中國淺層地熱能成因機理及其控制條件研究

衛萬順 李寧波 鄭桂森 欒英波 楊俊偉 李翔 于湲 王立志

摘? 要：研究成因機理及其控制條件，對我國大規模科學開發利用淺層地熱能意義重大。研究表明：淺層地熱能分級控制特征明顯，大地熱流和年均氣溫控制淺層地熱能大地成因。基巖埋深、地溫梯度、活動斷裂和地下水條件，控制淺層地熱能區域分布規律。淺層地熱能可采能力，則主要由淺層地溫場、地下水條件、巖土體物質成分和結構、孔隙度、含水率和回填材料制約。常溫層底板埋深溫度等值線可以表征區域分布規律，基底埋深控制總體分布特征，后期活動斷裂是影響和控制的關鍵因素，地下水條件對淺層地熱能遷移賦存規律影響較大。首次提出我國淺層地熱能開采區規模分類方案。

關鍵詞：中國;淺層地熱能;成因機理;控制條件; 地溫梯度

Study on Genetic Mechanism and Control Conditions of Shallow

Geothermal Energy in China

WEI Wanshun1，2， LI Ningbo1，2， ZHENG Guisen1， LUAN Yingbo1， YANG Junwei1，2， YU Yuan1，2，

LI Xiang1，2， WANG Lizhi1，2

（1. Beijing Institute of Geology， Beijing 100195;

2.Shallow Geothermal Energy Promotion Center， China Geological Survey， Beijing 100195）

Abstract： For high-efficiency， sustainable and large-scale development and utilization of shallow geothermal energy， it is of great significance to study its genetic mechanism and control law. The research shows that the characteristics of the hierarchical control of shallow geothermal energy are obvious， the geothermal flow and the annual average temperature control the genesis of the shallow geothermal energy， and the depth of buried rock， geothermal gradient， active faults， and groundwater conditions control the distribution of regional shallow geothermal energy. The recoverability of shallow geothermal energy is mainly restricted by field of shallow geothermal， groundwater conditions， material composition and structure of rock and soil， porosity， moisture content and backfill materials. The temperature contour of the normal temperature layer floor can characterize the distribution of shallow geothermal energy. The burial depth of the basement controls the overall distribution of shallow geothermal energy. The active fracture is the key factor of controlling shallow geothermal energy in late. The groundwater conditions have a greater impact on the occurrence and distribution of shallow geothermal energy. The classification scheme of shallow geothermal energy mining area in China is proposed for the first time， including four categories.

Keywords： China; Shallow geothermal energy; Genetic mechanism; Control conditions; geothermal gradient

0前言

淺層地熱（溫）能是一種可再生的新型環保能源，利用潛力巨大。大規模開發利用淺層地熱能對構建資源節約型和環境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現有能源結構具有非常重要的意義。近年來，我國淺層地熱能開發利用發展迅速，行業未來的發展方向是如何高效、科學和可持續大規模開發利用淺層地熱能。但目前在大規模開發利用方面，存在成因認識分歧較大、控制條件研究薄弱和開發利用工程簡單化等一些突出問題。這些問題都與淺層地熱能成因認識不一致和研究水平低下有關，已嚴重影響了淺層地熱能良性開發利用，亟需開展淺層地熱能成因機理及其控制條件研究。

