關(guān)中盆地淺層地?zé)崮苜x存規(guī)律及資源量估算

周陽(yáng)，洪增林，張卉，曹曉凡，穆根胥

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，西安 710054；2.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710068；3.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，西安 710072；4.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

0 引言

近年來(lái)，關(guān)中盆地霧霾頻發(fā)。霧霾形成的主要原因之一是燃煤，使用淺層地?zé)崮苁侵卫盱F霾的有效途徑。加快淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)及利用，對(duì)改善我國(guó)能耗結(jié)構(gòu)、構(gòu)建生態(tài)友好型社會(huì)具有積極意義[1-2]。

淺層地?zé)崮苤傅乇硪韵乱欢ㄉ疃?一般為200 m)巖土體和地下水中具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的地?zé)崮?，具有清潔環(huán)保、分布廣、可再生等優(yōu)勢(shì)[3]。為有效開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮?，首先要清晰認(rèn)識(shí)區(qū)域地?zé)豳Y源的賦存規(guī)律和形成模式。一些學(xué)者對(duì)我國(guó)地?zé)豳Y源的賦存規(guī)律進(jìn)行了研究[4-8]，對(duì)關(guān)中盆地[9-11]和其他區(qū)域[12-17]地?zé)豳Y源的成因模式進(jìn)行了探討，并在地溫場(chǎng)專(zhuān)題研究方面[18-23]取得了一定成果，但關(guān)中盆地淺層地?zé)崮苜x存規(guī)律的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

以解決關(guān)中盆地霧霾頻發(fā)和地?zé)豳Y源不合理開(kāi)發(fā)等問(wèn)題為導(dǎo)向，通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)綜合研究，分析關(guān)中盆地淺層地?zé)崮軆?chǔ)層分布情況、不同巖性?xún)?chǔ)層巖土體的熱物性參數(shù)、不同地貌單元地層的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分區(qū)以及淺層大地?zé)崃髦?，進(jìn)而研究關(guān)中盆地淺層地?zé)崮艿男纬赡Ｊ胶唾x存規(guī)律，對(duì)淺層地?zé)崮苓m宜性進(jìn)行分區(qū)，計(jì)算淺層地?zé)崮艿馁Y源量。這些研究可為關(guān)中盆地淺層地?zé)豳Y源科學(xué)、長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)及利用提供參考。

1 自然地理與地質(zhì)概況

1.1 自然地理及地形地貌

關(guān)中盆地位于中緯度地區(qū)，冬冷夏熱，冬季供暖和夏季制冷的負(fù)荷需求較大。盆地內(nèi)地表水系是渭河及其支流，渭河自西向東貫穿盆地，在渭南市潼關(guān)縣注入黃河，主要支流包括千河、涇河、灃河、洛河、灞河等。關(guān)中盆地三面環(huán)山，是一個(gè)西窄東闊的新生代沉積盆地，南部的秦嶺山脈與北部的低山丘陵在寶雞以西閉合。地勢(shì)南北高、中間低，西部高、東部低，自南北山區(qū)向盆地中部依次為山前洪積扇、黃土臺(tái)塬、河谷高階地、河谷低階地、河漫灘。

1.2 區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造背景

關(guān)中盆地位于華北板塊西部鄂爾多斯地塊與秦嶺造山帶之間，太古宇—新生界均有出露，前新生界及花崗巖構(gòu)成了盆地基底并出露于盆地邊緣，中部為巨厚的新生界沉積。

關(guān)中盆地是燕山期隆起、喜山期陷落的斷陷盆地，東部與山西盆地、靈寶盆地和三門(mén)峽盆地共同組成汾渭地塹系。盆地以渭河斷裂為界：北部為斜坡帶，基底為古生界和中生界沉積巖；南部為拗陷區(qū)，基底為太古宇、元古宇、下古生界變質(zhì)巖及中生界花崗巖體。以長(zhǎng)安—臨潼斷裂為界，南部可進(jìn)一步分為東部太古宇變質(zhì)巖區(qū)和西部元古宇、下古生界變質(zhì)巖區(qū)。渭河斷裂和長(zhǎng)安—臨潼斷裂分割盆地基底，控制著盆地的形成、發(fā)展及后期斷塊活動(dòng)。

