地质构造对碳酸盐岩热物性参数的影响分析

穆照猛尹陈吴岚

地质构造对碳酸盐岩热物性参数的影响分析

穆照猛1，2，尹陈1，吴岚1

（1.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000；2.贵州浅层地温能开发有限公司，贵州 贵阳 550000）

本次试验以贵州省六盘水市六枝特区城区为研究区，通过对同一断层构造上下两盘水文地质条件相似、地层岩性相同的碳酸盐岩，采用相同施工工艺、相同测试环境、相同测试方法进行热响应测试。试验结果得出，同一碳酸盐岩地层在不同地质构造下热物性参数不同，断层上盘地层岩体初始温度高于下盘，综合导热系数、容积比热容、热扩散率、相同工况条件下的延米换热量低于下盘。岩体热物性参数的获取，为区内浅层地热能资源开发利用项目建设提供设计依据，但未考虑地下水渗流场影响，且样本数量少，其成果供同仁参考。

地质构造；碳酸盐岩；热物性参数；贵州六盘水

1 自然地理

1.1 气象水文

贵州省六盘水市六枝特区城区，地理坐标，E：105°27′00″～105°30′01″，N：26°11′22″～26°13′33″。属亚热带季风温暖湿润气候。年均气温14.5℃，7月平均气温22℃，最高34.1℃；1月平均气温5.2℃，最低-5.6℃。年均日照1 252.4小时，年总积温5 700℃，多年日照时数1 144.2小时，历年平均无霜期291天。多年平均降雨量1 310.15mm，5～10月降雨量1 132.93mm，占全年86.5%，2月份最小，平均10.88mm，6月份最多287.52mm。

六枝河由北西向南东汇入珠江流域北盘江水系一级支流打帮河（H010230）。河床坡降小。

1.2 地形地貌

地处云贵高原东坡乌蒙山与苗岭山脉衔接地带，高差50～100m。地貌类型以北西-南东走向峰丛谷地为主，谷地宽缓，被第四系松散层覆盖，地下水水位埋深浅，为地下水富集区域。

表1 研究区地层简表

2 地层岩性及地质构造

2.1 地层岩性

研究区地层以三叠系碳酸盐岩地层为主。自新到老有第四系（Q），三叠系中至上统法郎组（T2-3）、中统关岭组（T2）、下统永宁镇组（T1）、下统夜郎组（T1），二叠系乐平统大隆组（P3）、乐平统长兴组（P3）、乐平统龙潭组（P3），地层岩性特征见表1。

2.2 地质构造

研究区构造见图1。

2.2.1 六枝向斜

呈北西-南东走向贯穿研究区。核部出露三叠系法郎组（T2-3），翼部由三叠系关岭组（T2）、三叠系永宁镇组（T1）、三叠系夜郎组（T1）、二叠系大隆组（P3）、二叠系长兴组（P3）、二叠系龙潭组（P3）构成。北东翼倾角较南西翼缓，倾角30°～40°，南西翼倾角50°～60°，向斜轴面倾向南西，为斜歪褶皱。北西端受断层切割影响，轴被错断平移。

2.2.2 六枝断层

贯穿整个研究区，呈北西-南东走向。北东盘岩层倾角10°～20°，南西盘倾角50°～60°。断层倾向北西，倾角70°左右，为正断层。切割三叠系地层，沿断层发育宽几米至十几米断层破碎带，见断层角砾、断层透镜体和断层泥。角砾呈棱角状、次棱角状，角砾成分为灰岩、白云岩等，钙质、泥质胶结，胶结紧密，断面上发育擦痕和阶步。

图1 研究区构造纲要略图

1.背斜轴；2.向斜轴；3.逆断层；4.正断层；5.平移断层；6.性质不明断层；7.区驻地；8-乡镇驻地；9-研究区范围

3 水文地质条件

3.1 地下水类型及富水性

地下水主要划分三大类型：

3.1.1 第四系（Q）松散岩类孔隙水

第四系覆盖层为母岩风化后形成的残积或坡积物，分布于谷地、洼地底部或斜坡地带，地下水储集场土层孔隙中，富水性弱。

3.1.2 基岩裂隙水

基岩裂隙水赋存于碎屑岩出露地区，出露T1、P3、P3、P3，岩性以砂岩、砂质页岩、泥岩、页岩等，含水介质为基岩节理裂隙、风化裂隙、构造裂隙等。呈网状连接，延伸短，多被粘土充填，含水性差，透水性弱。

3.1.3 碳酸盐岩岩溶水

碳酸盐岩含水介质主要为溶隙、溶孔、裂隙、溶洞等。T2-3f、T2g2、T1yn以灰岩为主，含裂隙-溶洞水，富水性中等；T2g3以白云岩，含溶孔-溶隙水，富水性中等；T2g1以泥质白云岩、泥灰岩为主，含溶洞-裂隙水，富水性弱。

