衛(wèi)萬順 李寧波 鄭桂森 欒英波 楊俊偉 李翔 于湲 王立志

摘? 要：研究成因機(jī)理及其控制條件，對我國大規(guī)?？茖W(xué)開發(fā)利用淺層地?zé)崮芤饬x重大。研究表明：淺層地?zé)崮芊旨壙刂铺卣髅黠@，大地?zé)崃骱湍昃鶜鉁乜刂茰\層地?zé)崮艽蟮爻梢??；鶐r埋深、地溫梯度、活動斷裂和地下水條件，控制淺層地?zé)崮軈^(qū)域分布規(guī)律。淺層地?zé)崮芸刹赡芰Γ瑒t主要由淺層地溫場、地下水條件、巖土體物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水率和回填材料制約。常溫層底板埋深溫度等值線可以表征區(qū)域分布規(guī)律，基底埋深控制總體分布特征，后期活動斷裂是影響和控制的關(guān)鍵因素，地下水條件對淺層地?zé)崮苓w移賦存規(guī)律影響較大。首次提出我國淺層地?zé)崮荛_采區(qū)規(guī)模分類方案。

關(guān)鍵詞：中國;淺層地?zé)崮?成因機(jī)理;控制條件; 地溫梯度

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

淺層地?zé)幔兀┠苁且环N可再生的新型環(huán)保能源，利用潛力巨大。大規(guī)模開發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。近年來，我國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用發(fā)展迅速，行業(yè)未來的發(fā)展方向是如何高效、科學(xué)和可持續(xù)大規(guī)模開發(fā)利用淺層地?zé)崮?。但目前在大?guī)模開發(fā)利用方面，存在成因認(rèn)識分歧較大、控制條件研究薄弱和開發(fā)利用工程簡單化等一些突出問題。這些問題都與淺層地?zé)崮艹梢蛘J(rèn)識不一致和研究水平低下有關(guān)，已嚴(yán)重影響了淺層地?zé)崮芰夹蚤_發(fā)利用，亟需開展淺層地?zé)崮艹梢驒C(jī)理及其控制條件研究。

淺層地?zé)崮苡袆e于其他固、液、氣體能源，那么如何研究其成因及主要控制因素？這需要一種全新的研究思路和方法，分析確定影響淺層地?zé)崮艿闹饕刂埔蛩?，進(jìn)而研究控制這些因素的地質(zhì)條件和變化規(guī)律。本文提出應(yīng)堅(jiān)持如下原則：（1）堅(jiān)持分級控制原則。從全國范圍、一個城市和開采區(qū)3個不同層級，分級研究控制淺層地?zé)崮艿闹饕蛩丶捌渥兓?guī)律，進(jìn)而開展我國淺層地?zé)崮艽蟮爻梢蝾愋头謪^(qū)、城市范圍淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)和開采區(qū)規(guī)模劃分工作，分3個層級科學(xué)指導(dǎo)與合理部署我國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工作。（2）堅(jiān)持成因機(jī)理研究優(yōu)先原則。從全國范圍的角度，系統(tǒng)分析我國不同地區(qū)常溫層溫度和深度與大地?zé)崃髅芏?、巖土體熱導(dǎo)率、地溫梯度、年均氣溫、降雨量和氣候帶等因素之間的關(guān)系，從橫向上研究常溫層溫度及其控制因素對淺層地?zé)崮艹梢虻目刂谱饔?，提出淺層地?zé)崮艹梢蚰Ｊ?，劃分成因類型，開展大地成因分區(qū)工作，從全國范圍的角度劃分我國優(yōu)先開發(fā)利用淺層地?zé)崮艿牡貐^(qū)。（3）堅(jiān)持淺層地?zé)崮軈^(qū)域控制條件差異化原則。以一個城市為單元，認(rèn)真研究常溫層深度與地溫梯度、活動斷裂、基巖埋深和水文地質(zhì)條件等因素之間的關(guān)系，分析常溫層深度和溫度對淺層地?zé)崮艿膮^(qū)域控制條件，提出城市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性區(qū)劃意見。（4）堅(jiān)持資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)并重原則。以一個開發(fā)項(xiàng)目為研究對象，分析開采區(qū)的地下水條件、淺層地溫場特征、巖土體物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水率和回填材料等因素對巖土體熱導(dǎo)率的影響，對淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用和地質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行詳細(xì)評價，提出科學(xué)開發(fā)利用方案和環(huán)境保護(hù)措施。

