中国浅层地热能成因机理及其控制条件研究

卫万顺 李宁波 郑桂森 栾英波 杨俊伟 李翔 于湲 王立志

摘  要：研究成因机理及其控制条件，对我国大规模科学开发利用浅层地热能意义重大。研究表明：浅层地热能分级控制特征明显，大地热流和年均气温控制浅层地热能大地成因。基岩埋深、地温梯度、活动断裂和地下水条件，控制浅层地热能区域分布规律。浅层地热能可采能力，则主要由浅层地温场、地下水条件、岩土体物质成分和结构、孔隙度、含水率和回填材料制约。常温层底板埋深温度等值线可以表征区域分布规律，基底埋深控制总体分布特征，后期活动断裂是影响和控制的关键因素，地下水条件对浅层地热能迁移赋存规律影响较大。首次提出我国浅层地热能开采区规模分类方案。

关键词：中国;浅层地热能;成因机理;控制条件; 地温梯度

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

淺层地热（温）能是一种可再生的新型环保能源，利用潜力巨大。大规模开发利用浅层地热能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构具有非常重要的意义。近年来，我国浅层地热能开发利用发展迅速，行业未来的发展方向是如何高效、科学和可持续大规模开发利用浅层地热能。但目前在大规模开发利用方面，存在成因认识分歧较大、控制条件研究薄弱和开发利用工程简单化等一些突出问题。这些问题都与浅层地热能成因认识不一致和研究水平低下有关，已严重影响了浅层地热能良性开发利用，亟需开展浅层地热能成因机理及其控制条件研究。

浅层地热能有别于其他固、液、气体能源，那么如何研究其成因及主要控制因素？这需要一种全新的研究思路和方法，分析确定影响浅层地热能的主要控制因素，进而研究控制这些因素的地质条件和变化规律。本文提出应坚持如下原则：（1）坚持分级控制原则。从全国范围、一个城市和开采区3个不同层级，分级研究控制浅层地热能的主要因素及其变化规律，进而开展我国浅层地热能大地成因类型分区、城市范围浅层地热能开发利用适宜性分区和开采区规模划分工作，分3个层级科学指导与合理部署我国浅层地热能开发利用工作。（2）坚持成因机理研究优先原则。从全国范围的角度，系统分析我国不同地区常温层温度和深度与大地热流密度、岩土体热导率、地温梯度、年均气温、降雨量和气候带等因素之间的关系，从横向上研究常温层温度及其控制因素对浅层地热能成因的控制作用，提出浅层地热能成因模式，划分成因类型，开展大地成因分区工作，从全国范围的角度划分我国优先开发利用浅层地热能的地区。（3）坚持浅层地热能区域控制条件差异化原则。以一个城市为单元，认真研究常温层深度与地温梯度、活动断裂、基岩埋深和水文地质条件等因素之间的关系，分析常温层深度和温度对浅层地热能的区域控制条件，提出城市浅层地热能开发利用适宜性区划意见。（4）坚持资源开发与环境保护并重原则。以一个开发项目为研究对象，分析开采区的地下水条件、浅层地温场特征、岩土体物质成分和结构、孔隙度、含水率和回填材料等因素对岩土体热导率的影响，对浅层地热能的开发利用和地质环境影响进行详细评价，提出科学开发利用方案和环境保护措施。

1 大地成因类型划分及其成因机理研究

本文系统收集了全国各地的常温层温度、常温层深度、大地热流密度、岩土体热导率、地温梯度、年均气温、降雨量和气候带等参数，分析了常温层温度和深度与大地热流密度、岩土体热导率、地温梯度、年均气温、降雨量和气候带的关系，重新划分了成因类型，提出了中国浅层地热能成因类型大地分区方案，研究了浅层地热能成因机理。

1.1 中国浅层地热能大地成因类型分区

在原有浅层地热能成因类型划分（卫万顺等，2012）的基础上，根据常温层岩土体原始温度tH的高低，结合全国大地热流密度分布特征、年均气温和地形地势特征等因素，新增加一类划分方案，将我国浅层地热能成因类型划分为4大类：tH≥15℃、tH=10℃～15℃、tH=5℃～10℃和tH≤5℃（表1）。

