墾利區塊淺層地溫能地質賦存特征

張春朋　楊位剛　邵銀川

摘 要：為了研究墾利區塊地質背景與淺層地溫能賦存特征，分析了水質特征和熱物性特征，探討了比熱容、導熱系數與孔隙率、密度等微觀參數的相關性，總結了地溫分布帶在平面和垂向上的變化規律。結果表明：比熱容與孔隙率、密度呈正相關關系；導熱系數與埋深呈“V”型關系，即0～67m與埋深呈負相關關系，67～200m與埋深呈正相關關系；并得到了溫度帶在垂向上的分布規律，即0～27m為變溫帶，27～110m為恒溫帶，110～200m以深為增溫帶，平均每米孔深換熱量為53.8W/m，地層換熱效果較好。

關鍵詞：墾利區塊；地質背景；淺層地溫能；賦存特征

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.077

0 前言

近年，淺層地溫能作為一種綠色環保的新型能源，以其儲量大、分布廣、穩定性好等特點，逐漸成為有競爭力的新能源[1]。淺層地溫能的開發利用不僅可以緩解我國能源供求緊張，改善能源產業結構，對于提高經濟質量，改善生態環境也具有重要意義。

淺層地溫能資源賦存特征作為調查評價的基礎性研究，通過查明墾利區淺層地溫能的分布特點和賦存特征，可以為接下來的地溫資源量評價、挖掘開發利用潛力，確定地熱適宜性分區等提供科學的理論依據，也為臨近區塊的淺層地溫能開發利用提供借鑒意義。

1 地理地質概況

1.1 自然地理概況

墾利區位于山東省最北部，靠近渤海西南岸，地勢平緩，自西南至東北呈扇形微傾斜，為典型的三角洲地貌，包括現代河漫灘高地、緩平坡地、低平地和濱海低地等，海拔最高點11.6m，位于原勝利鄉一帶，最低點在2.0m以下。

研究區地處溫帶季風氣候區，雖瀕臨渤海，但大陸性季風影響明顯，典型特征是冬季干冷，夏季濕熱，四季分明，平均氣溫12.4℃，平均降雨量為562.0mm。

1.2 地層巖性

研究區地處華北平原中生代和新生代的沉降區，基底為太古界、古生界和中生界，其上沉積了巨厚的新生界蓋層。淺層地溫能主要賦存在200米以淺的地層，即新近系和第四系地層，由上至下依次為第四系、明化鎮組和館陶組[2]。

第四系厚約67m，主要為黃褐色粉土夾少量粉砂，結構松散，孔隙和濕度較大；明化鎮組主要為棕黃色、棕紅色泥巖夾粉砂巖，與下伏館陶組呈整合或假整合接觸；館陶組上段為紫紅色、灰綠色泥巖與粉砂巖互層，下段為灰色、灰白色塊狀礫巖夾少量灰綠色紫紅色泥巖。

1.3 地質構造

研究區在大地構造劃分上屬華北板塊I，華北平原坳陷II，濟陽坳陷區III。自新生代以來，該地區經歷了劇烈的構造運動，形成了早第三紀華北拉張裂谷斷陷盆地群的濟陽坳陷盆地，坳陷盆地又被眾多小型斷裂切割成更小的構造單元，如陳家莊凸起、青坨子凸起、東營凹陷等[1]。

2 水文地質特征

2.1 地下水賦存特征

研究區200m以淺范圍內，地下水類型為賦存于粉砂和粉土層中的第四系松散巖類孔隙水，按埋藏條件可劃分為淺層潛水和中深層承壓水，其中0～30m為淺層潛水，30～200m為中深層承壓水。粉質黏土和黏土層作為相對隔水層阻斷了含水層的連續分布性，使含水層多呈透鏡體形式存在，形成了獨特的多層含水結構[4]。

2.2 地下水補給、徑流與排泄

由于含水層與相對隔水層互相疊置，造成淺層地下水的局部微承壓性，而相對隔水層的不連續性打通了潛水層和承壓水層之間的阻隔，使淺層潛水和中深層承壓水之間補給、徑流、排泄條件基本一致。

區內地下水主要來源于大氣降水的垂直入滲補給和黃河的側滲補給，總體自西北向東南徑流，主要排泄方式為向東徑流入海。由于地下水位埋藏較淺，蒸發排泄方式較為普遍，是當地土壤鹽漬化的重要原因。