盆地沉積的巨厚新生代蓋層被斷裂分割成大小不等、結(jié)構(gòu)不同的斷隆和斷陷，可劃分為寶雞凸起、咸禮凸起、西安凹陷、臨藍(lán)凸起、固市凹陷和蒲城凸起[23](圖1)。主要斷裂包括秦嶺山前大斷裂(F1)、余下—鐵爐子斷裂(F2)、渭河大斷裂(F3)、驪山北側(cè)斷裂(F7)、固關(guān)—陽(yáng)平鎮(zhèn)斷裂(F8)、千河斷裂(F9)、金陵河斷裂(F10)、隴縣—馬召斷裂(F11)、涇河—驪山斷裂(F12)、臨潼—長(zhǎng)安斷裂(F13)、灞河斷裂(F15)、浐河斷裂(F16)、灃河斷裂(F19)、孟源—永濟(jì)斷裂(F23)及禹門(mén)口—華州區(qū)斷裂(F31)等(圖1)。

圖1 關(guān)中盆地地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological structure sketch of Guanzhong Basin

1.3 水文地質(zhì)

關(guān)中盆地淺部第四系松散沉積物厚度達(dá)數(shù)百米，是地下水儲(chǔ)運(yùn)的良好空間，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件較好,水質(zhì)良好。河漫灘、低階地及南北兩側(cè)山前洪積扇含水層厚度大，巖層顆粒粗，富水性較好，而黃土臺(tái)塬和渭河高階地的富水性較差。

關(guān)中盆地與南、西、北3個(gè)山區(qū)的地下水水力聯(lián)系微弱，是隔水邊界或透水微弱邊界，黃河為東邊的自然排泄邊界。依據(jù)地下水含水介質(zhì)的結(jié)構(gòu)組合與分布特征以及地下水循環(huán)特征的變化，關(guān)中盆地200 m以淺地下水系統(tǒng)可劃分為4個(gè)含水系統(tǒng)：黃土臺(tái)塬孔隙-裂隙含水系統(tǒng)、沖積平原孔隙含水系統(tǒng)、新近系與古近系砂泥巖互層裂隙-孔隙含水系統(tǒng)和山前洪積平原孔隙含水系統(tǒng)。

2 淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用情況

根據(jù)2016年陜西省地質(zhì)調(diào)查院的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，關(guān)中盆地主要城市淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用工程共計(jì)122個(gè)，其中地下水地源熱泵系統(tǒng)工程92個(gè)，地埋管地源熱泵系統(tǒng)工程28個(gè)，其他系統(tǒng)2個(gè)。這些工程主要分布在西安市，其次為寶雞市和咸陽(yáng)市。運(yùn)行效果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如下：地埋管地源熱泵系統(tǒng)使用情況良好(效果好的工程占33%，較好的工程占67%)；地下水地源熱泵系統(tǒng)使用情況以好(24%)和較好(59%)為主，使用情況差的工程占17%。存在使用情況差的工程的原因如下：一是地下水回灌困難；二是項(xiàng)目運(yùn)行數(shù)年之后，地下?lián)Q熱區(qū)域形成長(zhǎng)期的 “熱虧損”或“熱盈余”，使換熱系統(tǒng)進(jìn)水溫度過(guò)高或過(guò)低而無(wú)法正常運(yùn)行。另外，小區(qū)入住率過(guò)低、電價(jià)高等非地質(zhì)因素也是造成地下水地源熱泵系統(tǒng)使用情況差的原因。

總體來(lái)看，關(guān)中盆地淺層地?zé)崮馨l(fā)展迅速，開(kāi)發(fā)利用潛力較大。但在淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，也存在前期工程勘察不當(dāng)、利用形式選擇不科學(xué)、對(duì)地?zé)岬刭|(zhì)條件重視不夠等問(wèn)題。

3 賦存特征

3.1 地?zé)彷d體特征

3.1.1 太古宇

太古宇太華群出露于關(guān)中盆地南側(cè)潼關(guān)—藍(lán)田，并零星出露于驪山，為北秦嶺褶皺帶最古老的結(jié)晶基底，巖性為片麻巖(圖2)。

