冀東山區(qū)淺部地溫場分布特征及控制因素

趙鑫鑫，程立群,2,王陶然,任改娟,徐一鳴,2,郝文輝

(1.河北省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第八地質大隊，河北 秦皇島 0660002.河北寶地建設工程有限公司，河北 秦皇島 066000)

0 引言

地球內(nèi)部所蘊藏的豐富熱能在溫度差的驅動下主要通過地層或斷層等介質向地表流動、散失，形成了地球的熱場，簡稱地溫場(趙東和王海亮，2019)，它與地球的電場、重力場、磁場一樣，都是地球的物理場之一。地溫場調查作為一種成本小、風險低、成果可利用度高的勘查手段，是地熱勘查過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，也因此受到越來越多國內(nèi)外學者的重視。二十世紀六十年代Mundry(1966)、Franz et al.(1966)等人用物理模擬和數(shù)學模擬的方法研究不同構造條件下地溫場的特點。八十年代初，陳墨香等(1982)、熊亮萍和高維安(1982)率先在我國華北地區(qū)開展了地溫場方面的研究，作為圈定和預測華北平原地熱異常區(qū)以及分析地下熱水分布規(guī)律的基礎；費棟宇和高銳(1985)通過收集某些煤田、油氣田和部份省市的地溫資料，經(jīng)綜合、簡化、平均，編制了“中國及東部鄰區(qū)地溫場信息略圖”，并將中國及鄰海的地溫場初步分成西藏地熱區(qū)、華北地熱區(qū)、川滇地熱區(qū)等八個地熱異常區(qū)(帶)。此后，國內(nèi)學者先后在北京、新疆、陜西、河南等地開展過地溫場分布特征及其影響因素方面的研究(衛(wèi)萬順等，2010；李宗星等，2016；李騰超等，2020；任戰(zhàn)利等，2020)，取得了一些成果。這些研究多是針對于平原區(qū)、盆地，而針對山區(qū)基巖出露區(qū)地溫場研究的卻鮮有報道。

本文在系統(tǒng)收集、整理河北省秦皇島市青龍滿族自治縣西部山區(qū)地質資料的基礎上，通過對區(qū)內(nèi)實測的19個地熱井、98個機民井連續(xù)地溫測量數(shù)據(jù)的研究，第一次得到了該區(qū)恒溫帶溫度和深度數(shù)據(jù)，總結了地溫場水平、垂直分布特征，分析了地層巖性、地質構造、水文地質條件等因素對0～100 m淺部地溫場產(chǎn)生的影響，為查明該區(qū)地熱資源分布規(guī)律、形成機理、潛力評價，指導地熱資源勘查及開發(fā)利用均具有較高的實用價值和理論指導意義。

1 地熱地質概況

研究區(qū)位于河北省秦皇島市青龍滿族自治縣西部一帶。大地構造位置處于中朝準地臺—燕山臺褶帶—馬蘭峪復式背斜內(nèi)的遵化穹褶束北部，由近EW向青龍—大屯斷裂系統(tǒng)、NNE向青龍河斷裂和NW向冷口斷裂組成的三角形區(qū)域內(nèi)。這三組斷裂均具有規(guī)模大、切割深、多期活動性的特點。特別是青龍河和冷口斷裂，至今仍在活動(李四光，1976；陳云峰等，2005)。受區(qū)域構造的影響，研究區(qū)內(nèi)巖漿活動強烈，主要以燕山期侵位為主，經(jīng)過長期地質變遷，形成了如今分布在研究區(qū)北部的都山巖體和中部的肖營子巖體。地層出露主要為太古界變質巖、中元古界變質巖與沉積巖，以及沿溝谷低洼處零星分布的新生界第四系全新統(tǒng)松散沉積物(圖1)。

圖1 研究區(qū)大地構造位置(a)(據(jù)鄭亞東等，2000修改)及地熱地質簡圖(b)1—第四系；2—中元古界薊縣系沉積巖；3—中元古界長城系沉積巖；4—古元古界變質巖；5—太古界變質巖；6—燕山期花崗巖7—深大斷層；8—一般斷層；9—地熱異常區(qū)；10—100 m埋深地溫等值線；11—測溫井；12—研究區(qū)范圍

