平顶山矿区地热地质条件及其成因分析_李延河.pdf

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 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 Yuan2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 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 refraction 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 data 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 flowaccumulation 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 distribution 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 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/pg2023GG0206theformationtemperaturebecominglowerInthedischarge 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 thermal 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 flowdisturbance 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，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;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、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52-11 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 /km，钻井 39-08 在深度 100 400 m 之间地温梯度值为 24.7 /km，钻井 18-08在深度 90 640 m 之间地温梯度值为 35.5 /km，钻井 13-17 在深度 150 500 m 之间地温梯度值为36.0 /km，钻井 10-05 在深度 70 390 m 之间地温梯度值为 50.5 /km，钻井 13-20 在深度 100 520 m 之间地温梯度值为32.1 /km;上述钻井地温梯度值是后续大地热流计算重要的参数之一，也是温度场模拟初始值边界条件设定的重要依据2.2岩石热物性在本次研究中，实际搜集平顶山矿区及其周边区域 254 块钻井岩心样品的热导率值，其中包含石炭纪碎屑岩 92 块，二叠纪砂岩、粉砂岩 46 块，寒武355地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)纪灰岩 101 块，太古代变质岩 6 块，不足的是本次搜集整理的热导率数据仅包含均值和范围，如图 4 所示，图中每个圆圈代表对应岩层的热导率均值(付在林，2010;刘庆献，2007)图中红色三角代表石炭纪热导率分布，蓝色圆圈代表二叠纪，绿色正方形代表寒武纪，黄色五角星代表太古界地层 对于石炭纪碎屑岩，其热导率值范围在 1.82 6.51 之间，均质为 2.79;对于二叠纪砂岩、粉砂岩，其值范围为2.04 4.14，均质为 2.78;对于寒武纪灰岩，热导率值范围为 2.38 5.19，均质为 3.03;对于太古代变质岩，其热导率范围为2.49 3.99，均质为2.84 W/(K m)上述岩石热导率资料是后续温度场分析、热流值计算及数值模拟研究重要的参考依据，对于其他热物性参数，如岩石生热率、比热容、密度等，相对缺乏2.3大地热流分布特征大地热流或热流(heat flow)，是指单位面积、单位时间内由地球内部以热传导的方式传输至地表，尔后散发到太空中去的热量 在一维稳态条件下，热流值等于岩石热导率和垂向地温梯度的乘积，通用的热流单位为 mW/m2;大地热流是一个综合性热参数，相比其他地热参数(如地层温度、地温梯度等)更加能够反映一个区域岩石圈热状态，是地球内热在地表的直接表现(Jiang et al，2019;Sun et al，2022)这里需要强调的是，热流所描述的是稳态热传导所传输的热量，在非稳态或有对流参与的情况下，如存在水热活动的热异常区，地球的散热量可以用热流通量(Heat flux)来表征，它包含了传导和对流热流分量的总和(Furlong and Chapman，2013;Huet al，2000)图 1平顶山矿区区域地质构造图Fig 1The regional tectonics of Pingdingshan coal mine area图 2区域地层剖面(Yu et al，2022)Fig 2The regional stratigraphic section(Yu et al，2022)4552023，38(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)图 5平顶山矿区大地热流平面分布图Fig 5Heat flow distribution map of Pingdingshan coal mine area图 3钻井地层温度随深度变化趋势Fig 3The changing tendency of formationtemperature with depth in the borehole大地热流在数值上等于地温梯度与岩石热导率的乘积，根据傅里叶定律，热流值可以由公式(2)计算得出:图 4不同岩性热导率值Fig 4Thermal conductivity values of different rock typesQ=KdTdZ，(2)式中，Q 为大地热流，单位为 mW/m2;K 为岩石热导率，单位为 W/(mK);dT/dZ 为地温梯度，单位为/km 负号代表大地热流方向与地温梯度方向相反根据上述计算的地层区间段的地温梯度和对应岩层段的热导率值，并结合中国大陆地区第四版大地热流数据，对平顶山矿区及周边热流数据进行搜集整理，如表 1 所示 从表中数据显示平顶山矿区热555地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)流分布范围为 31.0 135.0 