地溫測量在地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用

汪名鵬，楊俊松，劉彥華

(1.江蘇省水文地質(zhì)海洋地質(zhì)勘查院，江蘇 淮安 223005； 2.江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223005)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人們對地?zé)豳Y源認識的逐步提高，國內(nèi)勘查開發(fā)地?zé)豳Y源力度不斷加強。許多地方的地?zé)豳Y源勘探開發(fā)已成為地方經(jīng)濟發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。

蘇北盆地是我國東部沿海高熱流異常帶，平均地溫梯度達3 ℃/100 m，屬于地?zé)豳Y源豐富地區(qū)[1]?？辈榈?zé)豳Y源方法較多，常用的有地溫測量、電磁法、重力、地震、放射性勘探等，其中地溫測量可以查明地溫場空間分布形態(tài)、確定地?zé)崃黧w的埋藏和分布特征、圈定地?zé)岙惓７秶?、指?dǎo)下一步地?zé)峥碧?，是地?zé)峥辈榍捌谝环N方便經(jīng)濟而且直觀有效的方法[2]。前人在蘇北盆地重點地區(qū)，如洪澤萬集—仁和、蔣壩、高良澗以及盱眙縣盱城鎮(zhèn)等地區(qū)開展了淺表地溫測量工作，發(fā)現(xiàn)局部存在地?zé)岙惓，F(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)淺表地溫異常均與斷裂有關(guān)。一般情況下，地溫隨深度加大而提高，尤其是活動性斷裂通過處以及次級凸起與凹陷分界處斷裂，地溫往往增高，且多形成地?zé)岙惓！Ｒ虼?，在前人工作的基礎(chǔ)上本文對洪澤湖—濱海地?zé)岙惓У睦献由降貐^(qū)進行淺層與深層地溫測量，通過對地溫測量數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計，查明了研究區(qū)地溫場分布與展布，初步圈定地?zé)岙惓^(qū)范圍，為進一步開發(fā)利用地?zé)豳Y源提供依據(jù)。

1 自然地理概況

研究區(qū)位于江蘇洪澤區(qū)境內(nèi)，北跨淮河至老子山鎮(zhèn)新淮村，南到老子山鎮(zhèn)張嘴村一帶與盱眙縣官灘鎮(zhèn)相連(圖1)，地表水系較發(fā)育，洪澤湖、淮河為附近較大的河湖。

圖1 研究區(qū)位置示意

研究區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，年平均氣溫14℃左右，無霜期220 d，常年降水量1 000 mm。地貌屬于濱湖平原區(qū)，為淮河三角洲的沙洲部分，地形平坦；以前沙洲在枯水期露出水面，洪水期易被淹沒，現(xiàn)已建有圍堤，成為居民區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 地層

研究區(qū)地表被第四系覆蓋，基巖埋深一般大于50 m。第四系地層為沖—湖積成因類型，巖性主要為粉土、粉質(zhì)黏土、中細砂、中粗砂等?；鶐r地層主要為古近系粉砂質(zhì)泥巖，震旦系上統(tǒng)燈影組灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)角礫巖等。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)處于洪澤凹陷與洪澤—建湖隆起交接部位，構(gòu)造活動頻繁，構(gòu)造形跡多樣，其中斷裂構(gòu)造最為發(fā)育，斷裂走向大多為NW、NNE和NE向(圖2)。這些構(gòu)造控制著研究區(qū)地層的發(fā)育和地?zé)崴Y源的賦存條件與分布[3]。

圖2 研究區(qū)基巖地質(zhì)

2.3 水文地質(zhì)

研究區(qū)地下水主要類型有松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖裂隙溶洞水。松散巖類孔隙水主要含水介質(zhì)為第四系砂類土，富水性較好；碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水介質(zhì)為燈影組白云巖、灰質(zhì)白云巖，含水層厚度大于80 m，富水性不均勻，有溶洞發(fā)育有關(guān)。

3 地溫測量數(shù)據(jù)分析

本次共布置地溫測量孔48個，其中利用當(dāng)?shù)孛窬疁y溫孔16個，現(xiàn)場5 m勘探測溫孔30個，探采結(jié)合鉆孔測溫孔2個(圖3)。

