张春朋　杨位刚　邵银川

摘 要：为了研究垦利区块地质背景与浅层地温能赋存特征，分析了水质特征和热物性特征，探讨了比热容、导热系数与孔隙率、密度等微观参数的相关性，总结了地温分布带在平面和垂向上的变化规律。结果表明：比热容与孔隙率、密度呈正相关关系；导热系数与埋深呈“V”型关系，即0～67m与埋深呈负相关关系，67～200m与埋深呈正相关关系；并得到了温度带在垂向上的分布规律，即0～27m为变温带，27～110m为恒温带，110～200m以深为增温带，平均每米孔深换热量为53.8W/m，地层换热效果较好。

关键词：垦利区块；地质背景；浅层地温能；赋存特征

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

0 前言

近年，浅层地温能作为一种绿色环保的新型能源，以其储量大、分布广、稳定性好等特点，逐渐成为有竞争力的新能源[1]。浅层地温能的开发利用不仅可以缓解我国能源供求紧张，改善能源产业结构，对于提高经济质量，改善生态环境也具有重要意义。

浅层地温能资源赋存特征作为调查评价的基础性研究，通过查明垦利区浅层地温能的分布特点和赋存特征，可以为接下来的地温资源量评价、挖掘开发利用潜力，确定地热适宜性分区等提供科学的理论依据，也为临近区块的浅层地温能开发利用提供借鉴意义。

1 地理地质概况

1.1 自然地理概况

垦利区位于山东省最北部，靠近渤海西南岸，地势平缓，自西南至东北呈扇形微倾斜，为典型的三角洲地貌，包括现代河漫滩高地、缓平坡地、低平地和滨海低地等，海拔最高点11.6m，位于原胜利乡一带，最低点在2.0m以下。

研究区地处温带季风气候区，虽濒临渤海，但大陆性季风影响明显，典型特征是冬季干冷，夏季湿热，四季分明，平均气温12.4℃，平均降雨量为562.0mm。

1.2 地层岩性

研究区地处华北平原中生代和新生代的沉降区，基底为太古界、古生界和中生界，其上沉积了巨厚的新生界盖层。浅层地温能主要赋存在200米以浅的地层，即新近系和第四系地层，由上至下依次为第四系、明化镇组和馆陶组[2]。

第四系厚约67m，主要为黄褐色粉土夹少量粉砂，结构松散，孔隙和湿度较大；明化镇组主要为棕黄色、棕红色泥岩夹粉砂岩，与下伏馆陶组呈整合或假整合接触；馆陶组上段为紫红色、灰绿色泥岩与粉砂岩互层，下段为灰色、灰白色块状砾岩夹少量灰绿色紫红色泥岩。

1.3 地质构造

研究区在大地构造划分上属华北板块I，华北平原坳陷II，济阳坳陷区III。自新生代以来，该地区经历了剧烈的构造运动，形成了早第三纪华北拉张裂谷断陷盆地群的济阳坳陷盆地，坳陷盆地又被众多小型断裂切割成更小的构造单元，如陈家庄凸起、青坨子凸起、东营凹陷等[1]。

2 水文地质特征

2.1 地下水赋存特征

研究区200m以浅范围内，地下水类型为赋存于粉砂和粉土层中的第四系松散岩类孔隙水，按埋藏条件可划分为浅层潜水和中深层承压水，其中0～30m为浅层潜水，30～200m为中深层承压水。粉质黏土和黏土层作为相对隔水层阻断了含水层的连续分布性，使含水层多呈透镜体形式存在，形成了独特的多层含水结构[4]。

2.2 地下水补给、径流与排泄

由于含水层与相对隔水层互相叠置，造成浅层地下水的局部微承压性，而相对隔水层的不连续性打通了潜水层和承压水层之间的阻隔，使浅层潜水和中深层承压水之间补给、径流、排泄条件基本一致。

区内地下水主要来源于大气降水的垂直入渗补给和黄河的侧渗补给，总体自西北向东南径流，主要排泄方式为向东径流入海。由于地下水位埋藏较浅，蒸发排泄方式较为普遍，是当地土壤盐渍化的重要原因。

2.3 水质特征

垦利区水质总体较好，无色、较为透明，无明显大颗粒杂质。通过对研究区20个水点采样化验，化学类型为氯化物-钠型，矿化度大多介于3～15 g/L，东部靠海地区可达15～50 g/L，平均pH值7.22，平均总硬度3442mg/L，为弱碱性高硬度水，由于cl-和矿化度含量较高，建议在使用地源热泵时做好防腐性措施。

