淺層地溫測量在地?zé)崮芸辈橹械膽?yīng)用與研究
——以昌黎空港產(chǎn)業(yè)園區(qū)為例

趙昕宇 王 朋 李京晶 蘇 玲 季倩男 湛 丹

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì) 唐 山 063000)

淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)含在地表200 m以內(nèi)，溫度一般不超過25 ℃的熱能。與其他能源相比，其具有分布廣泛、可循環(huán)再生、儲(chǔ)量巨大、可就近利用等優(yōu)點(diǎn)。深部的地?zé)岙惓１厝灰愿鞣N方式傳遞到地層淺部或地表，據(jù)此理論在進(jìn)行地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查時(shí)首先布置淺層地溫測量。

1 淺層地溫測量法原理

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者(賈苓希、Coolbaugh)研究，地下1 m以下深度24小時(shí)太陽輻射造成的溫度變化可以忽略，2 m以下深度的地溫受雨水、地表植被的影響很小。在一般情況下，季節(jié)性溫度變化可以通過長期監(jiān)測資料來修正。

賈苓希等人較早的進(jìn)行了淺層測溫的研究，主要在湖北英山(1982年)和漳州(1985年)等地進(jìn)行1 m測溫的野外實(shí)驗(yàn)，基本探測出熱異常區(qū)域。王連成于1998年在夏縣南山底地?zé)崽镩_展1 m測溫工作：完成測溫點(diǎn)42個(gè)，點(diǎn)間距150～200 m，探測出地?zé)岙惓^(qū)，總面積1 km2(圖1、圖2)。

圖1 湖北英山淺層土壤不同深度地溫日變化(賈苓希，1989)

圖2 湖北英山熱田1 m測溫結(jié)果(賈苓希，1982)

2 本次工作區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)

本次工作區(qū)位于“燕山山前中低溫地?zé)醽唴^(qū)”的昌黎縣曬甲坨地?zé)岙惓^(qū)，地?zé)豳Y源類型為隆起斷裂型，屬受斷裂構(gòu)造控制的由地下水深循環(huán)形成的地?zé)岙惓??？刂票緟^(qū)地?zé)釄龅臉?gòu)造主要為北東東向的灤南—昌黎斷裂(F5)、灤南—北戴河斷(F6)和北西向的雷店子—泥井?dāng)嗔?F7)(圖3)。

工作區(qū)熱儲(chǔ)為帶狀熱儲(chǔ)，在平面上水溫、水量差異極大。根據(jù)當(dāng)?shù)匾延械責(zé)峋Y料，深300 m時(shí)地下熱水水溫約50 ℃。地下熱水水質(zhì)為Cl-Na·Ca型水，礦化度2674.9～3079.60 mg/L。在180～500 m深度內(nèi)，單井涌水量為16.87～61.56 m3/h，單位涌水量0.234～3.11 m3/hm。

3 淺層地溫測量法的實(shí)施

3.1 儀器設(shè)備

成孔工具：Φ50 mm洛陽鏟，探桿Φ20 mm鍍鋅鐵管，絲扣連接，長度為2.0 m。

測溫儀器：探針溫度計(jì)，測量精度為0.1 ℃。

測量點(diǎn)間距：本工程淺層(1.40 m)地溫測量的測量點(diǎn)間距為250 m。

3.2 工作方法

定點(diǎn)：根據(jù)項(xiàng)目要求布置測溫點(diǎn)間距，三點(diǎn)之間呈正三角形，用手持GPS定點(diǎn)，并在現(xiàn)場結(jié)合地形、地物標(biāo)注在地形底圖上，其圖上與實(shí)際誤差<2 mm(圖上距離)。

成孔:用洛陽鏟在預(yù)定的測溫點(diǎn)位打一個(gè)淺孔，由于儀器總長度為1.50 m，儀器顯示器為0.10 m，所以洛陽鏟成孔深度為1.40 m±2 cm。

測試:成孔后，將儀器探針插入地層內(nèi)2～3 cm，將孔口塞嚴(yán)，以減少氣溫的影響，待顯示器所顯示的溫度穩(wěn)定(約2～4 min)后讀數(shù)，并記錄到“地溫調(diào)查記錄表”內(nèi)，主要內(nèi)容為：點(diǎn)號(hào)、測點(diǎn)坐標(biāo)、測點(diǎn)地溫、測量時(shí)間、測量時(shí)氣溫、儀器編號(hào)、測量日期、天氣情況、測量中需要說明的問題。

4 測溫結(jié)果與分析

4.1 測溫結(jié)果

(1)單孔連續(xù)測溫

工作時(shí)間內(nèi)，每天對固定地點(diǎn)進(jìn)行測溫(表1)。

表1 單孔連續(xù)測溫統(tǒng)計(jì)表

表1數(shù)據(jù)說明，在較短工作時(shí)間內(nèi)，氣溫對地溫測量工作的結(jié)果影響較小，其造成的誤差可忽略不計(jì)。

(2)測溫?cái)?shù)據(jù)利用

利用此法對“河北省昌黎縣空港產(chǎn)業(yè)園” 30 km2的區(qū)域進(jìn)行了測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)繪制了昌黎縣空港產(chǎn)業(yè)園的1.40 m地溫等值線圖(圖3)。