圖3 地溫測量孔分布范圍

5 m測溫孔采用晶體數(shù)字式JW-2型測溫儀，先螺紋鉆干鉆成孔后測溫的方法進行，保證測溫儀器探頭充分接觸原始土壤，一般一個孔測溫時間約為20 min，每個孔在2、3、4、5 m分別進行(表1)；探采結(jié)合鉆孔進行溫度測量先采用GXY-1型鉆機成孔，停鉆72 h后進行，為的是減少鉆進過程泥漿循環(huán)對井溫的干擾。

表1 5 m測溫孔不同深度測量數(shù)據(jù)

民井測溫采用測地下水溫來代替地溫。一般情況下，在長期的水—巖相互作用下，地下水的溫度與地溫可達到相對平衡狀態(tài)。據(jù)調(diào)查本次所測的民井成井均超過1年以上，雖然淺層地下水溫度受氣候、巖性、地形以及地下水運動等因素的影響，但在極短的測溫時間內(nèi)淺層地下水基本能反映淺部地溫的分布情況。淺部2、3、4、5 m測量數(shù)據(jù)與現(xiàn)場干鉆成孔所測數(shù)據(jù)基本吻合(表2)。

表2 典型民井不同深度測溫數(shù)據(jù)

每個測溫數(shù)據(jù)均等到數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后再讀數(shù)記錄，保證了數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)間的可比性。

3.1 淺孔地溫測量數(shù)據(jù)分析與地溫場特征

地球的地溫場與電場、磁場一樣，也是一種地球物理場，并且是個非穩(wěn)定場，也就是說某點的溫度是空間位置與時間的函數(shù)[4]。地下深部的熱會通過不同的渠道和介質(zhì)向上移動，并受氣候、巖性、地下水運動、氣溫等共同影響，共同構(gòu)成淺層地溫變化規(guī)律。由于在常溫帶以下是受地球內(nèi)部熱能所控制的增溫帶，隨深度的增加，溫度增高，但達到一定深度后，溫度增加速度減慢。

由表1地溫測量數(shù)據(jù)，可推測埋深5 m時的等溫曲線圖(圖4)。從圖4可以解釋出研究區(qū)的東北角地溫有增加的趨勢，而且地溫異常區(qū)呈條帶狀分布。

圖4 5 m埋深地溫等值線

根據(jù)表2典型民井測溫數(shù)據(jù)，可以繪制地溫隨深度變化曲線(圖5)，從圖中可以看出研究區(qū)淺層地溫變化大致分為3段。4.5 m深度以淺，為變溫帶，隨深度增加地溫在逐漸降低。在變溫帶內(nèi)，溫度主要受太陽輻射的影響，與測量地溫的季節(jié)有關(guān)，由于地表受太陽輻射較強，溫度較高；當(dāng)深度增加時，太陽輻射對地溫的影響越來越小，作用也越來越弱，因此溫度逐漸降低。4.5～6.0 m為恒溫帶深度，太陽輻射與地球的內(nèi)熱達到平衡狀態(tài)，地溫恒定。6.0 m以深隨深度增加，地溫逐漸升高。地溫場主要受地球內(nèi)部內(nèi)熱控制，隨深度的增加，地?zé)嶙饔貌粩嘣鰪?，因而溫度也逐漸升高。

圖5 淺孔地溫隨深度變化曲線

從地溫場變化情況來看，研究區(qū)明顯存在地溫異?，F(xiàn)象。研究區(qū)周邊同條件下地區(qū)恒溫帶在15 m左右，且一般情況下，恒溫帶的地溫與本地區(qū)的年平均氣溫是一致的，為14 ℃左右。根據(jù)本次地溫測量數(shù)據(jù)，研究區(qū)恒溫帶地溫在19.5 ℃左右，恒溫帶深度要遠小于其他地區(qū)，并導(dǎo)致變溫帶深度變淺，表明研究區(qū)存在地?zé)岙惓Ｐ?，地?zé)岙惓^(qū)的熱量通過傳導(dǎo)不斷向地表擴散。