1 大地成因類型劃分及其成因機(jī)理研究

本文系統(tǒng)收集了全國各地的常溫層溫度、常溫層深度、大地?zé)崃髅芏?、巖土體熱導(dǎo)率、地溫梯度、年均氣溫、降雨量和氣候帶等參數(shù)，分析了常溫層溫度和深度與大地?zé)崃髅芏?、巖土體熱導(dǎo)率、地溫梯度、年均氣溫、降雨量和氣候帶的關(guān)系，重新劃分了成因類型，提出了中國淺層地?zé)崮艹梢蝾愋痛蟮胤謪^(qū)方案，研究了淺層地?zé)崮艹梢驒C(jī)理。

1.1 中國淺層地?zé)崮艽蟮爻梢蝾愋头謪^(qū)

在原有淺層地?zé)崮艹梢蝾愋蛣澐郑ㄐl(wèi)萬順等，2012）的基礎(chǔ)上，根據(jù)常溫層巖土體原始溫度tH的高低，結(jié)合全國大地?zé)崃髅芏确植继卣?、年均氣溫和地形地勢特征等因素，新增加一類劃分方案，將我國淺層地?zé)崮艹梢蝾愋蛣澐譃?大類：tH≥15℃、tH=10℃～15℃、tH=5℃～10℃和tH≤5℃（表1）。

按照此劃分方案，提出了中國淺層地?zé)崮艹梢蝾愋痛蟮胤謪^(qū)方案（圖1）。

（1）tH≥15℃和tH=10℃～15℃型淺層地?zé)崮芊植紖^(qū)：常溫層原始溫度較高，常溫層原始溫度與當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁叵嘟謩e相差0.4℃和1.8℃，缺少常溫層原始溫度數(shù)據(jù)時，可以用當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁貋泶?，是淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜區(qū)，應(yīng)大力開發(fā)利用淺層地?zé)崮堋?/p>

（2）tH=5℃～10℃型淺層地?zé)崮芊植紖^(qū)：常溫層原始溫度較低，常溫層原始溫度與當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁叵嗖?.0℃，缺少常溫層原始溫度數(shù)據(jù)時，不能用當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁貋泶妫菧\層地?zé)崮荛_發(fā)利用較適宜區(qū)。

（3）tH≤5℃型淺層地?zé)崮芊植紖^(qū)：常溫層原始溫度很低，與當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁叵嗖?.8℃，是淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用不適宜區(qū)。

1.2 淺層地?zé)崮艹梢驒C(jī)理

（1）根據(jù)地溫長期觀測結(jié)果，地下0～200m巖土體原始溫度垂向上可分為變溫帶、常溫層和增溫帶，其中常溫層溫度及深度是淺層地?zé)崮艿闹匾笜?biāo)（衛(wèi)萬順等，2012）。

（2）從表2和圖2中可以看出，常溫層巖土體原始溫度表現(xiàn)出隨年均氣溫和大地?zé)崃髅芏壬叨叩内厔荩鴰r土體熱導(dǎo)率、地溫梯度和降雨量與常溫層巖土體原始溫度關(guān)系不明顯。表明常溫層巖土體原始溫度與年均氣溫和大地?zé)崃髅芏让芮邢嚓P(guān)，即常溫層巖土體原始溫度與太陽能和地球內(nèi)部熱能有關(guān)。

（3）從表2和圖1可以看出：我國省會城市常溫層頂板埋深深度在10～38m間，常溫層頂板埋深總體上呈東南低，西北、東北地區(qū)高的特征，尤其是東北地區(qū)與青藏高寒區(qū)常溫層頂板埋深普遍較深。在地質(zhì)條件相似地區(qū)，常溫層具有年均氣溫高、頂板埋深相對淺，大地?zé)崃髅芏鹊?、常溫層頂板埋深相對深的變化趨勢，即氣候變化與大地?zé)崃骶C合作用是影響常溫層頂板埋深的內(nèi)在因素，表明常溫層深度與太陽能和地球內(nèi)熱能作用有關(guān)。

