西安市浅层地温场特征及其影响因素分析

刘彩波，胡安焱，黄景锐，李 霞

(1.长安大学 环 境科学与工程学院，陕西 西 安710054;2.长安大学 地 球科学与资源学院，陕西 西 安710054)

浅层地温能是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200 m埋深)，温度低于25℃，是当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的地热资源，浅层地热能是地热资源的一部分。西安地区位于渭河盆地东部，有良好的地热地质条件，其热流体为单相热水，水温一般在40℃ ～85℃，为中低温热水型地热区，浅层地温资源丰富［1］，拥有很好的开采条件。西安市正逐步重视浅层地温能的开发利用，研究浅层地温场的分布特征，对探索浅层地温能资源分布规律，潜力评价及其开发利用都具有较高的实用价值和重要的理论意义。本文全面收集和整理了西安市浅层地温场数据的基础上，分析了浅层地温场的分布特征，还研究了对浅层地温场的主要影响因素。

1 西安市地质概况

西安地区位于渭河断陷盆地中断南沿地段。西安地区自新生代以来，曾受到较强的南北拉张，致使地幔上隆断裂，切割地壳较深、形成了较深的新生代断陷盆地，而控制盆地边缘的断裂切割地壳较深、形成了纵横交错的断裂构造网，区内发育的主要断裂有:渭河断裂(F1)，断裂主体沿渭河分布，断裂走向近EW，区内分布长约120 km。长安——临潼断裂(F2)，由若干次级断裂斜列组成，走向近NE，断裂斜穿西安市郊，区内分布长约150 km，断裂南段较北段活动强烈;新开门—焦岱断裂(F3)，由库峪口经焦岱、马腾空至新开门，该断裂走向近NW，倾向南西，倾角60°～70°。灞河断裂(F4)，自蓝田经泄湖、灞桥、草滩镇过渭河与泾河断裂相接，走向NW，倾向南西。主断裂的次级伸展断裂主要有沣河、皂河、浐河等断裂。断裂构造沟通地下深部热量为西安地区偏高的地下热流奠定了地质构造条件，这些大断裂构造中部又分布有很多次一级小断裂，断裂交汇部位基底岩石破碎，地热水循环条件良好［2］。另外，第三系地层上部沉积有较厚的松散地层，比热容高，热传导系数低，因此，西安地区地热能储量丰富，为浅层地热能开发利用提供了条件。

1.1 地温数据采集

地温场的研究首先要获得可靠准确的地温资料。本次浅层地温场研究资料主要来源是通过设立主要的监测井，并定期的观测地温，主要的观测井有:1号井西安市高陵杨官寨、2号井西安市草滩六路、3号井西安市三桥石化大道、4号井西安市昆明路闵旗寨、5号井西安市郭杜镇前锋村、6号井西安市油库、7号井西安市技工学校、8号井西安市新筑麦王村。

观测井系统测温:测温主要运用DCW－1多通道地温仪，一个月测量三次，每次间隔时间为10 d，本次计算采用了2011年12月至2012年9月的监测数据。

1.2 地温数据分析

由于长期受太阳热辐射的影响，地壳浅部吸收部分热能，保存了一定的热量。通常，一个地区的温度一般高于当地多年平均气温1℃ ～2℃［3］。也有些文献认为，土壤恒温层温度、地表土壤年均温度、年均气温三者近似相等［4］。西安地区地面年平均气温为13.6℃，本文中取恒温带温度高于年平均气温1.5℃。因此，取恒温层温度为15.1℃。

根据1～8号监测井10～30 m地温监测数据，可得出这八个监测点在不同时间地温随深度的变化(如表1)，地温随深度变化趋势(如图1)。

图1 监测井地温随深度变化图

1、4、5号监测井的地温非常接近恒温层温度，而其他监测井的地温明显高于恒温层温度。2号和3号井位于渭河断裂与灞河断裂的交界处附近，温度出现异常明显偏高，8号井受活动断裂带影响较小，温度升高幅度较小，7号井位于活动断裂的交界处，6号井位于长安－临潼断裂带附近，由此可见，这些地温高于恒温层温度的监测井均位于断裂带附近，离断裂带越近，地温升高幅度越多，在断裂带的交界处，地温升高幅度也较多。