圖2 關(guān)中盆地第四系地質(zhì)圖Fig.2 Quaternary geological map of Guanzhong Basin

3.1.2 元古宇

元古宇主要出露于盆地南側(cè)清姜河、斜峪關(guān)、澇峪口、湯峪、寺溝一帶，寶雞以西馮家山附近的千陽(yáng)河西岸也有出露。巖性以片巖、千枚巖、大理巖為主。

3.1.3 古生界

(1)下古生界。盆地內(nèi)寒武系和奧陶系均有沉積，缺失志留系：寒武系主要分布于西崛山、瓦罐嶺、羊毛灣、張家山、韓城禹門(mén)口等地，巖性為頁(yè)巖、灰?guī)r、白云巖；奧陶系主要分布于瓦罐嶺、唐王陵、嵯峨山及禹門(mén)口等地，巖性主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、燧石灰?guī)r、含礫頁(yè)巖、礫巖等。

(2)上古生界。盆地內(nèi)石炭系和二疊系均有沉積：石炭系主要分布于北部的將軍山、堯山、韓城等地，南部眉縣李家河也有出露，巖性為頁(yè)巖、泥灰?guī)r、砂質(zhì)頁(yè)巖；二疊系主要分布于石川河以西黃里鎮(zhèn)、口鎮(zhèn)和韓城等地，巖性為頁(yè)巖、泥巖。

3.1.4 中生界

盆地內(nèi)出露三疊系、侏羅系和白堊系：三疊系主要出露于韓城禹門(mén)口、洛河、涇河及漆水河等河谷中，巖性為砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖；侏羅系主要出露于南部秦嶺北麓，巖性為二長(zhǎng)花崗巖；白堊系主要出露于寶雞—隴縣金陵河兩側(cè)及鳳翔縣北面西河、蟠桃河一帶，巖性為礫巖、砂頁(yè)巖、砂巖、泥灰?guī)r。

3.1.5 新生界

新生界是關(guān)中盆地淺層地?zé)崮艿闹饕脤佣危沤怠谒南稻蟹植肌?/p>

(1)古近系。多深埋于關(guān)中盆地之下，地表出露于驪山地區(qū)，主要呈扇狀分布于驪山周?chē)?，自驪山向外掩埋于平原之下，其上被第四系松散層覆蓋。下部為泥巖，上部為砂巖。

(2)新近系。分布于白鹿塬、同仁塬、橫嶺塬及驪山周邊地區(qū)，大多數(shù)掩埋于盆地之下，其上被第四系松散層覆蓋，僅在盆地周邊深切溝谷及山地邊緣可見(jiàn)。巖性為泥巖、礫巖和砂質(zhì)泥巖。

(3)第四系。廣布全區(qū)，以風(fēng)積、沖洪積、湖積為主，另有冰水、坡積、滑塌等，以黃土和砂礫卵石為主。由于原始地形崎嶇不平，第四系沉積物厚度差別極大，由西北向東南增厚。河谷區(qū)第四系沉積物厚度一般>400 m，黃土塬區(qū)第四系沉積物厚度一般為100～300 m或<100 m。第四系與下伏新近系呈不整合接觸，200 m以淺地層依沉積時(shí)代可分為下更新統(tǒng)、中—上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。

下更新統(tǒng)主要分布于平原地表之下，根據(jù)地貌，其成因類(lèi)型可分為湖積、風(fēng)積、冰積等。楊凌區(qū)地層頂面埋深為87～110 m，渭南市地層頂面埋深為80.0～122.9 m。巖性由西部寶雞地區(qū)的粉質(zhì)黏土過(guò)渡到中部和東部的黏土、粉質(zhì)黏土夾薄層粉細(xì)砂、中粗砂層。

中更新統(tǒng)主要分布于三級(jí)階地及其以上的高級(jí)階地，多出露于河流岸邊及沖溝兩側(cè)，成因類(lèi)型有沖積、沖洪積、沖湖積、風(fēng)積。上部風(fēng)積層為黃土狀砂質(zhì)黏土；下部沖積層為砂、砂礫卵石。寶雞凸起和臨藍(lán)凸起厚60～80 m，西安凹陷和固市凹陷厚90～110 m，楊凌地區(qū)鉆孔揭露厚度可達(dá)200 m。

