墾利區(qū)塊淺層地溫能地質(zhì)賦存特征

張春朋　楊位剛　邵銀川

摘 要：為了研究墾利區(qū)塊地質(zhì)背景與淺層地溫能賦存特征，分析了水質(zhì)特征和熱物性特征，探討了比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率、密度等微觀參數(shù)的相關(guān)性，總結(jié)了地溫分布帶在平面和垂向上的變化規(guī)律。結(jié)果表明：比熱容與孔隙率、密度呈正相關(guān)關(guān)系；導(dǎo)熱系數(shù)與埋深呈“V”型關(guān)系，即0～67m與埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，67～200m與埋深呈正相關(guān)關(guān)系；并得到了溫度帶在垂向上的分布規(guī)律，即0～27m為變溫帶，27～110m為恒溫帶，110～200m以深為增溫帶，平均每米孔深換熱量為53.8W/m，地層換熱效果較好。

關(guān)鍵詞：墾利區(qū)塊；地質(zhì)背景；淺層地溫能；賦存特征

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.077

0 前言

近年，淺層地溫能作為一種綠色環(huán)保的新型能源，以其儲(chǔ)量大、分布廣、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，逐漸成為有競(jìng)爭(zhēng)力的新能源[1]。淺層地溫能的開發(fā)利用不僅可以緩解我國能源供求緊張，改善能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)質(zhì)量，改善生態(tài)環(huán)境也具有重要意義。

淺層地溫能資源賦存特征作為調(diào)查評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)性研究，通過查明墾利區(qū)淺層地溫能的分布特點(diǎn)和賦存特征，可以為接下來的地溫資源量評(píng)價(jià)、挖掘開發(fā)利用潛力，確定地?zé)徇m宜性分區(qū)等提供科學(xué)的理論依據(jù)，也為臨近區(qū)塊的淺層地溫能開發(fā)利用提供借鑒意義。

1 地理地質(zhì)概況

1.1 自然地理概況

墾利區(qū)位于山東省最北部，靠近渤海西南岸，地勢(shì)平緩，自西南至東北呈扇形微傾斜，為典型的三角洲地貌，包括現(xiàn)代河漫灘高地、緩平坡地、低平地和濱海低地等，海拔最高點(diǎn)11.6m，位于原勝利鄉(xiāng)一帶，最低點(diǎn)在2.0m以下。

研究區(qū)地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，雖瀕臨渤海，但大陸性季風(fēng)影響明顯，典型特征是冬季干冷，夏季濕熱，四季分明，平均氣溫12.4℃，平均降雨量為562.0mm。

1.2 地層巖性

研究區(qū)地處華北平原中生代和新生代的沉降區(qū)，基底為太古界、古生界和中生界，其上沉積了巨厚的新生界蓋層。淺層地溫能主要賦存在200米以淺的地層，即新近系和第四系地層，由上至下依次為第四系、明化鎮(zhèn)組和館陶組[2]。

第四系厚約67m，主要為黃褐色粉土夾少量粉砂，結(jié)構(gòu)松散，孔隙和濕度較大；明化鎮(zhèn)組主要為棕黃色、棕紅色泥巖夾粉砂巖，與下伏館陶組呈整合或假整合接觸；館陶組上段為紫紅色、灰綠色泥巖與粉砂巖互層，下段為灰色、灰白色塊狀礫巖夾少量灰綠色紫紅色泥巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)在大地構(gòu)造劃分上屬華北板塊I，華北平原坳陷II，濟(jì)陽坳陷區(qū)III。自新生代以來，該地區(qū)經(jīng)歷了劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了早第三紀(jì)華北拉張裂谷斷陷盆地群的濟(jì)陽坳陷盆地，坳陷盆地又被眾多小型斷裂切割成更小的構(gòu)造單元，如陳家莊凸起、青坨子凸起、東營(yíng)凹陷等[1]。