按照此划分方案，提出了中国浅层地热能成因类型大地分区方案（图1）。

（1）tH≥15℃和tH=10℃～15℃型浅层地热能分布区：常温层原始温度较高，常温层原始温度与当地年均气温相近，分别相差0.4℃和1.8℃，缺少常温层原始温度数据时，可以用当地年均气温来代替，是浅层地热能开发利用适宜区，应大力开发利用浅层地热能。

（2）tH=5℃～10℃型浅层地热能分布区：常温层原始温度较低，常温层原始温度与当地年均气温相差3.0℃，缺少常温层原始温度数据时，不能用当地年均气温来代替，是浅层地热能开发利用较适宜区。

（3）tH≤5℃型浅层地热能分布区：常温层原始温度很低，与当地年均气温相差6.8℃，是浅层地热能开发利用不适宜区。

1.2 浅层地热能成因机理

（1）根据地温长期观测结果，地下0～200m岩土体原始温度垂向上可分为变温带、常温层和增温带，其中常温层温度及深度是浅层地热能的重要指标（卫万顺等，2012）。

（2）从表2和图2中可以看出，常温层岩土体原始温度表现出随年均气温和大地热流密度升高而升高的趋势，而岩土体热导率、地温梯度和降雨量与常温层岩土体原始温度关系不明显。表明常温层岩土体原始温度与年均气温和大地热流密度密切相关，即常温层岩土体原始温度与太阳能和地球内部热能有关。

（3）从表2和图1可以看出：我国省会城市常温层顶板埋深深度在10～38m间，常温层顶板埋深总体上呈东南低，西北、东北地区高的特征，尤其是东北地区与青藏高寒区常温层顶板埋深普遍较深。在地质条件相似地区，常温层具有年均气温高、顶板埋深相对浅，大地热流密度低、常温层顶板埋深相对深的变化趋势，即气候变化与大地热流综合作用是影响常温层顶板埋深的内在因素，表明常温层深度与太阳能和地球内热能作用有关。

综上所述，浅层地热能是太阳能和地球深部热能综合作用形成的低温地热能，存在于地下近表层数百米内（一般小于200m）常温层中的岩土体和地下水里的低温地热能 ，再生迅速、取之不竭、用之不尽、清洁环保。

2 区域控制条件及其开发适宜性区划研究

浅层地热能区域控制条件是指在一个城市范围内，控制浅层地热能空间分布规律的地质条件。以地埋管式为例，分别从横向和垂向上，来研究一个城市的常温层温度和深度与活动断裂、地温梯度、基岩埋深和水文地质条件等因素之间的关系，提出城市浅层地热能开发利用适宜性区划意见。

2.1 常温层底板埋深温度等值线可以表征浅层地热能区域分布规律

科学表述浅层地热能区域分布特征始终是个难题。由于常温层温度及深度是浅层地温场和浅层地热能资源的重要指标，本文通过绘制常温层底板深度上的常温层温度等值线，运用常温层温度和深度两个参数，来研究浅层地热能区域分布特征与基岩埋深、地温梯度、活动断裂、地下水条件的关系，进而研究浅层地热能区域分布特征。如北京平原区，常温层顶板埋深为15m左右、常温层厚度为30m、常温层温度为14℃，据此，以14℃为边界，绘制了北京平原区常温层底板埋深（50m深）温度等值线图（图3），既反映了常温层的温度变化规律，又反映了常温层的深度特征。从图3可以看出，北京平原区常温层底板埋深温度等值线走向以北东向椭圆形分布。

2.2 基岩顶界及其地温场特征是控制浅层地热能空间分布的基础条件

（1）基底形态控制浅层地热能总体分布规律

基底起伏与常温层温度的横向变化呈正相关关系，表现为凹陷带低地温，凸起带高地温;基岩埋深与常温层顶板埋深呈正相关关系，基岩埋深越大的地区、地下水对地温的干扰越强，常温层顶板埋深越大（如太原盆地）。

