应力对背斜构造中地热的控制作用研究

2020-08-26饶家健张文涛刘启蒙

安徽理工大学学报（自然科学版） 2020年3期

饶家健，张文涛，刘启蒙

( 安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001)

矿井热害是现今矿井深部开采的过程中一个重大的安全隐患。同时，矿井地热也是一种宝贵的矿产资源，其清洁可再生的特性使得它与煤、石油、天然气及其它矿产一样，具有重大的开采意义。不同煤田地热分布的影响因素不同，构造是影响地热分布的一个重要因素，特别是背斜构造对地热分布影响较为明显，背斜构造有明显的地热集中效应，会导致此处的地温及地温梯度异常。如北京西山谷积山背斜[1]、淮南潘集、丁集煤矿[2-4]、河南平顶山煤矿[5]均发现有背斜核部地温明显高于其它地区的热聚效应。后众多学者对此现象进行分析研究，基于地层中热传导的特点，得出地热分布与热导率的联系，因岩层顺层热传递比穿过地层要快，即顺层热导率高于过层热导率，地热会因热导率各向异性顺层传递集聚于背斜核部导致此处地热异常[6-9]。而热导率作为影响地热分布的一个重要因素，其本身也受多方面因素的影响，自20世纪90年代以来，通过对岩石热物理学性质的多方面研究表明，岩石热导率会受到岩性、孔隙率、温度等因素的影响[10-13]。综合来说，背斜受压应力发生形态上的凸起，再结合岩石热传导方式得到背斜的热集中效应而导致地温及地温梯度异常。

以往研究忽略了背斜轴部并非单纯受压应力，而是存在一个不受应力影响的中和面，其上下应力状态的不同，导致热导率变化，从而对地热控制更加复杂。

本文基于前人理论，从应力角度分析背斜对地热的控制作用，对背斜轴部地温及地温梯度异常提出不同解释，深化对地层中地热分布的认知，以期对矿区生产提供建议。

1 应力对淮南煤田地热的影响作用

淮南煤田位于华北板块南缘，先后经历了加里东、印支、燕山、喜山、新构造运动多期构造演化，其地应力状态较为复杂，淮南煤田浅部地应力场受华北板块现代张性构造运动影响较大，最大主应力近垂直方向，其地应力场宏观类型为大地静力场型；淮南煤田深部地应力场基本保持燕山运动和喜山运动期构造应力场特征，应力场以水平应力为主，属于典型的构造应力场类型。

徐胜平收集淮南各个矿区各水平的地温数据，得淮南煤田各矿区地温分布图[14]如图1所示。

通过对淮南煤田各矿区的地温分布分析，发现在浅部受地应力影响较弱的大地静力场类型地层中，各矿区地温的差异不大；越往深部受地应力影响越强烈的构造应力场类型地层中，各矿区的地温差异明显增大。且高温异常区和低温异常区基本集中于受构造应力影响较强的矿区。因此，推测地层中应力分布对于地热具有一定的影响作用，尤其是构造发育、应力分布复杂的区域，地热分布会受其应力状态的控制作用。

断裂构造可能沟通地层中不同的地热流体，导致地热分布复杂，弱化应力对于地热的控制作用。而褶曲尤其是背斜构造，受地热流体影响较小，若背斜周边无断裂影响，其应力分布对于地热的控制作用将更为明显，因此选取背斜做研究。

2 朱集东井田地热特征研究

朱集井田位于淮南煤田东北部，朱集东新生界松散层厚150.50～320.45m，平均厚度274.42m，水文地质条件简单。受北部明龙山逆冲推覆影响，区域背、向斜发育，如唐集～朱集背斜、尚塘～耿村集向斜等。结合矿区剖面线如图2所示，见朱集东基岩面以下有一角度较小的褶曲，距大断层较远，周边小断层不发育，地热受断裂构造影响较小；小角度的褶曲使得背斜与水平地层的落差较小，有利于两者的地温数据对比分析，因此选取此背斜作为研究对象，分析背斜应力分布对于地热的控制作用。唯一缺点是背斜角度较小，热聚效应较弱，水平地层与背斜的地温数据可能无明显差异。

图2 朱集东21线剖面图

选取背斜轴部钻孔6个、水平地层钻孔6个，共计12个钻孔地温数据进行验证，如表1～表2所示，得到水平地层及背斜轴部的地温及地温梯度分布曲线,如图3～图4所示。通过两者的对比分析，可以排除受其它地质因素影响导致的地温及地温梯度差异，从而验证背斜的应力分布对地热的控制作用。