2 水文地質(zhì)特征

2.1 地下水賦存特征

研究區(qū)200m以淺范圍內(nèi)，地下水類型為賦存于粉砂和粉土層中的第四系松散巖類孔隙水，按埋藏條件可劃分為淺層潛水和中深層承壓水，其中0～30m為淺層潛水，30～200m為中深層承壓水。粉質(zhì)黏土和黏土層作為相對(duì)隔水層阻斷了含水層的連續(xù)分布性，使含水層多呈透鏡體形式存在，形成了獨(dú)特的多層含水結(jié)構(gòu)[4]。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄

由于含水層與相對(duì)隔水層互相疊置，造成淺層地下水的局部微承壓性，而相對(duì)隔水層的不連續(xù)性打通了潛水層和承壓水層之間的阻隔，使淺層潛水和中深層承壓水之間補(bǔ)給、徑流、排泄條件基本一致。

區(qū)內(nèi)地下水主要來源于大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給和黃河的側(cè)滲補(bǔ)給，總體自西北向東南徑流，主要排泄方式為向東徑流入海。由于地下水位埋藏較淺，蒸發(fā)排泄方式較為普遍，是當(dāng)?shù)赝寥利}漬化的重要原因。

2.3 水質(zhì)特征

墾利區(qū)水質(zhì)總體較好，無色、較為透明，無明顯大顆粒雜質(zhì)。通過對(duì)研究區(qū)20個(gè)水點(diǎn)采樣化驗(yàn)，化學(xué)類型為氯化物-鈉型，礦化度大多介于3～15 g/L，東部靠海地區(qū)可達(dá)15～50 g/L，平均pH值7.22，平均總硬度3442mg/L，為弱堿性高硬度水，由于cl-和礦化度含量較高，建議在使用地源熱泵時(shí)做好防腐性措施。

3 巖土體熱物性特征

巖土體的物理參數(shù)包括密度、孔隙率、含水率、飽和度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等，其中比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)直接關(guān)系了淺層地溫利用的換熱量和換熱效率，其數(shù)值越大，換熱量越大，換熱效率越高。本次熱響應(yīng)試驗(yàn)嚴(yán)格遵照《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》和《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)要求，運(yùn)用雙U型PE埋管，試驗(yàn)結(jié)果顯示，鉆孔平均導(dǎo)熱系數(shù)為1.582 W/mK，平均每米孔深換熱量為53.8W/m，區(qū)內(nèi)地層地埋管換熱效果普遍較好。

本次采集樣品37件，包括粉砂巖10件，粉土4件，粉質(zhì)黏土19件，細(xì)砂巖4件，樣品各項(xiàng)熱物性參數(shù)均值見表1。

經(jīng)對(duì)比可知，巖體的平均比熱容與巖性密切相關(guān)，粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂巖和細(xì)砂巖的平均比熱容依次增大，體現(xiàn)在微觀上與孔隙率和密度呈正相關(guān)關(guān)系（圖2，圖3）。

經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)比熱容與孔隙率、密度呈正相關(guān)關(guān)系；平均導(dǎo)熱系數(shù)與埋深表現(xiàn)為“V”型關(guān)系，即0～67m與埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，67～200m與埋深呈正相關(guān)關(guān)系。這是由于靠近地表的巖體孔隙較大且水分含量多[5]，導(dǎo)致巖石導(dǎo)熱系數(shù)較大；但隨著埋深進(jìn)一步加大，含水量減少，巖性變?yōu)榉€(wěn)定的砂巖類，孔隙連通性變好，此時(shí)孔隙連通性開始發(fā)揮主導(dǎo)作用，使巖石導(dǎo)熱系數(shù)隨埋深緩慢增加。

