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        河南省永城市順河西礦區(qū)地溫分布規(guī)律研究

        2021-08-24 05:39:54顏少權(quán)楊義棟張超然
        地質(zhì)與資源 2021年4期
        關(guān)鍵詞:測溫穩(wěn)態(tài)梯度

        顏少權(quán),楊義棟,張超然

        河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南鄭州451464

        1 礦區(qū)簡述

        順河西礦區(qū)位于中國六大無煙煤生產(chǎn)基地之一的河南省永城市,面積約166 km2,探明資源儲量5.2×108t,主要為無煙煤和貧煤,煤層主要埋深600~1500 m[1].目前正處于建井前準備階段.

        1.1 地層

        全礦區(qū)被新生界松散沉積物所覆蓋,平均厚度438.1 m.根據(jù)礦區(qū)鉆孔揭露,地層從老到新為奧陶系中統(tǒng)(O2)、石炭系上統(tǒng)(C2)、二疊系(P),基巖傾角在3~15°之間.本區(qū)二疊系山西組(P1s)為主要含煤地層,主采二2煤層厚0~6.76 m,平均厚度2.33 m[2-3].

        1.2 構(gòu)造特征

        順河西礦區(qū)處于華北拗陷東部邊緣之永城背斜西翼的西延地帶,與魯西南隆起接壤.受后期E-W向焦作-商丘斷層及NNE向濟陽斷層等區(qū)域大斷裂的影響,礦區(qū)內(nèi)形成了NNW—NW和NNE—NE向的多個斷層及短軸背向斜,對原始地層、煤層走向及煤層埋深等都產(chǎn)生較大影響[2,4].

        礦區(qū)共有68個鉆孔,其中59個鉆孔見到131層巖漿巖,侵入層位主要是二疊系下統(tǒng).巖漿巖多呈巖席狀或似層狀,但厚度變化較大,從0.38~27 m不等.

        2 測溫資料收集與處理

        2.1 測溫資料

        本次收集了永城市順河西礦區(qū)鉆孔近穩(wěn)態(tài)測溫、鉆孔簡易測溫數(shù)據(jù)及恒溫帶數(shù)據(jù),奠定了礦區(qū)地溫場分析的基礎(chǔ).

        1)鉆孔近似穩(wěn)態(tài)測溫數(shù)據(jù).收集了順河西礦區(qū)2個近穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔數(shù)據(jù),孔深在1500~1650 m.鉆探施工結(jié)束后按12、12、24、24 h的時間間隔順序用同一儀器進行測溫,直至24 h內(nèi)溫度變化不大于0.5℃或總測溫時間已達72 h為止[5-6].

        2)鉆孔簡易測溫數(shù)據(jù).對收集到的44個鉆孔的簡易測溫數(shù)據(jù)進行校正后利用,孔深在700~1600 m.在鉆探施工結(jié)束后,對常規(guī)測井前后各進行一次地溫測量,間隔時間一般只有6~8 h.簡易測溫第二次測量一般是在井液停止循環(huán)時間8 h左右進行的,與原始巖溫相差較大,需進一步處理才能被利用.

        3)恒溫帶數(shù)據(jù).采用永城市東大營恒溫觀測孔觀測結(jié)果:孔深81 m,孔徑110 mm,恒溫帶深度23 m,溫度16.5℃[7].

        2.2 資料處理

        孔底溫度恢復至近似穩(wěn)態(tài)溫度的過程有規(guī)律可循,利用Z0103、Z0708孔近似穩(wěn)態(tài)鉆孔中測溫數(shù)據(jù),經(jīng)公式(1)計算出兩孔溫度恢復增量ΔT(見表1).

        表1 近似穩(wěn)態(tài)測溫孔△T-t關(guān)系統(tǒng)計表Table 1 Relationship between temperature recovery increment and time of approximate steady state boreholes

        式中:T為近似穩(wěn)態(tài)鉆孔最后一次測得的井底溫度,℃;Ti為近似穩(wěn)態(tài)鉆孔某一次測得的井底溫度(T與Ti必須是同一深度點上的溫度),℃;ΔT為溫度增量百分數(shù),%.

        采用指數(shù)型函數(shù)曲線類型對ΔT與鉆井液停止循環(huán)時間t的關(guān)系曲線ΔT-t進行公式擬合[8-10],得出擬合曲線公式ΔT=6.59928e-0.04397t-0.26437,如圖1所示.

