摘要
矿山地热是地热地质研究中重要的一部分，其主要包括煤田地热、油气地热及金属矿山地热等，同时，深部矿产和地热资源协同开采是资源可持续发展的重要举措，对矿山地温场分布特征研究有助于协助深部矿产资源的开采与利用。本文以 2口钻井测温曲线和 155块样品热物性资料为基础，分析了研究区地温场特征，并通过热模拟研究其温度场的影响因素。研究结果表明沙坪沟地区地层温度随深度线性增加，热量传输以热传导为主，地层温度在1000 m埋深处为41 ℃左右，对应的地温梯度值为25.0 ℃/km左右，属于较低的地温梯度值范畴，地温梯度随深度表现出一定的随深度增加而增大的趋势；就热物性数据而言，区域岩石热导率为1.92~4.31 W/（m∙K），均值为3.14 W/（m∙K）；岩石生热率值为1.55~15.89 μW∙m-3 ，均值为5.36 μW∙m-3 ；研究区沙坪沟其生热率均值为6.17 μW∙m-3 左右，呈现出异常高的生热率值；经简单估算，该区大地热流值为 80.0 mW/m2 左右，属于异常高热流值范畴，岩石异常高的生热率是造成区域异常高热流值的主要原因，由于区域岩浆活动发生最近时间为100 Ma左右，时间久远，可认为岩浆活动对区域地温场没有影响。
Abstract
Mine geothermal resources constitute a significant part of geothermal geological research, encompassing coalfield geothermal, oil and gas geothermal, and metallic mine geothermal systems. The coordinated exploitation of deep mineral and geothermal resources is a crucial measure for sustainable resource development. Investigating the distribution characteristics of the geothermal field in mining areas is essential for the extraction and utilization of deep mineral resources. Based on temperature logging data from two boreholes and thermal property measurements from 155 rock samples, this study analyzes the geothermal field characteristics of the study area and explores the influencing factors of the temperature field through thermal modeling. The results indicate that in the Shapinggou area, formation temperature increases linearly with depth, with heat conduction being the dominant heat transfer mechanism. At a depth of 1000 meters, the formation temperature is approximately 41 ℃, corresponding to a geothermal gradient of around 25.0 ℃/km, which falls into the category of relatively low geothermal gradients. The geothermal gradient also exhibits a slight increasing trend with depth. Regarding thermal properties, the thermal conductivity of regional rocks ranges from 1.92 to 4.31 W/(m∙K), with an average of 3.14 W/(m∙K). The radiogenic heat production rate varies between 1.55 and 15.89 μW∙m-3 , with an average of 5.36 μW∙m-3 . Specifically, in the Shapinggou area, the mean heat production rate is approximately 6.17 μW∙m-3 , indicating an anomalously high radiogenic heat production. A simple estimation suggests that the terrestrial heat flow in this area is about 80.0 mW/ m2 , classifying it as an abnormally high heat flow region. The exceptionally high radiogenic heat production of rocks is identified as the primary cause of the elevated regional heat flow. Given that the most recent magmatic activity in the region occurred around 100 Ma, it is considered too ancient to have any significant impact on the current geothermal field.