本文中取恒温层温度为15.1℃，综合分析可知，由于1、4、5号几乎不受断裂带的影响，在深度为20 m时，1、4、5号井的温度均接近15.1℃，同时为了便于计算将恒温层深度确定为20 m。

2 浅层地温场特征

2.1 地温梯度的分布特征

地温的大小用地温梯度来表示。根据西安地区地热井、供水井井口的水温和恒温带资料计算地温梯度G:

式中:ΔT/ΔH即G为地温梯度(℃/100m);T为钻孔取水段水温(℃);T恒为恒温带温度;H为钻孔取水段平均埋深(m);H恒为恒温带埋深。

根据8个监测井的水温数据，可计算出地温梯度(如表2)所示，1、4、5号井受断裂带等因素影响较小，地温梯度较小，均在1.5～2.0℃ /100m范围内。2、3号井地温梯度相比其他监测井最大，均＞6℃/100m，这两个监测井位于渭河断裂与灞河断裂的交界处附近，地温梯度明显偏高。6、7号井位于断裂带附近，地温梯度较高为3.0～6.0℃/100m。

表2 监测井的地温梯度

2.2 大地热流

西安地区位于渭河盆地东部，新生界沉积厚度为7 000 m，构成了良好的地热地质条件。热流体为单相热水，水温一般在40℃ ～85℃，为中低温热水型地热区，受区域构造控制，是以传导方式为主的地热系统。西安地区具有良好的地温场背景，大地热流平均值78.8 mw/m2，高于全球(61.1 mw/m2)大地热流平均值［5］。城区高热流值与隐伏活动断裂有关。

2.3 不同深度地温分布特征

根据地温梯度的计算结果，各井在任意深度上的温度可按照如下公式计算:

本文中计算了各监测井在150 m，200 m深度时的温度(如表3)。在150 m深度时平均地温为19.81℃，在200 m深度时，平均地温为21.53℃。

根据《西安地热普查报告》资料可得，西安地区的各种地热显示形迹表明地温既受控于基地起伏、构造展布、又受控于地层岩性的变化，在垂直方向上有明显的递增和突变性，水平方向上有明显的方向性和成带性。

表1 监测井在不同深度的平均地温 ℃

2.3.1 地温垂向分布特征

垂向上地温分布的基本规律是，地温随深度增大而升高，但由于地层岩性，地质构造及其他因素影响，垂向上升温特征因地而异，归纳起来有渐变升温型、突变升温型以及升温与降温交替型。其中，渐变升温型是区内垂向升温的主要形式。

2.3.2 地温水平分布特征

西安地区地温分布总趋势，表现出中部较高，东南部次之，北部及东部局部较低的展布特征。并且呈现出平均地温梯度水平方向上变化较大、不同深度地温水平方向上变化趋势基本一致、等温面起伏高差强烈异常的特点。位于渭河断裂(F1)和灞河断裂(F4)交汇处附近的2、3号井地温达到最大值，位于新开门—焦岱断裂(F3)和长安—临潼断裂交汇处附近的7号井地温值次之(如图2、3)。

表3 监测井在不同深度的地温

3 浅层地温场影响因素分析

浅层地温是地球深部热传导、热对流和太阳辐射共同作用的结果。影响西安市浅层地温的因素主要有区域地质构造、水文地质条件、岩土体岩性及结构等因素影响。

3.1 区域地质构造

强烈的构造运动产生褶皱和断裂等构造形态，不仅能改变岩层的产状，引起岩石热物性在水平方向和垂直方向上的变化，而且会进一步导致深部热流在浅部重新分配，使地温场发生改变。特别是高角度大断裂有利于深部热和热水的向上运移，从而引起周围岩石温度的升高，出现局部地温异常［6］。受渭河盆地盆缘大断裂及其次级伸展断裂的影响，西安市地区表现为复杂的断块结构。西安地区的断裂可以分为三种类型:前中生代基地断裂、断面达老第三系的活动断裂、断面达新第三系地面以上的活动断裂。其中断面达老第三系的活动断裂在西安市分布最广，对西安地区地热资源影响最大［7］。上述断裂的形成与长期活动，既成为主要的地热通道，又为处于不同深度的地热水层间进行对流循环创造了条件。西安地区断裂构造主要呈东西向、北西向和北东向展布，则地温场的分布方向与断裂构造的方向基本一致。由以上综合分析地温异常高是由于断层活动性较强烈。

