平顶山矿区地热地质条件及其成因分析_李延河.pdf
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1、2023 年第 38 卷 第2期2023,38(2):0551-0561地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P李延河,万志军,于振子,等2023 平顶山矿区地热地质条件及其成因分析 地球物理学进展,38(2):0551-0561,doi:106038/pg2023GG0206LI YanHe,WAN ZhiJun,YU ZhenZi,et al 2023 Analysis of geothermal geological conditions and its genesis in
2、Pingdingshan mining area Progress inGeophysics(in Chinese),38(2):0551-0561,doi:10 6038/pg2023GG0206平顶山矿区地热地质条件及其成因分析Analysis of geothermal geological conditions and its genesis in Pingdingshanmining area李延河1,2,万志军2,于振子3,王朱亭2*,张波3,张源2LI YanHe1,2,WAN ZhiJun2,YU ZhenZi3,WANG ZhuTing2*,ZHANG Bo3,ZHANG Y
3、uan2收稿日期2022-08-20;修回日期2022-11-06投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家自然科学基金项目(51674242,52074266)和江苏省双创博士计划(JSSCBS20211229)联合资助第一作者简介李延河,男,1973 年生,硕士,高级工程师,主要从事地热地质相关工作 E-mail:direxue163 com*通讯作者王朱亭,男,1992 年生,博士,中国矿业大学讲师,主要从事地热地质相关工作 E-mail:wangzhuting123163 com1 平顶山天安煤业股份有限公司,平顶山4670992 中国矿业大学矿业工程学院,徐州
4、2211163 平顶山天安煤业股份有限公司煤炭开采利用研究院,平顶山4670991 Pingdingshan Tianan Coal Mining Co,Ltd,Pingdingshan 467099,China2 China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China3 Institute of Coal Mining and Utilization esearch Pingdingshan Tianan Coal Mining Co,Ltd,Pingdingshan 467099,China摘要地热资源作为清洁可再生能源之
5、一,合理的开发地热能有助于国家“双碳”目标的实现,而正确认识区域地热地质条件及其成因是地热资源开发利用的前提 平顶山矿区位于构造隆起区且区内岩溶含水层广泛发育,基岩起伏产生的热折射效应及岩溶层内地下水对流共同造成该区浅表存在温度异常,沉积盖层段的地温梯度值高达 45.0 /km 本文以 7 口钻井测温曲线和 254 块样品热物性资料为基础,分析了该区地温场特征,并结合区域典型地层剖面,对岩溶层内流体对流对地层温度影响的开展水热耦合研究,并通过热模拟分析构造界面两侧热物性差异产生的热流侧向汇聚作用对浅表聚热的作用大小 结果表明:平顶山矿区地温梯度值范围在 8.0 66.9 /km 之间,对应的热
6、流值范为 31.0 135.0 mW/m2,且地温场分布呈明显的分带性,构造凸起区相对于四周凹陷区地层温度、地温梯度、热流值较高;水热耦合模拟显示,在补给区,随着冷水沿着地表出露的岩溶含水层的不断下渗,地层温度越来越低,在排泄区,补给区冷水经过深部循环加热后向上排泄,进而加热周边岩层;其次,导水断裂可以深刻改变地层温度场的分布,是地层温度下降或AbstractAs one of the clean and renewable energy,thereasonable development of geothermal energy can help toachieve the goal of
7、carbon peak and carbon neutralization,andcorrectlyunderstandingtheregionalgeothermicsgeology and its genetic mechanism are the basis for theefficientutilizationofthegeothermalresourcesPingdingshan mining area is located in the tectonic upliftarea,where karst aquifers are widely developedThethermal r
8、efraction effect caused by bedrock fluctuation andgroundwater convection in the Karst layer cause thetemperature anomaly on the shallow surface,and thegeothermal gradient within sedimentary section is as highas 45.0 /km Based on the temperature measurementfrom 7 wells and thermophysical property dat
