山东平阴县北部地温场特征及大地热流值
[卢兆群
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引用本文
卢兆群. 山东平阴县北部地温场特征及大地热流值[J].中国地质调查, 2024,11(2): 28-36.
LU Zhaoqun. Characteristics of geothermal field and terrestrial heat flow in the northern Pingyin County of Shandong Province[J].Geological Survey of China, 2024,11(2): 28-36.
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.02.04
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LU Zhaoqun. Characteristics of geothermal field and terrestrial heat flow in the northern Pingyin County of Shandong Province[J].Geological Survey of China, 2024,11(2): 28-36.
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.02.04
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山东平阴县北部地温场特征及大地热流值
第一作者简介: 卢兆群(1985—)男,高级工程师,主要从事水文地质、地热地质及环境地质研究工作。Email: luzhaoqun@163.com。
摘要
山东平阴县北部近年来发现了赋存于泰山岩群基底变质岩类构造裂隙中的地热资源,分析研究地温场特征、大地热流值及岩石放射性生热条件对于预测、评估研究区地热资源形成潜力具有重要意义。根据研究区井孔测温以及水样、岩石样品的测试数据,系统分析了研究区地温场特征,计算了泰山岩群变质岩地层大地热流值及其岩石放射性生热率,并根据地下水中的SiO2含量计算了研究区硅热流值。结果显示: 研究区上部盖层地温梯度平均值为2.07 ℃/100 m,泰山岩群地温梯度平均值为2.18 ℃/100 m,平面上呈西低东高分布,垂向上随深度增加而增大; 研究区泰山岩群变质岩地层的大地热流值低于中国大陆地区大地热流平均值,具有较低的热流背景; 研究区硅热流值略高于钻孔实测数据,同时泰山岩群放射性生热率较低,属于低产热岩体。综合分析表明地温场分布主要受区域地质构造及地层结构影响,研究区地温分布总体处于正常范围,但在区域上具有相对较低的热流背景,热源方面主要为传导生热,其次为岩石放射性生热。研究成果可为研究区地热地质条件研究以及后续勘查开发工作提供基础数据和科学依据。
关键词:
地温梯度; 大地热流; 硅热流; 放射性生热
中图分类号:P314,P598
文献标志码:A
文章编号:2095-8706(2024)02-0028-09
Characteristics of geothermal field and terrestrial heat flow in the northern Pingyin County of Shandong Province
Abstract
In recent years, geothermal resources were explored in the structural fissures of metamorphic rocks of Taishan Group in the northern Pingyin County of Shandong Province. It is of great significance to analyze and study the characteristics of geothermal field, terrestrial heat flow and radiogenic heat production rate of rocks, for predicting and evaluating the formation potential of geothermal resources. Based on the borehole temperature data and the test data of water and rock samples, the authors systematically analyzed the characteristics of the geothermal field in the study area, and calculated the terrestrial heat flow and the radiogenic heat production rate of the metamorphic rocks of Taishan Group. Besides, the silica heat flow in the study area was calculated based on to the SiO2 content in the groundwater. The research show that average geothermal gradient of the overlying strata in the study area was 2.07 ℃/100 m, and the average geothermal gradient of the metamorphic rocks of Taishan Group was 2.18 ℃/100 m, with the lateral distribution of low in the west and high in the east, and the vertical distribution of increasing with depth. The geothermal heat flow value of the metamorphic rocks of Taishan Group in the study area is lower than the average geothermal heat flow in China mainland, indicating a low heat flow background. The silicon heat flow value in the study area is slightly higher than the measured borehole data. The radiogenic heat production rate of Taishan Group is low, and Taishan Group belongs to low heat-producing rock mass. Comprehensive analysis shows that the geothermal field distribution is mainly affected by regional geological structures and stratigraphic structures. The geothermal distribution is generally within the normal range, but it has a relatively low heat flow background in the study area. The heat source is mainly conductive heat generation, followed by rock radioactive heat generation. The research results could provide some basic data and scientific basis for future research on geothermal geological conditions in the study area and subsequent exploration and development work.