表1 水平地层各深度地温 ℃

表2 背斜轴部各深度地温 ℃

图3 背斜与水平地层地温曲线

图4 背斜与水平地层地温梯度曲线

分析背斜与水平地层地温曲线，明显可见两者约在500～800m范围差异值较大，此深度以上或以下差异值均有减小趋势，推测此范围为背斜地热集中区域，表现出与水平地层明显的地温差异。

分析水平地层与背斜轴部地温梯度曲线，可见背斜与水平地层的地温梯度差异。

300～550m段，背斜地温梯度高于水平地层，且两者的差异值随深度增大逐渐减小，在550m深度两曲线出现重合。

550～700m段，背斜与水平地层地温梯度曲线大致重合，无明显差异。

700m以下，背斜地温梯度低于水平地层，背斜与水平地层的地温梯度差异值随深度增大逐渐增大，但是850m以深差异值却有减小趋势。

若依据以往理论认为，岩石中地热传导顺高热导率方向传递，而岩层热导率各向异性，顺层热导率一般高于过层热导率，加上背斜形态影响导致背斜轴部整体上的热流集中效应，所以导致背斜处高地温和高地温梯度异常，那么背斜轴部垂向上地温和地温梯度均因高于水平地层。而对朱集东背斜地温数据分析发现，背斜处地温的确高于水平地层，但是地层越往浅或深，两者差异值越小；背斜处地温梯度相比水平地层其变化趋势更加复杂。所以应该存在另一种因素对背斜处的地热分布具有控制作用，并符合背斜地温及地温梯度变化趋势，推测此因素为背斜处的应力分布。

3 应力对背斜构造地热控制作用

背斜轴线部位所受应力状态并非为单纯受压，而是存在一条既不受张，也不受压，且在背斜生成时长度基本不变的“中和面”[15]，背斜在中和面以上部分表现为受张，背斜中和面以下表现为受压，在背斜轴线上，越远离中和面，应力越大，且岩层越往深部，岩石压实性越好，并逐渐脱离背斜应力影响范围，岩石热导率受背斜应力影响越小。背斜处应力由浅到深变化趋势基本与背斜处地温梯度变化趋势对应，因此选取背斜应力分布，结合前人理论和朱集东实测地温数据，具体分析背斜对于地热的控制作用。

为方便分析，将朱集东背斜简化为图5，并对背斜轴部每一段的地热分布与水平地层进行具体的对比分析。

图5 朱集东区域背斜构造简化图

(1)水平地层地热分布

在水平地层中，其地下热流自下向上的传递过程如图6所示，中和面上下所受应力主要为垂向岩石自重产生，其地温及地温梯度分布趋势较为简单。

图6 水平地层地热分布

水平地层地温梯度在松散层内和基岩内的变化趋势受孔隙率和温度两方面因素的影响。松散层随深度增加、孔隙率下降，松散层整体上孔隙率下降速率快，而松散层内温度较小，孔隙率相比较于温度对热导率起主控作用，整体地温梯度下降。而到了基岩内，基岩相比较与松散层孔隙率小，虽然随着深度增加、孔隙率也会下降，但是孔隙率下降速率较小，而温度增加较快，此时温度相比较于孔隙率起主导作用，整体地温梯度上升。

(2)背斜处地热分布

背斜处地热分布受各处不同应力状态影响，热流传递过程如图7所示，其地温和地温梯度分布较为复杂。

图7 背斜处地热分布

1)应力对背斜地温分布的影响。当地下热流由下向上传递过程中，顺层集聚于背斜轴部，但是其热聚效应效应会受到背斜应力影响而加强或减弱。

800m以下区域，大致为中和面以下。背斜受压应力的影响，裂隙度小，热导率高，加强了背斜处的热聚效应，背斜此段地温会明显高于水平地层，但是岩层越往深部，达到最大压应力后，又逐渐脱离背斜应力影响范围，背斜与水平地层的地温差异值会逐渐减小。

500m以上区域，大致为中和面以上。背斜受张应力的影响，裂隙度大，热导率低，减弱背斜处的热聚效应，因地温为地热从下向上传递过程中能量显现，背斜此段深部地热集中，所以背斜此段地温依然高于水平地层，但是岩层越往浅部远离中和面，张应力越大，裂隙度越大，热导率越低，背斜处热聚效应提高地温的作用的受张应力影响减弱，背斜与水平地层的地温差异值也会逐渐减小。

