地質(zhì)構(gòu)造對碳酸鹽巖熱物性參數(shù)的影響分析

穆照猛尹陳吳嵐

地質(zhì)構(gòu)造對碳酸鹽巖熱物性參數(shù)的影響分析

穆照猛1，2，尹陳1，吳嵐1

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563000；2.貴州淺層地溫能開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550000）

本次試驗以貴州省六盤水市六枝特區(qū)城區(qū)為研究區(qū)，通過對同一斷層構(gòu)造上下兩盤水文地質(zhì)條件相似、地層巖性相同的碳酸鹽巖，采用相同施工工藝、相同測試環(huán)境、相同測試方法進(jìn)行熱響應(yīng)測試。試驗結(jié)果得出，同一碳酸鹽巖地層在不同地質(zhì)構(gòu)造下熱物性參數(shù)不同，斷層上盤地層巖體初始溫度高于下盤，綜合導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容、熱擴(kuò)散率、相同工況條件下的延米換熱量低于下盤。巖體熱物性參數(shù)的獲取，為區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用項目建設(shè)提供設(shè)計依據(jù)，但未考慮地下水滲流場影響，且樣本數(shù)量少，其成果供同仁參考。

地質(zhì)構(gòu)造；碳酸鹽巖；熱物性參數(shù)；貴州六盤水

1 自然地理

1.1 氣象水文

貴州省六盤水市六枝特區(qū)城區(qū)，地理坐標(biāo)，E：105°27′00″～105°30′01″，N：26°11′22″～26°13′33″。屬亞熱帶季風(fēng)溫暖濕潤氣候。年均氣溫14.5℃，7月平均氣溫22℃，最高34.1℃；1月平均氣溫5.2℃，最低-5.6℃。年均日照1 252.4小時，年總積溫5 700℃，多年日照時數(shù)1 144.2小時，歷年平均無霜期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。

六枝河由北西向南東匯入珠江流域北盤江水系一級支流打幫河（H010230）。河床坡降小。

1.2 地形地貌

地處云貴高原東坡烏蒙山與苗嶺山脈銜接地帶，高差50～100m。地貌類型以北西-南東走向峰叢谷地為主，谷地寬緩，被第四系松散層覆蓋，地下水水位埋深淺，為地下水富集區(qū)域。

表1 研究區(qū)地層簡表

2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

2.1 地層巖性

研究區(qū)地層以三疊系碳酸鹽巖地層為主。自新到老有第四系（Q），三疊系中至上統(tǒng)法郎組（T2-3）、中統(tǒng)關(guān)嶺組（T2）、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1）、下統(tǒng)夜郎組（T1），二疊系樂平統(tǒng)大隆組（P3）、樂平統(tǒng)長興組（P3）、樂平統(tǒng)龍?zhí)督M（P3），地層巖性特征見表1。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造見圖1。

2.2.1 六枝向斜

呈北西-南東走向貫穿研究區(qū)。核部出露三疊系法郎組（T2-3），翼部由三疊系關(guān)嶺組（T2）、三疊系永寧鎮(zhèn)組（T1）、三疊系夜郎組（T1）、二疊系大隆組（P3）、二疊系長興組（P3）、二疊系龍?zhí)督M（P3）構(gòu)成。北東翼傾角較南西翼緩，傾角30°～40°，南西翼傾角50°～60°，向斜軸面傾向南西，為斜歪褶皺。北西端受斷層切割影響，軸被錯斷平移。

2.2.2 六枝斷層

貫穿整個研究區(qū)，呈北西-南東走向。北東盤巖層傾角10°～20°，南西盤傾角50°～60°。斷層傾向北西，傾角70°左右，為正斷層。切割三疊系地層，沿斷層發(fā)育寬幾米至十幾米斷層破碎帶，見斷層角礫、斷層透鏡體和斷層泥。角礫呈棱角狀、次棱角狀，角礫成分為灰?guī)r、白云巖等，鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)緊密，斷面上發(fā)育擦痕和階步。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造綱要略圖

1.背斜軸；2.向斜軸；3.逆斷層；4.正斷層；5.平移斷層；6.性質(zhì)不明斷層；7.區(qū)駐地；8-鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地；9-研究區(qū)范圍

3 水文地質(zhì)條件

3.1 地下水類型及富水性

地下水主要劃分三大類型：

3.1.1 第四系（Q）松散巖類孔隙水

第四系覆蓋層為母巖風(fēng)化后形成的殘積或坡積物，分布于谷地、洼地底部或斜坡地帶，地下水儲集場土層孔隙中，富水性弱。

3.1.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水賦存于碎屑巖出露地區(qū)，出露T1、P3、P3、P3，巖性以砂巖、砂質(zhì)頁巖、泥巖、頁巖等，含水介質(zhì)為基巖節(jié)理裂隙、風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙等。呈網(wǎng)狀連接，延伸短，多被粘土充填，含水性差，透水性弱。

3.1.3 碳酸鹽巖巖溶水

碳酸鹽巖含水介質(zhì)主要為溶隙、溶孔、裂隙、溶洞等。T2-3f、T2g2、T1yn以灰?guī)r為主，含裂隙-溶洞水，富水性中等；T2g3以白云巖，含溶孔-溶隙水，富水性中等；T2g1以泥質(zhì)白云巖、泥灰?guī)r為主，含溶洞-裂隙水，富水性弱。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)略圖