Keyword:
geothermal gradient; terrestrial heat flow; silica heat flow; radiogenic heat production
0 引言
大地热流、地温梯度及岩石放射性生热率等是影响地温场分布特征的重要参数, 也是研究地热系统成因机制的主要内容[1, 2, 3, 4, 5]。大地热流是地球内部热动力过程最直接的地表显示, 热流的分布与构造、岩浆活动和地壳的发育特点密切相关[6]。地表所观测到的大地热流主要由地壳的放射性生热、构造热事件引起的构造热以及岩石圈底部的地幔热流等3部分构成。地温梯度是表征地球内部温度不均匀分布程度的参数, 其近地表处数值大小因地而异, 与所在地区的大地热流值以及近地表岩体热导率的变化密切相关, 受地质构造、岩性变化、地下水活动以及岩浆活动等因素影响明显[7, 8]。放射性元素衰变生热是岩石圈内热主要来源之一, 岩石中所含天然放射性元素众多, 但只有U、Th、K 3种丰度足够大、产热量大且半衰期长的元素被列为主要生热元素[9, 10, 11]。
平阴县位于山东省西部, 地处泰山山脉西延余脉与鲁西平原的过渡地带, 境内多山地丘陵。县域内的北部地区近年来发现了赋存于泰山岩群基底变质岩类构造裂隙中的地热资源, 目前已有3眼地热勘探井, 出水温度28~42 ℃。地热水中普遍含有较高含量的Rn、Sr、F等微量元素组分, 具有很高的理疗价值[12]。温度是地热资源评价中的重要参数之一, 分析研究地温场特征对于预测、评估地热资源形成潜力具有重要意义[4, 13]。到目前为止, 济南市境内实测热流点主要位于北部的济阳凹陷区域[6, 14], 平阴县尚属空白区。近年来, 在平阴县北部地区开展的地热勘查工作中, 取得了一些地温场测量数据, 本文以平阴县北部为研究对象, 通过整理、分析有关数据, 获取研究区地温梯度、大地热流以及岩石放射性生热率数值, 分析区域地温场特征, 可为研究区地热地质条件研究以及后续勘查开发工作提供基础数据和科学依据。
1 地质背景
研究区地层以新太古代泰山岩群为基底, 上覆古生界和新生界, 中生界缺失, 由老到新依次为寒武系朱砂洞组、馒头组、张夏组及崮山组, 芙蓉统— 下奥陶统炒米店组、三山子组, 中奥陶统东黄山组、北庵庄组, 更新统大站组, 全新统黑土湖组、临沂组、沂河组、黄河组, 总厚度400~600 m。区内地层较稳定, 地层呈单斜构造, 寒武系— 奥陶系走向NE, 倾向北西, 倾角一般为5° ~8° , 地质构造的规模及发育程度相对较弱(图1)。
 | 图1 研究区地质简图及测温钻孔分布 1.寒武系朱砂洞组; 2.寒武系馒头组; 3.寒武系张夏组; 4.寒武系崮山组; 5.芙蓉统— 下奥陶统炒米店组; 6.芙蓉统— 下奥陶统三山子组; 7.中奥陶统东黄山组; 8.中奥陶统北庵庄组; 9.更新统大站组; 10.全新统黑土湖组; 11.全新统临沂组; 12.全新统沂河组; 13.全新统黄河组; 14.新太古代晚期红门序列西房庄单元; 15.实测及推测地质界线; 16.岩性分界线; 17.实测及推测平行不整合界线; 18.实测及推测断裂; 19.物探推测断裂; 20.黄山岩脉; 21.行政界线; 22.地表水系; 23.研究区范围; 24.测温深钻孔编号及深度, m; 25.岩溶水浅井编号及深度, m; 26.地名Fig.1 Geological sketch and temperature-logging boreholes distribution in the study area |
研究区内已有的3眼地热勘探井均位于隐伏基底断裂构造带附近, 地热水主要赋存在隐伏基底断裂构造破碎带及古风化裂隙中, 热储层均为新太古代泰山岩群变质岩, 属于基岩裂隙热储、带状热储, 含水层岩性以混合花岗岩类为主。
2 钻孔测温与地温梯度
2.1 钻孔测温
在研究区内15个岩溶水浅井(深度< 300 m)利用钻孔实施井内测温工作, 岩溶水浅井分布位置见图1。测温仪器采用ZDKJ-B1型数字测温仪(测温范围-50~150 ℃, 测温精度0.2 ℃), 到达水面后开始测量记录, 测量间隔为2~5 m, 井温变化较小时的测量间隔为10 m, 最大测温深度为100 m。所有测温井均为已有水井, 测温前井内至少7 d内无抽水等扰动活动, 井内水温与地温已达平衡状态, 获得的是稳态连续温度, 代表了研究区浅部的真实地温状况。岩溶水浅井测温数据见表1。