（2）基岩顶界地温场控制着浅层地温场的空间展布

對比图3和图4得出，北京平原区浅层地热能分布规律与基岩顶界地热能分布规律十分相似，表明深层地温场对浅层地温场具有控制性。

2.3 地温梯度是控制浅层地热能可开采资源量的重要条件

北京平原区浅部地温梯度高于深部基岩的地温梯度（卫万顺等，2010）。除此之外，地温梯度还有两项重要特征：

（1）地温梯度等值线形态明显受活动断裂控制

从图5可以看出，北京平原区浅层（20～300m）地温梯度等值线走向以北东和北西向带状分布，长轴方向与主要隐伏活动断裂延伸方向基本一致，即浅层地温梯度等值线形态明显受活动断裂控制。

（2）地温梯度控制浅层地热温能可开采资源量

从地温梯度公式?θ/?l =q/（λ·S·τ）可以看出：地温梯度（?θ/?l）与热流量（q）关系密切，呈正相关关系，l方向的地温梯度（?θ/?l）越高，热流量（q）就越大，即地温梯度高的地区浅层地热温能可开采资源量大于其他地区。式中：q为热流量;?θ/?l为l方向的地温梯度; ?为面积;λ为导热系数，τ为单位时间）。

2.4 活动断裂是影响和控制浅层地热能的关键因素

从地源热传递角度来看，活动断裂改变了基岩裂隙，从而使得地球深部流体及热量向地表传递的通道发生改变。因此，也影响着浅层地热能的分布特征。

（1）活动断裂影响常温层顶板埋深

从图6可以看出，北京平原区常温层顶板（14℃等值线）呈波状起伏。在八宝山断裂带上盘的钻孔Ⅰ-75和黄庄-高丽营断裂带上盘的钻孔Ⅰ-88常温层顶板埋深较低，岩土体温度较高，地表下70m处地温为15.9℃和21.22℃，断裂带附近岩土体温度达到最高值，远离断裂带温度则迅速降低，即隐伏活动断裂控制常温层顶板埋深。

（2）活动断裂是影响和控制浅层地热能可开采资源量的关键条件

从图6可以看出：在活动断裂附近岩土体的平均温度（t4）明显高于远离活动断裂的区域岩土体的平均温度（t4），据Dq=Ks×|t1- t4|×L×n×τ×10-3可知，活动断裂附近浅层地热能可开采资源量（可换热功率）要明显大于远离活动断裂区域的浅层地热能可开采资源量，表明活动断裂影响浅层地热能可开采资源量。

2.5 地下水条件对浅层地热能迁移赋存规律影响较大

常温状态下，水具有较高的热容性和流动性，因此是热量传递的良好载体。

（1）大气降水渗透、上游补给、地层活动以及人工开采地下水等，成为地下水流动的驱动力，可以促进热量的传递速率。在平面上，可以对地下温度场起到很好的温度展平作用;在纵深上，通过裂隙或导水通道中的对流，可以把热量带到地表或更远的排泄区。从而影响地下岩土体的温度变化。

（2）可以影响常温层顶板埋深。如福州地区，水动力条件较好的区域常温层顶板埋深较大，这主要是由于含水层与地表水、大气降水等联系紧密，易受外部环境的影响所致。

3 开采区规模与热传导系数影响因素研究

3.1 浅层地热能开采区规模划分

近年来，我国浅层地热能开发利用迅速，未来的发展方向是如何高效、科学可持续大规模开发利用。原有标准中关于资源勘查的相关规定不能完全适用于指导当前大型项目的开展，由此，需要提出一个浅层地热能开采区规模划分的问题。结合全国浅层地热能开发利用实际情况，以供热或供冷面积为标准，提出将我国浅层地热能开采区规模划分为小型（<10万m2）、中型（10万m2～49万m2）、大型（50万m2～100万m2）和特大型（>100万m2）4大类，针对不同规模采取有效的资源勘查和承载力评价工作。

3.2 热传导系数影响因素研究

地埋管换热器传热系数Ks是浅层地热能工程设计的重要参数。根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）中相关公式可以推出：

从式（1）各参数分析，地埋管换热器传热系数（Ks）主要受钻孔周围岩土体平均热导率（λ3）控制，岩土体平均热导率（λ3）是浅层地热能可采资源量的主要控制条件。而地埋管材料的热导率（λ1）及钻孔中回填料的热导率（λ2）对浅层地热能资源的开采也有一定影响，但属人为因素。以一个开发项目为研究对象，区分项目大小，开展不同岩性热导率影响机理研究和开采区的热传导率控制因素研究。分析开采区的水文地质条件、浅层地温场特征、岩土体物质成分和结构、孔隙度、含水率和回填材料等因素对岩土体热导率的影响程度，对浅层地热能的开发利用和地质环境影响进行详细评价，提出科学开发利用方案和环境保护措施。