Keywords
0 引言
安徽省沙坪沟斑岩钼矿床是近年来在秦岭— 大别造山带地区发现的一个超大型钼矿床，钼金属预计储量 246 万 t 左右，位列亚洲第一（张怀东等， 2012）。钼矿床的形成与区域地质背景和地球物理条件紧密相关（杜安道等，1994；黄典豪等，1996；陈衍景等，2000；李永峰等，2005；李诺等，2007），而地温场研究有助于理解钼矿床的成矿作用和成矿过程，为揭示成矿规律提供重要信息（豆保娜等， 2022；赵鑫鑫等，2022；任静等，2023）；其次地温场的异常往往与矿产资源的赋存有关，通过对钼矿区地温场的研究，可以指导找矿方向，提高矿产资源勘探的效率和成功率。因此，矿区地温场研究对于矿产资源的勘探、开发、环境保护以及地质灾害的预防具有重要意义。具体而言，在矿产资源勘探中，地温场的变化可以反映出地下岩石的热物性信息和构造活动，有助于地质学家确定矿产资源的分布。特别是有些矿床的形成与地热活动密切相关，通过研究地温场，可以预测潜在的矿产资源（甘军等，2019；李香兰等，2020；刘峰等，2020；左丽琼等， 2025）。同时，对区域地温场的研究有助于了解矿区的深部温度场，对于矿区的开发规划至关重要，如在煤层的开采中，了解地温分布可以帮助设计更有效的通风系统，减少能源消耗，提高矿工的工作环境（毕世科，2018；张福强等，2019）。其次在矿区开采环境保护过程中，由于地温的变化可能会对周围环境造成影响，例如，地下水温的变化可能会影响地表植被的生长和地下水资源的质量，通过研究区域地温场可以制定相应的环境保护措施，减少对环境的负面影响（穆金霞，2019）。
此外，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，根据钻井测温曲线可反映出相应的地质信息，如高渗透性地层分布、导水断裂位置、地下水的流动等（李延河等，2023；张克松等，2024），对于了解地下环境、评估地质条件及进行资源开发等方面都具有重要意义。首先，地层温度测量有助于了解地球内部的热状态（陈昌昕等，2020）。地球内部的温度一般随着深度的增加而升高，通过测量不同深度的地层温度，可以推断地下热流的分布情况，进而研究地球内部的热动力学过程（左银辉等，2013； 张超等，2018；刘峰等，2020；卢玲敏等，2025）。其次，在油气勘探领域，地层温度测量是判断油气藏的重要手段之一。油气藏的存在往往伴随着地层温度的异常变化，通过分析地层温度的分布特征，可以辅助确定油气藏的位置和规模（甘军等， 2019）。再者，地层温度测量对于地质灾害的预测和防治具有重要作用。例如，地温异常升高可能是地热活动增强的信号，这可能预示着火山活动或地震的发生（刘小凤，2002；刘星云等，2018）。最后，地层温度测量在地热资源开发中也扮演着重要角色。地热能是一种清洁的可再生能源，通过测量地层温度，可以评估地热资源的潜力和分布，为地热能的开发和利用提供科学依据。
通过前文的介绍可知矿区地温场研究是多学科交叉的领域，它不仅对矿产资源的勘探和开发具有指导意义，而且对于环境保护、地质灾害预防、地热资源开发以及科学研究等方面都具有深远的影响。通过对地温场的深入研究，可以为矿区的可持续发展提供科学依据和技术支持。
由于地温场的研究对矿产开发利用具有重要的理论意义，开展区域地温场研究主要包括钻孔地层温度、地温梯度、大地热流等参数的测试计算工作，同时还包括上述要素的空间分布规律及影响因素简要分析等。因此，本研究共计实测研究区内两口代表性钻井数据，包括自然伽马、自然电位、声速、流体电阻率，并对钻井代表性岩石地层的热物性参数进行搜集整理，共计155块，并结合研究区周边已经发表的地温数据（姜光政等，2016），对研究区地层温度、地温梯度、地温梯度随深度的变化规律以及大地热流空间分布规律进行分析；最后结合热模拟手段对区域地温场影响要素进行简要分析，包括岩浆活动、岩石生热率异常等。