        圖1 近似穩(wěn)態(tài)鉆孔溫度恢復增量與靜井時間關(guān)系圖Fig.1 Diagram of temperature recovery increment vs.static well time of approximate steady state boreholes

        將礦區(qū)內(nèi)鉆孔簡易測溫時的鉆井液停止循環(huán)時間t帶入校正曲線公式(1),求出相應(yīng)的增量值ΔT,利用簡易測溫溫度Tj并根據(jù)公式(2)可計算出校正后的簡易測溫鉆孔溫度(見表2).

        表2 簡易測溫鉆孔校正后的孔底溫度Table 2 Corrected bottom temperature of simple temperature measurement borehole

        式中:Tj為簡易測溫鉆孔溫度,℃;T0為校正后孔底溫度,℃.

        3 礦區(qū)地溫分布規(guī)律

        3.1 地溫梯度

        利用校正后的孔底溫度、恒溫帶溫度及深度,利用公式(3)計算出鉆孔平均地溫梯度.

        式中:G為鉆孔平均地溫梯度,℃/100 m;H為鉆孔孔底深度,m;Ts為恒溫帶溫度,℃;Hs為恒溫帶深度,m.

        本區(qū)46個簡易測溫鉆孔終孔埋深為699.62~1 631.18 m.經(jīng)計算,單孔地溫梯度變化較大,在2.12~4.75℃/100 m之間,地層平均地溫梯度2.75℃/100 m.根據(jù)礦區(qū)46個測溫鉆孔地溫梯度值,繪制永城市順河西礦區(qū)地溫梯度等值線圖(圖2),主要分布特征如下.

        圖2 地溫梯度等值線圖Fig.2 Contour map of geothermal gradient

        礦區(qū)地溫梯度大于3.0℃/100 m為異常增溫區(qū),主要分布在D60線以北、D19線以西區(qū)域,構(gòu)造上主要是該異常增溫區(qū)內(nèi)背斜核部及向斜翼部位置,總體上呈由背斜核部向周圍遞減的態(tài)勢,其異常增溫區(qū)內(nèi)鉆孔平均地溫梯度為3.16℃/100 m.礦區(qū)地溫梯度小于3.0℃/100 m.為正常增溫區(qū),主要分布在礦區(qū)的南部,在D60線以南及D22線兩側(cè)區(qū)域,其鉆孔平均地溫梯度為2.54℃/100 m.

        3.2 垂向地溫特征

        為研究礦區(qū)平面地溫場特點,對礦區(qū)46個測溫孔相同深度的地溫數(shù)值進行算術(shù)平均,得到礦區(qū)各深度的平均地溫數(shù)值.通過數(shù)值擬合,得到礦區(qū)地溫數(shù)值t與埋深h關(guān)系曲線(如圖3).礦區(qū)各深度平均地溫數(shù)值與埋深呈線性正相關(guān),表現(xiàn)為傳導型增溫特征.

        圖3 礦區(qū)地溫與埋深關(guān)系圖Fig.3 Relationship between geothermal temperature and buried depth

        3.3 水平向地溫特征

        根據(jù)公式(4)計算主采煤層二2煤的地溫數(shù)值,本文做出二2煤底板等溫線圖.據(jù)《礦井降溫技術(shù)規(guī)范MT/T 1136-2011》規(guī)定,溫度高于31℃的區(qū)域為一級熱害區(qū),高于37℃的區(qū)域為二級熱害區(qū).

        式中:Tc為二2煤底板地溫;hc為二2煤層底板深度,m.

        礦區(qū)等溫線與煤層底板等高線基本平行,地溫隨煤層的加深而逐漸增大.D22勘探線兩側(cè),埋深534 m以淺,面積2.46 km2,地溫小于31℃,屬地溫正常區(qū);F12斷層兩側(cè)及D23線兩側(cè),面積6.54 km2,埋深534~769 m,地溫31~37℃,為一級熱害區(qū);其余礦區(qū)面積157.28 km2,埋深在769 m以深,地大于37℃,屬二級熱害區(qū).

        4 地溫影響因素分析

        區(qū)域地溫特征取決于該區(qū)所處的大地構(gòu)造部位及地殼的活動性.在特定大地構(gòu)造條件下,礦區(qū)地溫的影響因素主要有構(gòu)造、松散層厚度、巖漿活動、地下水活動等[11-14].