9、a of 254samples,characteristics of the geothermal field in this areawas analyzed,and according to the typical regionalformation profile,influence of groundwater convection inKarst layer on the formation temperature was carried out bythe hydrothermal coupling Effect of the lateral heat flowaccumulati
10、on caused by the difference of thermophysicalproperties on both sides of the structural interface was alsostudied esults show that the geothermal gradient value inPingdingshan mining area ranges from 8.0 to 66.9 /km,and the heat flow value ranges from 31.0 to 135.0 mW/m2 The geothermal field distrib
11、ution shows obvious zoningcharacteristics,whichtheformationtemperature,geothermal gradient and heat flow value in the structuraluplift area are higher than those in the surroundingdepression areaThe hydrothermal coupling simulationshows that in the recharge area where the karst aquiferexposed on the
12、 surface,the infiltration of cold water caused地球物理学进展www progeophys cn2023,38(2)上升的分界线;基岩起伏产生的热折射效应是造成矿区构造隆起区温度较高的主要原因,因热折射效应在1.0 km 范围内所造成的地温梯度值的波动在 6.8 /km 左右,进而所产生的热流扰动在 12.3 mW/m2,是造成该区局部热异常的主要原因之一关键词大地热流;钻井测温曲线;地下水;地温场;平顶山矿区中图分类号P314文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0206theformationtemperaturebecomingl
13、owerInthedischarge area,the cold water in the recharge area isdischarged upward after deep circulating heating,andheating the surrounding rock The water conducting faultcanprofoundlychangethedistributionofformationtemperature,which is the boundary for the decline or riseof formation temperatureThe t
14、hermal refraction effectcaused by the fluctuation of bedrock is the main reason forthe high temperature in the structural uplift area of themining areaThefluctuationofgroundtemperaturegradient caused by the thermal refraction effect within 1.0km is about 6.8 /km,and the resulting heat flowdisturbanc
15、e is 12.3 mW/m2,which is one of the mainreasons for the local thermal anomaly in this areaKeywordsHeat flow;Borehole temperature logging;Groundwater convection;Temperature field;Pingdingshanmining area0引言平顶山矿区位于河南省西部平顶山市的北侧,是国家大型煤炭基地,区内发育有一些列矿区,如八矿、九矿、十矿、十三矿等 随着煤炭资源的不断开采,探测深度不断加大,发现矿区内部存在高温异常,尤其是在八矿
16、,地层温度在 530 m 处高达47,根据区域不同深度地层温度数据结合恒温带温度(17)进行计算,得出该矿区平均地温梯度值在32.0 46.0 /km 之间(柴蕊,2010;曹冰琪等,2014),在国内温度最高的煤矿之一,较高的采掘工作面温度严重影响煤矿的安全高效开采,容易形成矿井地热灾害 同时,矿区内碳酸盐岩发育广泛,赋存大量高压岩溶水,对矿区矿井安全生产构成长期的水害威胁 从煤炭开采的角度看,上述矿区存在的热害和水害制约着煤炭的开采,但是从另外一个角度看,高温矿井蕴含有丰富的地热资源,合理利用矿山地热资源不仅会带来显著的经济效益、环境效益和社会效益,为绿色能源开发、节能减排做出重要贡献(万
17、志军等,2018;王洪义等,2004;曾昭发等,2012)同时,高温矿区深度地热资源的开采可以起到降温的作用,即通过开采深部地热能,解决热害问题,实现热害治理与地热利用相结合,最终达到煤-热共采的目标,而实现上述目标的前提是对该区域地温场或地热资源形成机制有很好的认识尽管平顶山煤田开采历史已有数十年,但在地热地质领域方面的研究却相对薄弱,如区域地温场特征、热异常形成机制、水热耦合分析等 通过对平顶山煤田地温场进行分析和研究,能为深部煤炭资源和地热资源的勘探开采提供理论指导,也便于厘定地层温度与煤炭、煤层气资源的演化关系并为煤质预测提供科学依据 同时,该区岩溶层内地下水活跃,深刻影响该区地温场分
