河南省永城市順河西礦區(qū)地溫分布規(guī)律研究

顏少權，楊義棟，張超然

河南省地質礦產勘查開發(fā)局第四地質礦產調查院，河南鄭州451464

1 礦區(qū)簡述

順河西礦區(qū)位于中國六大無煙煤生產基地之一的河南省永城市，面積約166 km2，探明資源儲量5.2×108t，主要為無煙煤和貧煤，煤層主要埋深600～1500 m［1］.目前正處于建井前準備階段.

1.1 地層

全礦區(qū)被新生界松散沉積物所覆蓋，平均厚度438.1 m.根據(jù)礦區(qū)鉆孔揭露，地層從老到新為奧陶系中統(tǒng)（O2）、石炭系上統(tǒng)（C2）、二疊系（P），基巖傾角在3～15°之間.本區(qū)二疊系山西組（P1s）為主要含煤地層，主采二2煤層厚0～6.76 m，平均厚度2.33 m［2-3］.

1.2 構造特征

順河西礦區(qū)處于華北拗陷東部邊緣之永城背斜西翼的西延地帶，與魯西南隆起接壤.受后期E－W向焦作－商丘斷層及NNE向濟陽斷層等區(qū)域大斷裂的影響，礦區(qū)內形成了NNW—NW和NNE—NE向的多個斷層及短軸背向斜，對原始地層、煤層走向及煤層埋深等都產生較大影響［2，4］.

礦區(qū)共有68個鉆孔，其中59個鉆孔見到131層巖漿巖，侵入層位主要是二疊系下統(tǒng).巖漿巖多呈巖席狀或似層狀，但厚度變化較大，從0.38～27 m不等.

2 測溫資料收集與處理

2.1 測溫資料

本次收集了永城市順河西礦區(qū)鉆孔近穩(wěn)態(tài)測溫、鉆孔簡易測溫數(shù)據(jù)及恒溫帶數(shù)據(jù)，奠定了礦區(qū)地溫場分析的基礎.

1）鉆孔近似穩(wěn)態(tài)測溫數(shù)據(jù).收集了順河西礦區(qū)2個近穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔數(shù)據(jù)，孔深在1500～1650 m.鉆探施工結束后按12、12、24、24 h的時間間隔順序用同一儀器進行測溫，直至24 h內溫度變化不大于0.5℃或總測溫時間已達72 h為止［5-6］.

2）鉆孔簡易測溫數(shù)據(jù).對收集到的44個鉆孔的簡易測溫數(shù)據(jù)進行校正后利用，孔深在700～1600 m.在鉆探施工結束后，對常規(guī)測井前后各進行一次地溫測量，間隔時間一般只有6～8 h.簡易測溫第二次測量一般是在井液停止循環(huán)時間8 h左右進行的，與原始巖溫相差較大，需進一步處理才能被利用.

3）恒溫帶數(shù)據(jù).采用永城市東大營恒溫觀測孔觀測結果：孔深81 m，孔徑110 mm，恒溫帶深度23 m，溫度16.5℃［7］.

2.2 資料處理

孔底溫度恢復至近似穩(wěn)態(tài)溫度的過程有規(guī)律可循，利用Z0103、Z0708孔近似穩(wěn)態(tài)鉆孔中測溫數(shù)據(jù)，經公式（1）計算出兩孔溫度恢復增量ΔT（見表1）.

表1 近似穩(wěn)態(tài)測溫孔△T－t關系統(tǒng)計表Table 1 Relationship between temperature recovery increment and time of approximate steady state boreholes

式中：T為近似穩(wěn)態(tài)鉆孔最后一次測得的井底溫度，℃；Ti為近似穩(wěn)態(tài)鉆孔某一次測得的井底溫度（T與Ti必須是同一深度點上的溫度），℃；ΔT為溫度增量百分數(shù)，%.

采用指數(shù)型函數(shù)曲線類型對ΔT與鉆井液停止循環(huán)時間t的關系曲線ΔT－t進行公式擬合［8-10］，得出擬合曲線公式ΔT＝6.59928e－0.04397t－0.26437，如圖1所示.

