鲁中南地区单斜断陷盆地浅部地温场特征及其影响因素研究——以新泰盆地为例

姚松 王斌 徐源 周波 吴红霞

1 山东省地质矿产勘查开发局801水文地质工程地质大队，山东 济南 250014

2 山东省地质矿产勘查开发局地下水资源与环境重点实验室，山东 济南 250014

3 山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014

4 山东省地质调查院，山东 济南 250014

地热按照埋藏深度和介质类型由深至浅分为干热岩、水热型地热和浅层地温能三种[1]，地温场特征是地热能开发利用的基础。研究浅部地温场的变化特征对于浅层地温能资源的储藏条件、分布规律、开发利用与潜力评价研究具有重要意义，对于水热型地热和深部热源的研究也具有借鉴价值。前人对地温场的研究成果丰富，基本了解了地温场的分布特征及影响因素[2-6]，对浅部地温场的分布规律与影响因素分析有指导作用；以往地温场特征因素分析多以地区为主，对于同类型地质单元缺少系统分析。本文以新泰盆地为例对鲁中南地区单斜断陷盆地进行研究，对该类型地质单元区域浅层地温能开发利用有一定参考意义。

1 地质概况

研究区为山东省中南部单斜断陷盆地，北至泰山蒙山一线，西南至鲁中南山前冲洪积、湖积平原北端分水岭，东至鄌郚-葛沟断裂西侧分水岭，受大地构造作用，鲁中南地区为古近纪以来活动断裂作用下形成的较多单斜构造单元，构成包括泰莱盆地、沂源盆地、新泰蒙阴盆地等南部下降盘古生代沉积地层及北部上升盘火成变质岩体为主的断陷盆地，本文以新泰单斜断陷构造单元为例，主要分析该类型盆地浅部盖层地温的分布规律及影响因素。新泰盆地北缘为莲花山、新甫山一线太古代泰山岩群，南缘为玉皇山、雷山一线古生代寒武纪沉积地层。研究区中地层岩性种类较多、构造压扭性及张性段共存、水文地质条件复杂，是鲁中南地区较为典型的断陷盆地。可从多个因素对地温场规律进行分析。

研究区被莲花山断裂切割为两部分，该断裂为倾向南偏西，倾角45°～80°的正断层[7]。断裂南部由南向北发育一套近单斜产状古生代寒武系、奥陶系、侏罗系、白垩系、古近系沉积地层，岩性主要为页岩、灰岩、白云岩、泥岩、砂岩及砾岩等。岩层走向北西，倾向北东，倾角15°～30°；第四系在研究区范围内呈带状分布于现代河床、漫滩及两岸（图1）。断裂北部以太古代泰山岩群花岗岩为主。受地形影响，地下水运动规律整体为盆地南北缘向中部汇集，然后向西北进入排泄区。

图1 研究区地质概图及地温采集孔分布图Fig.1 Geological sketch map and distribution of ground temperatur collecting holes of the study area

2 地温场特征

本次研究数据取至于9个采集孔，X1、X2、X4、X9孔为奥陶系马家沟组五阳山段-阁庄段灰岩、白云岩。X3、X5孔为古近系长路组泥岩、泥质砂岩。X6孔为古近系朱家沟组角砾岩。X7、X8孔为泰山岩群花岗片麻岩（图1）。

平面布设主要依据岩性、构造发育情况、水文地质条件等；空间上采集深度为0～50m，间隔2m进行测温，50m以下间隔5m；数据采集时间为2017年8月至次年6月，每10d进行一次。根据测温数据，灰岩、白云岩钻孔中X1常温带46～50m，常温带温度15.2℃，X2平均地温0～50m升高，50～100m区间降低，且一个水文年内各深度内温度有0.1～1.5℃变化，100m深度以上无明显恒温带；X4孔100m以上平均温度逐渐降低，随时间有一定差异；X9孔恒温带深度约50m，温度15.8℃。泥岩砂岩钻孔X5恒温带深度28～30m，温度 15.3℃，X3、X6恒温带深度 38～40m，温度分别为 15.5℃、15.6℃，研究区常温带温度在同一地层差异性明显。花岗岩钻孔 X7常温带深度18～20m，温度16.0℃；X8常温带埋深10～12m，温度 16.0℃；花岗岩中常温带中温度均一性较强，变温带部分主要受水文地质条件影响。根据钻孔测温平均值，深度100m处，断裂带两侧高于其他区域；100m以内地温变化差异较大，地温梯度一般小于2.0℃/100m（表1）。整体呈现盆地南边缘温度低，中北部高的特点。