淺層地熱能有別于其他固、液、氣體能源，那么如何研究其成因及主要控制因素？這需要一種全新的研究思路和方法，分析確定影響淺層地熱能的主要控制因素，進而研究控制這些因素的地質條件和變化規律。本文提出應堅持如下原則：（1）堅持分級控制原則。從全國范圍、一個城市和開采區3個不同層級，分級研究控制淺層地熱能的主要因素及其變化規律，進而開展我國淺層地熱能大地成因類型分區、城市范圍淺層地熱能開發利用適宜性分區和開采區規模劃分工作，分3個層級科學指導與合理部署我國淺層地熱能開發利用工作。（2）堅持成因機理研究優先原則。從全國范圍的角度，系統分析我國不同地區常溫層溫度和深度與大地熱流密度、巖土體熱導率、地溫梯度、年均氣溫、降雨量和氣候帶等因素之間的關系，從橫向上研究常溫層溫度及其控制因素對淺層地熱能成因的控制作用，提出淺層地熱能成因模式，劃分成因類型，開展大地成因分區工作，從全國范圍的角度劃分我國優先開發利用淺層地熱能的地區。（3）堅持淺層地熱能區域控制條件差異化原則。以一個城市為單元，認真研究常溫層深度與地溫梯度、活動斷裂、基巖埋深和水文地質條件等因素之間的關系，分析常溫層深度和溫度對淺層地熱能的區域控制條件，提出城市淺層地熱能開發利用適宜性區劃意見。（4）堅持資源開發與環境保護并重原則。以一個開發項目為研究對象，分析開采區的地下水條件、淺層地溫場特征、巖土體物質成分和結構、孔隙度、含水率和回填材料等因素對巖土體熱導率的影響，對淺層地熱能的開發利用和地質環境影響進行詳細評價，提出科學開發利用方案和環境保護措施。

1 大地成因類型劃分及其成因機理研究

本文系統收集了全國各地的常溫層溫度、常溫層深度、大地熱流密度、巖土體熱導率、地溫梯度、年均氣溫、降雨量和氣候帶等參數，分析了常溫層溫度和深度與大地熱流密度、巖土體熱導率、地溫梯度、年均氣溫、降雨量和氣候帶的關系，重新劃分了成因類型，提出了中國淺層地熱能成因類型大地分區方案，研究了淺層地熱能成因機理。

1.1 中國淺層地熱能大地成因類型分區

在原有淺層地熱能成因類型劃分（衛萬順等，2012）的基礎上，根據常溫層巖土體原始溫度tH的高低，結合全國大地熱流密度分布特征、年均氣溫和地形地勢特征等因素，新增加一類劃分方案，將我國淺層地熱能成因類型劃分為4大類：tH≥15℃、tH=10℃～15℃、tH=5℃～10℃和tH≤5℃（表1）。

按照此劃分方案，提出了中國淺層地熱能成因類型大地分區方案（圖1）。

（1）tH≥15℃和tH=10℃～15℃型淺層地熱能分布區：常溫層原始溫度較高，常溫層原始溫度與當地年均氣溫相近，分別相差0.4℃和1.8℃，缺少常溫層原始溫度數據時，可以用當地年均氣溫來代替，是淺層地熱能開發利用適宜區，應大力開發利用淺層地熱能。

（2）tH=5℃～10℃型淺層地熱能分布區：常溫層原始溫度較低，常溫層原始溫度與當地年均氣溫相差3.0℃，缺少常溫層原始溫度數據時，不能用當地年均氣溫來代替，是淺層地熱能開發利用較適宜區。

（3）tH≤5℃型淺層地熱能分布區：常溫層原始溫度很低，與當地年均氣溫相差6.8℃，是淺層地熱能開發利用不適宜區。

1.2 淺層地熱能成因機理

（1）根據地溫長期觀測結果，地下0～200m巖土體原始溫度垂向上可分為變溫帶、常溫層和增溫帶，其中常溫層溫度及深度是淺層地熱能的重要指標（衛萬順等，2012）。

（2）從表2和圖2中可以看出，常溫層巖土體原始溫度表現出隨年均氣溫和大地熱流密度升高而升高的趨勢，而巖土體熱導率、地溫梯度和降雨量與常溫層巖土體原始溫度關系不明顯。表明常溫層巖土體原始溫度與年均氣溫和大地熱流密度密切相關，即常溫層巖土體原始溫度與太陽能和地球內部熱能有關。