2.3 水質特征

墾利區水質總體較好，無色、較為透明，無明顯大顆粒雜質。通過對研究區20個水點采樣化驗，化學類型為氯化物-鈉型，礦化度大多介于3～15 g/L，東部靠海地區可達15～50 g/L，平均pH值7.22，平均總硬度3442mg/L，為弱堿性高硬度水，由于cl-和礦化度含量較高，建議在使用地源熱泵時做好防腐性措施。

3 巖土體熱物性特征

巖土體的物理參數包括密度、孔隙率、含水率、飽和度、比熱容和導熱系數等，其中比熱容和導熱系數直接關系了淺層地溫利用的換熱量和換熱效率，其數值越大，換熱量越大，換熱效率越高。本次熱響應試驗嚴格遵照《淺層地熱能勘查評價規范》和《地源熱泵系統工程技術規范》的有關要求，運用雙U型PE埋管，試驗結果顯示，鉆孔平均導熱系數為1.582 W/mK，平均每米孔深換熱量為53.8W/m，區內地層地埋管換熱效果普遍較好。

本次采集樣品37件，包括粉砂巖10件，粉土4件，粉質黏土19件，細砂巖4件，樣品各項熱物性參數均值見表1。

經對比可知，巖體的平均比熱容與巖性密切相關，粉質黏土、粉土、粉砂巖和細砂巖的平均比熱容依次增大，體現在微觀上與孔隙率和密度呈正相關關系（圖2，圖3）。

經過研究，發現比熱容與孔隙率、密度呈正相關關系；平均導熱系數與埋深表現為“V”型關系，即0～67m與埋深呈負相關關系，67～200m與埋深呈正相關關系。這是由于靠近地表的巖體孔隙較大且水分含量多[5]，導致巖石導熱系數較大；但隨著埋深進一步加大，含水量減少，巖性變為穩定的砂巖類，孔隙連通性變好，此時孔隙連通性開始發揮主導作用，使巖石導熱系數隨埋深緩慢增加。

4 淺層地溫場特征

地殼中地溫分布從地表向下依次為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。變溫帶主要受地表外部熱源即太陽輻射影響，溫度一般沒有規律性；恒溫帶是指地溫達到相對平衡，同時受地球內部熱能與地表熱源影響；增溫帶主要受地球內部熱能控制，地溫隨埋深增加而緩慢增大[6，7]。

通過鉆孔測溫數據可知，研究區內埋深27m以淺為變溫帶，介于12.8～17.8℃之間，溫差較大且沒有規律性；27～110m為恒溫帶，溫度較為穩定，介于17.3～18.4℃之間；110～200m為增溫帶，溫度緩慢增加（圖5）。由于研究區地處構造帶附近，受到斷裂構造的影響，導致地溫梯度較高[8]，約為3.7℃/100m。

5 結論

（1）研究區地層上覆巨厚的新生界蓋層，淺層地溫能主要賦存在第四系、明化鎮組和館陶組地層中，巖性多為粉質黏土、粉土、粉砂巖和細砂巖。

（2）含水層呈透鏡狀不連續分布的多層含水結構，由于相對隔水層的存在，使淺層潛水和中深層承壓水之間補給、徑流、排泄條件基本一致。

（3）巖體平均比熱容與巖性有較強的相關性，孔隙率和密度越大，比熱容越高；平均導熱系數受孔隙、含水量、環境溫度等因素影響，與埋深呈“V”型關系，即0～67m與埋深呈負相關關系，67～200m與埋深呈正相關關系。

（4）區內0～27m為變溫帶，27～110m為恒溫帶，110～200m以深為增溫帶，增溫帶內地溫隨埋深增加而緩慢增大，地溫梯度較高，約為3.7℃/100m。

參考文獻：

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[5]申廣峰，李芙蓉，王凡等.復合自保溫砌塊導熱系數隨含水率變化規律[J].建筑節能，2018，46（01）：78-80.

[6]李志恒，盧建榮，杜風林等.德州市淺層地溫能資源潛力評價[J].山東國土資源，2017，33（05）：42-46.

[7]王婉麗，王貴玲，朱喜.暖溫帶地區恒溫層溫度的預測方法[J]. 可再生能源，2016，34（08）：1112-1116.

[8]熊振，王良書，李成等.勝利油氣區東營凹陷現今地溫場研究[J].高校地質學報，1999（03）：312-321.

基金項目：山東省國土資源廳，墾利淺層地溫能調查評價（SDZS-2017-ZC060CS）

作者簡介：張春朋（1989-），男，山東聊城人，碩士研究生，研究方向：新能源資源評價。