（1）不同岩性热导率影响机理研究

在实验室条件下测定不同状态下的粉质黏土和细砂的热导率（栾英波等，2011;栾英波等，2013），对测试数据进行统计、分析。研究结果显示，粉质黏土和细砂数据的分布规律一致且趋势明显：热导率与含水率、孔隙度呈负相关，与密度呈正相关。这对浅层地下水流动缓慢（非对流状态）或无地下水地区的岩土体传热能力研究具有重要指导意义。

（2）不同换热孔的热传导率控制因素研究

地埋管地源热泵系统的换热孔内传热效率主要受人为控制因素影响，通过降低传热热阻，提高热传递速率。目前，绝大多数地埋管管材采用HDPE管，其热导率为0.5W/（m·℃），主要由于其耐压、耐腐蚀、经济性好;但也有部分项目采用导热性能较高的金属类埋管，提高传热能力。因此，对不同管材、管型的换热孔进行了不同功率热响应测试研究（李娟等，2018;贾子龙等，2019;楊俊伟，2019）

而换热孔内回填材料的选择则是考虑不同开采区水文地质条件等。一般富水性较好地区采用中粗砂回填增加水流通道，促进换热;富水性较差地区采用水泥砂浆或原浆等回填，增大导热性能。同时，也针对不同地质单元相同回填材料和同一地质单元不同回填材料的地埋管换热能力进行了测试研究（栾英波等，2014）。

研究结果表明，地埋管换热与地埋管和回填料的材料、结构，水文地质条件以及岩土体构造，地温场，呈耦合相关性。对完善理论模型具有很高的参考价值。

4 结论

（1）浅层地热能成因是气候变化和大地热流综合作用产生，不同地区常温层的深度及厚度存在差异，是影响浅层地热能分布规律的重要参数。

（2）浅层地热能分级控制特征明显，大地热流和年均气温控制浅层地热能大地成因，基岩埋深、地温梯度、活动断裂和地下水条件控制浅层地热能区域分布规律，浅层地热能可采能力则主要由浅层地温场、地下水条件、岩土体物质成分和结构、孔隙度、含水率和回填材料制约。

（3）常温层底板埋深温度等值线可以表征浅层地热能区域分布规律，基底埋深控制浅层地热能总体分布特征，浅层地热能可开采量明显受地温梯度影响，活动断裂是影响和控制浅层地热能的关键因素，地下水条件对浅层地热能迁移赋存规律影响较大。

参考文献：

贾子龙，郑佳，杜境然，等， 2019.典型气候带地埋管地源热泵运行对地温场的影响分析[J].城市地质，14（3）：81-86.

栾英波，卫万顺，郑桂森，等， 2011.影响北京地区粉质粘土和细砂的热导率因素统计分析[J].现代地质， 25（6）：1187-1194.

栾英波，郑桂森，卫万顺， 2013.北京平原区粉质粘土热导率影响因素实验研究[J].中国地质， 40（3）：981-988.

栾英波，卫万顺，于，等， 2014.北京平原区地源热泵换热能力现场测试研究[J].现代地质， 28（5）：1046-1052.

李娟，郑佳，于，等， 2018.地层初始温度及结构对地埋管换热能力影响分析[J].城市地质，13（1）：64-68.

王贵玲，刘峰，王婉丽， 2015.我国陆区浅层地温场空间分布及规律研究（一）[J].空调热泵（2）：52-54.

杨俊伟， 2019.现场热响应试验测试数据对比及应用分析[J].城市地质，14（4）：5-9.

卫万顺，李宁波，冉伟彦，等， 2010.中国浅层地温能资源[M].北京：中国大地出版社.

卫万顺，郑桂森，栾英波， 2010.北京平原区浅层地温场特征及其影响因素研究[J].中国地质， 37（6）：1733-1739.

卫万顺，郑桂森，栾英波，杨俊伟， 2012. 常温层温度特征及浅层地温能成因机理研究[J].城市地质， 7（2）：1-5.