3.2 深孔地溫測量數(shù)據(jù)分析與地溫場特征

深部的地下水通過構(gòu)造裂隙、孔隙以及巖土介質(zhì)向上運移，影響到淺層地溫場的變化分布。為了進一步研究深孔地下溫度場變化情況，在淺孔地溫研究基礎(chǔ)上，對5眼深度較大的民井和勘探孔進行地溫測量(表3、表4)。

表3 深井測溫數(shù)據(jù)

表4 探采結(jié)合鉆孔測溫數(shù)據(jù)

繪制90 m深度地溫場平面分布曲線圖(圖6)，深孔地溫場平面特征與淺孔地溫場平面特征一致，越接近東北角地溫有增加的趨勢，而且地溫異常區(qū)呈NNE向條帶狀分布，寬度約700 m，與區(qū)域上NNE向斷裂展布方向一致，地溫最高點位于NW向斷裂與NNE向斷裂交匯處[5]。

圖6 90 m埋深地溫等值線

從表3、表4數(shù)據(jù)看出，隨著深度增加，地溫逐漸增大；研究區(qū)測溫范圍內(nèi)巖性主要為白云巖，巖性差異小，不同深度巖石熱導(dǎo)率基本相同，影響地溫差異主要是地下水活動及其熱流大小等。但是，表4兩個鉆孔地溫測量數(shù)據(jù)在同一深度有所差異，表明上部低溫地下水通過構(gòu)造裂隙的滲流，降低了下部巖體的溫度。相對于T2測溫孔，T1測溫孔隨深度增加，地溫梯度越來越小，從66～96 m地溫梯度為0，且96 m以下呈現(xiàn)負梯度，表明T2測溫孔孔內(nèi)地下水對流作用強烈，富水性好，巖溶非常發(fā)育，冷水大量涌入，瞬時降低了該點地溫。

研究區(qū)深孔地溫場的分布與展布主要受構(gòu)造斷裂、地層巖性、水文地質(zhì)條件等諸多因素的影響。地溫異常較明顯范圍內(nèi)揭露的基巖較破碎，巖溶、裂隙較發(fā)育，有利于深部熱流向上運移至淺部重新分配，導(dǎo)致地溫場發(fā)生異常改變[6]，反之地溫異常則不明顯。從地溫測量結(jié)果分析，研究區(qū)地下熱水分布范圍較小，具一定局限性，從而進一步說明了該區(qū)地下熱水主要儲存于灰質(zhì)白云巖或角礫巖的裂隙溶洞中，裂隙、巖溶為地下熱水良好的上升通道。

通過抽水試驗也驗證了T1孔單井涌水量比T2孔要大得多，T1孔單井涌水量2.80 L/(s·m)，T2孔單井涌水量0.189 L/(s·m)。因此，根據(jù)溫度—深度曲線以及等溫線斷面面(圖7)，可以推斷出T1孔位于NW向陳圩—順河斷裂與NNE向淮河自來橋斷裂、漁溝—桂五斷裂交匯帶上[7-8]，并推斷出不同測溫孔含水巖層的富水性以及地下熱水的對流方向。

圖7 等溫線斷面

4 結(jié)論

1)通過地溫測量，基本圈定了研究區(qū)的地?zé)岙惓^(qū)范圍，大致推斷出了地下熱水的分布范圍。

2)研究區(qū)淺層地溫場恒溫帶深度在4.5 m左右，恒溫帶地溫在19.5 ℃左右，恒溫帶深度與溫度與同條件其他地區(qū)有所差異，具有地?zé)岙惓５拿黠@特征。

3)研究區(qū)線孔與深孔所測得的地溫場平面特征一致，越接近東北角地溫越有增加的趨勢，而且地溫異常區(qū)呈NNE向條帶狀分布，寬度約700 m，與NNE向斷裂展布方向一致，地溫最高點位于NW向斷裂與NNE向斷裂交匯處。

4)通過深孔地溫測量在縱向上分布特征差異，研究區(qū)地下熱水主要儲存于灰質(zhì)白云巖或角礫巖的裂隙溶洞中，裂隙、巖溶為地下熱水良好的運移通道。