图1沙坪沟区域地质图
1—第四系全新统丰乐镇组；2—青白口系佛子岭群；3—大别山杂岩；4—二长花岗岩；5—花岗闪长岩；6—碱长花岗岩；7—石英正长岩；8—角闪石岩；9—花岗斑岩；10—辉长岩；11—石英闪长岩；12—硅化脉；13—花岗岩-花岗斑岩脉；14—闪长玢岩脉；15—碱长花岗斑岩脉；16—铅锌矿脉；17—石英脉；18—正断层；19—逆断层；20—平移断层；21—推测断层；22—水系；23—地名；24—高程点；25—沙坪沟测区位置；26—调查区范围；27—研究区范围
1 区域地质背景
1.1 区域地质构造
沙坪沟钼矿床位于安徽省六安市县关庙乡境内，在大地构造位置上，其处于北淮阳构造位于北秦岭—北淮阳构造带东段（安徽部分），商城—麻城断裂的东部。武当—桐柏—大别造山带是中国中部一个重要的地质与成矿单元，夹持于华北地块与扬子地块之间，是秦岭造山带的东延。该成矿带南以襄樊—广济断裂为界，北至确山—合肥断裂为界，西起陕西省界，东到郯庐断裂。其中桐柏—大别造山带又可以细分为华北板块南缘构造带、北秦岭—北淮阳构造带、桐柏—大别构造带、随县—浠水构造带和扬子板块北缘—大别南缘构造带。区内岩浆岩广泛发育，这是由于北淮阳地区为中生代强烈的构造-岩浆活动带，广泛发育着各类岩浆岩，其中以侵入岩为主，次为喷出岩。区内因大面积岩浆岩侵入，残留的地层零星分布，褶皱构造不发育，主要发育断裂构造。矿区及外围共有大小断层 42 条，以北西向和北东向最为发育，其次为近南北走向；其中北东向断裂规模较大者有 3 条，为柳林断层、火星炉断层及沙坪沟断层，其中沙坪沟断层位于矿区东南部，走向 60°，局部扭曲及倾向北西，沿断层糜棱岩发育（张怀东等，2010）。
1.2 区域地层
研究区属于华南地层大区，出露地层主要有新太古代大别山杂岩和新元古代佛子岭岩群，沿现代河流两侧分布有第四系松散沉积物（图1）。研究区地（岩）层具体可划分为 4 个构造层：新太古界－古元古界大别杂岩构成北淮阳构造带的下构造层，分布于晓天—磨子潭断裂以南，在北淮阳带较少出露，仅在斑竹园一带有零星露头，岩性主要为斜长角闪岩、浅粒岩、二云斜长片岩、白云石英片岩；中下构造层主要为中元古界庐镇关岩群和新元古界—下古生界佛子岭岩群，是一套具有槽相沉积特征的中浅变质岩系，它与结晶基底相比并不是真正的基底，岩性主要包括含石榴白云斜长片麻岩、白云石英片岩夹斜长角闪片岩、黑云斜长片麻岩、二云斜长片麻岩、二长花岗片麻岩；上古生界泥盆系—石炭系构成安徽北淮阳地区中上构造层；上构造层是中生界及其上地层，为未经历塑性变形和变质的陆相盆地堆积和火山-沉积地层，包括中生界侏罗系—白垩系、新生界古近系—新近系—第四系。
2 地热地质条件
2.1 地层温度
本研究测试了两个钻孔的钻井地层温度、自然伽马，两个钻孔分别为钻孔 1和钻孔 2，深度分别为 1025 m、917 m。其中只有钻孔1开展了自然伽马测试。测试结果如图2所示。
钻井测温曲线在地热地质研究中具有重要的意义（刘小凤，2002；刘星云，2018），从图2a中可以看出，两口钻井地层温度随深度均呈线性增长趋势，温度由 20℃逐步升高至 40~45℃。总体地温梯度正常，属于传导型地温增温模式，钻孔1的全段温度略高于钻孔2。
伽马射线与岩石生热率之间也存在一定关系 （孙旭东等，2021，2023）。从图2b中可以看出，自然伽马（GR）值在全段主要集中在 10~30 API，基底响应相对稳定。在浅部（0~100 m）出现高频、大幅度的尖峰突变，最高达到约70 API，通常指示为覆盖层且泥质含量较高，形成了良好的地热盖层。在 450 m 深度处，出现一个极高值的狭窄尖峰（接近95 API）。这种强尖峰通常断裂破碎带，是良好的导热通道，且常伴随有富含放射性元素（如铀、钍）的裂隙矿物充填。