綜上所述，淺層地?zé)崮苁翘柲芎偷厍蛏畈繜崮芫C合作用形成的低溫地?zé)崮?，存在于地下近表層?shù)百米內(nèi)（一般小于200m）常溫層中的巖土體和地下水里的低溫地?zé)崮?，再生迅速、取之不竭、用之不盡、清潔環(huán)保。

2 區(qū)域控制條件及其開發(fā)適宜性區(qū)劃研究

淺層地?zé)崮軈^(qū)域控制條件是指在一個城市范圍內(nèi)，控制淺層地?zé)崮芸臻g分布規(guī)律的地質(zhì)條件。以地埋管式為例，分別從橫向和垂向上，來研究一個城市的常溫層溫度和深度與活動斷裂、地溫梯度、基巖埋深和水文地質(zhì)條件等因素之間的關(guān)系，提出城市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性區(qū)劃意見。

2.1 常溫層底板埋深溫度等值線可以表征淺層地?zé)崮軈^(qū)域分布規(guī)律

科學(xué)表述淺層地?zé)崮軈^(qū)域分布特征始終是個難題。由于常溫層溫度及深度是淺層地溫場和淺層地?zé)崮苜Y源的重要指標(biāo)，本文通過繪制常溫層底板深度上的常溫層溫度等值線，運(yùn)用常溫層溫度和深度兩個參數(shù)，來研究淺層地?zé)崮軈^(qū)域分布特征與基巖埋深、地溫梯度、活動斷裂、地下水條件的關(guān)系，進(jìn)而研究淺層地?zé)崮軈^(qū)域分布特征。如北京平原區(qū)，常溫層頂板埋深為15m左右、常溫層厚度為30m、常溫層溫度為14℃，據(jù)此，以14℃為邊界，繪制了北京平原區(qū)常溫層底板埋深（50m深）溫度等值線圖（圖3），既反映了常溫層的溫度變化規(guī)律，又反映了常溫層的深度特征。從圖3可以看出，北京平原區(qū)常溫層底板埋深溫度等值線走向以北東向橢圓形分布。

2.2 基巖頂界及其地溫場特征是控制淺層地?zé)崮芸臻g分布的基礎(chǔ)條件

（1）基底形態(tài)控制淺層地?zé)崮芸傮w分布規(guī)律

基底起伏與常溫層溫度的橫向變化呈正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為凹陷帶低地溫，凸起帶高地溫;基巖埋深與常溫層頂板埋深呈正相關(guān)關(guān)系，基巖埋深越大的地區(qū)、地下水對地溫的干擾越強(qiáng)，常溫層頂板埋深越大（如太原盆地）。

（2）基巖頂界地溫場控制著淺層地溫場的空間展布

對比圖3和圖4得出，北京平原區(qū)淺層地?zé)崮芊植家?guī)律與基巖頂界地?zé)崮芊植家?guī)律十分相似，表明深層地溫場對淺層地溫場具有控制性。

2.3 地溫梯度是控制淺層地?zé)崮芸砷_采資源量的重要條件

北京平原區(qū)淺部地溫梯度高于深部基巖的地溫梯度（衛(wèi)萬順等，2010）。除此之外，地溫梯度還有兩項(xiàng)重要特征：

（1）地溫梯度等值線形態(tài)明顯受活動斷裂控制

從圖5可以看出，北京平原區(qū)淺層（20～300m）地溫梯度等值線走向以北東和北西向帶狀分布，長軸方向與主要隱伏活動斷裂延伸方向基本一致，即淺層地溫梯度等值線形態(tài)明顯受活動斷裂控制。

（2）地溫梯度控制淺層地?zé)釡啬芸砷_采資源量

從地溫梯度公式?θ/?l =q/（λ·S·τ）可以看出：地溫梯度（?θ/?l）與熱流量（q）關(guān)系密切，呈正相關(guān)關(guān)系，l方向的地溫梯度（?θ/?l）越高，熱流量（q）就越大，即地溫梯度高的地區(qū)淺層地?zé)釡啬芸砷_采資源量大于其他地區(qū)。式中：q為熱流量;?θ/?l為l方向的地溫梯度; ?為面積;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，τ為單位時間）。

