場影響因素分析

淺層地溫是地球深部熱傳導(dǎo)、熱對流和太陽輻射共同作用的結(jié)果。影響西安市淺層地溫的因素主要有區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、巖土體巖性及結(jié)構(gòu)等因素影響。

3.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生褶皺和斷裂等構(gòu)造形態(tài)，不僅能改變巖層的產(chǎn)狀，引起巖石熱物性在水平方向和垂直方向上的變化，而且會進(jìn)一步導(dǎo)致深部熱流在淺部重新分配，使地溫場發(fā)生改變。特別是高角度大斷裂有利于深部熱和熱水的向上運(yùn)移，從而引起周圍巖石溫度的升高，出現(xiàn)局部地溫異常［6］。受渭河盆地盆緣大斷裂及其次級伸展斷裂的影響，西安市地區(qū)表現(xiàn)為復(fù)雜的斷塊結(jié)構(gòu)。西安地區(qū)的斷裂可以分為三種類型:前中生代基地斷裂、斷面達(dá)老第三系的活動斷裂、斷面達(dá)新第三系地面以上的活動斷裂。其中斷面達(dá)老第三系的活動斷裂在西安市分布最廣，對西安地區(qū)地?zé)豳Y源影響最大［7］。上述斷裂的形成與長期活動，既成為主要的地?zé)嵬ǖ?，又為處于不同深度的地?zé)崴畬娱g進(jìn)行對流循環(huán)創(chuàng)造了條件。西安地區(qū)斷裂構(gòu)造主要呈東西向、北西向和北東向展布，則地溫場的分布方向與斷裂構(gòu)造的方向基本一致。由以上綜合分析地溫異常高是由于斷層活動性較強(qiáng)烈。

圖2 150m處地溫等值線圖

圖3 地溫梯度等值線圖

3.2 水文地質(zhì)條件

西安地區(qū)水資源豐富，市區(qū)灞河、浐河，皂河、灃河，渭河、涇河，此外還有黑河、石川河、澇河等較大河流。其中絕大多數(shù)屬黃河流域的渭河水系。渭河橫貫西安市境內(nèi)約150 km，年徑流量為25億 m3。西安地下水儲量豐富，據(jù)估算，總計約 19.91 億 m3。

淺層地下水不僅對垂向溫度有影響，而且在水平方向上影響也非常明顯，由于地下水的水平徑流使得地?zé)岙惓^(qū)迎水一側(cè)溫度下降，背水側(cè)外圍局部溫度身高，即造成異常區(qū)的下移［8］，在等值線圖上同一異常區(qū)內(nèi)個等溫線形態(tài)并不相似，靠近地下水上游的地方等值線較密，而下游地區(qū)等值線稀疏，其重要原因就是受淺層地下水的循環(huán)條件影響。

3.3 巖性及結(jié)構(gòu)

巖性對現(xiàn)今地溫場的影響主要是由于不同巖石具有不同熱導(dǎo)率，從而引起熱傳導(dǎo)性能的差異巖石地層是地殼中地能儲藏、傳遞、散失的物質(zhì)基礎(chǔ)。表示巖石導(dǎo)熱能力大小的熱導(dǎo)率是巖石地層熱物理性質(zhì)重要參數(shù)之一，不僅決定地溫場的展布形態(tài)，而且也是淺層地溫能資源量計算和開發(fā)工程計算的關(guān)鍵因素［9］。

西安市地區(qū)內(nèi)出露的地層主要為第四系。該層分布極廣，主要分布在渭河及其支流階地、黃土塬、山前洪積扇群。從下更新統(tǒng)至全新統(tǒng)是一套完整的沉積。巖性可分為兩大類:一是以砂礫卵石為主的粗粒沉積，成因主要有沖積、洪積、沖洪積、沖湖積等;二是以黃土為主的土狀堆積，成因主要為風(fēng)積。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)監(jiān)測井測得的水溫和地溫數(shù)據(jù)可知，西安市恒溫層深度為20 m，平均地溫梯度為3.43℃/100m，不受斷裂帶影響的地區(qū)地溫梯度偏低，在1.5～2.0℃/100m范圍內(nèi)，受斷裂帶影響的地區(qū)地溫梯度偏高，有些區(qū)域的溫梯度甚至大于6℃/100m。通過計算，西安市150 m深度的平均地溫為19.81℃，在200 m深度時的平均地溫為21.53℃。由此可見，西安市在200 m深度以內(nèi)的區(qū)域的平均地溫為20℃左右，非常適合開發(fā)淺層地溫能。西安大地?zé)崃髌骄禐?8.8 mw/m2，高于全球(61.1mw/m2)大地?zé)崃髌骄怠?/p>

(2)影響西安市淺層地溫的因素主要有區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、巖土體巖性及結(jié)構(gòu)等因素影響。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生褶皺和斷裂等構(gòu)造形態(tài)，使地溫場發(fā)生改變。淺層地下水不僅對垂向溫度有影響，而且在水平方向上影響也非常明顯。巖性對現(xiàn)今地溫場的影響主要是由于不同巖石具有不同熱導(dǎo)率，而且?guī)r性決定著地溫場的展布形態(tài)。

［1］惠泱河.西安市的水資源問題［J］.西北大學(xué)學(xué)報.1998.28(4):335－ 338.

［2］王振剛，趙法鎖.西安地下熱水賦存特征與可持續(xù)開發(fā)利用［J］.黑龍江水專學(xué)報.2006.33(4):312 －317.

［3］建設(shè)部，質(zhì)檢局.地緣熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB－50366－2005)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.2005.

［4］劉曉燕，趙軍，石成等.土壤恒溫層溫度及深度研究［J］.太陽能學(xué)報.2007.28(5):494 －497.

［5］王衛(wèi)東，彭建兵，張永志等.西安市地?zé)崴_采的環(huán)境問題及對策研究［J］.水土保持研究.2007.14(2):641－642.

［6］譚靜強(qiáng)，琚宜文，侯泉林等.淮北煤田礦區(qū)現(xiàn)今地溫場分布特征及其影響因素［J］.地球物理學(xué)報.2009.52(3):732－739.

［7］燕建龍，趙治海等.西安地區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用前景［J］.西北綜合勘察設(shè)計研究院.2011:593－596.

［8］王新娟，欒英波，路明等.北京平原區(qū)淺層地溫能分布規(guī)律研究［J］.探查科學(xué)技術(shù).2010.(3):48 －54.

［9］蘇天明，劉彤，李曉昭等.南京地區(qū)土體熱物理性質(zhì)測試與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2006.25(16):1278 －1283.