研究區(qū)地熱資源豐富，目前已發(fā)現(xiàn)地熱異常區(qū)3處。其中邊杖子地熱異常區(qū)地表出露溫泉一處，最高水溫25.5 ℃；婁杖子地熱異常區(qū)內(nèi)有地熱井8個，井深50～160 m，最高水溫29.1～54.9 ℃；溫泉村地熱異常區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)地熱井11個，井深88.93～450 m，最高水溫28.3～42.0 ℃。這些地熱異常區(qū)均分布于燕山期花崗巖與太古界片麻巖內(nèi)外接觸帶附近，熱儲層巖性為片麻巖、花崗巖，地熱類型為中低溫、帶狀熱儲，一般無蓋層或為厚度不超過5 m的第四系松散沉積物。地熱流體主要離子成分為：Na+、Ca2+、SO42-、HCO3-、Cl-，水化學類型主要為SO4-Na型，總礦化度為682.6～1126 mg/L，pH值為7.73～8.57(程立群等，2020)。

2 地溫場數(shù)據(jù)采集與處理

測量地下溫度的方法可分為直接測量和間接測量兩種方法。直接測量就是把測溫儀器放入鉆孔或鉆井內(nèi)進行測量，間接測量法是指利用地震資料或大地電磁法等物探數(shù)據(jù)間接推測地球深層溫度的方法(陳常興等,2020)。本次研究采用的是直接測量法。

研究區(qū)地處山區(qū)，區(qū)內(nèi)冷、熱水井均為基巖井，地熱井集中分布在溫泉村和婁杖子兩個地熱異常區(qū)內(nèi)。本次研究對區(qū)內(nèi)19個地熱井、98個機民井開展了地溫場調查工作，內(nèi)容包括井位(采用手持GPS定位儀進行坐標定位)、井身結構、地層巖性、水位以及采用熱電阻法(余恒昌等,1991)集中進行了連續(xù)地溫測量。具體方法是：將深井測溫儀探頭放入井中并放線，到達相應深度后停止，靜止一定時間待液晶顯示表上數(shù)字不變后記錄相應溫度值，測點間距5 m。并根據(jù)測量結果繪制了研究區(qū)地熱地質簡圖(圖1)、恒溫帶深度及溫度統(tǒng)計直方圖(圖2)、婁杖子地熱異常區(qū)100 m埋深地溫等值線圖(圖3)、溫泉村地熱異常區(qū)100 m埋深地溫等值線圖(圖4)和典型地熱井溫度、地溫梯度與深度關系圖(圖5)。地溫梯度主要依據(jù)本次調查的機民井以及地熱井實際測溫數(shù)據(jù)，采用下列公式計算(施尚明等,2011)：

(1)

式(1)中：G—地溫梯度(℃/100 m)；T—井底(或計算區(qū)間深處)觀測的最高溫度(℃)；T0—恒溫層(或計算區(qū)間淺處)溫度(℃)；H—井底或計算區(qū)間深處位置深度(m)；H0—當?shù)睾銣貙踊蛴嬎銋^(qū)間淺處位置深度(m)。

3 地溫場特征

3.1 地溫場背景

大地熱流值是地球內(nèi)熱在地表唯一可以量測的物理量，比其他地熱參數(shù)更能確切地反映某個地區(qū)地溫場的特點(張鵬等，2007；彭濤等，2015)。根據(jù)中國科學院地質與地球物理研究所2016年最新研究成果來看，研究區(qū)所處的冀東燕山地區(qū)大地熱流在20～30 mW·m-2，明顯低于冀東平原區(qū)60～75 mW·m-2的大地熱流值和中國大陸地區(qū)(含渤海海域)熱流平均值60.4±12.3 mW·m-2(姜光政等,2016)，屬大地熱流低值區(qū)。

3.2 恒溫帶

受工作程度和地形、巖性、地質構造、巖漿活動及地下水運動等因素的限制，河北省山區(qū)范圍內(nèi)對恒溫層一直沒有一個統(tǒng)一的標準。本次研究通過對區(qū)內(nèi)98個機民井連續(xù)測溫數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計來計算這一數(shù)值。

由圖2a可見，在所有機民井中恒溫帶深度為20 m的所占比例最多,為42%，通過計算所有機民井恒溫帶深度中位數(shù)也同樣為20 m。圖2b可見，在所有機民井中恒溫帶溫度為12～13 ℃的所占比例最多，為39%，而通過計算所有機民井恒溫帶溫度中位數(shù)為12.5 ℃。因此，本次研究最終確定冀東山區(qū)的恒溫帶深度為20 m，溫度為12.5 ℃。比氣象部門的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示區(qū)內(nèi)多年平均氣溫10 ℃高2.5 ℃，這與王貴玲等(2015)總結的我國陸區(qū)恒溫帶溫度總體上比當?shù)啬昶骄鶜鉁馗?.5 ℃的研究成果相一致。