图2钻井测井数据随深度变化趋势
a—钻孔温度曲线；b—钻孔自然伽马曲线
2.2 岩石热物性
岩石热物性是指岩石在热传递过程中所表现出的物理特性，如岩石热导率是衡量岩石导热能力的物理量，它描述了单位时间内单位温差下通过单位面积和单位厚度岩石的热量，单位为 W/（m∙K）； 岩石生热率值是指单位质量的岩石单位时间通过放射性元素的衰变所产生的热量，放射性元素主要包括 U、Th、K 等，单位为 μW·m-3 （彭涛等，2015；雷晓东等，2018；豆保娜等，2022；李延河等，2023）。
本研究总计搜集整理研究区及其周边区域 49 块岩石热导率和 106 块岩石生热率（含沙坪沟地区 32 块）测试数据（表1），主要测试岩性包括花岗岩、二长花岗岩、花岗斑岩、石英正长岩、碱长花岗岩等 （赵新福等，2007；王萍，2013；陈芳等，2016；何俊等，2018；豆保娜等，2022）。对数据整理分析并绘制成图3，从图中可以看出，岩石热导率为 1.92~4.31 W/（m∙K），均值为 3.14 W/（m∙K），主要分布在 2.0~4.0 W/（m∙K），对于花岗岩，其属于正常偏高的热导率值范围；岩石生热率值对于整体而言，其分布范围为 1.55~15.89 μW·m-3，均值为 5.36 μW·m-3； 研究区沙坪沟生热率均值较大，为 6.17 μW·m-3 左右。总体而言研究区及周边具有异常高的生热率值，主要与花岗岩酸性岩性富集生热元素有关。
图3研究区及周边岩石热物性分布直方图
a—岩石热导率分布；b—全部数据生热率分布特征；c—沙坪沟地区生热率分布
3 现今地温场分布特征
3.1 地温梯度分布特征
地温梯度（Geothermal Gradient）通常是指地球恒温层以下深度地层温度随深度的增加而升高的速率，单位是℃/km。地温梯度值的大小对于地热地质学、地球物理学等领域的研究具有重要的意义 （常健等，2016）；如在地热资源评估中，较高的地温梯度值意味着地下深处具有更高的地层温度，同时可能存在丰富的地热资源。通常利用最小二乘法计算相应的地温梯度值（王一波等，2019），线性回归方程式如下：
(1)
式（1）中，G为地温梯度（℃/km），Z0为恒温带深度（km），T0为恒温带深度处的温度（℃），一般用多年平均气温值代替，T（z）代表深度 Z 处的温度值 （℃）。
根据式（1），选取地温随深度增加良好的区间段，对上述钻井地温梯度值进行计算，图4a、b分别给出了钻孔 1（100~1010 m）、钻孔 2（100~890 m）每间隔5 m计算一个地温梯度值的计算结果。对于钻孔 1，其地温梯度值相对较稳定，其主要分布在 20.0~40.0℃/km，整个深度区间段地温梯度均值为 26.7℃/km；对于钻孔 2，其地温梯度值在浅部 100~450 m之间波动较大，在450~890 m地温梯度值主要分布在 30.0℃/km 左右，整段区间地温梯度均值为 24.8℃/km；对于两口钻孔而言，其地温梯度随深度都呈现出一定趋势的增加现象。
图4地温梯度随深度的变化趋势
a—钻孔1（100~1010 m）地温梯度计算结果；b—钻孔2（100~890 m） 地温梯度计算结果
表1研究区周边岩石样本热导率及生热率统计
3.2 大地热流分布特征
