姚松 王斌 徐源 周波 吳紅霞

1 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局801水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟(jì)南 250014

2 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地下水資源與環(huán)境重點實驗室，山東 濟(jì)南 250014

3 山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014

4 山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250014

地?zé)岚凑章癫厣疃群徒橘|(zhì)類型由深至淺分為干熱巖、水熱型地?zé)岷蜏\層地溫能三種[1]，地溫場特征是地?zé)崮荛_發(fā)利用的基礎(chǔ)。研究淺部地溫場的變化特征對于淺層地溫能資源的儲藏條件、分布規(guī)律、開發(fā)利用與潛力評價研究具有重要意義，對于水熱型地?zé)岷蜕畈繜嵩吹难芯恳簿哂薪梃b價值。前人對地溫場的研究成果豐富，基本了解了地溫場的分布特征及影響因素[2-6]，對淺部地溫場的分布規(guī)律與影響因素分析有指導(dǎo)作用；以往地溫場特征因素分析多以地區(qū)為主，對于同類型地質(zhì)單元缺少系統(tǒng)分析。本文以新泰盆地為例對魯中南地區(qū)單斜斷陷盆地進(jìn)行研究，對該類型地質(zhì)單元區(qū)域淺層地溫能開發(fā)利用有一定參考意義。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)為山東省中南部單斜斷陷盆地，北至泰山蒙山一線，西南至魯中南山前沖洪積、湖積平原北端分水嶺，東至鄌郚-葛溝斷裂西側(cè)分水嶺，受大地構(gòu)造作用，魯中南地區(qū)為古近紀(jì)以來活動斷裂作用下形成的較多單斜構(gòu)造單元，構(gòu)成包括泰萊盆地、沂源盆地、新泰蒙陰盆地等南部下降盤古生代沉積地層及北部上升盤火成變質(zhì)巖體為主的斷陷盆地，本文以新泰單斜斷陷構(gòu)造單元為例，主要分析該類型盆地淺部蓋層地溫的分布規(guī)律及影響因素。新泰盆地北緣為蓮花山、新甫山一線太古代泰山巖群，南緣為玉皇山、雷山一線古生代寒武紀(jì)沉積地層。研究區(qū)中地層巖性種類較多、構(gòu)造壓扭性及張性段共存、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，是魯中南地區(qū)較為典型的斷陷盆地?？蓮亩鄠€因素對地溫場規(guī)律進(jìn)行分析。

研究區(qū)被蓮花山斷裂切割為兩部分，該斷裂為傾向南偏西，傾角45°～80°的正斷層[7]。斷裂南部由南向北發(fā)育一套近單斜產(chǎn)狀古生代寒武系、奧陶系、侏羅系、白堊系、古近系沉積地層，巖性主要為頁巖、灰?guī)r、白云巖、泥巖、砂巖及礫巖等。巖層走向北西，傾向北東，傾角15°～30°；第四系在研究區(qū)范圍內(nèi)呈帶狀分布于現(xiàn)代河床、漫灘及兩岸（圖1）。斷裂北部以太古代泰山巖群花崗巖為主。受地形影響，地下水運動規(guī)律整體為盆地南北緣向中部匯集，然后向西北進(jìn)入排泄區(qū)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概圖及地溫采集孔分布圖Fig.1 Geological sketch map and distribution of ground temperatur collecting holes of the study area

2 地溫場特征

本次研究數(shù)據(jù)取至于9個采集孔，X1、X2、X4、X9孔為奧陶系馬家溝組五陽山段-閣莊段灰?guī)r、白云巖。X3、X5孔為古近系長路組泥巖、泥質(zhì)砂巖。X6孔為古近系朱家溝組角礫巖。X7、X8孔為泰山巖群花崗片麻巖（圖1）。

平面布設(shè)主要依據(jù)巖性、構(gòu)造發(fā)育情況、水文地質(zhì)條件等；空間上采集深度為0～50m，間隔2m進(jìn)行測溫，50m以下間隔5m；數(shù)據(jù)采集時間為2017年8月至次年6月，每10d進(jìn)行一次。根據(jù)測溫數(shù)據(jù)，灰?guī)r、白云巖鉆孔中X1常溫帶46～50m，常溫帶溫度15.2℃，X2平均地溫0～50m升高，50～100m區(qū)間降低，且一個水文年內(nèi)各深度內(nèi)溫度有0.1～1.5℃變化，100m深度以上無明顯恒溫帶；X4孔100m以上平均溫度逐漸降低，隨時間有一定差異；X9孔恒溫帶深度約50m，溫度15.8℃。泥巖砂巖鉆孔X5恒溫帶深度28～30m，溫度 15.3℃，X3、X6恒溫帶深度 38～40m，溫度分別為 15.5℃、15.6℃，研究區(qū)常溫帶溫度在同一地層差異性明顯。花崗巖鉆孔 X7常溫帶深度18～20m，溫度16.0℃；X8常溫帶埋深10～12m，溫度 16.0℃；花崗巖中常溫帶中溫度均一性較強，變溫帶部分主要受水文地質(zhì)條件影響。根據(jù)鉆孔測溫平均值，深度100m處，斷裂帶兩側(cè)高于其他區(qū)域；100m以內(nèi)地溫變化差異較大，地溫梯度一般小于2.0℃/100m（表1）。整體呈現(xiàn)盆地南邊緣溫度低，中北部高的特點。