2.4 活動斷裂是影響和控制淺層地?zé)崮艿年P(guān)鍵因素

從地源熱傳遞角度來看，活動斷裂改變了基巖裂隙，從而使得地球深部流體及熱量向地表傳遞的通道發(fā)生改變。因此，也影響著淺層地?zé)崮艿姆植继卣鳌?/p>

（1）活動斷裂影響常溫層頂板埋深

從圖6可以看出，北京平原區(qū)常溫層頂板（14℃等值線）呈波狀起伏。在八寶山斷裂帶上盤的鉆孔Ⅰ-75和黃莊-高麗營斷裂帶上盤的鉆孔Ⅰ-88常溫層頂板埋深較低，巖土體溫度較高，地表下70m處地溫為15.9℃和21.22℃，斷裂帶附近巖土體溫度達(dá)到最高值，遠(yuǎn)離斷裂帶溫度則迅速降低，即隱伏活動斷裂控制常溫層頂板埋深。

（2）活動斷裂是影響和控制淺層地?zé)崮芸砷_采資源量的關(guān)鍵條件

從圖6可以看出：在活動斷裂附近巖土體的平均溫度（t4）明顯高于遠(yuǎn)離活動斷裂的區(qū)域巖土體的平均溫度（t4），據(jù)Dq=Ks×|t1- t4|×L×n×τ×10-3可知，活動斷裂附近淺層地?zé)崮芸砷_采資源量（可換熱功率）要明顯大于遠(yuǎn)離活動斷裂區(qū)域的淺層地?zé)崮芸砷_采資源量，表明活動斷裂影響淺層地?zé)崮芸砷_采資源量。

2.5 地下水條件對淺層地?zé)崮苓w移賦存規(guī)律影響較大

常溫狀態(tài)下，水具有較高的熱容性和流動性，因此是熱量傳遞的良好載體。

（1）大氣降水滲透、上游補(bǔ)給、地層活動以及人工開采地下水等，成為地下水流動的驅(qū)動力，可以促進(jìn)熱量的傳遞速率。在平面上，可以對地下溫度場起到很好的溫度展平作用;在縱深上，通過裂隙或?qū)ǖ乐械膶α鳎梢园褵崃繋У降乇砘蚋h(yuǎn)的排泄區(qū)。從而影響地下巖土體的溫度變化。

（2）可以影響常溫層頂板埋深。如福州地區(qū)，水動力條件較好的區(qū)域常溫層頂板埋深較大，這主要是由于含水層與地表水、大氣降水等聯(lián)系緊密，易受外部環(huán)境的影響所致。

3 開采區(qū)規(guī)模與熱傳導(dǎo)系數(shù)影響因素研究

3.1 淺層地?zé)崮荛_采區(qū)規(guī)模劃分

近年來，我國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用迅速，未來的發(fā)展方向是如何高效、科學(xué)可持續(xù)大規(guī)模開發(fā)利用。原有標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于資源勘查的相關(guān)規(guī)定不能完全適用于指導(dǎo)當(dāng)前大型項(xiàng)目的開展，由此，需要提出一個淺層地?zé)崮荛_采區(qū)規(guī)模劃分的問題。結(jié)合全國淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用實(shí)際情況，以供熱或供冷面積為標(biāo)準(zhǔn)，提出將我國淺層地?zé)崮荛_采區(qū)規(guī)模劃分為小型（<10萬m2）、中型（10萬m2～49萬m2）、大型（50萬m2～100萬m2）和特大型（>100萬m2）4大類，針對不同規(guī)模采取有效的資源勘查和承載力評價工作。

3.2 熱傳導(dǎo)系數(shù)影響因素研究

地埋管換熱器傳熱系數(shù)Ks是淺層地?zé)崮芄こ淘O(shè)計(jì)的重要參數(shù)。根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》（DZ/T0225-2009）中相關(guān)公式可以推出：

