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北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究_卫万顺

中国地质GEOLOGY IN CHINA

第37卷第6期

2010年12月Vol.37,No.6Dec.,2010

浅层地温能作为一种积蓄在地下(0~200m )的无形自然资源,是地球深部的热传导和热对流与太阳辐射共同作用的产物。为地表以下0~200m 深度内温度与距离地表1.5m 处不被阳光直接照射情况下(百叶箱)的温度之间存在常年温差而形成的能量,是两个状态不同的温度场之间存在的势能,人们借助热泵技术实现了在两个温度场之间建立恒定温度场的目的。浅层地温场对浅层地温能资源的形成、开发利用起着决定性作用,研究其分布特征,对探索浅层地温能资源分布规律、潜力评价及其开发利用都具有较高的实用价值和重要的理论意义。前人对地温场开展了一些研究,并取得了丰富的成果,主要集中在指导深部地热勘探开发和分析地热在油气生成过程中的作用[1-9]。本文在全面收集和整理北京平原区浅层地温场数据的基础上,系统研究了地质构造、地层岩性、地下水、地形地貌以及太阳照射、气候等多种对浅层地温场产生影响的因素,为合理评价浅层地温能资源提供科学依据。

1

北京平原区地质概况

北京地区新生代以来受到喜马拉雅运动的影

响,在继承中生代末期地质构造格架的基础上,由北西向东南基底断块阶梯状递降,构成了著名的北京断陷盆地(图1),盆地内堆积了巨厚的河湖相碎屑堆积物[10](图2)。平原区第四系沉积物受断裂活动影响和地理环境限制,形成了几个不同的古盆地沉积中心,沉积厚度有明显的差异,由山前至平原区厚度一般为几十米到数百米,在沉积中心可达1000m 左右(图3),第四纪沉积物成因类型主要有冲积相、洪积相、湖沼相,有些地区还发现海相沉积物[11-12]。

2

地温数据采集与分析

2.1地温数据采集

地温场研究首先要获得可靠准确的地温资料。

本次浅层地温场研究的井温资料主要来自农田灌溉井系统测温和地热井系统测温。

农田灌溉井系统测温:主要集中在秋季和冬季进行,由于秋季和冬季不再灌溉农田,地下水静止能够充分反映出地层的原始温度。测温采用热敏电阻测温仪对30~200m 内农业灌溉井进行系统测温,测量间距为10m 测一次井温。

地热井系统测温:在地热井施工过程中随着泥

北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究

卫万顺郑桂森栾英波

(北京市地质矿产勘查开发局,北京100195)

提要:本文在大量钻孔测温资料的基础上,系统分析了平原区浅层地温场分布特征,对影响浅层地温场的多种因素进行了系统研究。该区20~300m 深度内平均地温梯度为7.2℃/100m ,高于北京深部(基岩)地温梯度2.5~3.0℃/100

m ,大地热流值为66.35~84.14mW/m 2,较高的热流值显示岩石圈相对较薄且存在隐伏断裂。该区现今浅层地温场与

深部地温场联系密切,形态分布与平原区重要隐伏活动断裂走向基本一致,主要受新构造运动控制,地下水、岩土体岩性及结构是浅层地温场分布的重要影响因素。关

词:现今浅层地温;地温梯度;影响因素;北京平原区

中图分类号:P314

文献标志码:A

文章编号:1000-3657(2010)06-1733-07

收稿日期:2009-11-11;改回日期:2010-04-06

基金项目:北京平原区浅层地温能资源地质勘查项目(pxm2006-000-043289)及北京市优秀人才培养资助计划(2010D002011000002)资助。作者简介:卫万顺,男,1964年生,博士,教授级高工,主要从事城市地质调查、矿产地质、浅层地温能资源研究;E-mail :lybdkch@http://www.wendangku.net/doc/0f66c44455270722192ef7b2.html 。

中国地质2010年

浆注入和地下水的贯通,破坏了地层原始温度,测温时需要静止7d恢复原始地温,所测得井温数据和地层原始温度接近,能够反映出原始地温场状况。笔者收集了北京地区60口井的系统测温资料,井温数据与井深呈现良好的线性关系(图4)。

2.2地温数据分析

地温梯度是温度场的主要参数,每口井地温梯度是由不同深度下所计算地温梯度值的算术平均值。

图1北京平原区地质构造示意图[16]

Q-第四系;N-新近系;E-古近系;K1-下白垩统;J1-下侏罗统;C-P-石炭二叠系;Pt2-中元古界Fig.1Sketch map of geological structures in Beijing plain

Q-Quaternary;N-Neogene;E-Eogene;K1-Lower Cretaceous;J1-Lower Jurassic;

C-P-Carboniferous-Permian;Pt2-Middle Proterozoic

图2北京平原区新生界等厚度图

Fig.2Isopach map of Cenozoic sediments in Beijing plain area

图3北京平原区第四系等厚图

Fig.3Isopach map of Quaternary sediments in Beijing plain

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地温梯度的计算公式为:

G=(T-T0)/(Z-Z0)