500～800m段，大致为中和面所在区域，下部受压应力影响为背斜轴线垂向上热流最集中区域，上部受张应力影响，形成低热导率的“保温盖”，加上背斜形态特征，热流向两边逸散的途径也会受阻碍，此段为背斜轴部上垂向地热储存最好区域，背斜处地温明显高于水平地层。

正是由于背斜不同应力状态对于聚热效应的影响，使地下热流在背斜轴线垂向上的某处集聚，而非整体上都受相同的热聚效应，所以即使朱集东背斜角度较小，也能在500～800m段见到明显的背斜与水平地层的地温差异，此段以深或以浅地温差异值逐渐减小。

2)应力对背斜地温梯度分布的影响。背斜处不同的应力状态对于地温梯度分布同样也会有影响，但不同处是地温为某一处岩层能量值的反映，其数值受周围温度尤其是由下部传递而来的热量影响较大；地温梯度则是热流穿过某区域的能量损耗体现，其数值受岩层本身的性质影响较大。所以地温梯度数据的变化趋势能更好地反映应力对于背斜处地热的控制作用。

地温梯度数值主要受热聚效应和热流能量损耗影响。分析热聚效应对于地温梯度的影响与热流补给的位置有关如图8所示，第一种影响补给位置主要在热流起点A，则A、B两点段地温差异值大，热聚效应提高了地温梯度；第二种影响补给位置主要为A-B热流传递过程中，则A、B两点地温差异值小，热聚效应降低了地温梯度。背斜整体上热聚效应对地温梯度为第一种影响，而对于每一分段来说，主要为第二种影响。热流能量损耗与地温梯度呈正相关性，损耗大地温梯度高，损耗小地温梯度低。

图8 热聚效应对地温梯度影响

300～550m段，为中和面以上，且距离中和面较远。岩层主要受张应力影响、且张应力较大，裂隙度大、热导率低。低热导率的岩层减弱甚至消除了背斜轴部热流传递过程中的热聚效应，部分热流有可能绕过此区域传递；剩下的热流穿过此区域也会因低热导率的岩层造成较大的能量损耗，相比于水平地层，背斜的热聚效应不明显，但是存在高能量损耗，使得背斜此段的地温梯度高于水平地层。

但随深度增大，张应力因逐渐靠近中和面而降低，对地热的控制作用也逐渐减弱，表现为背斜与水平地层的地温差异值减小。

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550～700m段，仍为中和面以上，但是相比上一段离中和面较近。岩层受张应力影响、裂隙度大、热导率低，但是张应力较小，对岩层热导率影响也较小。低热导率的岩层依然在减弱背斜轴部热流传递过程中的热聚效应，但其减弱的效果不如上一段；热流穿过此区域也会因低热导率的岩层造成能量损耗，但损耗也不如上一段，相比于水平地层被轻微减弱的热聚效应与较高的能量损耗，两者对于地温梯度的影响相互抵消，反而使得背斜此段的地温梯度与水平地层大致相当。

700m以下，为中和面以下。岩层受压应力影响、裂隙度小、热导率高。高热导率的岩层对周围地热流的吸引加强了背斜轴部热流传递过程中的热聚效应，且热流穿过此区域也会因高热导率的岩层产生很小的能量损耗，相比于水平地层被加强的热聚效应与极小的能量损耗，两者对于地温梯度降低作用相互加强，所以背斜此段的地温梯度低于水平地层。

且随深度增大，压应力因逐渐远离中和面而升高，对地热的控制作用也逐渐加强，表现为背斜与水平地层的地温差异值增大。

但是背斜的应力影响深度也有一定范围，越往深部，背斜产生的压应力达峰值后会逐渐衰减，直至脱离背斜应力影响范围，表现为与水平地层相当，压应力对地热的控制作用也逐渐减弱，所以背斜与水平地层的地温差异值在850m深度出现减小趋势。

700m处，中和面位置。背斜应力状态对于地热的控制作用发生转变，所以此处背斜与水平地层的地温梯度差异值出现明显变化。

综合来说，朱集东背斜处的地温和地温梯度异常若将其简单归结为岩层热导率各向异性和背斜形态导致的热聚效应，很难出现对应关系，若加入背斜的应力状态对地热分布进行分析，则表现出较好的相关性。说明背斜处的应力状态也会对地热分布产生控制作用，甚至在背斜形态特征较弱，热聚效应不明显时表现为主控作用。