（3）從表2和圖1可以看出：我國省會城市常溫層頂板埋深深度在10～38m間，常溫層頂板埋深總體上呈東南低，西北、東北地區高的特征，尤其是東北地區與青藏高寒區常溫層頂板埋深普遍較深。在地質條件相似地區，常溫層具有年均氣溫高、頂板埋深相對淺，大地熱流密度低、常溫層頂板埋深相對深的變化趨勢，即氣候變化與大地熱流綜合作用是影響常溫層頂板埋深的內在因素，表明常溫層深度與太陽能和地球內熱能作用有關。

綜上所述，淺層地熱能是太陽能和地球深部熱能綜合作用形成的低溫地熱能，存在于地下近表層數百米內（一般小于200m）常溫層中的巖土體和地下水里的低溫地熱能 ，再生迅速、取之不竭、用之不盡、清潔環保。

2 區域控制條件及其開發適宜性區劃研究

淺層地熱能區域控制條件是指在一個城市范圍內，控制淺層地熱能空間分布規律的地質條件。以地埋管式為例，分別從橫向和垂向上，來研究一個城市的常溫層溫度和深度與活動斷裂、地溫梯度、基巖埋深和水文地質條件等因素之間的關系，提出城市淺層地熱能開發利用適宜性區劃意見。

2.1 常溫層底板埋深溫度等值線可以表征淺層地熱能區域分布規律

科學表述淺層地熱能區域分布特征始終是個難題。由于常溫層溫度及深度是淺層地溫場和淺層地熱能資源的重要指標，本文通過繪制常溫層底板深度上的常溫層溫度等值線，運用常溫層溫度和深度兩個參數，來研究淺層地熱能區域分布特征與基巖埋深、地溫梯度、活動斷裂、地下水條件的關系，進而研究淺層地熱能區域分布特征。如北京平原區，常溫層頂板埋深為15m左右、常溫層厚度為30m、常溫層溫度為14℃，據此，以14℃為邊界，繪制了北京平原區常溫層底板埋深（50m深）溫度等值線圖（圖3），既反映了常溫層的溫度變化規律，又反映了常溫層的深度特征。從圖3可以看出，北京平原區常溫層底板埋深溫度等值線走向以北東向橢圓形分布。

2.2 基巖頂界及其地溫場特征是控制淺層地熱能空間分布的基礎條件

（1）基底形態控制淺層地熱能總體分布規律

基底起伏與常溫層溫度的橫向變化呈正相關關系，表現為凹陷帶低地溫，凸起帶高地溫;基巖埋深與常溫層頂板埋深呈正相關關系，基巖埋深越大的地區、地下水對地溫的干擾越強，常溫層頂板埋深越大（如太原盆地）。

（2）基巖頂界地溫場控制著淺層地溫場的空間展布

對比圖3和圖4得出，北京平原區淺層地熱能分布規律與基巖頂界地熱能分布規律十分相似，表明深層地溫場對淺層地溫場具有控制性。

2.3 地溫梯度是控制淺層地熱能可開采資源量的重要條件

北京平原區淺部地溫梯度高于深部基巖的地溫梯度（衛萬順等，2010）。除此之外，地溫梯度還有兩項重要特征：

（1）地溫梯度等值線形態明顯受活動斷裂控制

從圖5可以看出，北京平原區淺層（20～300m）地溫梯度等值線走向以北東和北西向帶狀分布，長軸方向與主要隱伏活動斷裂延伸方向基本一致，即淺層地溫梯度等值線形態明顯受活動斷裂控制。

（2）地溫梯度控制淺層地熱溫能可開采資源量

從地溫梯度公式?θ/?l =q/（λ·S·τ）可以看出：地溫梯度（?θ/?l）與熱流量（q）關系密切，呈正相關關系，l方向的地溫梯度（?θ/?l）越高，熱流量（q）就越大，即地溫梯度高的地區淺層地熱溫能可開采資源量大于其他地區。式中：q為熱流量;?θ/?l為l方向的地溫梯度; ?為面積;λ為導熱系數，τ為單位時間）。