3 岩土体热物性特征

岩土体的物理参数包括密度、孔隙率、含水率、饱和度、比热容和导热系数等，其中比热容和导热系数直接关系了浅层地温利用的换热量和换热效率，其数值越大，换热量越大，换热效率越高。本次热响应试验严格遵照《浅层地热能勘查评价规范》和《地源热泵系统工程技术规范》的有关要求，运用双U型PE埋管，试验结果显示，钻孔平均导热系数为1.582 W/mK，平均每米孔深换热量为53.8W/m，区内地层地埋管换热效果普遍较好。

本次采集样品37件，包括粉砂岩10件，粉土4件，粉质黏土19件，细砂岩4件，样品各项热物性参数均值见表1。

经对比可知，岩体的平均比热容与岩性密切相关，粉質黏土、粉土、粉砂岩和细砂岩的平均比热容依次增大，体现在微观上与孔隙率和密度呈正相关关系（图2，图3）。

经过研究，发现比热容与孔隙率、密度呈正相关关系；平均导热系数与埋深表现为“V”型关系，即0～67m与埋深呈负相关关系，67～200m与埋深呈正相关关系。这是由于靠近地表的岩体孔隙较大且水分含量多[5]，导致岩石导热系数较大；但随着埋深进一步加大，含水量减少，岩性变为稳定的砂岩类，孔隙连通性变好，此时孔隙连通性开始发挥主导作用，使岩石导热系数随埋深缓慢增加。

4 浅层地温场特征

地壳中地温分布从地表向下依次为变温带、恒温带和增温带。变温带主要受地表外部热源即太阳辐射影响，温度一般没有规律性；恒温带是指地温达到相对平衡，同时受地球内部热能与地表热源影响；增温带主要受地球内部热能控制，地温随埋深增加而缓慢增大[6，7]。

通过钻孔测温数据可知，研究区内埋深27m以浅为变温带，介于12.8～17.8℃之间，温差较大且没有规律性；27～110m为恒温带，温度较为稳定，介于17.3～18.4℃之间；110～200m为增温带，温度缓慢增加（图5）。由于研究区地处构造带附近，受到断裂构造的影响，导致地温梯度较高[8]，约为3.7℃/100m。

5 结论

（1）研究区地层上覆巨厚的新生界盖层，浅层地温能主要赋存在第四系、明化镇组和馆陶组地层中，岩性多为粉质黏土、粉土、粉砂岩和细砂岩。

（2）含水层呈透镜状不连续分布的多层含水结构，由于相对隔水层的存在，使浅层潜水和中深层承压水之间补给、径流、排泄条件基本一致。

（3）岩体平均比热容与岩性有较强的相关性，孔隙率和密度越大，比热容越高；平均导热系数受孔隙、含水量、环境温度等因素影响，与埋深呈“V”型关系，即0～67m与埋深呈负相关关系，67～200m与埋深呈正相关关系。

（4）区内0～27m为变温带，27～110m为恒温带，110～200m以深为增温带，增温带内地温随埋深增加而缓慢增大，地温梯度较高，约为3.7℃/100m。

参考文献：

[1]杨荣，李晓昭，吴文博等.苏州市浅层地热能应用潜力评估与研究[J].可再生能源，2012，30（08）：74-77.

[2]闫伟.垦利6区块古近系沉积相特征[A].中国地质学会.中国地质学会2013年学术年会论文摘要汇编——S13石油天然气、非常规能源勘探开发理论与技术分会场[C].中国地质学会：中国地质学会， 2013：2.

[3]严高云.垦利油田构造特征及勘探潜力分析[D].中国石油大学， 2007.

[4]郭诚，张建民，朱建敏等.海上河流相油田少井条件下储层精细解剖——以垦利3-2油田3-1483砂体为例[J].东北石油大学学报，2016，40（03）：10-17+1-2.

[5]申广峰，李芙蓉，王凡等.复合自保温砌块导热系数随含水率变化规律[J].建筑节能，2018，46（01）：78-80.

[6]李志恒，卢建荣，杜风林等.德州市浅层地温能资源潜力评价[J].山东国土资源，2017，33（05）：42-46.

[7]王婉丽，王贵玲，朱喜.暖温带地区恒温层温度的预测方法[J]. 可再生能源，2016，34（08）：1112-1116.

[8]熊振，王良書，李成等.胜利油气区东营凹陷现今地温场研究[J].高校地质学报，1999（03）：312-321.

基金项目：山东省国土资源厅，垦利浅层地温能调查评价（SDZS-2017-ZC060CS）

作者简介：张春朋（1989-），男，山东聊城人，硕士研究生，研究方向：新能源资源评价。