大地热流是指单位面积、单位时间内由地球内部以热传导的方式传输至地表，然后散发到太空中去的热量，该参数具有重要的科学和实际意义（徐明等，2011；左银辉等，2013；张超等，2018；张浩然等，2024），主要体现在以下几个方面：在理论地热学方面，通过测量和分析大地热流，可以揭示地球深部的热信息，从而对深部动力学过程进行约束，对于理解地球的热结构、动力学过程以及岩石圈的构造活动具有重要意义。在应用地热学中，大地热流数据是进行区域地热资源潜力评价的必要参数，有助于评估不同地区的地热资源储量和开发潜力。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来表征，它包含了传导和对流热流分量的总和。
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，热流值可由下式计算得出：
(2)
式（2）中，Q为大地热流（mW/m2），K为岩石热导率（W/（m·K）），dT、dZ 为地温梯度（℃/km），负号代表大地热流方向与地温梯度方向相反。
由于本文研究区位于大别造山带内部，复杂的地形地质条件使得研究区内热流测点数据较少甚至没有；因此本研究主要根据已发表的历次大地热流汇编数据为依据，搜集整理研究区及周边测点数据作为辅助进行分析，共计整理 18 个热流测点（姜光政等，2016），具体的测点信息如表2所示，包括经纬度坐标、对应的地温梯度及大地热流值等。从表中可以看出，研究区及周边的大地热流值属于正常偏高的范畴，如果把前文实测热导率的均值（3.14 W/（m∙K））用于本文实测的两口钻井热流值计算，其值在 80.0 mW/m2 左右，则属于异常高的大地热流值。
表2研究区及周边热流测点数据
根据表2中的大地热流测点数据，根据克里金插值方法，绘制出研究区及周边大地热流分布图，由于无法获取本文测井的钻孔岩石热物性尤其是岩石热导率数据，因此本文估算的热流值则不用于热流分布图的绘制，绘制结果如图5所示。图中显示研究区及周边的大地热流分布范围主要为 58.0~72.0 mW/m2，并呈现出西南低、东北部较高的分布格局，这主要是东北部属于南华北盆地区块的范畴，由于海拔较高的造山带地区热传递的方向不仅包括垂向上的传输还包括水平方向上侧向的热量传递，一般会使得盆地内热流相较于造山带较高，而西南侧属于造山带内部，热流相对较低。
图5矿区大地热流平面分布图
4 结果分析与讨论
4.1 现今地温场分布特征
根据钻孔测温曲线可知该区域地温受到地下水等活动的影响较小，热量的传输以热传导为主； 根据测温曲线计算的地温梯度该区域属于地温梯度值较低的范畴，基本在25.0℃/km左右；同时地温梯度值随着深度的增加有逐渐增大的趋势，这与地热地质中的一些认识相反，一般而言，垂直地温梯度和热流值会随着深度的增加而减小。此外，由于岩石的压实度和密度随深度增加而增加，岩石热导率值也应随深度增加而增加；因此，根据式（2），即使对于非均质岩层，垂向上地温梯度值也应随着深度的增加而逐渐减小，可能是与岩层生热元素异常富集或生热率值异常高有关。根据上述计算的地温梯度值与该区域热导率均值的简单乘积可知热流值在 80.0 mW/m2 左右，可以侧面反应出区域具有异常高的热流值（中国大陆地区热流值均值为 61.5 mW/m2），而在历次热流汇编或对该区域热状态研究过程中，通常认为该区域或大别造山带具有较低的背景热流值（姜光政等，2016），这并不意味着上述研究工作不合理，而是在造山带内部由于其地质构造、地形地貌、岩性、物质汇聚等存在复杂性，在局部区块可存在热异常，因而下文将简要介绍不同影响因素对地温场或热流分布的影响。
4.2 温度场影响要素分析