上更新統(tǒng)主要成因類(lèi)型有風(fēng)積、洪積和沖積等，寶雞地區(qū)有重力滑坡堆積。風(fēng)積相分布于河流二級(jí)階地以上各地貌單元中，秦嶺北緣山前洪積扇上也有覆蓋，巖性為粉質(zhì)黏土；洪積相分布于秦嶺山前洪積扇，巖性為砂質(zhì)黏土及礫石、漂石等；沖積相分布于渭河及其較大支流的二級(jí)階地下部，巖性為黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土及砂、砂礫卵石層；重力滑坡堆積物由黃土狀粉質(zhì)黏土、古土壤、砂卵石組成，沿高階地邊緣分布。上更新統(tǒng)巖層厚度由西向東逐漸增大，西部寶雞地區(qū)的厚度為30～40 m，中部西安、咸陽(yáng)等地的厚度為40～60 m，東部渭南最厚處可達(dá)140 m。

全新統(tǒng)主要成因類(lèi)型為沖積和洪積，其次為重力滑坡堆積。下部為一級(jí)階地沖積層及一級(jí)洪積扇洪積層，巖性為砂、砂卵石和砂礫石、漂石，該層沉積西薄(17～35 m)東厚(50～65 m)；上部為河漫灘相河流沖積層、洪積層及風(fēng)積砂層和重力滑坡堆積層，沖積層巖性主要為砂、砂礫卵石，西部厚5～10 m，東部厚2～38 m，重力滑坡堆積主要分布于塬邊地區(qū)。

3.2 巖土體熱物性參數(shù)

綜合巖土體熱物性參數(shù)和勘探孔取樣測(cè)試結(jié)果[24-27],獲得不同地貌單元地層的加權(quán)導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。盆地內(nèi)河漫灘區(qū)主要為砂層、粉質(zhì)黏土、黏土類(lèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.42～1.86 W/(m·K)，比熱容為1.07～1.12 kJ/(kg·℃)；低級(jí)階地區(qū)主要為砂層、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土類(lèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.34～2.00 W/(m·K)，比熱容為0.9～1.18 kJ/(kg·℃)；高級(jí)階地區(qū)主要為黃土、砂層、粉質(zhì)黏土、黏土類(lèi)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.26～1.86 W/(m·K)，比熱容為1.04～1.12 kJ/(kg·℃)；黃土臺(tái)塬區(qū)主要為巨厚的黃土、粉質(zhì)黏土、黏土類(lèi)，局部為導(dǎo)熱系數(shù)較高的巖體，導(dǎo)熱系數(shù)為1.29～1.57 W/(m·K)，比熱容為1.15～1.20 kJ/(kg·℃)。

3.3 地溫場(chǎng)特征

3.3.1 恒溫帶

恒溫帶是太陽(yáng)輻射熱和地球內(nèi)熱在一定深度達(dá)到熱平衡的界面。利用土壤自然溫度場(chǎng)的年周期性變化計(jì)算公式[16,19]，計(jì)算不同地貌單元的土壤恒溫帶深度。

沖積平原低級(jí)階地主要為河湖沉積的粉質(zhì)黏土、黏土及砂層，理論恒溫帶深度為11.1～17.0 m(實(shí)測(cè)楊凌永安村恒溫帶深度為13 m，西安高陵區(qū)坡底村恒溫帶深度為11.5 m，渭南辛市鎮(zhèn)杜王村恒溫帶深度為12 m，咸陽(yáng)秦都區(qū)大泉村恒溫帶深度為14.5 m，渭南臨渭區(qū)張義村恒溫帶深度為13.5 m)；高級(jí)階地地表被黃土覆蓋，其下為砂層，理論恒溫帶深度為11.8～17.0 m(實(shí)測(cè)咸陽(yáng)渭城區(qū)底張鎮(zhèn)恒溫帶深度為17 m，渭南臨渭區(qū)隕張村恒溫帶深度為16 m，寶雞市金臺(tái)區(qū)王家河村恒溫帶深度為15.5 m)。

盆地南側(cè)的洪積平原區(qū)以粗粒物質(zhì)和黃土為主，理論恒溫帶深度為12.4～17.2 m；盆地北側(cè)的洪積平原區(qū)地層以細(xì)粒物質(zhì)和黃土為主，理論恒溫帶深度為11.5～17.4 m。