圖1 近似穩(wěn)態(tài)鉆孔溫度恢復增量與靜井時間關系圖Fig.1 Diagram of temperature recovery increment vs.static well time of approximate steady state boreholes

將礦區(qū)內鉆孔簡易測溫時的鉆井液停止循環(huán)時間t帶入校正曲線公式（1），求出相應的增量值ΔT，利用簡易測溫溫度Tj并根據(jù)公式（2）可計算出校正后的簡易測溫鉆孔溫度（見表2）.

表2 簡易測溫鉆孔校正后的孔底溫度Table 2 Corrected bottom temperature of simple temperature measurement borehole

式中：Tj為簡易測溫鉆孔溫度，℃；T0為校正后孔底溫度，℃.

3 礦區(qū)地溫分布規(guī)律

3.1 地溫梯度

利用校正后的孔底溫度、恒溫帶溫度及深度，利用公式（3）計算出鉆孔平均地溫梯度.

式中：G為鉆孔平均地溫梯度，℃/100 m；H為鉆孔孔底深度，m；Ts為恒溫帶溫度，℃；Hs為恒溫帶深度，m.

本區(qū)46個簡易測溫鉆孔終孔埋深為699.62～1 631.18 m.經計算，單孔地溫梯度變化較大，在2.12～4.75℃/100 m之間，地層平均地溫梯度2.75℃/100 m.根據(jù)礦區(qū)46個測溫鉆孔地溫梯度值，繪制永城市順河西礦區(qū)地溫梯度等值線圖（圖2），主要分布特征如下.

圖2 地溫梯度等值線圖Fig.2 Contour map of geothermal gradient

礦區(qū)地溫梯度大于3.0℃/100 m為異常增溫區(qū)，主要分布在D60線以北、D19線以西區(qū)域，構造上主要是該異常增溫區(qū)內背斜核部及向斜翼部位置，總體上呈由背斜核部向周圍遞減的態(tài)勢，其異常增溫區(qū)內鉆孔平均地溫梯度為3.16℃/100 m.礦區(qū)地溫梯度小于3.0℃/100 m.為正常增溫區(qū)，主要分布在礦區(qū)的南部，在D60線以南及D22線兩側區(qū)域，其鉆孔平均地溫梯度為2.54℃/100 m.

3.2 垂向地溫特征

為研究礦區(qū)平面地溫場特點，對礦區(qū)46個測溫孔相同深度的地溫數(shù)值進行算術平均，得到礦區(qū)各深度的平均地溫數(shù)值.通過數(shù)值擬合，得到礦區(qū)地溫數(shù)值t與埋深h關系曲線（如圖3）.礦區(qū)各深度平均地溫數(shù)值與埋深呈線性正相關，表現(xiàn)為傳導型增溫特征.

圖3 礦區(qū)地溫與埋深關系圖Fig.3 Relationship between geothermal temperature and buried depth

3.3 水平向地溫特征

根據(jù)公式（4）計算主采煤層二2煤的地溫數(shù)值，本文做出二2煤底板等溫線圖.據(jù)《礦井降溫技術規(guī)范MT/T 1136－2011》規(guī)定，溫度高于31℃的區(qū)域為一級熱害區(qū)，高于37℃的區(qū)域為二級熱害區(qū).

式中：Tc為二2煤底板地溫；hc為二2煤層底板深度，m.

礦區(qū)等溫線與煤層底板等高線基本平行，地溫隨煤層的加深而逐漸增大.D22勘探線兩側，埋深534 m以淺，面積2.46 km2，地溫小于31℃，屬地溫正常區(qū)；F12斷層兩側及D23線兩側，面積6.54 km2，埋深534～769 m，地溫31～37℃，為一級熱害區(qū)；其余礦區(qū)面積157.28 km2，埋深在769 m以深，地大于37℃，屬二級熱害區(qū).

4 地溫影響因素分析

區(qū)域地溫特征取決于該區(qū)所處的大地構造部位及地殼的活動性.在特定大地構造條件下，礦區(qū)地溫的影響因素主要有構造、松散層厚度、巖漿活動、地下水活動等［11-14］.