其中,G为地温梯度(℃/100m);Z为测温点深度(m);Z0为为恒温带深度(m);T为地层测温点温度(℃);T0为恒温带温度(℃)。

根据北京地区气象资料可知:从1841年至1980年北京年平均气温变化于10.6~12.8℃,多年平均为11.6℃。北京用友软件园原始地温场地温监测数据表明髴,在北京地区地下25m处地温为12.5℃。参考陈墨香[13]对华北地热的研究成果,为便于计算将恒温带深度确定为20m,恒温带温度统一定为12℃。在已知测井平均地温梯度条件下,可按照T= G((Z-Z0)+T0来计算不同深度的温度值。

3浅层地温场特征

3.1地温梯度的分布特征

本文利用大量丰富的地层测温资料通过计算研究得出:北京平原区20~300m内现今地温梯度在2.4~20.5℃/100m,平均地温梯度为7.2℃/100m。高于北京地区基岩地热梯度2.5~3.0℃/100m。由于平原区发育着一系列深大断裂,为地下热流提供了良好的通道,加之基底岩石热导率高于松散层内岩土体热导率,从而使浅部地温梯度高于深部基岩的地温梯度,在垂向上,地温梯度在浅部较高,但随着深度的增加梯度则以极其缓慢的速度逐渐减少[5]。从北京平原区地温梯度等值线分布图(图5)可以看出,地温梯度等值线走向以北东和北西向带状分布,地温展布与主要隐伏活动断裂的延伸方向基本一致。

3.2大地热流

根据呼家楼实测,北京平原区大地热流值北京城区为66.35~84.14mW/m2;密云不老屯为37.67~ 42.28mW/m2;北京平原区大地热流值约为67 mW/m2[14],略高于全球平均值62.79mW/m2和中国大陆地区平均热流值66mW/m2[15];城区高热流值与岩石圈较薄和隐伏活动断裂有关。

3.3不同深度地温分布特征

按照上述计算公式,对各测温井计算相同深度的温度编制了50m、100m和基岩顶界温度等值线图(图6~8)。从中可以看出:在平面上,如建国门、北七家等地温场等值线的较高地区闭合形态分布均呈北东或北西走向,且分布在断裂附近。表明地质构造对地温的控制作用规律在浅层地温场分布亦有充分的体现,浅层地温场与深部地温场存在密切的联系,与基底形态、活动构造密切相关。北京凹陷内明显高于相邻地区,区内地下70m处地温一般为22~ 30℃,位于建国门附近JR-63地热井在70m处地温达到27.4℃,第四系底界145m处温度达到

图4北京地区测井温度与井深关系图

Fig.4Relationship between temperature logging and

well-depth in Beijing图5北京平原区地温梯度等值线分布图

Fig.5Geothermal gradient contour map of Beijing plain area 髴北京市地质矿产勘查开发局.北京平原区浅层地温能资源地质勘查报告,2009.

卫万顺等:北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究1735

中国地质2010年

29.2℃,而位于南苑—通县断裂下盘大兴隆起上的JR-178地热井在50m处温度为14.32℃,第四系底界293m处温度为18.95℃。

4浅层地温场影响因素分析

浅层地温是地球深部热传导、热对流和太阳辐射共同作用的结果。北京地区浅层地温数值变化较大,但地温场整体展布呈北东和北西向。综合分析认为主要受区域地质构造、水文地质条件、岩土体岩性及结构等因素影响。4.1区域地质构造

一般认为区域性构造条件控制不同地质单元的地温分布,新构造运动决定了现代地温场和地壳的热状态,基底形态是地温重新分布的重要影响因素,基底起伏与地温的横向变化呈正相关关系,表现为凹陷带低地温,凸起带高地温,北京平原区浅层地温场与此有所不同。从图5~8可以看出,在靠近黄庄—高丽营断裂、南苑—通县断裂和南口—孙河断裂地温场较高,展布方向与活动断裂方向基本一致,具有明显相关性。断裂使基岩强烈破碎或抬升,裂隙的形成为深部热源提供了良好的通道,从而使断裂附近地温较高,小汤山地区基岩埋深一般在100~400 m,区内50m深度地温为16~18℃,70m处温度为18~20℃,地温明显受到南口—孙河活动断裂和黄庄—高丽营活动断裂的控制。虽然北京断陷盆地内新生界厚度1000m左右,最厚可达1600m[16]。浅层地温场明显高于北京其他地区,主要因为在盆地内存在数条断裂(图1)。在垂向同等深度上断裂附近地温场明显高于其他地区(图9),在八宝山断裂带上盘的钻孔Ⅰ-75和黄庄—高丽营断裂带上盘的钻孔Ⅰ-88地层温度较高,70m处地温为15.9℃和21.22℃,断裂带附近地温达到最高值,远离断裂带温度迅速降低。

4.2水文地质条件

水的物理性质和热物理性质使其具有独特的功能,它既能搬运能量又能储存一定能量,由于构造活

图6北京平原区50m处温度等值线图Fig.6Geothermal temperature contour map of Beijing plain area at the depth of50m