mW/m2之间，大部分热流数据值在 46.0 76.0 mW/m2，异常高的热流值是受到地下水对流的影响 根据表中的数据，对其进行克里金插值并绘制研究区大地热流分布图(图中棕色圆圈代表热流测点位置)(图 5)从绘制的图中可以看出在构造隆起区热流值较高，尤其是在平顶山周边区域热流值高达 90.0 mW/m2;在坳陷区，热流值较低，如襄临坳陷和鲁叶坳陷区，热流值在50.0 mW/m2以下 因而，从整体上该区热流分布格局受基岩起伏的控制;同时该区域热流分布还受到断层分布的影响，区域热流异常高或者低的区域也是断裂发育区，这可能是由于该区断层作为导水断裂接受或者排泄地下水，从而影响热流值计算段地层温度的分布表 1平顶山矿区及周边热流测点数据(汪集旸和黄少鹏，1990;胡圣标等，2001;姜光政等，2016)Table 1Heat flow measurement points around Pingdingshan mining area(Wang and Huang，1990;Hu et al，2001;Jiang et al，2016)编号东经/()北纬/()地温梯度值/(/km)热导率值/(W/(mK)深度区间/m热流值/(mW/m2)1113.000033.283325.11 1.621.56 0.0830 23039.22113.601333.530221.5 0.901.73 0.08800 240037.23113.144733.850519.75 1.532.477 0.42200 100048.94113.178833.825824.54 2.052.023 0.55120 108049.65113.191633.825026.44 2.962.023 0.55240 90053.56113.200033.78332.726.3572.37113.207233.806127.83 0.652.023 0.55260 88056.38113.233833.648016.13 1.791.99 0.30400 190032.19113.234733.788666.9 3.972.023 0.55250 42013510113.240233.646119.61.583111113.277733.785523.8 1.242.023 0.55120 72048.212113.316133.799122.95 1.492.023 0.55120 60048.413113.338833.794122.85 0.832.02 0.47200 72046.214113.383333.783329.59 0.752.43 0.07217 29573.715113.412233.723330.08 2.271.907 0.98180 30057.416113.416633.583320.2 1.672.00 0.5212440 290040.417113.433333.750029.82.38300 48070.818113.433333.766633.12.23660 77073.719113.450033.783337.22.04390 44575.420113.454433.771623.70 1.302.023 0.53140 9804821113.462233.601320.92 1.401.99 0.302760 346041.622113.462533.5541202.082360 272041.823113.476633.612522.11.737.724113.480533.758621.72 0.872.023 0.55120 84043.925113.483633.751122.18 0.822.03 0.49460 90044.926113.683333.850022.52.101680 302047.327113.695233.801336.00 0.171.790 0.52200 331964.428113.749133.818620.18 0.841.56 0.08500 320031.529113.822733.739719.4 1.131.62 0.08600 260031.430113.866133.689122.8 2.151.62 0.08300 120036.931113.878033.708323.6 1.641.69 0.292411 317039.96552023，38(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)3数值模拟分析3.1数学控制方程在本次研究中，主要对研究区内两条典型的地层剖面开展数值模拟研究，其中剖面 1 的位置如图1 所示，剖面 2 为该区域简化模型示意图 在计算过程中主要考虑地下水流场和温度场之间的关系，这是由于地下水在流动的过程中产生的热对流会深刻影响地层温度的分布，而地层温度的变化会通过影响地下水相关的参数进而影响地下水流动(Clauserand Villinger，1990;Dong et al，2018)在研究的过程中，把岩石地层视作为多孔介质，其内部流体流动满足达西定律;对于其传热方式，包含热传导和热对流，用多孔介质传热表示(Wagner etal，2013;Wang et al，2021a，b)对于模型中的沉积砂岩和变质基岩层，由于其渗透性较差为非渗透层;对于碳酸盐地层，由于其具有异常高的渗透率，地下水可以在层内流动，视为含水层(Liu et al，2021;Pandey et al，2017)多孔介质传热控制方程为:(Cp)effTt+f+Cp，fT=(effT)+Q，(3)式中 T 代表温度，单位为 K;Q 代表热源项，单位为W/m3;为渗透流速，单位为 m/s;代表多孔介质密度，单位为 g/cm3;CP代表比热容 对于岩层内地下水流动，其控制方程为:t(f)+(f)=Qm，(4)=(f+fgz)，(5)式中 pf代表地下水水的密度，Qm为质量流项地层温度场和地下水流场之间的耦合主要通过考虑地下水相关参数会随温度的变化而发生改变(Wang et al，2021a，b;Zhang et al，2019)，以地下水的密度为例，水的密度随着温度变化公式为:w=105 T30.013 T2+4.969 T+432.25，(6)式中，w代表地下水的比密度;T 代表温度3.2初始值和边界条件根据平顶山矿区现今地温场特征，该区域地温度梯度在 32.0 km1左右，因而以该梯度值为依据设定模型垂向地层温度的初始值;对于模型表面温度，选取该区域年平均气温 17.2;对于模型底部，设定一个热通量值 65.0 mW m2作为模型底部热边界条件;模型两侧边界均采用热绝缘且无横向水流，且在计算过程中没有考虑岩石生热率的影响，裂隙厚度为 0.005 m;模型表面为一个标准大气压，1 105Pa，垂向上地层压力梯度为 