18、布以及地热资源的形成由于地下水是最活跃的地质因素,在地壳浅部分布广泛,且热容量大,但是区域地质条件的差异,会导致地下水在地壳浅部的循环方式有所不同,地下水循环方式的不同对围岩温度场产生的影响就有很大差异(董宪伟等,2014;裴发根等,2021;张发旺等,2000)实际情况表明,当低温地下水向下运动时,将引起围岩温度降低,出现低温异常,从而阻碍地热资源的形成;当深循环的地下水在循环过程中被岩温加热,井在一定地质条件下向上循环时,将引起流过围岩的局部温度升高,在浅部形成局部地热异常,进而促进地热资源的形成(Han et al,2021;Tian etal,2022;Wang et al,2020;
19、文广超等,2013)因此,地下水循环对围岩温度场的影响在一定程度上决定着地热资源的形成,开展地下水对区域温度场的影响是地热地质研究中不可或缺的一部分 本文拟以平顶山矿区为典型案例,结合现有的数据资料对平顶山矿区开展水热耦合数值模拟,并分析基岩起伏产生的热折射效应对该区地温场形成的影响1区域地质背景1.1区域地质构造平顶山矿区位于华北板块的南缘,向南毗邻秦岭大别造山带,属于华北聚煤盆地豫西煤田的一部分,该区经历了漫长的地质演化过程,主要有太古宙陆核形成阶段,元古宙陆块形成阶段,加里东印支期陆块发展阶段和燕山喜山期陆块改选阶段,燕山晚期三门峡鲁山推覆构造带形成奠定了现今构造格局 由于受加里东、印支
20、、燕山等多期次构造运动的控制和影响,区内发育有一系列轴向为 NW 向的复式褶皱,如李口向斜、灵武山向斜、白石山背斜、郭庄背斜等;伴随褶皱的发育,矿区内发育有以 NW 向2552023,38(2)李延河,等:平顶山矿区地热地质条件及其成因分析(www progeophys cn)为主的张扭性和压扭性为主的断裂,少量张扭性断裂为 NE 向,主要发育的断层有郏县正断层、襄郏正断层、鲁叶正断层、九里山断层等,且上述断层以高角度正断层为主,断裂深度可达变质结晶基底,落差在千米以上 同时,上述断层构成了研究区内不同次级构造单元的天然边界,其中李口复式向斜是平顶山矿区的主体构造,其东北部发育有襄临坳陷,西北
21、部为宝郏坳陷,西南部为鲁叶坳陷等,因而,从整体上矿区地质特征为断块隆起区,四周为一系列坳陷(胡盛等,2014)(图 1)1.2区域地层根据区域地层出露及钻孔揭示,区域内发育地层由老至新有:太古代变质岩纪、上元古代震旦纪、下古生代寒武纪、上古生代石炭二叠纪、中生代三叠纪及新生代古近纪、新近纪、第四纪地层,区域缺失地层有奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪下统和侏罗纪等(胡盛等,2014)其中太古代和元古代变质岩基底多分布于矿区的外围,以片麻岩、角闪片麻岩为主;古生代地层在研究区内分布广泛,其中寒武纪地层以滨海、浅海相碳酸岩为主;奥陶纪、志留纪、泥盆纪地层在区内普遍缺失,此时为华北板块整体抬升阶段,经历
22、了长期的剥蚀作用,直到晚石炭纪才重新接受沉积;石炭纪本溪组主要为浅灰色灰白色铝土质泥岩,太原组为一套海陆交互相含煤沉积,中下部以泥岩为主,上部以石灰岩和薄层细砂岩为主,一般厚度为 72 m 左右;二叠纪山西组、下石盒子组地层为区域性海退背景下形成的滨海湖泊三角洲相含煤地层,它们与太原组一道构成晚古生代煤纪地层,地层总厚度大约为 800 m;三叠纪地层主要为泥岩、粉砂岩、砂泥岩互层等,厚度在 170 m 左右;新生代第三纪不整合覆盖于其他各岩纪之上,主要发育于矿区外围的断陷盆地之中,厚度可达数千米,且地表无出露;新生代第四纪分布较广泛,以黄土、黏土、砂夹卵石和钙质结核构成,成因为坡积、洪积和冲积
23、等,厚度由西向东逐渐增大,变化于 0 320 m 之间(陈国胜等,2015)(图 2)2地热地质条件2.1地层温度及地温梯度钻井测温是获取一个地区地温场最直接的手段,由于测温曲线记录的是不同深度钻井液的温度,因而可以根据钻井测温曲线的形态反映出相应的地热地质信息,如高渗透性地层分布、导水断裂位置、地下水的补给、径流与排泄区等 当钻井遭遇导水断裂或高渗层时,测温曲线会偏离线性,呈现局部升温或降温;在地下水的补给区,钻井测温曲线呈“下凹型”,在地下水的排泄区,测温曲线呈“上凸型”,上凸和下凹的形态与幅度取决于地下水上涌或下渗的速率(饶松等,2016;王朱亭等,2022;张娟等,2010)对于以热传
24、导为主的测温曲线,受岩石热导率的影响,地层温度随深度呈全井段线性或分段线性增加由于钻井测温曲线在地热地质研究中的重要意义,因而对平顶山矿区不同区域地层温度数据进行搜集整理,共计搜集 7 条代表性测温曲线,并绘制如图 3 所示 从测温曲线形态来看,对于沉积层段,热量传输以热传导为主,地层温度随深度线性增加;从对不同测温曲线同一深度地层温度对比来看,可以把测温曲线划分为 3 类:补给区测温曲线(52-11)、径流区测温曲线(43-06、39-08、18-08、13-17、13-20)、排泄区测温曲线(10-05);可以看出在在同一深度,补给区地层温度相对排泄区较低,如400 m,地下水补给区52-
25、11 和排泄区10-05 地层温度相差近16 地温梯度是指地球内部恒温带深度以下温度随深度的变化速率,通用的单位为/km,通常利用最小二乘法计算相应的地温梯度值,线性回归方程式为:G=T(z)T0Z Z0,(1)式中,G 代表地温梯度,单位为/km;Z0代表恒温带深度,单位为 km;T0代表恒温带温度,一般用多年平均气温值代替;T(z)代表深度 Z 处的温度值根据上述方程式,选取地层温度随深度线性增加良好的区间段,对上述钻井地温梯度值进行计算 其中,钻井 52-11 在深度 50 450 m 之间地温梯度值为8.1 /km,钻井43-06 在深度100 400 m 之间地温梯度值为 28.3
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