從式（1）各參數(shù)分析，地埋管換熱器傳熱系數(shù)（Ks）主要受鉆孔周圍巖土體平均熱導(dǎo)率（λ3）控制，巖土體平均熱導(dǎo)率（λ3）是淺層地?zé)崮芸刹少Y源量的主要控制條件。而地埋管材料的熱導(dǎo)率（λ1）及鉆孔中回填料的熱導(dǎo)率（λ2）對淺層地?zé)崮苜Y源的開采也有一定影響，但屬人為因素。以一個開發(fā)項(xiàng)目為研究對象，區(qū)分項(xiàng)目大小，開展不同巖性熱導(dǎo)率影響機(jī)理研究和開采區(qū)的熱傳導(dǎo)率控制因素研究。分析開采區(qū)的水文地質(zhì)條件、淺層地溫場特征、巖土體物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水率和回填材料等因素對巖土體熱導(dǎo)率的影響程度，對淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用和地質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行詳細(xì)評價，提出科學(xué)開發(fā)利用方案和環(huán)境保護(hù)措施。

（1）不同巖性熱導(dǎo)率影響機(jī)理研究

在實(shí)驗(yàn)室條件下測定不同狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土和細(xì)砂的熱導(dǎo)率（欒英波等，2011;欒英波等，2013），對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。研究結(jié)果顯示，粉質(zhì)黏土和細(xì)砂數(shù)據(jù)的分布規(guī)律一致且趨勢明顯：熱導(dǎo)率與含水率、孔隙度呈負(fù)相關(guān)，與密度呈正相關(guān)。這對淺層地下水流動緩慢（非對流狀態(tài)）或無地下水地區(qū)的巖土體傳熱能力研究具有重要指導(dǎo)意義。

（2）不同換熱孔的熱傳導(dǎo)率控制因素研究

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的換熱孔內(nèi)傳熱效率主要受人為控制因素影響，通過降低傳熱熱阻，提高熱傳遞速率。目前，絕大多數(shù)地埋管管材采用HDPE管，其熱導(dǎo)率為0.5W/（m·℃），主要由于其耐壓、耐腐蝕、經(jīng)濟(jì)性好;但也有部分項(xiàng)目采用導(dǎo)熱性能較高的金屬類埋管，提高傳熱能力。因此，對不同管材、管型的換熱孔進(jìn)行了不同功率熱響應(yīng)測試研究（李娟等，2018;賈子龍等，2019;楊俊偉，2019）

而換熱孔內(nèi)回填材料的選擇則是考慮不同開采區(qū)水文地質(zhì)條件等。一般富水性較好地區(qū)采用中粗砂回填增加水流通道，促進(jìn)換熱;富水性較差地區(qū)采用水泥砂漿或原漿等回填，增大導(dǎo)熱性能。同時，也針對不同地質(zhì)單元相同回填材料和同一地質(zhì)單元不同回填材料的地埋管換熱能力進(jìn)行了測試研究（欒英波等，2014）。

研究結(jié)果表明，地埋管換熱與地埋管和回填料的材料、結(jié)構(gòu)，水文地質(zhì)條件以及巖土體構(gòu)造，地溫場，呈耦合相關(guān)性。對完善理論模型具有很高的參考價值。

4 結(jié)論

（1）淺層地?zé)崮艹梢蚴菤夂蜃兓痛蟮責(zé)崃骶C合作用產(chǎn)生，不同地區(qū)常溫層的深度及厚度存在差異，是影響淺層地?zé)崮芊植家?guī)律的重要參數(shù)。

（2）淺層地?zé)崮芊旨壙刂铺卣髅黠@，大地?zé)崃骱湍昃鶜鉁乜刂茰\層地?zé)崮艽蟮爻梢?，基巖埋深、地溫梯度、活動斷裂和地下水條件控制淺層地?zé)崮軈^(qū)域分布規(guī)律，淺層地?zé)崮芸刹赡芰t主要由淺層地溫場、地下水條件、巖土體物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)、孔隙度、含水率和回填材料制約。

（3）常溫層底板埋深溫度等值線可以表征淺層地?zé)崮軈^(qū)域分布規(guī)律，基底埋深控制淺層地?zé)崮芸傮w分布特征，淺層地?zé)崮芸砷_采量明顯受地溫梯度影響，活動斷裂是影響和控制淺層地?zé)崮艿年P(guān)鍵因素，地下水條件對淺層地?zé)崮苓w移賦存規(guī)律影響較大。

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