表1 年均測溫情況一覽表Table 1 List of annual average temperature measurements

本次選取巖性差異較大的X6、X4、X8三個采集孔數(shù)據(jù)觀察隨時間變化規(guī)律，X6孔10m處一月份地溫最高，為17.6℃，最低溫度為X4孔枯水期的50～120m，一般小于 15℃。花崗巖體鉆孔 X8地溫較穩(wěn)定，不受時間影響，恒溫帶約10m，溫度約15℃。砂巖泥巖鉆孔也較為平均，但 X6鉆孔位于正斷層上盤，受之影響，溫度在周邊供水時容易發(fā)生突然變化，如12月份?；?guī)r鉆孔受區(qū)域地下水功能影響，X4孔變化較大，同深度內(nèi)不同時間溫差超過 1℃，但變化與地下水豐枯水期基本一致。

X4孔高程較大，巖性為灰?guī)r，巖芯0～50m較完整，按地下水功能劃分，位于水文地質(zhì)亞單元排泄區(qū)，除 12月份個別時間，整體溫度小于15.5℃，且隨深度變大，地溫逐漸降低至14.8℃，不同深度處地溫隨時間變化較大，豐水期溫度明顯高于枯水期，深度50～120m規(guī)律性明顯（圖2）。

圖2 X4孔測溫數(shù)據(jù)圖Fig.2 Temperature measurement data of X4 hole

X6孔位于蓮花山斷裂南部，巖性為朱家溝組角礫巖，角礫成分以灰?guī)r為主，泥質(zhì)膠結(jié)。鉆孔地溫15.5～17.0℃，調(diào)查發(fā)現(xiàn)周邊地下水開采量較大，推斷地下水開采是溫度不斷變化的原因，整體上不同深度處的地溫隨時間變化較大，豐水期溫度高于枯水期。主要開采深度范圍內(nèi)地溫變化較大，隨深度增加地溫有逐漸穩(wěn)定趨勢（圖3）。

圖3 X6孔測溫數(shù)據(jù)圖Fig.3 Temperature measurement data of X6 hole

X8孔位于蓮花山斷裂北部，0～20m 為花崗片麻巖風(fēng)化殼，20m以下為完整巖體，地層巖性穩(wěn)定。地下水主要賦存于上部風(fēng)化殼裂隙中，由北向南徑流，單井涌水量小于100m3/d。地溫各深度較穩(wěn)定，鉆孔地溫15.0～16.9℃，常溫帶深度約20m，增溫率約1.29℃/100m，且較為穩(wěn)定（圖4）。

圖4 X8孔測溫數(shù)據(jù)圖Fig.4 Temperature measurement data of X8 hole

3 影響因素分析

淺層地溫條件主要受大地?zé)嵩春吞柲芄餐饔眯纬?，大地?zé)嵩匆话阏J(rèn)為是地幔傳導(dǎo)熱源和地殼巖石放射衰變產(chǎn)生的熱量[8]，內(nèi)部熱源經(jīng)過不同介質(zhì)環(huán)境傳導(dǎo)至地表，受不同作用影響，形成差異較大的不同地溫場特征。因此對熱源、傳熱介質(zhì)、淺層條件方面分析其影響因素。

3.1 深部熱源

魯中南地區(qū)地殼厚度一般 29.4～36.1km[9]，不考慮特殊介質(zhì)及巖石生熱影響，軟流層至地表降溫與厚度關(guān)系呈直線型和折線形[10]，區(qū)域基底地塊較為穩(wěn)定，深部熱源向地表傳導(dǎo)能力較為均勻。研究區(qū)大地?zé)崃髦?48～50mw2/m2[11]，主要受大地構(gòu)造背景影響[12]。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)和全省其他地區(qū)比對，對于地溫場，大地?zé)嵩吹挠绊懯腔A(chǔ)條件，但不是決定條件。