 | 表1 研究区岩溶水浅井测温数据 Tab.1 Temperature-logging data for the karstic water shallow wells in the study area |
此外, 本文收集了区内5个揭露泰山岩群变质岩地层的深钻孔测温数据(表2, 图2), 钻孔深度为 1 301.4~1 800.0 m。钻孔测温工作在钻探施工过程中进行, 在停钻后24~72 h内进行测温, 由于停钻时间较短, 个别钻孔孔内温度与地温并未完全达到稳态, 但孔底温度受钻探影响较小, 在停钻的短时间内就可接近原始地温, 基本达到了稳态或似稳态状态[15]。
| 表2 研究区深钻孔测温数据 Tab.2 Temperature-logging data of boreholes in the study area |
 | 图2 研究区深钻孔测温曲线Fig.2 Temperature-logging curve for the deep boreholes in the study area |
2.2 地温梯度及地温分布特征
研究区缺乏长期地温监测资料, 参照华北地区测温数据, 取30 m作为研究区恒温带深度[16], 恒温带温度取研究区多年平均气温14.2 ℃。
利用岩溶水浅井底部温度数据推算出各测温井段的地温梯度, 其中, 岩溶水浅井地温梯度为1.86~3.43 ℃/100 m, 平均值 2.81 ℃/100 m, 在地温梯度平面分布上呈现西北低、东南高的特征。如表1所示研究区50 m深度地温为15.1~16.3 ℃, 平均 15.7 ℃, 100 m深度地温为15.5~16.6 ℃, 平均16.2 ℃。在平面上, 相同深度的地温变化比较明显, 位于平阴县城周边区域的岩溶水浅井地温相对较低, 在垂向上, 随着深度的增加, 地温增温幅度相对较小。另外, 通过研究区岩溶水浅井测温数据(表3)可以看出, 研究区内15个岩溶水浅井中有9个水位埋深< 20 m, 均位于地势低平的山前平原或者山间沟谷地带, 第四系厚度相对较大, 其他6个水位埋深> 20 m, 主要位于地势较高的丘陵起伏地带, 第四系厚度相对较小。不同岩溶水浅井之间的地温分布特征也存在差异, 其中, 水位埋深< 20 m 的岩溶水浅井50 m深度地温、100 m深度地温以及地温梯度平均值均低于水位埋深> 20 m 的岩溶水浅井相对应的数值, 分析其原因是浅部地下水的活动加快了地温向地表的传导, 表明地下水活动对于地温的分布具有较明显的影响。
| 表3 研究区岩溶水浅井地温特征 Tab.3 Geothermal characteristics of karstic water shallow wells in the study area |
由图2可以看出, 5个深钻孔的测温曲线比较集中, 变化趋势相对一致, 表明深钻孔的地温分布特征相似。由表4可知, 深钻孔地温梯度为1.87~2.25 ℃/100 m, 平均值为2.09 ℃/100 m, 地温梯度在平面分布上呈现西低东高的特征。此外, 利用深钻孔泰山岩群顶板附近温度数据推算的上部盖层地温梯度为1.46~2.50 ℃/100 m, 平均值为2.07 ℃/100 m, 而泰山岩群地温梯度为1.70~2.67 ℃/100 m, 平均值为 2.18 ℃/100 m, 略高于上部盖层, 在垂向上随着深度的增加, 地温梯度分布也呈现增大的趋势。
| 表4 研究区深钻孔地温特征 Tab.4 Geothermal characteristic of deep borehole in the study area |
由于岩溶水浅井的最大测温深度仅为100 m, 因此, 推算的地温梯度往往会较实际地温梯度偏高, 而利用深钻孔推算的上部盖层地温梯度更接近实际地温梯度。综上所述, 研究区上部盖层的地温梯度平均值为2.07 ℃/100 m, 泰山岩群的地温梯度平均值为2.18 ℃/100 m, 均属于正常地温梯度范围, 无明显的热异常。
3 大地热流值
3.1 岩性特征与热导率测试
研究区深部泰山岩群基底为火山沉积变质岩系, 根据深钻孔揭露, 除ZK1深钻孔岩性以辉长岩、辉长玢岩及闪长岩为主外, 其他4个深钻孔岩性主要以片麻状黑云角闪二长花岗岩、黑云钾长花岗岩、黑云斜长片麻岩等混合花岗岩类为主。
本文从PYDR1深钻孔和DQ1深钻孔采取了少量岩心进行了热导率测试工作。研究区中西部的PYDR1深钻孔泰山岩群的2个取样段上取了5块岩心样品进行了热导率测试, 另外收集了研究区西部DQ1深钻孔泰山岩群顶板附近(616~622 m)2块岩心的热导率测试数据。样品测试工作由山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)实验测试中心完成, 主要检测仪器为DRE-Ⅲ 导热系数测试仪, 样品的热导率测试结果见表5。