4.2 淺層地溫場平面分布特征

昌黎縣龍家店鎮(zhèn)9月份地下1.40 m深的地溫正常值約為16.3 ℃。從本次地溫測量所繪地溫等值線圖看，規(guī)律性不十分明顯，且均在地溫正異常區(qū)(以16.3 ℃為地溫平均值)，但總趨勢是場地西北部較高，東南部較低，中間為過渡地帶，三帶走向?yàn)榻睎|向。地溫平均值為20.3 ℃。地溫最低點(diǎn)位于張莊子村北1450 m(17.6 ℃)，地溫最高點(diǎn)位于曬甲坨村內(nèi)(23.5 ℃)。地溫高于21.5 ℃的面積為1.97 km2，占總面積的6.54%，多分布于測區(qū)西北部；地溫低于19.5 ℃的面積為3.15 km2，占總面積的10.46%，多分布于測區(qū)東南部；溫度為19.5～21.5℃的面積為24.99 km2，占總面積的83.00%。

從平面上看，可以連出縱橫各兩條高溫點(diǎn)連線帶，與區(qū)域上的F5、F6、F7斷裂近似平行和或重疊。

縱向兩條，從西到東為Ⅰ-Ⅰ＇、Ⅱ-Ⅱ＇，這兩條線均與F7斷裂基本平行。Ⅰ-Ⅰ＇帶在測區(qū)西側(cè)，最高溫度點(diǎn)22.0℃，最低溫度點(diǎn)19.2 ℃。Ⅱ-Ⅱ＇帶在測區(qū)中部，最高溫度點(diǎn)23.5 ℃，最低溫度點(diǎn)19.6 ℃。

橫向兩條，從北到南為A-A＇、 B-B＇，這三條線均與F5、F6斷裂走向近似。A-A＇帶在測區(qū)北部，最高溫度點(diǎn)23.5 ℃，最低溫度點(diǎn)20.3 ℃。B-B＇帶在測區(qū)中部，最高溫度點(diǎn)22.0 ℃，最低溫度點(diǎn)19.2 ℃。

4.3 淺層地溫場垂向分布特征

在淺層(1.40 m)地溫大于21.5 ℃的范圍內(nèi)施工第四系地質(zhì)勘查孔一個(gè)，孔深156.00 m，以了解第四系地溫梯度。鉆孔終孔后進(jìn)行了井溫測量，測點(diǎn)間距為10 m，測井結(jié)果如表2。

圖3 昌黎縣空港產(chǎn)業(yè)園規(guī)劃區(qū)(1.40 m)地溫等值線圖

深度(m)10．020．030．040．050．060．070．080．0地溫(℃)15．2116．6317．7018．9419．8720．5921．5122．36深度(m)90．0100．0110．0120．0130．0140．0150．0156．0地溫(℃)23．3124．2124．9725．7126．4127．0427．7328．40

地溫增幅13.19 ℃/146 m，T=9.03 ℃/100 m。梯度明顯高于正常值(1～3 ℃/100 m)，結(jié)果有力的證明了深層地?zé)崮苣軌蛲ㄟ^熱傳導(dǎo)和熱對流傳遞到地球表面。

5 結(jié)論

由上述實(shí)例得出，淺層(1.40 m)地溫測量結(jié)果與勘查孔測井結(jié)果一致，試驗(yàn)顯示了1.40 m地溫測量法在地?zé)崽綔y初期的有效性，可以反映區(qū)域淺層地?zé)崮軛l件及其分布規(guī)律，可以作為區(qū)域和場地淺層地溫能勘查評價(jià)的手段之一，可為淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用和布局提供依據(jù)。

淺層(1.40 m)地溫測量法是進(jìn)行大比例尺地?zé)岬刭|(zhì)測量中簡單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的一種有效的探測手段；合理布置淺層(1.40 m)測溫點(diǎn)，能獲取大量淺層地溫?cái)?shù)據(jù)，繪制溫度等值線圖，從而初步確定地?zé)岙惓^(qū)范圍；根據(jù)1.40 m深度地溫分布，常常可以探測出地下水流分布和斷裂帶；基于1.40 m地溫測溫法，建立地溫預(yù)測模型(短時(shí)間內(nèi)可以將地下溫度場視為穩(wěn)態(tài)溫度場。由傅里葉定律，已知某一深度的地溫 ，則另一深度的地溫值可由已知地溫和導(dǎo)熱系數(shù)及熱流密度決定:T2=T1+q*(H2-H1)*λ)，合理修正后可以推斷深部地溫場分布。

基于1.40 m測溫法的地溫預(yù)測模型原理清晰，使用空港產(chǎn)業(yè)園區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果說明該方法預(yù)測準(zhǔn)確，1.40 m地溫測量法取得良好效果，該方法在我國具有實(shí)際推廣意義。

[1]賈苓希,關(guān)小平,徐建華.在地?zé)峥辈橹幸幻诇y溫法幾個(gè)問題的探討[J]物探與化探,1986,10(2):115-122.

[2] 賈苓希,李大心，戴仲鴻.一米測溫在漳州地區(qū)的應(yīng)用效果[J].地球科學(xué)，中國地質(zhì)大學(xué)報(bào),1988,13(3):263-269.

[3] 張延軍,張通,殷任朝.基于2 m測溫法的地?zé)岙惓^(qū)探測及地溫預(yù)測，[J]吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,47(1):189-196.