表1 年均测温情况一览表Table 1 List of annual average temperature measurements

本次选取岩性差异较大的X6、X4、X8三个采集孔数据观察随时间变化规律，X6孔10m处一月份地温最高，为17.6℃，最低温度为X4孔枯水期的50～120m，一般小于 15℃。花岗岩体钻孔 X8地温较稳定，不受时间影响，恒温带约10m，温度约15℃。砂岩泥岩钻孔也较为平均，但 X6钻孔位于正断层上盘，受之影响，温度在周边供水时容易发生突然变化，如12月份。灰岩钻孔受区域地下水功能影响，X4孔变化较大，同深度内不同时间温差超过 1℃，但变化与地下水丰枯水期基本一致。

X4孔高程较大，岩性为灰岩，岩芯0～50m较完整，按地下水功能划分，位于水文地质亚单元排泄区，除 12月份个别时间，整体温度小于15.5℃，且随深度变大，地温逐渐降低至14.8℃，不同深度处地温随时间变化较大，丰水期温度明显高于枯水期，深度50～120m规律性明显（图2）。

图2 X4孔测温数据图Fig.2 Temperature measurement data of X4 hole

X6孔位于莲花山断裂南部，岩性为朱家沟组角砾岩，角砾成分以灰岩为主，泥质胶结。钻孔地温15.5～17.0℃，调查发现周边地下水开采量较大，推断地下水开采是温度不断变化的原因，整体上不同深度处的地温随时间变化较大，丰水期温度高于枯水期。主要开采深度范围内地温变化较大，随深度增加地温有逐渐稳定趋势（图3）。

图3 X6孔测温数据图Fig.3 Temperature measurement data of X6 hole

X8孔位于莲花山断裂北部，0～20m 为花岗片麻岩风化壳，20m以下为完整岩体，地层岩性稳定。地下水主要赋存于上部风化壳裂隙中，由北向南径流，单井涌水量小于100m3/d。地温各深度较稳定，钻孔地温15.0～16.9℃，常温带深度约20m，增温率约1.29℃/100m，且较为稳定（图4）。

图4 X8孔测温数据图Fig.4 Temperature measurement data of X8 hole

3 影响因素分析

浅层地温条件主要受大地热源和太阳能共同作用形成，大地热源一般认为是地幔传导热源和地壳岩石放射衰变产生的热量[8]，内部热源经过不同介质环境传导至地表，受不同作用影响，形成差异较大的不同地温场特征。因此对热源、传热介质、浅层条件方面分析其影响因素。

3.1 深部热源

鲁中南地区地壳厚度一般 29.4～36.1km[9]，不考虑特殊介质及岩石生热影响，软流层至地表降温与厚度关系呈直线型和折线形[10]，区域基底地块较为稳定，深部热源向地表传导能力较为均匀。研究区大地热流值 48～50mw2/m2[11]，主要受大地构造背景影响[12]。根据钻孔数据和全省其他地区比对，对于地温场，大地热源的影响是基础条件，但不是决定条件。