| 表5 岩心样品热导率测试结果 Tab.5 Thermal conductivity test results of core samples |
由表5可知, 不同岩心样品热导率略有差异, 岩心样品热导率实测值为2.08~3.16 W/(m· ℃), 平均值为 2.78 W/(m· ℃)。由于测试环境与岩石自然赋存环境不同, 岩石热导率测试值与实际值有一定的差异, 故需要对实测数据进行校正, 通常可不考虑温压校正, 只需考虑孔隙度对热导率的影响[3], 但泰山岩群变质岩均坚硬致密, 故可不做校正。
3.2 大地热流值
大地热流值等于地温梯度与岩石热导率的乘积[15]。利用研究区内深钻孔的测温数据及代表性岩心样品的热导率测试结果, 计算了研究区4个以混合花岗岩类为主要岩性的泰山岩群变质岩地层测温段的大地热流值(表6)。根据计算结果, 研究区泰山岩群变质岩地层大地热流值为47.2~74.1 mW/m2, 平均值为57.2 mW/m2, 不仅低于中国大陆地区平均热流值60.4 mW/m2以及全球大陆地区平均热流值65.0 mW/m2[6, 15], 更远低于山东利津县陈庄潜凸起区泰山岩群大地热流值75.7 mW/m2[10]m, 反映了研究区较低的热流背景, 这与鲁西地块长期稳定上隆, 深部结构简单有关[18, 19]。
| 表6 深钻孔大地热流值计算结果 Tab.6 Results of terrestrial heat flow for deep boreholes |
3.3 硅热流值
Swanberg和Morgan[20, 21, 22]根据地下水二氧化硅温标温度与实测大地热流值, 提出计算硅热流值经验公式为
${{T}_{\text{Si}{{\text{O}}_{2}}}}=\frac{1 315}{\ \ \ \ \ \ \ \ 5.205-\text{lg}{{w}_{\left( \text{Si}{{\text{O}}_{2}} \right)\ \ \ \ \ \ \ \ }}}-273.15$,(1)
式中: qSi为硅热流值, mW/m2;
国内学者对华南[23]、福建[24]、山东[25]、川西[26]和西安[27]地区进行的硅热流值研究结果表明, 该方法计算的硅热流值与实测大地热流值较为一致。因此, 对于部分缺乏实测大地热流值数据的地区, 可以采用计算的硅热流值作为其大地热流值的近似替代值, 从而较为便捷有效地了解该地区的地温场特征。
本文利用研究区2015年和2018年的岩溶水样品二氧化硅含量数据, 共计49个数据。其中, 2015年样品14个, 由自然资源部济南矿产资源检测中心测定, 2018年样品35个, 由中国冶金地质总局山东局测试中心测定, 仪器分别为U-3310型分光光度计和772G长分光光度计, 在重复性条件下, 获得的两次独立测定结果的绝对差值分别为算数平均值的2.8%和5.4%, 均满足《GB 8538— 2022食品安全国家标准饮用天然矿泉水检验方法》[28]要求不超过10%的精密度要求。由于研究区范围较小, 根据研究区地质特征, 以平阴县城为中心点, 将研究区划分为4个分区单元, 每个单元约 8 km× 8 km, 分别是位于研究区东北部的栾湾单元、东南部的安城单元、西北部的刁山坡单元以及西南部的玫瑰单元。每个分区单元的统计数据有8~16个, 平均超过12个, 可满足计算要求。当地地面年平均温度取值16.1 ℃, 由于范围较小, 气温变化很小, 各分区单元采用同一温度。与地下水循环的最小平均深度相关的热流量与二氧化硅温标温度的转换系数m, 根据前人研究取值0.68 ℃m2/mW[25]。
根据公式(1)和(3)计算的研究区二氧化硅温标温度与硅热流值见表7, 研究区硅热流值为60.8~70.8 mW/m2, 平均值为66.5 mW/m2。该数值较前文利用钻孔实测数据计算的大地热流值表6和中国大陆地区平均热流值[6]均略高一些, 其平面分布特征总体表现为北部高、南部低, 西部高、东部低。分析原因, 可能与地下水流动有关, 南部和东部为地下水补给区, 地下水运移速率较快, 而北部和西部为地下水径流-排泄区, 循环深度逐渐加大, 地下水运移滞缓。地下水的运移带动了热流的转移, 从而使得地下水径流方向的下游地区硅热流值高于上游地区, 而深部泰山岩群变质岩地层岩石致密, 加之埋藏深度大, 因此受地下水流动影响范围有限, 但深钻孔DQ1热储层富水、导水性要明显好于深钻孔ZTDR1、PYDR1, 而再向东的深钻孔ZK2井未发现深部含水现象。