1.碳酸鹽巖巖溶水；2.基巖裂隙水；3.第四系松散巖類孔隙水；4.向斜軸；5.正斷層；6.性質(zhì)不明斷層；7.地質(zhì)界線；8.地層產(chǎn)狀；9.有水落水洞；10.熱響應(yīng)測試孔；11.河流；12.水庫；13.地下水流向；14.區(qū)駐地；15.鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地；16.村駐地；17.高程

3.2 地下水補(bǔ)、徑、排條件

地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，中部六枝河為地下水排泄基準(zhǔn)面，地下水主要由北西向南東徑流、運(yùn)移，排泄于六枝河及其支流中。

區(qū)內(nèi)地下水埋深淺，為地下水富集區(qū)。根據(jù)實(shí)施的3個測試孔資料，ZK1號測試孔水位埋深1.2m，ZK2號測試孔水位埋深0.35m，ZK3號測試孔水位埋深3.36m。

表2 測試孔基本參數(shù)統(tǒng)計表

4 熱物性參數(shù)測試

4.1 測試原理

通過記錄地埋管換熱器進(jìn)出口的溫度、水流量及加熱功率，經(jīng)后期數(shù)據(jù)的分析、軟件計算后，就得出巖體的熱物性參數(shù)。

4.2 測試過程

在三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組二段（T2g2）碳酸鹽巖地層中布置了ZK1、ZK2、ZK3號測試孔（見圖2），采用同一臺熱響應(yīng)測試儀、相同測試環(huán)境、相同測試方法，分別對ZK1、ZK2、ZK3號孔開展熱響應(yīng)測試。三個測試孔所處構(gòu)造位置不同(ZK1、ZK2號孔位于六枝向斜北東翼、六枝斷層北東盤（上盤），ZK3號孔位于六枝向斜南西翼、六枝斷層南西盤（下盤）)；所處水文地質(zhì)條件相似、地層巖性相同。三個測試孔鉆探工藝、回填料、回填方式、地埋管材質(zhì)、埋管深度等相同，見表2。

表3 巖體熱物性參數(shù)統(tǒng)計表

4.3 測試結(jié)果

根據(jù)熱響應(yīng)測試儀所測試孔熱物性數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機(jī)模擬、計算，得出同一碳酸鹽巖地層在不同地質(zhì)構(gòu)造條件下相應(yīng)參數(shù)，測試結(jié)果見表3、表4。結(jié)果表明：

（1）ZK1、ZK2號測試孔所處地質(zhì)構(gòu)造相同，巖體初始溫度、綜合導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容、熱擴(kuò)散率及延米換熱量等熱物性參數(shù)基本一致。

（2）ZK1、ZK2號與ZK3號測試孔所處地質(zhì)構(gòu)造不同，測出巖體初始溫度、綜合導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容、熱擴(kuò)散率及延米換熱量等熱物性參數(shù)相差較大。

5 地質(zhì)構(gòu)造對熱物性參數(shù)的影響分析

ZK1、ZK2與ZK3測試熱物性參數(shù)相差較大的原因是：

（1）ZK1、ZK2號測試孔位于六枝斷層上盤，斷層上盤活動往往較下盤強(qiáng)烈，地溫增溫率較高，在相同深度條件下，導(dǎo)致ZK1、ZK2號的巖體初始溫度平均值比ZK3號高0.81℃。

（2）ZK1、ZK2號測試孔巖體初始溫度高于ZK3號，在換熱器中流體加熱溫度相同的條件下，則流體與巖體的溫差較ZK3號小，導(dǎo)致測試出的綜合導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容、熱擴(kuò)散率的平均值分別比ZK3號低1.63 W/m.℃、1.28×106J/ m3℃、0.12×10-6m2/s。

表4 地埋管不同工況下對應(yīng)換熱量表

（3）受地質(zhì)構(gòu)造的影響，ZK1、ZK2號與ZK3號測試孔的巖體初始溫度、綜合導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容、熱擴(kuò)散率等參數(shù)不一致，導(dǎo)致測試孔在相同工況條件下延米換熱量相差較大，ZK3號換熱能力較ZK1、ZK2號好。

6 結(jié)論

受地質(zhì)構(gòu)造的影響，斷層兩盤同一碳酸鹽巖地層熱物性參數(shù)相差較大。測試斷層上盤巖體初始溫度高于下盤，而巖體綜合導(dǎo)熱系數(shù)、容積比熱容、熱擴(kuò)散率、相同工況條件下的延米換熱量低于下盤。區(qū)內(nèi)巖體熱物性參數(shù)的取得，為淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用項目建設(shè)提供設(shè)計依據(jù)，但未考慮地下水滲流場影響，且樣本數(shù)量少，其成果供同仁參考。

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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

貴州省地礦局地質(zhì)科研資金資助項目“黔北地區(qū)不同水文地質(zhì)條件下碳酸鹽巖熱物性特征研究”黔地礦科合（2019）18號

穆照猛（1988— ），男，貴州安順人，工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及地?zé)豳Y源勘查開發(fā)工作