        4.1 構(gòu)造形態(tài)

        構(gòu)造形態(tài)影響地溫主要是因為不同巖石的熱導率不同,熱量在地殼表層垂向和側(cè)向的傳導速率不同,將來自地球內(nèi)的均勻熱流在地殼表部重新分配[15-16].構(gòu)造運動和巖漿活動使地殼變形,發(fā)生褶皺、斷裂形成隆起和凹陷、背斜和向斜等各種規(guī)模不一的構(gòu)造,從而使原本水平的巖層發(fā)生改變,熱量沿裂隙、斷裂面及巖層面等導熱率高的介質(zhì)進行傳導,使得褶皺核等部位更易匯集熱量,地溫梯度數(shù)值同比較大,如礦區(qū)孫官莊背斜、周莊背斜等地溫梯度大于3.0℃/100 m,而其翼部地溫梯度小于3.0℃/100 m.地溫梯度總體上呈由背斜核部向周圍遞減的趨勢,不同部位遞減的趨勢不同.

        4.2 覆蓋層厚度

        地球內(nèi)部的熱量是通過巖石向外傳導的,不同的巖石具有不同的熱導率,具有不同的熱傳導性能.一般來說,巖石的結(jié)晶程度越高,致密性越高,熱導率越高.新生界的半固結(jié)或松散層沉積物孔隙度較大,膠結(jié)和壓實程度較低,導致松散層沉積物熱導率較低,使得新生界的覆蓋層阻礙了地殼表層熱的傳導與散失,起到增溫、保溫作用[17-18].

        礦區(qū)覆蓋層厚度382.41~524.90 m,平均厚度438.14 m,中部背斜軸區(qū)最薄,厚度變化總體呈東薄西厚的趨勢,個別地段由于基巖面不平而有一定的起伏變化.礦區(qū)不同鉆孔基巖界面溫度和松散層厚度變化趨勢呈正相關(guān),即同一深度相同地質(zhì)條件下,其上覆的新生界越厚地溫也就越高.礦區(qū)不同水平地溫梯度隨深度的增加而降低,到埋深450 m左右時地溫梯度的深度時趨于一致;在450~1 300 m,基本上沿2.2℃/100 m這個地溫梯度在上下波動,變化不大;從埋深1300 m以深,地層進入奧陶系,水分的增加使巖石熱導率增大,地溫梯度有減小的趨勢.

        4.3 地下水活動

        礦區(qū)新生界12~18層含水層,巖性以粉、細、中砂為主,單位涌水量0.14~2.78 L/s·m,滲透系數(shù)1.15~88.90 m/d,各含水層間有較厚的黏性土作隔水層,水力聯(lián)系較差,以側(cè)向徑流為主要補給與排泄方式.根據(jù)鉆孔測溫數(shù)據(jù)及水文孔抽水試驗資料分析,淺部地下水活動對本區(qū)地溫及地溫梯度的影響不甚明顯[19-20].

        礦區(qū)基巖埋深243~1 120 m,二疊系細、中粒砂巖裂隙不發(fā)育,石炭系、奧陶系灰?guī)r喀斯特較發(fā)育,單位涌水量0.000 1~0.99 L/s·m,滲透系數(shù)0.0002~2.65 m/d[1],受泥巖隔水層阻隔,與上部含水層水力聯(lián)系差.區(qū)內(nèi)裂隙填充物、斷層破碎帶結(jié)構(gòu)致密,透水性較差,巖溶水通過斷層、裂隙與上部含水層進行水力聯(lián)系較差,致使巖溶水地下流通性較差,徑流滯緩,故巖溶水對礦區(qū)地溫的影響甚微.

        4.4 巖漿巖

        礦區(qū)內(nèi)巖漿巖侵入時期為華力西期和燕山早、晚期,侵入時代較早,多呈巖席狀或似層狀,但厚度變化較大,從0.38~27 m不等,規(guī)模較小,所保留的余熱不多,對本區(qū)地溫場影響不大.

        5 結(jié)論

        通過對永城市順河西礦區(qū)2個近似穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔和44個簡易測溫鉆孔數(shù)據(jù)的分析,結(jié)合其他地質(zhì)資料,對礦區(qū)地溫場分布特征進行了深入研究,取得的主要認識如下.

        1)礦區(qū)孔底溫度恢復增量與靜井時間的關(guān)系式為ΔT=6.59928e-0.04397t-0.26437.根據(jù)校正公式及停鉆測溫時間可計算出簡易測溫鉆孔的孔底溫度.

        2)垂向礦區(qū)地溫數(shù)值與深度的線性關(guān)系為t=0.02541h+17.442,呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性.埋藏深度534~769 m屬一級熱害區(qū),埋藏深度769 m以深屬二級熱害區(qū).

        3)研究區(qū)地溫主要控制因素是礦區(qū)構(gòu)造和松散層厚度,對地溫的影響較大.地下水活動及巖漿巖侵入對地溫影響甚微.

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