渭河北岸及西安、渭南、潼關(guān)等地黃土臺(tái)塬區(qū)的理論恒溫帶深度為11.0～16.0 m(實(shí)測(cè)寶雞市金臺(tái)區(qū)勝利村恒溫帶深度為16 m)。

3.3.2 地溫梯度空間變化

關(guān)中盆地地溫梯度總體中部高、東西低，地溫梯度的展布與盆地內(nèi)部發(fā)育的近EW向、NE向和NW向正傾滑斷層吻合。西安凹陷、固市凹陷、蒲城凸起、斷裂帶及斷裂匯合區(qū)的地溫梯度一般>3 ℃/hm；臨潼、蒲城、東西湯峪等地區(qū)的地溫梯度一般>5 ℃/hm；寶雞凸起、咸禮凸起、臨藍(lán)凸起及渭北巖溶區(qū)地溫梯度相對(duì)較小，一般≤3 ℃/hm。

3.4 淺層大地?zé)崃髦?/h3>

在地球表層介質(zhì)內(nèi)單位時(shí)間流經(jīng)單位面積的熱量流稱(chēng)為大地?zé)崃髦?，其?shù)值等于巖體導(dǎo)熱系數(shù)與地溫梯度的乘積[28]。根據(jù)關(guān)中盆地長(zhǎng)期地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和本次勘探孔巖心測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算大地?zé)崃髦?，結(jié)果(表1)表明，關(guān)中盆地淺層大地?zé)崃髦禐?9.83～57.47 mW/m2，平均值為46.22 mW/m2。深大斷裂及巖層導(dǎo)熱系數(shù)高的地區(qū)大地?zé)崃髦递^高，例如，寶雞市金臺(tái)區(qū)黃土塬區(qū)的大地?zé)崃髦禐?7.66 mW/m2，其中漫灘區(qū)為導(dǎo)熱系數(shù)更大的砂層，其大地?zé)崃髦禐?7.47 mW/m2。

表1 關(guān)中盆地淺層大地?zé)崃髦涤?jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of the earth heat flow values in the shallow layers of Guanzhong Basin

3.5 地?zé)崃黧w特征

地?zé)崃黧w與地下水地源熱泵系統(tǒng)的使用效果相關(guān)。地?zé)醿?chǔ)層具有較好的富水性和回灌能力,是地下水地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)使用的保障，離子類(lèi)型和礦化度是地下水地源熱泵系統(tǒng)能否長(zhǎng)期有效使用的關(guān)鍵因素。

3.5.1 含水層

關(guān)中盆地北部黃土臺(tái)塬孔隙-裂隙水含水層為中更新統(tǒng)上部風(fēng)積黃土及古土壤，厚50～80 m，富水性和回灌能力均較差。

沖積平原孔隙潛水含水層巖性為中更新統(tǒng)—全新統(tǒng)沖積砂、砂礫石與粉質(zhì)黏土互層。高階地上部為厚層風(fēng)積黃土，在空間分布上，含水層西薄東厚，富水性較差，回灌能力弱；低階地及河漫灘屬極強(qiáng)富水區(qū)，回灌能力強(qiáng)。沖積平原孔隙承壓水含水層巖性為粗細(xì)相間的第四系沖積砂、湖積砂和砂礫石層。

山前洪積平原孔隙含水層分布于盆地南北兩翼，巖性主要為上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)砂礫卵石與粉質(zhì)黏土互層及少量漂石。潛水和承壓水富水性規(guī)律相似，即華縣—華陰洪積扇為強(qiáng)富水區(qū)，而地勢(shì)較高的洪積扇富水性較差。

新近系和古近系砂泥巖互層孔隙-裂隙水主要分布于灞河河谷及銅仁塬，含水層由新近系灞河組和古近系白鹿塬組砂巖、泥巖組成，單井涌水量均<100 m3/d，回灌能力弱。

3.5.2 離子分布

沖積平原潛水水化學(xué)類(lèi)型為HCO3型。涇河、灞河以東地區(qū)水質(zhì)復(fù)雜，渭河北岸一級(jí)、二級(jí)階地水化學(xué)類(lèi)型為SO4-SO4·HCO3型，漫灘區(qū)水化學(xué)類(lèi)型為HCO3·SO4型；涇河、灞河以西水化學(xué)類(lèi)型為HCO3型，一級(jí)階地和漫灘區(qū)水化學(xué)類(lèi)型為HCO3·SO4-Na·Ca型，渭河南岸水化學(xué)類(lèi)型為HCO3·SO4-Ca·Na型。沖積平原承壓水水化學(xué)類(lèi)型在渭河以北、涇河以西多為HCO3-Ca·Mg型，涇河以東地區(qū)水質(zhì)較復(fù)雜，水化學(xué)類(lèi)型主要有HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型、HCO3·SO4-Na·Mg型、SO4·Cl-Na·Mg型和Cl·SO4-Na型，渭河以南水化學(xué)類(lèi)型多為HCO3-Na·Ca型。