4 淺層地溫場(chǎng)特征

地殼中地溫分布從地表向下依次為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。變溫帶主要受地表外部熱源即太陽輻射影響，溫度一般沒有規(guī)律性；恒溫帶是指地溫達(dá)到相對(duì)平衡，同時(shí)受地球內(nèi)部熱能與地表熱源影響；增溫帶主要受地球內(nèi)部熱能控制，地溫隨埋深增加而緩慢增大[6，7]。

通過鉆孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可知，研究區(qū)內(nèi)埋深27m以淺為變溫帶，介于12.8～17.8℃之間，溫差較大且沒有規(guī)律性；27～110m為恒溫帶，溫度較為穩(wěn)定，介于17.3～18.4℃之間；110～200m為增溫帶，溫度緩慢增加（圖5）。由于研究區(qū)地處構(gòu)造帶附近，受到斷裂構(gòu)造的影響，導(dǎo)致地溫梯度較高[8]，約為3.7℃/100m。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)地層上覆巨厚的新生界蓋層，淺層地溫能主要賦存在第四系、明化鎮(zhèn)組和館陶組地層中，巖性多為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂巖和細(xì)砂巖。

（2）含水層呈透鏡狀不連續(xù)分布的多層含水結(jié)構(gòu)，由于相對(duì)隔水層的存在，使淺層潛水和中深層承壓水之間補(bǔ)給、徑流、排泄條件基本一致。

（3）巖體平均比熱容與巖性有較強(qiáng)的相關(guān)性，孔隙率和密度越大，比熱容越高；平均導(dǎo)熱系數(shù)受孔隙、含水量、環(huán)境溫度等因素影響，與埋深呈“V”型關(guān)系，即0～67m與埋深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，67～200m與埋深呈正相關(guān)關(guān)系。

（4）區(qū)內(nèi)0～27m為變溫帶，27～110m為恒溫帶，110～200m以深為增溫帶，增溫帶內(nèi)地溫隨埋深增加而緩慢增大，地溫梯度較高，約為3.7℃/100m。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊榮，李曉昭，吳文博等.蘇州市淺層地?zé)崮軕?yīng)用潛力評(píng)估與研究[J].可再生能源，2012，30（08）：74-77.

[2]閆偉.墾利6區(qū)塊古近系沉積相特征[A].中國地質(zhì)學(xué)會(huì).中國地質(zhì)學(xué)會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要匯編——S13石油天然氣、非常規(guī)能源勘探開發(fā)理論與技術(shù)分會(huì)場(chǎng)[C].中國地質(zhì)學(xué)會(huì)：中國地質(zhì)學(xué)會(huì)， 2013：2.

[3]嚴(yán)高云.墾利油田構(gòu)造特征及勘探潛力分析[D].中國石油大學(xué)， 2007.

[4]郭誠，張建民，朱建敏等.海上河流相油田少井條件下儲(chǔ)層精細(xì)解剖——以墾利3-2油田3-1483砂體為例[J].東北石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，40（03）：10-17+1-2.

[5]申廣峰，李芙蓉，王凡等.復(fù)合自保溫砌塊導(dǎo)熱系數(shù)隨含水率變化規(guī)律[J].建筑節(jié)能，2018，46（01）：78-80.

[6]李志恒，盧建榮，杜風(fēng)林等.德州市淺層地溫能資源潛力評(píng)價(jià)[J].山東國土資源，2017，33（05）：42-46.

[7]王婉麗，王貴玲，朱喜.暖溫帶地區(qū)恒溫層溫度的預(yù)測(cè)方法[J]. 可再生能源，2016，34（08）：1112-1116.

[8]熊振，王良書，李成等.勝利油氣區(qū)東營(yíng)凹陷現(xiàn)今地溫場(chǎng)研究[J].高校地質(zhì)學(xué)報(bào)，1999（03）：312-321.

基金項(xiàng)目：山東省國土資源廳，墾利淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)（SDZS-2017-ZC060CS）

作者簡(jiǎn)介：張春朋（1989-），男，山東聊城人，碩士研究生，研究方向：新能源資源評(píng)價(jià)。