地温场分布受到众多因素的影响，如地下水流动、导水断层、岩浆活动等，研究上述影响因素有助于深入理解地温场成因；同时，在地热资源评价中，通过分析影响地温场分布的要素，可以构建更为精确的地热系统模型，这对于预测地热资源开发潜力至关重要。在本研究中，从前面介绍中可知研究区曾是岩浆活动广泛发育区，二是岩浆活动产生的花岗岩具有异常高的岩石生热率值，因此在本节重点分析了岩石异常高生热率和岩浆活动对地温场分布的影响，地下水活动和地形等对地温分布的影响在此没有展开。
首先，研究生热率异常对该区域地温场分布的影响：主要采用热模拟的研究方法。根据搜集的岩石热物性数据可知该区岩石生热率为 1.55~15.89 μW·m-3，均值为 5.36 μW·m-3。为了显著表征生热率异常对地温分布的制约，在本文模拟中，图中红色方框代表生热率异常区（长为 25 km，厚度为 6 km），该区块生热率设定为 10.0 μW·m-3，其周边区块生热率值设置为 2.0 μW·m-3，把岩层视为多孔介质，使用 Comosl 内置的多孔介质传热模块，模型底部热通量值设置为 65.0 mW/m2，计算结果如图6所示，计算时间为500万年，其中图6a代表最终温度场分布特征（单位 K），图6b代表模型表面热流分布特征。从图中可以看出，生热率异常区导致了明显的地温异常响应，表现为440 K和520 K等温线在异常区内显著上涌（或埋深变浅），同时模型表面热流也呈现出生热异常区较高的分布特征（理论上地表热流值随着计算时间的延长，在生热率异常区模型表面的热流值应该在150 mW/m2 左右）。
图6生热率异常对地温场分布的影响
a—研究区温度场分布图；b—表面热流分布图
其次，研究岩浆活动对区域温度场分布的影响：由于岩浆在上侵过程中会携带大量的热量，进而会加热周边地层温度，但是其对周边温度场的影响会随着时间的增加而逐渐减弱。按照生热率对温度场影响的研究方法对岩浆活动对温度场分布影响进行研究。红框代表岩浆侵入体（长为25 km，厚度为6 km），初始温度设定为1325 K，计算结果如图7所示，从计算的结果可以看出一方面岩浆活动会对区域温度场造成很大的扰动，如在 5 万年左右岩浆活动对地温场分布产生明显的扰动，另一方面，随着时间的演化，该活动对温度场分布的影响效应逐渐降低，如在12万年左右岩浆活动对区域地温场分布的影响几乎可以忽略不记。这里需要说明的是，在本文模拟中未考虑岩浆由熔融态至固态过程中的相变热，而是默认为固体，但其整体规律应为一致。由于该区域岩浆活动期次的研究表明，主要分为两个侵入期次：第一期次为 134~126 Ma； 第二期次为 116~109 Ma（徐晓春等，2013）；因而可以认为该区域岩浆活动对地温场的影响很小或者说可以忽略不计。
图7岩浆活动对地温场分布的影响
5 结论
本文通过系统搜集沙坪沟地区2口典型的测井曲线和155块岩石热物性资料，并结合热模拟，对该区域地温场分布特征及其影响因素有了初步的认识，得出的主要结论如下：
（1）研究区内热量的传输以热传导为主，受地下水等活动的影响较小，地层温度在1000 m埋深处为41℃左右，对应的地温梯度值在25.0℃/km左右，属于较低的地温梯度值范畴，地温梯度随深度表现出一定的随深度增加而增大的趋势，表明进入该层段的热量要大于该层段所传出的热量，主要可能与岩层生热元素异常富集有关；
（2）就本文整理的热物性数据而言，区域岩石热导率为1.92~4.31 W/（m∙K），均值为3.14 W/（m∙K）；岩石生热率值为1.55~15.89 μW·m-3，均值为5.36 μW·m-3； 研究区沙坪沟生热率均值在6.17 μW·m-3 左右，呈现出异常高的生热率值；
（3）经简单估算，该区大地热流值在80.0 mW/m2 左右，属于异常高热流值范畴，岩石异常高的生热率是造成区域异常高热流值的主要原因，岩浆活动对区域地温场的影响可以忽略不计。
致谢 感谢审稿专家和编辑部提出的修改意见。