0.01 MPa/m(Zhang et al，2021;王朱亭等，2022)不同岩层详细的物性参数资料如表 2 所示表 2模型计算主要相关参数Table 2Parameters used in the conceptual model参数热导率值/(W m1 K1)渗透率值/m2孔隙度/%比热值/(J kg1 K1)密度值/(kg m3)第四纪1.51e1758002600古近+新进纪1.81e16108502700二叠+石炭纪2.782e16158502750寒武纪5.04e14189002700震旦纪3.04e14158002600太古代2.841e1787002700断层2.501e112075026004计算结果分析与讨论在模型建立、物性赋值、初始值和边界条件设定后，对研究区两条典型的地层剖面进行数值模拟研究，其中剖面 1 的位置如图 1 所示，剖面 2 为该区域简化模型示意图 剖面 1 主要进行水热耦合模拟，探讨地下水流动对研究区地层温度场分布的影响，从计算结果可以看出，岩溶型碳酸盐含水层内地下水的流动可以深刻的改变区域地层温度场的分布，可以看出图中等温线的方向发生明显的波动(图中红色箭头代表水流的方向)(图 6a);根据计算的结果，对模型 1.0 km 深度处温度随时间变化的数据进行755地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 6地层剖面 1 水热耦合下温度场分布Fig 6Temperature distribution under consideration hydrothermal coupling of stratigraphic section 1提取并绘制成图 6b 从图中可以看出在水平方向0 6.0 km 范围内为地下水的补给区，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 6.0 9.2 km 之间，主要为地下水排泄区，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;最后，导水断裂可以深刻改变地层温度场的分布，从图 6b 断裂 1、2、3 处可以看出，断裂带处地层温度分布发生强烈的波动，是温度下降或上升的分界线，这是由于断裂带处具有异于围岩的渗透率，可以影响地下水流的运动进而影响温度场分布(Peacock and Siler，2021;Pola et al，2020)对于剖面 2 区域简化模型示意图，主要对其开展热模拟，讨论基岩起伏产生的热折射效应或热流的侧向汇聚作用以及构造界面两侧物性差异对区域浅表地温场分布的影响，计算结果如图 7 所示 从图中可以看出，中央凸起区相对于两侧凹陷区地层温度较高，这是由于基岩凸起区相对于凹陷区热导率较高，热量在向上传输的过程中会优先向热导率较高或热阻较小的区域进行传递，最终造成温度较高根据计算结果，对模型不同区域温度-深度数据进行提取，位置如线1、2、3 所示(图7a)，并绘制如图7b从图 7b 中所示，在 2.0 km 深度范围内，线 2(凸起区)相对于线 1、3(凹陷区)地层温度相差近 6;对提取数据 1.0 km 范围内地温梯度值进行计算，得出线 2 为 45.3 /km，线 1、3 地温梯度值为38.5 /km，二者相差近 6.8 /km，若沉积层岩石热导率值为 1.8 W/(K m)，则热折射效应对凸起区和凹陷区所造成的热流扰动在 12.3 mW/m28552023，38(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)图 7简化地层剖面 2 温度场分布Fig 7Temperature distribution characteristics of stratigraphic section 2岩石放射状生热率主要指 U、Th、K 等生热元素生热异常同样可能对研究区温度场造成影响，平顶山矿区内煤层放射性元素含量较高，但是根据实测结果，平顶山矿区生热率值在 2.5 W/m3左右，富含生热元素的厚度为 0.5 km 左右，因而其产生的热流扰动为 1.2 mW/m2左右，若沉积层岩石热导率值为 1.8 W/(K m)，其对沉积层段造成的温度扰动在0.67 /km 左右，故煤系地层本身高放射性生热并不是煤层高温度场的原因 岩浆活动引起该区域温度异常是首先需要考虑的因素，通常认为年龄在 50万至 100 万年内且具有较大规模的酸性岩浆活动会对区域温度场有明显的影响，即构造热事件 平顶山矿区内也存在岩浆活动，在钻孔中发现有基性火山岩，根据实测的年龄为 900 万年且规模不大，可以认为岩浆余热因素对区域温度场的影响可以排除5结论与认识本文通过系统搜集平顶山矿区及周边区域 7 口典型钻井测温曲线和 254 块岩石热导率资料，并结合该区域典型地质剖面开展水热耦合数值模拟，对955地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)该区域地温场分布特征及其成因有了详尽的认识，得出的结论主要如下:(1)平顶山矿区地温梯度值范围在 8.0 66.9/km 之间，对应的热流值范为 31.0 135.0 mW/m2，且大部分热流数据值在 46.0 76.0 mW/m2之间，异常高或者低的热流值数据是受到地下水对流的影响，且该区地温场分布呈明显的分带性，中央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(2)水热耦合模拟显示，岩溶含水层内地下水流动深刻改变该区地温场分布特征，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，是地层温度下降或上升的分界线(3)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，根据热模拟的结果，基岩凸起和凹陷区因热折射效应在 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致谢感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!eferencesCao B Q，Wang X Y，Zhang J L 2014Analysis on temperaturedistribution and influencing factors in Pingdingshan coal field CoalTechnology(in Chinese)，33(7):73-75Chai 2010Selection of geothermometers and estimate of thetemperature of geothermal reservio