2.4 活動斷裂是影響和控制淺層地熱能的關鍵因素

從地源熱傳遞角度來看，活動斷裂改變了基巖裂隙，從而使得地球深部流體及熱量向地表傳遞的通道發生改變。因此，也影響著淺層地熱能的分布特征。

（1）活動斷裂影響常溫層頂板埋深

從圖6可以看出，北京平原區常溫層頂板（14℃等值線）呈波狀起伏。在八寶山斷裂帶上盤的鉆孔Ⅰ-75和黃莊-高麗營斷裂帶上盤的鉆孔Ⅰ-88常溫層頂板埋深較低，巖土體溫度較高，地表下70m處地溫為15.9℃和21.22℃，斷裂帶附近巖土體溫度達到最高值，遠離斷裂帶溫度則迅速降低，即隱伏活動斷裂控制常溫層頂板埋深。

（2）活動斷裂是影響和控制淺層地熱能可開采資源量的關鍵條件

從圖6可以看出：在活動斷裂附近巖土體的平均溫度（t4）明顯高于遠離活動斷裂的區域巖土體的平均溫度（t4），據Dq=Ks×|t1- t4|×L×n×τ×10-3可知，活動斷裂附近淺層地熱能可開采資源量（可換熱功率）要明顯大于遠離活動斷裂區域的淺層地熱能可開采資源量，表明活動斷裂影響淺層地熱能可開采資源量。

2.5 地下水條件對淺層地熱能遷移賦存規律影響較大

常溫狀態下，水具有較高的熱容性和流動性，因此是熱量傳遞的良好載體。

（1）大氣降水滲透、上游補給、地層活動以及人工開采地下水等，成為地下水流動的驅動力，可以促進熱量的傳遞速率。在平面上，可以對地下溫度場起到很好的溫度展平作用;在縱深上，通過裂隙或導水通道中的對流，可以把熱量帶到地表或更遠的排泄區。從而影響地下巖土體的溫度變化。

（2）可以影響常溫層頂板埋深。如福州地區，水動力條件較好的區域常溫層頂板埋深較大，這主要是由于含水層與地表水、大氣降水等聯系緊密，易受外部環境的影響所致。

3 開采區規模與熱傳導系數影響因素研究

3.1 淺層地熱能開采區規模劃分

近年來，我國淺層地熱能開發利用迅速，未來的發展方向是如何高效、科學可持續大規模開發利用。原有標準中關于資源勘查的相關規定不能完全適用于指導當前大型項目的開展，由此，需要提出一個淺層地熱能開采區規模劃分的問題。結合全國淺層地熱能開發利用實際情況，以供熱或供冷面積為標準，提出將我國淺層地熱能開采區規模劃分為小型（<10萬m2）、中型（10萬m2～49萬m2）、大型（50萬m2～100萬m2）和特大型（>100萬m2）4大類，針對不同規模采取有效的資源勘查和承載力評價工作。

3.2 熱傳導系數影響因素研究

地埋管換熱器傳熱系數Ks是淺層地熱能工程設計的重要參數。根據《淺層地熱能勘查評價規范》（DZ/T0225-2009）中相關公式可以推出：

從式（1）各參數分析，地埋管換熱器傳熱系數（Ks）主要受鉆孔周圍巖土體平均熱導率（λ3）控制，巖土體平均熱導率（λ3）是淺層地熱能可采資源量的主要控制條件。而地埋管材料的熱導率（λ1）及鉆孔中回填料的熱導率（λ2）對淺層地熱能資源的開采也有一定影響，但屬人為因素。以一個開發項目為研究對象，區分項目大小，開展不同巖性熱導率影響機理研究和開采區的熱傳導率控制因素研究。分析開采區的水文地質條件、淺層地溫場特征、巖土體物質成分和結構、孔隙度、含水率和回填材料等因素對巖土體熱導率的影響程度，對淺層地熱能的開發利用和地質環境影響進行詳細評價，提出科學開發利用方案和環境保護措施。