山前洪積平原區(qū)潛水和承壓水水化學(xué)類(lèi)型為HCO3型，局部地區(qū)為HCO3·SO4型。

新近系和古近系砂泥巖互層孔隙-裂隙含水系統(tǒng)潛水和承壓水的水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca·Mg·Na型。

3.5.3 地?zé)崃黧w礦化度

地?zé)崃黧w礦化度高值區(qū)主要分布于黃土臺(tái)塬孔隙-裂隙含水系統(tǒng)及河谷高階地潛水系統(tǒng)，礦化度一般為3～5 g/L，最大為15 g/L。該區(qū)地下水受降水入滲補(bǔ)給，因含水層為透水性較差的黏質(zhì)砂土和粉細(xì)砂層，隨著滲透路程的增加，礦化作用增強(qiáng)，礦化度增大。一級(jí)階地前部和漫灘區(qū)，含水層巖性為中粗砂夾礫石，徑流通暢，因河水補(bǔ)給使?jié)撍♂尩?，礦化度<1 g/L。

沖積平原孔隙承壓水以涇河為界，涇河以西礦化度<1 g/L，涇河以東礦化度均>1 g/L，其中大荔縣許莊鎮(zhèn)—安仁鎮(zhèn)礦化度高達(dá)13.291 g/L。

山前洪積平原區(qū)孔隙潛水和承壓水的礦化度基本<1 g/L，僅局部地區(qū)因長(zhǎng)期引地表水灌溉，潛水水位不斷抬升，蒸發(fā)濃縮作用增強(qiáng)，礦化度略>1 g/L。

4 形成模式及資源量

4.1 形成模式

關(guān)中盆地淺層地?zé)崮苤饕獊?lái)源于隆起地幔的深部熱能，由深部熱源向地表擴(kuò)散。在完整的地質(zhì)塊體內(nèi)，深部熱源熱能以熱傳導(dǎo)方式到達(dá)淺部地?zé)醿?chǔ)層，淺層地溫的差異變化主要受巖土體導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)影響。

在盆地內(nèi)部深大斷裂及其交匯處，深大斷裂的開(kāi)放性為深部地幔熱源向上傳輸熱能提供了可能性，深部熱能被液態(tài)(或氣態(tài))流體攜帶，沿?cái)嗔严虻乇磉\(yùn)移，該區(qū)表現(xiàn)為地溫梯度偏高。地溫梯度偏高的地區(qū)主要分布于關(guān)中盆地南緣秦嶺山前斷裂帶和中部渭河斷裂帶：秦嶺山前斷裂帶為左旋扭動(dòng)的正斷層，南升北降，垂直斷距達(dá)10 km以上，斷裂帶巖石破碎；渭河斷裂帶是條貫穿盆地的高角度正斷層，走向近EW向，最大斷距達(dá)16～24 km。秦嶺山前斷裂帶與渭河斷裂帶在眾多地段淺部與深部具有良好的連通性，在深部高溫、高壓的驅(qū)動(dòng)下，一些地區(qū)(如寶雞溫水溝、眉縣西湯峪、咸陽(yáng)地?zé)岢?、長(zhǎng)安區(qū)東大、藍(lán)田東湯峪地區(qū))深部熱液向地表運(yùn)移，形成溫泉或淺部地溫異常區(qū)，如長(zhǎng)安區(qū)東大地區(qū)200 m地?zé)峋責(zé)崃黧w溫度可達(dá)30 ℃以上，地溫梯度約5 ℃/100 m。