3.2 岩性特征

研究区莲花山断裂北部为花岗岩体，南部由南至北为古生代寒武系-奥陶系马家沟组灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥页岩，古近系朱家沟组角砾岩和长路组泥质砂岩的一套沉积地层。不同岩性导热能力不同、岩石结构构造导致的热容条件也有差异。本次样品由X1～X9钻孔采取，共计217件，为保证样品送检时间，就近送至山东省地质矿产勘查开发局第三水文地质工程地质大队实验测试中心，采用型号YUMT300万能试验机和DRE-III导热系数测试仪对所取样品检测，根据样品完整程度选取质量较高的200件样品的实验数据进行分析[13]（图5）。不同岩性的比热容、热导率、热扩散率三个热物理参数与密度、含水率之间没有明显的相关性；X3、X5孔热导率与含水率呈负相关关系。根据钻孔测温数据，100m处，花岗岩体平均温度16.3℃，泥质砂岩、砂质泥岩和角砾岩平均温度15.9℃，南部灰岩、白云岩、白云质灰岩平均温度为15.0℃。花岗岩区垂向上热导率均一性较强，富水性差，能够较准确的反映下部传导的热流值；泥岩砂岩地层热导率偏低，盖层条件较好，但河流两侧浅部区域径流系数大，因此略低于花岗岩区；灰岩白云岩地层在地下水流动环境中矿物易溶蚀，形成强径流带，对热流值影响最大，因此地温受岩性影响较大。

图5 不同岩性钻孔热物理参数间关系图Fig.5 Relationship between thermophysical parameters of different lithological boreholes

3.3 构造条件

研究区深大断裂只有莲花山断裂，在两侧距离较近的四个测温孔，其中X8、X7，X5孔未发现温度异常，0～50m埋深范围内 X6孔温度明显高于X5测温点 0.7～2℃，分析其原因主要是受断裂影响。莲花山断裂东周水库段局部张性断裂，导水能力较强，断裂切割深度比较大，易形成储水空间，补给来源可能来自东周水库，因为附近水井开采量大，降深小，恢复快。地下水的运动将深部热量带入浅层，导致X6孔附近区域浅部地温较高，张性蓄水构造对局部地温影响较大（图6）。

图6 X6孔地温影响因素分析示意图Fig.6 Schematic diagram of influencing factors of ground temperature of hole x6

3.4 水文地质条件

3.4.1 温度升高影响

X1测温孔，位于新汶街道孙村小学，地层是马家沟组阁庄段、五阳山段。区域由于补给面积小，滞留条件差，地下水赋存量小于开采量。丰枯水期水位差很大，2017～2018年，丰水期水位42m，枯水期大于125m。在2月份地下水位急剧下降后，浅部地层温度也下降了 1℃左右。因此推断，丰水期地下水的深部径流将热量传至浅部。

3.4.2 温度下降影响

地下水的深循环运动会导致局部地温升高（如 X1孔），也可能导致地下温度降低[14]，如X4孔，位于东都镇南部，是水文单元补给区，地表溶沟发育，该钻孔地温 120m以浅小于15.5℃，推断为下部地下水径流袭夺深部传导热源影响。岩溶地区负增温率现象，也能反映水文地质条件对地温场的影响。本次测温有4个灰岩孔，地温梯度全部接近或小于 0℃/100m。一般地面以下分为变温带-恒温带-增温带。变温带气温影响大于大地热源影响，增温带则以深部热源传导为主，在大地热源和气温影响均衡区域形成恒温带，假设深部有地下水径流通道，流往排泄区的地下水将大地热源带走，形成一条弱导热层，使径流通道以上大地热源对地温影响变小，全部形成变温带，因此在地下水运动能力较强的区域，易形成负梯度，其实还是处于变温带。经以上分析可知，水文地质条件是研究区地温场特征影响最大的因素。

4 结论

新泰盆地 200m以浅温度一般为 14.7～17.5℃，整体呈现南北盆地边缘温度低，中北部高的特点。该类型盆地浅层地温场的直接影响因素为大地热源、地层岩性、构造特征及水文地质条件。大地热源是区域地温场的基础条件，与深部地层结构、岩石结构构造及向上导热能力等关系密切。岩性对于浅部地温场特征影响主要与大地热源相结合，由不同岩性的导热能力和热容条件不同所致。张性蓄水构造以地下水为介质，通过水的对流进行导热来影响周边岩石温度。水文地质条件对于研究区浅部地温场影响最为活跃，补给区一般温度较低，排泄区温度稍高，灰岩、白云岩地层区域尤为明显。