（1）不同巖性熱導率影響機理研究

在實驗室條件下測定不同狀態下的粉質黏土和細砂的熱導率（欒英波等，2011;欒英波等，2013），對測試數據進行統計、分析。研究結果顯示，粉質黏土和細砂數據的分布規律一致且趨勢明顯：熱導率與含水率、孔隙度呈負相關，與密度呈正相關。這對淺層地下水流動緩慢（非對流狀態）或無地下水地區的巖土體傳熱能力研究具有重要指導意義。

（2）不同換熱孔的熱傳導率控制因素研究

地埋管地源熱泵系統的換熱孔內傳熱效率主要受人為控制因素影響，通過降低傳熱熱阻，提高熱傳遞速率。目前，絕大多數地埋管管材采用HDPE管，其熱導率為0.5W/（m·℃），主要由于其耐壓、耐腐蝕、經濟性好;但也有部分項目采用導熱性能較高的金屬類埋管，提高傳熱能力。因此，對不同管材、管型的換熱孔進行了不同功率熱響應測試研究（李娟等，2018;賈子龍等，2019;楊俊偉，2019）

而換熱孔內回填材料的選擇則是考慮不同開采區水文地質條件等。一般富水性較好地區采用中粗砂回填增加水流通道，促進換熱;富水性較差地區采用水泥砂漿或原漿等回填，增大導熱性能。同時，也針對不同地質單元相同回填材料和同一地質單元不同回填材料的地埋管換熱能力進行了測試研究（欒英波等，2014）。

研究結果表明，地埋管換熱與地埋管和回填料的材料、結構，水文地質條件以及巖土體構造，地溫場，呈耦合相關性。對完善理論模型具有很高的參考價值。

4 結論

（1）淺層地熱能成因是氣候變化和大地熱流綜合作用產生，不同地區常溫層的深度及厚度存在差異，是影響淺層地熱能分布規律的重要參數。

（2）淺層地熱能分級控制特征明顯，大地熱流和年均氣溫控制淺層地熱能大地成因，基巖埋深、地溫梯度、活動斷裂和地下水條件控制淺層地熱能區域分布規律，淺層地熱能可采能力則主要由淺層地溫場、地下水條件、巖土體物質成分和結構、孔隙度、含水率和回填材料制約。

（3）常溫層底板埋深溫度等值線可以表征淺層地熱能區域分布規律，基底埋深控制淺層地熱能總體分布特征，淺層地熱能可開采量明顯受地溫梯度影響，活動斷裂是影響和控制淺層地熱能的關鍵因素，地下水條件對淺層地熱能遷移賦存規律影響較大。

參考文獻：

賈子龍，鄭佳，杜境然，等， 2019.典型氣候帶地埋管地源熱泵運行對地溫場的影響分析[J].城市地質，14（3）：81-86.

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欒英波，鄭桂森，衛萬順， 2013.北京平原區粉質粘土熱導率影響因素實驗研究[J].中國地質， 40（3）：981-988.

欒英波，衛萬順，于，等， 2014.北京平原區地源熱泵換熱能力現場測試研究[J].現代地質， 28（5）：1046-1052.

李娟，鄭佳，于，等， 2018.地層初始溫度及結構對地埋管換熱能力影響分析[J].城市地質，13（1）：64-68.

王貴玲，劉峰，王婉麗， 2015.我國陸區淺層地溫場空間分布及規律研究（一）[J].空調熱泵（2）：52-54.

楊俊偉， 2019.現場熱響應試驗測試數據對比及應用分析[J].城市地質，14（4）：5-9.

衛萬順，李寧波，冉偉彥，等， 2010.中國淺層地溫能資源[M].北京：中國大地出版社.

衛萬順，鄭桂森，欒英波， 2010.北京平原區淺層地溫場特征及其影響因素研究[J].中國地質， 37（6）：1733-1739.

衛萬順，鄭桂森，欒英波，楊俊偉， 2012. 常溫層溫度特征及淺層地溫能成因機理研究[J].城市地質， 7（2）：1-5.