图7北京平原区100m处温度等值线图Fig.7Geothermal temperature contour map of Beijing plain area at the depth of100m

图8北京平原区基岩顶界温度等值线图Fig.8Geothermal temperature contour map of Beijing plain area at the basal surface

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第37卷第6期图9北京地区地温与断裂关系剖面示意图髴

Fig.9Diagrammatic cross-section of the relation between geothermal temperature and faults in Beijing plain area

动形成导水节理、裂隙,使基底中具有良好的水对流通道和比较一致的地下水化学成分,从而把热量带到地表或更远的排泄区。杨淑贞[17]对不同含水率时孔隙岩石热导率研究,表明水的介入改变了孔隙岩和岩土体的热物理性质。北京平原地下水补给主要来自大气降水和西部北部山区,大气降水沿着盆地边缘松散地层入渗,发生径流,使流经区域的地温场,浅层地下水不仅对垂向温度有影响,而且在水平方向上影响也非常明显,由于地下水的水平径流使地温场沿水流方向发生位移,背水侧外围局部温度升高,其程度取决于区内热传导的情况、地下水的流动速度及人工开采情况。

4.3岩性、结构

岩石地层是地壳中地温能储藏、传递、散失的物质基础。表示岩石导热能力大小的热导率是岩石地层热物理性质重要参数之一,不仅决定地温场的展布形态,而且也是浅层地温能资源量计算和开发工程计算的关键因素,以适当参数计算能够取得最大限度的经济效益和社会效益,因此得到社会关注和众多学者广泛的研究[18-22]。胡玉禄等[23]对华北地温场垂向变化、以及邱楠生[24]对塔里木盆地、准葛尔盆地、柴达木盆地不同时代岩石地层热导率的研究表明,岩石地层热导率随时代变老而增加,如碎屑岩类新生代碎屑岩热导率低于中生代,这说明岩石固结程度、孔隙率对热导率的影响。在松散堆积物中能量传递的机理要比固相

岩石复杂的多,其中颗粒的大小、形状、排列方式,孔隙度,含水性质,含水率,物质成分等都是影响因素。肖琳等[25]对粉质粘土、粉土和粉砂不同含水率的热导率的分析研究显示:不同种类岩土体的热导率因含水量和孔隙率的变化而有所区别。在天然含水率状况下,在不同地区相同岩性热导率也不相同,这与所处地质构造位置、岩土体物质成分及结构有关,同一地区岩层时代愈老、岩石密度越大,热导率越高。岩土体岩性、结构对岩土体热物理性质各向异性有较大影响,加之北京平原区岩性岩相变化迅速,可能均对地温场的形态有着重要影响。

5

结论

(1)北京平原区浅层地温场与深部温度场有着

显著不同,表现在浅层地温梯度变化较大,为2.4~

20.5℃/100m ,平均地温梯度为7.2℃/100m ,远高于北京深部(基岩)地温梯度2.5~3.0℃/100m ;大地

热流值为66.35~84.14mW/m 2,这主要是平原区发育多条深大断裂的缘故,同时较高的热流值显示岩石圈相对较薄且存在隐伏断裂。

(2)区域地温场分布与构造线相吻合,表明构造是控制地温分布的主要因素。北京平原区浅层地温场形态分布均呈北东或北西走向,与平原区重要隐伏活动断裂走向基本一致;平原区50m 、100m 和基岩顶部地温分布具有高温封闭等值线走向基本一

髴北京市水文地质工程地质大队.北京市平原地区浅层地温普查报告,1983.

卫万顺等:

北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究_卫万顺

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致的特征,表明浅层地温场与深部地温场有着密切联系。

(3)浅层地温场分布受松散层物质成分、颗粒度和密度影响显著,水体参与使地温场状态趋于复杂。

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Characteristics and influencing factors of the shallow geothermal field in

Beijing plain area

WEI Wan-shun,ZHENG Gui-sen,LUAN Ying-bo

(Beijing Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development,Beijing100195,China)

Abstract:Based on a large number of borehole temperature data,the authors systematically studied the distribution characteristics of the shallow geothermal field in Beijing plain area and several influencing factors.The average geothermal gradient of this area(0~300m)is7.2℃/100m,higher than that of deep bedrock whose geothermal gradient ranges from2.5to3.0℃/100m.Terrestrial heat flow values range from66.35to84.14mw2/ m2.The relatively high level of heat flow values indicates that the lithosphere is relatively thin and hidden faults are existent.There is a close relationship between the current shallow geothermal field and the deep geothermal field in this area.The distribution of the shallow geothermal field is basically consistent with the strike of major hidden active faults in the plain area,mainly controlled by new tectonic movement.In addition,groundwater and the lithology and structure of rock and soil are also important influencing factors.

Key words:current shallow geothermal field;geothermal gradient;influencing factors;Beijing plain area

About the first author:WEI Wan-shun,male,born in1964,doctor,senior engineer,mainly engages in the study of urban geological survey,mineral geology and shallow geothermal energy resources;E-mail:lybdkch@http://www.wendangku.net/doc/0f66c44455270722192ef7b2.html.

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