圖2 研究區(qū)恒溫帶深度(a)及溫度統(tǒng)計(b)直方圖

3.3 平面分布特征

根據(jù)對本區(qū)機民井和地熱井連續(xù)井溫數(shù)據(jù)測量，并結合區(qū)內(nèi)水文地質特性繪制出全區(qū)100 m埋深地溫等值線圖(圖1)。地溫場顯示研究區(qū)內(nèi) 100 m 埋深地溫大部分在13～14 ℃，低于13 ℃的低值區(qū)主要分布于研究區(qū)北部都山一帶；地溫高于14 ℃的高值區(qū)主要呈帶狀分布于都山、肖營子巖體邊部或構造交匯部位；地溫高于25 ℃的三個地熱異常區(qū)主要呈星點狀分布于都山、肖營子巖體邊部和深度斷裂與次級斷裂交匯部位。

其中，邊杖子地熱異常區(qū)呈點狀分布于研究區(qū)北部邊杖子村一帶；婁杖子地熱異常區(qū)位于肖營子巖體西北邊部婁杖子鄉(xiāng)四家村一帶，平面上呈現(xiàn)為一橢圓狀，面積0.62 km2，異常中心位于斷層FL01、FL02交匯部位，異常長軸方向與FL02一致，地溫場等值線分布表現(xiàn)為西北部相對密集、東南部相對稀疏(圖3)。溫泉村地熱異常區(qū)位于肖營子巖體西南邊部肖營子鎮(zhèn)溫泉村一帶，平面上呈現(xiàn)為一不規(guī)則橢圓狀，面積0.46 km2，異常中心位于斷層FW1、FW3交匯部位，地溫場等值線分布表現(xiàn)為北部相對密集、南部相對稀疏(圖4)。總的來看，三個地熱異常區(qū)面積都不大，均未超過1 km2，地熱異常分布范圍嚴格受斷層構造控制。

圖3 婁杖子地熱異常區(qū)100 m埋深地溫等值線圖1—第四系；2—中元古界長城系灰?guī)r；3—太古界片麻巖4—燕山期花崗巖；5—斷層及編號；6—機民井及編號7—地熱井及編號；8—地溫等值線

圖4 溫泉村地熱異常區(qū)100 m埋深地溫等值線圖1—第四系；2—中元古界長城系灰?guī)r；3—燕山期花崗巖；4—斷層及編號；5—機民井及編號；6—地熱井及編號；7—地溫等值線

3.4 垂向分布特征

根據(jù)本次野外調查的機民井連續(xù)測溫數(shù)據(jù)計算結果來看，全區(qū)地溫梯度值一般為0.13～2.75 ℃/100 m，其中84%小于2.0 ℃/100 m，平均值1.12 ℃/100 m。說明區(qū)內(nèi)地溫梯度值不大，地溫場垂向變化相對較小，大部分區(qū)域為正常地溫場。而根據(jù)婁杖子和溫泉村兩個地熱異常區(qū)地熱井連續(xù)測溫數(shù)據(jù)來看(圖5)，盡管熱儲巖性相同,但地熱井溫度相差較大，各井各段位地溫梯度變化劇烈(0～85.8 ℃/100 m)，地溫垂向變化十分復雜。各地熱井在30 m以淺，地溫梯度值較大，地溫隨深度變大溫度迅速升高，地溫梯度迅速變小，這反映了本區(qū)蓋層較薄，熱儲層開放，淺部有大量冷水混入。

圖5 地熱井溫度、地溫梯度與深度關系圖a—婁杖子地熱異常區(qū)；b—溫泉村地熱異常區(qū)

位于異常中心的地熱井RL02、RL05、RL08和RW02、RW04、RW08，地熱井30 m以下溫深曲線呈斜率幾乎為0的直線，說明這些地熱井傳熱過程以對流傳熱為主，且十分強烈，地溫梯度雖然都不大，但總體上是上大下小，反映了水流垂直向上運移的特點(張發(fā)旺等，2000)；而在異常外圍的RL04、RL06、RL07和RW03、RW06、RW11地熱井隨著與異常中心距離的增加溫深曲線斜率也隨之變大，說明異常外圍對流作用減弱、傳導傳熱作用增強。

綜上所述，冀東山區(qū)深部熱流沿形成時代較新的斷裂交匯處以強烈的對流形式上升，并產(chǎn)生橫向遷移、擴散，在一定的地質構造條件下儲存起來，形成了地熱資源，進而在山區(qū)淺部垂向上形成了地表小、向下變大的喇叭狀地溫場形態(tài)(程立群等，2020)。