图2 150m处地温等值线图

图3 地温梯度等值线图

3.2 水文地质条件

西安地区水资源丰富，市区灞河、浐河，皂河、沣河，渭河、泾河，此外还有黑河、石川河、涝河等较大河流。其中绝大多数属黄河流域的渭河水系。渭河横贯西安市境内约150 km，年径流量为25亿 m3。西安地下水储量丰富，据估算，总计约 19.91 亿 m3。

浅层地下水不仅对垂向温度有影响，而且在水平方向上影响也非常明显，由于地下水的水平径流使得地热异常区迎水一侧温度下降，背水侧外围局部温度身高，即造成异常区的下移［8］，在等值线图上同一异常区内个等温线形态并不相似，靠近地下水上游的地方等值线较密，而下游地区等值线稀疏，其重要原因就是受浅层地下水的循环条件影响。

3.3 岩性及结构

岩性对现今地温场的影响主要是由于不同岩石具有不同热导率，从而引起热传导性能的差异岩石地层是地壳中地能储藏、传递、散失的物质基础。表示岩石导热能力大小的热导率是岩石地层热物理性质重要参数之一，不仅决定地温场的展布形态，而且也是浅层地温能资源量计算和开发工程计算的关键因素［9］。

西安市地区内出露的地层主要为第四系。该层分布极广，主要分布在渭河及其支流阶地、黄土塬、山前洪积扇群。从下更新统至全新统是一套完整的沉积。岩性可分为两大类:一是以砂砾卵石为主的粗粒沉积，成因主要有冲积、洪积、冲洪积、冲湖积等;二是以黄土为主的土状堆积，成因主要为风积。

4 结语

(1)根据监测井测得的水温和地温数据可知，西安市恒温层深度为20 m，平均地温梯度为3.43℃/100m，不受断裂带影响的地区地温梯度偏低，在1.5～2.0℃/100m范围内，受断裂带影响的地区地温梯度偏高，有些区域的温梯度甚至大于6℃/100m。通过计算，西安市150 m深度的平均地温为19.81℃，在200 m深度时的平均地温为21.53℃。由此可见，西安市在200 m深度以内的区域的平均地温为20℃左右，非常适合开发浅层地温能。西安大地热流平均值为78.8 mw/m2，高于全球(61.1mw/m2)大地热流平均值。

(2)影响西安市浅层地温的因素主要有区域地质构造、水文地质条件、岩土体岩性及结构等因素影响。强烈的构造运动产生褶皱和断裂等构造形态，使地温场发生改变。浅层地下水不仅对垂向温度有影响，而且在水平方向上影响也非常明显。岩性对现今地温场的影响主要是由于不同岩石具有不同热导率，而且岩性决定着地温场的展布形态。

［1］惠泱河.西安市的水资源问题［J］.西北大学学报.1998.28(4):335－ 338.

［2］王振刚，赵法锁.西安地下热水赋存特征与可持续开发利用［J］.黑龙江水专学报.2006.33(4):312 －317.

［3］建设部，质检局.地缘热泵系统工程技术规范(GB－50366－2005)［S］.北京:中国建筑工业出版社.2005.

［4］刘晓燕，赵军，石成等.土壤恒温层温度及深度研究［J］.太阳能学报.2007.28(5):494 －497.

［5］王卫东，彭建兵，张永志等.西安市地热水开采的环境问题及对策研究［J］.水土保持研究.2007.14(2):641－642.

［6］谭静强，琚宜文，侯泉林等.淮北煤田矿区现今地温场分布特征及其影响因素［J］.地球物理学报.2009.52(3):732－739.

［7］燕建龙，赵治海等.西安地区浅层地热能开发利用前景［J］.西北综合勘察设计研究院.2011:593－596.

［8］王新娟，栾英波，路明等.北京平原区浅层地温能分布规律研究［J］.探查科学技术.2010.(3):48 －54.

［9］苏天明，刘彤，李晓昭等.南京地区土体热物理性质测试与分析［J］.岩石力学与工程学报.2006.25(16):1278 －1283.