3.2 巖性特征

研究區(qū)蓮花山斷裂北部為花崗巖體，南部由南至北為古生代寒武系-奧陶系馬家溝組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥頁巖，古近系朱家溝組角礫巖和長路組泥質(zhì)砂巖的一套沉積地層。不同巖性導(dǎo)熱能力不同、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造導(dǎo)致的熱容條件也有差異。本次樣品由X1～X9鉆孔采取，共計217件，為保證樣品送檢時間，就近送至山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊實驗測試中心，采用型號YUMT300萬能試驗機和DRE-III導(dǎo)熱系數(shù)測試儀對所取樣品檢測，根據(jù)樣品完整程度選取質(zhì)量較高的200件樣品的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[13]（圖5）。不同巖性的比熱容、熱導(dǎo)率、熱擴散率三個熱物理參數(shù)與密度、含水率之間沒有明顯的相關(guān)性；X3、X5孔熱導(dǎo)率與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。根據(jù)鉆孔測溫數(shù)據(jù)，100m處，花崗巖體平均溫度16.3℃，泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖和角礫巖平均溫度15.9℃，南部灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r平均溫度為15.0℃?；◢弾r區(qū)垂向上熱導(dǎo)率均一性較強，富水性差，能夠較準(zhǔn)確的反映下部傳導(dǎo)的熱流值；泥巖砂巖地層熱導(dǎo)率偏低，蓋層條件較好，但河流兩側(cè)淺部區(qū)域徑流系數(shù)大，因此略低于花崗巖區(qū)；灰?guī)r白云巖地層在地下水流動環(huán)境中礦物易溶蝕，形成強徑流帶，對熱流值影響最大，因此地溫受巖性影響較大。

圖5 不同巖性鉆孔熱物理參數(shù)間關(guān)系圖Fig.5 Relationship between thermophysical parameters of different lithological boreholes

3.3 構(gòu)造條件

研究區(qū)深大斷裂只有蓮花山斷裂，在兩側(cè)距離較近的四個測溫孔，其中X8、X7，X5孔未發(fā)現(xiàn)溫度異常，0～50m埋深范圍內(nèi) X6孔溫度明顯高于X5測溫點 0.7～2℃，分析其原因主要是受斷裂影響。蓮花山斷裂東周水庫段局部張性斷裂，導(dǎo)水能力較強，斷裂切割深度比較大，易形成儲水空間，補給來源可能來自東周水庫，因為附近水井開采量大，降深小，恢復(fù)快。地下水的運動將深部熱量帶入淺層，導(dǎo)致X6孔附近區(qū)域淺部地溫較高，張性蓄水構(gòu)造對局部地溫影響較大（圖6）。

圖6 X6孔地溫影響因素分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of influencing factors of ground temperature of hole x6

3.4 水文地質(zhì)條件

3.4.1 溫度升高影響

X1測溫孔，位于新汶街道孫村小學(xué)，地層是馬家溝組閣莊段、五陽山段。區(qū)域由于補給面積小，滯留條件差，地下水賦存量小于開采量。豐枯水期水位差很大，2017～2018年，豐水期水位42m，枯水期大于125m。在2月份地下水位急劇下降后，淺部地層溫度也下降了 1℃左右。因此推斷，豐水期地下水的深部徑流將熱量傳至淺部。

3.4.2 溫度下降影響

地下水的深循環(huán)運動會導(dǎo)致局部地溫升高（如 X1孔），也可能導(dǎo)致地下溫度降低[14]，如X4孔，位于東都鎮(zhèn)南部，是水文單元補給區(qū)，地表溶溝發(fā)育，該鉆孔地溫 120m以淺小于15.5℃，推斷為下部地下水徑流襲奪深部傳導(dǎo)熱源影響。巖溶地區(qū)負(fù)增溫率現(xiàn)象，也能反映水文地質(zhì)條件對地溫場的影響。本次測溫有4個灰?guī)r孔，地溫梯度全部接近或小于 0℃/100m。一般地面以下分為變溫帶-恒溫帶-增溫帶。變溫帶氣溫影響大于大地?zé)嵩从绊懀鰷貛t以深部熱源傳導(dǎo)為主，在大地?zé)嵩春蜌鉁赜绊懢鈪^(qū)域形成恒溫帶，假設(shè)深部有地下水徑流通道，流往排泄區(qū)的地下水將大地?zé)嵩磶ё?，形成一條弱導(dǎo)熱層，使徑流通道以上大地?zé)嵩磳Φ販赜绊懽冃?，全部形成變溫帶，因此在地下水運動能力較強的區(qū)域，易形成負(fù)梯度，其實還是處于變溫帶。經(jīng)以上分析可知，水文地質(zhì)條件是研究區(qū)地溫場特征影響最大的因素。

4 結(jié)論

新泰盆地 200m以淺溫度一般為 14.7～17.5℃，整體呈現(xiàn)南北盆地邊緣溫度低，中北部高的特點。該類型盆地淺層地溫場的直接影響因素為大地?zé)嵩?、地層巖性、構(gòu)造特征及水文地質(zhì)條件。大地?zé)嵩词菂^(qū)域地溫場的基礎(chǔ)條件，與深部地層結(jié)構(gòu)、巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造及向上導(dǎo)熱能力等關(guān)系密切。巖性對于淺部地溫場特征影響主要與大地?zé)嵩聪嘟Y(jié)合，由不同巖性的導(dǎo)熱能力和熱容條件不同所致。張性蓄水構(gòu)造以地下水為介質(zhì)，通過水的對流進(jìn)行導(dǎo)熱來影響周邊巖石溫度。水文地質(zhì)條件對于研究區(qū)淺部地溫場影響最為活躍，補給區(qū)一般溫度較低，排泄區(qū)溫度稍高，灰?guī)r、白云巖地層區(qū)域尤為明顯。