| 表7 研究区二氧化硅温标温度与硅热流值 Tab.7 Silicon dioxide termometric scale temperature and silica heat flow in the study area |
4 岩石放射性生热分析
研究区泰山岩群基底厚度巨大, 在区域变质作用下普遍遭受了混合岩化作用, 岩性以混合花岗岩类为主。这类岩石多含有丰度较高的U、Th、K等放射性元素, 具备了放射性生热条件。
岩石放射性生热率的计算应用Rybach[29]提出的经验公式为
式中: A为岩石放射性生热率, μ W/m3; ρ 为岩石密度, g/cm3; CU为U的含量, 10-6; CTh为Th的含量, 10-6; CK为K的含量, %。
本研究在PYDR1深钻孔泰山岩群取心段采取了5块岩心测试U、Th、K的含量, 测试工作由中国冶金地质总局山东局测试中心完成, 测试仪器为X Series2电感耦合等离子体质谱仪和ARL 9900XP型X射线荧光光谱仪。岩石密度未进行测试, 参照DQ1深钻孔的数据取其平均值。据此计算泰山岩群岩石放射性生热率, 结果见表8。
| 表8 岩心样品放射性元素含量及生热率 Tab.8 Radioactive element content and heat production rate for core samples |
由表8可知, 不同深度、不同岩性的放射性元素含量差别较明显, 放射性生热率数值介于0.52~1.40 μ W/m3, 平均值为0.88 μ W/m3; 明显低于全球花岗岩体放射性生热率平均值 2.5 μ W/m3[30], 也远低于山东利津县陈庄潜凸起区泰山岩群放射性生热率数值1.38~5.10 μ W/m3, 平均值为3.01μ W/m3[30], 可见, 研究区泰山岩群基底为低产热岩体。
研究区泰山岩群基底厚度超过12 000 m[31], 按照放射性生热率平均值0.88 μ W/m3计算的放射性生热量可超过10 mW/m2, 约占泰山岩群平均大地热流值57.2 mW/m2的18%, 表明放射性生热对研究区大地热流的贡献较大。其中, U、Th、K放射性生热率分别占岩石放射性生热率的平均比例为28.5%、32.1%、39.4%, 说明3种元素对泰山岩群岩石放射性生热的贡献率总体较平均。
5 研究区地温场特征及成因分析
综合上述研究区地温梯度、大地热流值及岩石放射性生热特征, 研究区地温场总体特征可以总结为: 地温分布总体处于正常范围, 但在区域上具有相对较低的热流背景, 未发现明显的热异常区; 地温梯度在平面分布上, 总体呈现西低东高、北低南高的特征; 地温梯度在垂向分布上, 具有随深度增加而逐渐增大的趋势; 热源方面主要为传导生热, 其次为岩石放射性生热。
研究区地温场特征与区内深部结构简单、地层分布较稳定、岩性变化较小等因素密切相关, 但也因地下水径流条件的变化使得地温场分布表现出一定的差异性。因此, 综合分析认为研究区地温场分布特征主要受区域地质构造及地层结构影响, 其次为水文地质条件影响。
6 结论
(1)山东平阴县北部岩溶水浅井地温梯度在平面分布上, 总体呈现西北低、东南高的特征, 且地温变化与水位埋深呈反比关系; 深钻孔地温梯度在平面分布上, 总体呈现西低东高的特征; 分层段看, 上部盖层地温梯度平均值为2.07 ℃/100 m, 而泰山岩群热储层的平均值为2.18 ℃/100 m, 在垂向分布上, 地温梯度具有随深度增加呈现增大的趋势。
(2)山东平阴县北部泰山岩群变质岩地层大地热流值为47.2~74.1 mW/m2, 平均值为57.2 mW/m2, 具有较低的热流背景; 研究区硅热流值为60.8~70.8 mW/m2, 平均值为66.5 mW/m2, 略高于深钻孔实测数据。
(3)山东平阴县北部泰山岩群不同深度、不同岩性的放射性元素含量差别较明显, 放射性生热率平均值为0.88 μ W/m3, 为低产热岩体; 泰山岩群基底厚度巨大, 放射性生热量约占泰山岩群平均热流值的18 %, 对大地热流的贡献较大, 且U、Th、K 3种元素对放射性生热的贡献率总体较平均。
(4)山东平阴县北部地温场分布特征主要受区域地质构造及地层结构影响, 其次为水文地质条件, 今后应加强对地温场特征的研究。
(责任编辑: 王晗)
参考文献
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