图2 研究区水文地质略图

1.碳酸盐岩岩溶水；2.基岩裂隙水；3.第四系松散岩类孔隙水；4.向斜轴；5.正断层；6.性质不明断层；7.地质界线；8.地层产状；9.有水落水洞；10.热响应测试孔；11.河流；12.水库；13.地下水流向；14.区驻地；15.乡镇驻地；16.村驻地；17.高程

3.2 地下水补、径、排条件

地下水主要接受大气降水补给，中部六枝河为地下水排泄基准面，地下水主要由北西向南东径流、运移，排泄于六枝河及其支流中。

区内地下水埋深浅，为地下水富集区。根据实施的3个测试孔资料，ZK1号测试孔水位埋深1.2m，ZK2号测试孔水位埋深0.35m，ZK3号测试孔水位埋深3.36m。

表2 测试孔基本参数统计表

4 热物性参数测试

4.1 测试原理

通过记录地埋管换热器进出口的温度、水流量及加热功率，经后期数据的分析、软件计算后，就得出岩体的热物性参数。

4.2 测试过程

在三叠系中统关岭组二段（T2g2）碳酸盐岩地层中布置了ZK1、ZK2、ZK3号测试孔（见图2），采用同一台热响应测试仪、相同测试环境、相同测试方法，分别对ZK1、ZK2、ZK3号孔开展热响应测试。三个测试孔所处构造位置不同(ZK1、ZK2号孔位于六枝向斜北东翼、六枝断层北东盘（上盘），ZK3号孔位于六枝向斜南西翼、六枝断层南西盘（下盘）)；所处水文地质条件相似、地层岩性相同。三个测试孔钻探工艺、回填料、回填方式、地埋管材质、埋管深度等相同，见表2。

表3 岩体热物性参数统计表

4.3 测试结果

根据热响应测试仪所测试孔热物性数据，经计算机模拟、计算，得出同一碳酸盐岩地层在不同地质构造条件下相应参数，测试结果见表3、表4。结果表明：

（1）ZK1、ZK2号测试孔所处地质构造相同，岩体初始温度、综合导热系数、容积比热容、热扩散率及延米换热量等热物性参数基本一致。

（2）ZK1、ZK2号与ZK3号测试孔所处地质构造不同，测出岩体初始温度、综合导热系数、容积比热容、热扩散率及延米换热量等热物性参数相差较大。

5 地质构造对热物性参数的影响分析

ZK1、ZK2与ZK3测试热物性参数相差较大的原因是：

（1）ZK1、ZK2号测试孔位于六枝断层上盘，断层上盘活动往往较下盘强烈，地温增温率较高，在相同深度条件下，导致ZK1、ZK2号的岩体初始温度平均值比ZK3号高0.81℃。

（2）ZK1、ZK2号测试孔岩体初始温度高于ZK3号，在换热器中流体加热温度相同的条件下，则流体与岩体的温差较ZK3号小，导致测试出的综合导热系数、容积比热容、热扩散率的平均值分别比ZK3号低1.63 W/m.℃、1.28×106J/ m3℃、0.12×10-6m2/s。

表4 地埋管不同工况下对应换热量表

（3）受地质构造的影响，ZK1、ZK2号与ZK3号测试孔的岩体初始温度、综合导热系数、容积比热容、热扩散率等参数不一致，导致测试孔在相同工况条件下延米换热量相差较大，ZK3号换热能力较ZK1、ZK2号好。

6 结论

受地质构造的影响，断层两盘同一碳酸盐岩地层热物性参数相差较大。测试断层上盘岩体初始温度高于下盘，而岩体综合导热系数、容积比热容、热扩散率、相同工况条件下的延米换热量低于下盘。区内岩体热物性参数的取得，为浅层地热能资源开发利用项目建设提供设计依据，但未考虑地下水渗流场影响，且样本数量少，其成果供同仁参考。

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On the Influence of Geological Structure on Thermophysical Parameters of Carbonate Rock

MU Zhao-meng1,2YIN Chen1WU Lan1

(1-The 114th Geological Team, Guizhou Bureau of Geology and Exploration and Exploitation of Mineral Resources, Zunyi, Guizhou 563000; 2-Guizhou Shallow Geothermal Energy Development Co. , Ltd., Guiyang 550000)

Thermophysical parameters of carbonate rock samples of the same lithology, lying in similar hydrogeological condition and occurring in hanging wall and footwall of the same fault, respectively are tested by means of the same test method under the same test conditions. The results indicate that thermophysical parameters of the same carbonate rock are different under the condition of different geological structure. The obtained thermophysical parameters of carbonate rock samples provide the design basis for the development and utilization of shallow geothermal energy resources in the area.

geological structure; carbonate rock; thermophysical parameter; Liupanshui, Guizhou

P341

A

1006-0995（2021）03-0467-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.023

2020-07-28

贵州省地矿局地质科研资金资助项目“黔北地区不同水文地质条件下碳酸盐岩热物性特征研究”黔地矿科合（2019）18号

穆照猛（1988— ），男，贵州安顺人，工程师，现从事水文地质、工程地质、环境地质及地热资源勘查开发工作