在地?zé)崃黧w深部熱能由下至上運(yùn)移的過(guò)程中，由于地表通道不暢或斷裂旁側(cè)存在空隙、裂隙發(fā)育的全新統(tǒng)水平砂層，地?zé)崃黧w或以水平方式運(yùn)移，造成局部地區(qū)地?zé)岙惓?。這些地?zé)岙惓Ｑ仃P(guān)中盆地深大斷裂帶一側(cè)或兩側(cè)呈帶狀分布，如秦嶺山前斷裂帶一側(cè)洪積扇上的地?zé)峋鶎儆诖祟?lèi)地?zé)豳Y源。由于秦嶺山前斷裂上部通道不完全通暢，只在一些區(qū)域產(chǎn)生溫泉露頭，地?zé)崃黧w通過(guò)斷裂旁側(cè)的空隙、裂隙發(fā)育水平巖層并以水平方式擴(kuò)散，造成東大地區(qū)、子午草堂寺等地區(qū)產(chǎn)生地?zé)岙惓?，這些地區(qū)地?zé)峋毡榫哂芯疁\、溫度高的特點(diǎn)。

4.2 適宜性分區(qū)

淺層地?zé)崮芾梅绞椒譃榈叵滤卦礋岜孟到y(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。地下水地源熱泵系統(tǒng)主要受地下水賦存條件影響；地埋管地源熱泵系統(tǒng)主要受地層巖性及巖土體熱物性參數(shù)影響。采用層次分析法對(duì)關(guān)中盆地淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用進(jìn)行適宜性分區(qū)[1]：地下水地源熱泵系統(tǒng)的分析指標(biāo)包括地下水埋深、地層巖性、含水層結(jié)構(gòu)、有效含水層厚度、含水層單井出水能力及回灌能力、地層滲透系數(shù)、地下水腐蝕性、地下水結(jié)垢程度、滑坡、地裂縫、地面沉降等；地埋管地源熱泵系統(tǒng)的分析指標(biāo)包括地層巖性、含水層厚度、地下水滲流速度、綜合傳熱系數(shù)、深度、加權(quán)平均比熱容、卵石層厚度、滑坡、地裂縫和地面沉降等。在地質(zhì)資料缺乏的地區(qū)，根據(jù)相同類(lèi)型地貌單元的地質(zhì)條件進(jìn)行類(lèi)比。

分區(qū)結(jié)果表明：關(guān)中盆地整體屬于地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)或較適宜區(qū)(圖3)，不適宜區(qū)分布在麟游、淳化部分基巖山區(qū)或地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)；地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)分布在渭河漫灘及低級(jí)階地區(qū)，較適宜區(qū)分布在部分高級(jí)階地區(qū)(圖4)，不適宜區(qū)分布面積較大，包括黃土塬區(qū)、山區(qū)及部分高級(jí)階地區(qū)。

圖4 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖Fig.4 Suitability zoning of groundwater ground-source heat pump system

地埋管地源熱泵系統(tǒng)及地下水地源熱泵系統(tǒng)均適宜區(qū)的面積總共為4 829.28 km2，地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)或較適宜區(qū)的面積為93.17 km2，地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)或較適宜區(qū)的面積為23 858.4 km2，水系等未評(píng)價(jià)區(qū)面積約57 km2，淺層地?zé)崮芸砷_(kāi)發(fā)利用的面積為28 780.85 km2。

4.3 資源量

淺層地?zé)崮軣崛萘坎捎脽醿?chǔ)法進(jìn)行計(jì)算[1]，具體方法如下。

(1)包氣帶中熱容量計(jì)算公式為

QR=QS+QW+QA，

(1)

QS=ρSCS(1-φ)Md1，

(2)

QW=ρWCWωMd1，

(3)

QA=ρACA(φ-ω)Md1，

(4)

式中：QR為淺層地?zé)崮軣崛萘?，kJ/℃；QS為巖土體的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體中水的熱容量，kJ/℃；QA為巖土體中空氣的熱容量，kJ/℃；ρS為巖土體密度，kg/m3；ρW為水密度，kg/m3；ρA為空氣密度，kg/m3；CS為巖土體的綜合比熱容，kJ/(kg·℃)；CW為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；CA為氣體的比熱容，kJ/(kg·℃)；φ為巖土體的孔隙度,%；ω為巖土體的含水率,%；M為區(qū)域面積，m2；d1為包氣帶厚度，m。