4.1 構造形態(tài)

構造形態(tài)影響地溫主要是因為不同巖石的熱導率不同，熱量在地殼表層垂向和側向的傳導速率不同，將來自地球內的均勻熱流在地殼表部重新分配［15-16］.構造運動和巖漿活動使地殼變形，發(fā)生褶皺、斷裂形成隆起和凹陷、背斜和向斜等各種規(guī)模不一的構造，從而使原本水平的巖層發(fā)生改變，熱量沿裂隙、斷裂面及巖層面等導熱率高的介質進行傳導，使得褶皺核等部位更易匯集熱量，地溫梯度數(shù)值同比較大，如礦區(qū)孫官莊背斜、周莊背斜等地溫梯度大于3.0℃/100 m，而其翼部地溫梯度小于3.0℃/100 m.地溫梯度總體上呈由背斜核部向周圍遞減的趨勢，不同部位遞減的趨勢不同.

4.2 覆蓋層厚度

地球內部的熱量是通過巖石向外傳導的，不同的巖石具有不同的熱導率，具有不同的熱傳導性能.一般來說，巖石的結晶程度越高，致密性越高，熱導率越高.新生界的半固結或松散層沉積物孔隙度較大，膠結和壓實程度較低，導致松散層沉積物熱導率較低，使得新生界的覆蓋層阻礙了地殼表層熱的傳導與散失，起到增溫、保溫作用［17-18］.

礦區(qū)覆蓋層厚度382.41～524.90 m，平均厚度438.14 m，中部背斜軸區(qū)最薄，厚度變化總體呈東薄西厚的趨勢，個別地段由于基巖面不平而有一定的起伏變化.礦區(qū)不同鉆孔基巖界面溫度和松散層厚度變化趨勢呈正相關，即同一深度相同地質條件下，其上覆的新生界越厚地溫也就越高.礦區(qū)不同水平地溫梯度隨深度的增加而降低，到埋深450 m左右時地溫梯度的深度時趨于一致；在450～1 300 m，基本上沿2.2℃/100 m這個地溫梯度在上下波動，變化不大；從埋深1300 m以深，地層進入奧陶系，水分的增加使巖石熱導率增大，地溫梯度有減小的趨勢.

4.3 地下水活動

礦區(qū)新生界12～18層含水層，巖性以粉、細、中砂為主，單位涌水量0.14～2.78 L/s·m，滲透系數(shù)1.15～88.90 m/d，各含水層間有較厚的黏性土作隔水層，水力聯(lián)系較差，以側向徑流為主要補給與排泄方式.根據(jù)鉆孔測溫數(shù)據(jù)及水文孔抽水試驗資料分析，淺部地下水活動對本區(qū)地溫及地溫梯度的影響不甚明顯［19-20］.

礦區(qū)基巖埋深243～1 120 m，二疊系細、中粒砂巖裂隙不發(fā)育，石炭系、奧陶系灰?guī)r喀斯特較發(fā)育，單位涌水量0.000 1～0.99 L/s·m，滲透系數(shù)0.0002～2.65 m/d［1］，受泥巖隔水層阻隔，與上部含水層水力聯(lián)系差.區(qū)內裂隙填充物、斷層破碎帶結構致密，透水性較差，巖溶水通過斷層、裂隙與上部含水層進行水力聯(lián)系較差，致使巖溶水地下流通性較差，徑流滯緩，故巖溶水對礦區(qū)地溫的影響甚微.

4.4 巖漿巖

礦區(qū)內巖漿巖侵入時期為華力西期和燕山早、晚期，侵入時代較早，多呈巖席狀或似層狀，但厚度變化較大，從0.38～27 m不等，規(guī)模較小，所保留的余熱不多，對本區(qū)地溫場影響不大.

5 結論

通過對永城市順河西礦區(qū)2個近似穩(wěn)態(tài)測溫鉆孔和44個簡易測溫鉆孔數(shù)據(jù)的分析，結合其他地質資料，對礦區(qū)地溫場分布特征進行了深入研究，取得的主要認識如下.

1）礦區(qū)孔底溫度恢復增量與靜井時間的關系式為ΔT＝6.59928e－0.04397t－0.26437.根據(jù)校正公式及停鉆測溫時間可計算出簡易測溫鉆孔的孔底溫度.

2）垂向礦區(qū)地溫數(shù)值與深度的線性關系為t＝0.02541h＋17.442，呈現(xiàn)較好的正相關性.埋藏深度534～769 m屬一級熱害區(qū)，埋藏深度769 m以深屬二級熱害區(qū).

3）研究區(qū)地溫主要控制因素是礦區(qū)構造和松散層厚度，對地溫的影響較大.地下水活動及巖漿巖侵入對地溫影響甚微.