4 地溫場控制因素

4.1 地層巖性

巖石的熱物理性質不同，直接影響地溫場的性質和特征，也影響熱遷移強度和熱異常的形成。研究區(qū)內(nèi)出露地層巖性主要可劃分為三大類，即以灰?guī)r為主的中元古界沉積巖、以片麻巖為主的太古界變質巖、以花崗巖為主的燕山期花崗巖。由研究區(qū)主要地層及巖性平均地溫梯度值(表1)可知，冀東山區(qū)總體地溫梯度值不高，范圍為0.13～2.75 ℃/100 m，平均值為1.12 ℃/100 m。中元古界沉積巖和太古界變質巖平均地溫梯度值比較相近，略高于全區(qū)平均值；燕山期花崗巖平均地溫梯度值最低。通常來說，地溫梯度與巖石的熱導率呈反比，因此燕山期花崗巖比其它兩種巖性更容易將深部熱流傳導至地表淺部。

表1 研究區(qū)主要地層及巖性平均地溫梯度值

4.2 構造因素

研究區(qū)內(nèi)地溫高值區(qū)主要分布于青龍—大屯斷裂和冷口斷裂附近，這些斷裂具有延伸遠、深度大及近期仍在繼續(xù)活動的特點，是溝通深部熱源的主要通道，大氣降水在入滲過程中不斷受這些從地殼深部上來的熱源加熱，形成地下熱水，并在一定的地質條件下儲存起來。而這些深大斷裂的次級斷裂構造往往具有較好的張開程度，導水性強，特別是構造交匯部位，打通了深部熱水與地表的通道，使得深部熱水在壓力的作用下以強烈的對流形式迅速向地表淺部運移(張維等,2020)，使水溫尚未來得及降低太多便被帶到了地殼淺部形成地熱異常區(qū)。這也是為什么區(qū)內(nèi)地熱異常區(qū)內(nèi)地溫梯度普遍比較低的原因。

由此可見，構造因素對冀東山區(qū)地溫場的分布起到了至關重要的作用。

4.3 水文地質條件

地下水運動是影響巖石圈上部地溫場的最活躍的因素之一，地下水與地溫場的關系是復雜多樣的，在不同水文地質條件下存在著不同的特征。研究區(qū)內(nèi)地熱異常是由地下水深循環(huán)形成的，這就決定了地下水的運動在地下熱能的遷移中所起的重要作用，地下水是良好的載熱體，是深部地下熱能傳遞到地表的最活躍的介質。研究區(qū)內(nèi)淺部地溫場低值區(qū)主要分布在北部都山一帶，這些區(qū)域海拔較高，地勢較陡，為區(qū)域地下水補給區(qū)，地下水垂向以下降為主，造成該區(qū)地溫場相對較低。而3處地熱異常區(qū)均分布于地勢低洼的溝谷、河床邊部，這些地方是區(qū)域地下水排泄區(qū)，地下水運動以上升為主，這樣更容易將深部熱流帶到地表淺部形成地熱資源(圖6)。

圖6 冀東山區(qū)地熱成因模式圖(程立群等，2020)1—中元古界灰?guī)r；2—太古界片麻巖；3—中生代花崗巖4—深大斷裂；5—新斷層；6—地熱出露點

5 結論

(1)本次研究表明，冀東山區(qū)的恒溫帶深度為20 m，溫度為12.5 ℃；淺部主要地層及巖性平均地溫梯度值較低，僅為1.12 ℃/100 m。

(2)研究區(qū)內(nèi)地熱異常區(qū)地表淺部顯示面積均較小，一般不超過1 km2。形成地熱異常區(qū)的原因主要是地下熱水以對流的形式上升到地殼淺部，因此，屬中低溫對流型地熱系統(tǒng)，熱儲類型為斷裂帶開放型。

(3)冀東山區(qū)地溫場平面分布明顯受區(qū)域構造和大斷層控制，地熱異常區(qū)主要分布于這些深大斷裂附近的次級構造交匯部位。除此之外，水文地質條件也是影響研究區(qū)地溫場分布的因素之一。冀東山區(qū)淺部總體上屬于地溫場正常區(qū)，只有在局部水動力和構造因素相結合的情況下才會形成局部地熱異常。因此，構造發(fā)育且低洼的地下水排泄區(qū)是山區(qū)主要找熱靶區(qū)。