(2)飽水帶中熱容量計(jì)算公式為

QR=QS+QW，

(5)

QS=ρSCS(1-φ)Md2，

(6)

QW=ρWCWφMd2。

(7)

式中：d2為潛水面至地?zé)崮苡?jì)算深度下限的巖土體厚度，m；其余計(jì)算參數(shù)與包氣帶中熱容量計(jì)算公式中的參數(shù)一致。

根據(jù)關(guān)中盆地構(gòu)造特征、地層分布特征及其各地質(zhì)參數(shù)，將淺層地?zé)崮芸衫脜^(qū)按包氣帶厚度、地層巖性結(jié)構(gòu)、巖土體比熱容等進(jìn)行分區(qū)，將圖層疊加，形成計(jì)算區(qū)塊，然后計(jì)算各區(qū)塊的熱容量，累加后得到關(guān)中盆地的總熱容量。

考慮地表受氣溫的影響較大，計(jì)算深度為3～200 m，共計(jì)197 m。關(guān)中盆地巖土體概化類(lèi)型可分為粉土類(lèi)、砂礫石類(lèi)、砂礫巖類(lèi)和泥巖類(lèi)4類(lèi)(表2)。根據(jù)巖土體的物理性質(zhì)，分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，剔除誤差較大的數(shù)據(jù)，消除誤差后對(duì)每種巖性按其取樣厚度進(jìn)行加權(quán)平均，得出不同巖性的熱物性參數(shù)(表3)。水和空氣的比熱容采用理論值，水的密度取1 000 kg/m3，比熱容取4.18 kJ/(kg·℃)，空氣的密度取1.29 kg/m3，比熱容取1.003 kJ/(kg·℃)。

表2 巖土體概化標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Generalization standard of rock and soil mass

表3 巖土體熱物性參數(shù)Tab.3 Thermal and physical parameters of rock and soil mass

由以上公式計(jì)算得出，關(guān)中盆地巖土體土骨架(土中固體顆粒構(gòu)成的格架)的熱容量為6.82×1015kJ/℃，關(guān)中盆地巖土體中水的熱容量為6.99×1015kJ/℃，巖土體中空氣的熱容量為2.64×1011kJ/℃，淺層地?zé)崮軣崛萘繛?.38×1016kJ/℃(表4)。

表4 關(guān)中盆地淺層地?zé)崮軣崛萘坑?jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of heat capacity of shallow geothermal energy in Guanzhong Basin

5 結(jié)論

(1)關(guān)中盆地淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用前景廣闊。關(guān)中盆地內(nèi)地下水儲(chǔ)運(yùn)空間、補(bǔ)給、徑流、排泄條件均較好，河漫灘和河谷階地富水性較黃土臺(tái)塬稍好；淺部地層以第四系松散沉積物為主，鉆探施工容易且成本低；盆地主要地貌類(lèi)型為山前洪積扇、黃土臺(tái)塬、河谷高階地、河谷低階地和河漫灘，地形平坦，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育少，環(huán)境地質(zhì)條件良好。關(guān)中盆地整體屬于地埋管地源熱泵適宜區(qū)或較適宜區(qū)，地下水地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)主要分布在盆地中部漫灘區(qū)和階地區(qū)。

(2)關(guān)中盆地淺層地?zé)崮軆?chǔ)量巨大。關(guān)中盆地地?zé)崮艿男纬赡Ｊ街饕獮闊醾鲗?dǎo)型和熱對(duì)流型：熱傳導(dǎo)型地?zé)豳Y源主要分布于西安凹陷、固市凹陷等完整地質(zhì)塊體內(nèi)；熱對(duì)流型地?zé)豳Y源主要分布于深大斷裂直接溝通地表的區(qū)域以及斷裂帶周邊區(qū)域。利用熱儲(chǔ)法，計(jì)算獲得關(guān)中盆地淺層地?zé)崮軣崛萘繛?.38×1016kJ/℃。

致謝：參與野外地質(zhì)調(diào)查工作的有陜西省地質(zhì)調(diào)查院劉建強(qiáng)高級(jí)工程師、金光高級(jí)工程師、趙智強(qiáng)高級(jí)工程師、朱紅玉高級(jí)工程師、桂忠強(qiáng)工程師和張樂(lè)工程師，在此表示衷心感謝！