1河北沽源、饶阳地区浅层地温场特征分析 张 杰 1，王兴春 1，赵敬洗 1，郭鑫 2，杨毅 1，邓晓红 1，武军杰 1（1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000；2. 河北省区域地质矿产调查研究所，河北廊坊 065000）摘要：通过在河北沽源和饶阳地区建立的 40m 深试验孔，进行了长期（＞1 年）定时（1 次/天）的浅层地温观测，分析研究了浅层地温场的特征，并确定了恒温层参数，沽源地区的恒温层深度约为 24m，温度约为 5.6℃；饶阳地区的恒温层深度约为 18m，温度约为 14.7℃关键词：沽源；饶阳；浅层；地温场恒温层是地球内部热扩散与外部热侵入的平衡点，其温度不受大气冷热周性变化的影响，是地球内部热作用过程最直接的显示，蕴含着丰富的地质、地球物理和地球动力学信息 [1][2]但由于恒温层测量周期长、效率低 [3]，目前国内很少关于恒温层实测研究的数据资料，大都通过理论计算恒温层深度 [4] [5] [6] ，以年平均气温代替恒温层温度 [6]2009 年，在地质大调查项目的支持下，物化探所开展了“区域地温调查技术方法研究” ，在河北沽源和饶阳地区开展了恒温层测量技术研究与试验，在试验孔（孔深 40m）内，以 1m 间隔布置热敏传感器，进行了长期（＞1 年）定时（1 次/天）地温观测，取得了两地区大量宝贵的实测浅层地温资料。
1 试验区概况沽源县和饶阳县分别位于河北省的北部、南部，如图 1 所示从地形和地势上看：沽源县地处坝上高原，位于内蒙高原的南缘，属于高原高寒区，干旱、少雨，年平均气温在 2℃左右，海拔约 1400 多米；饶阳县处于华北平原中的海河平原上，海拔在 17～65 米之间，年平均气温为 13～15℃浅部地层大都为第四系的上更新统和全新统内，下部表现为风积、冲积、湖积为主的覆盖（饶阳试验孔）和冲洪积、坡洪积为主的覆盖（沽源试验孔） 地层结构以粉砂土、砂土、粘土、亚粘土及中、粗砂、卵石互层表现形式为主此类地层结构的特点为地下水较丰富，特别是在层中的中、粗砂层和卵石层，赋水程度较好，给地表水垂向补给，层内赋水的横向移动提供了条件，也是地温长期观测的干扰因素之一基金项目：地质大调查项目“区 域 地 温 调 查 技 术 方 法 研 究 ”（1212010916037）2图 1 恒温层测量试验孔位置分布示意图2 浅层测温方法技术2.1 热敏传感器选配为了使同一个试验孔内的热敏传感器具有较高的一致性，首先进行热敏传感器一致性选配试验采用的方法是：将热敏传感器以防水导线连接，下置到同一深度（恒温层深度以下）的试验井，待试验井中温度稳定后，逐个测量各热敏传感器温度，测量每天一次，测量天数≥3 天，将离散的热敏传感器淘汰，测量结果最接近的分别编组（号） 。
2.2 热敏传感器的装置及置入方法恒温层深度由于受高程、纬度等多种因素的影响，所以不同地区的恒温层深度是互不相同的，要测量一个地区的恒温层温度，首先要确定该区的恒温层深度在恒温层深度上，温度不受一年四季不同气候变化的影响，所以同一地区的恒温层温度应是一恒定值为了准确地测量恒温层深度，可以采用串珠状多传感器装置，置入地温试验孔根据试验区的地理位置、气候环境、高程以及以往研究资料等情况[7] [8]，预计试验区恒温层深度小于 30m，为了能准确测量出恒温层深度，将试验孔深度定为 40m，采用串珠状多传感器装置，布置在试验孔内，进行长期（＞ 1 年）定时（1 次/天）观测记录为了保证热敏传感器置入深度的准确性，将经选配为一组的热敏传感器在硬杆（管）上等间隔（1m）分别固定，成孔后与硬杆（管）相伴置入，这样保证了下置深度和热传感器垂向间隔的准确性和长期放置的稳定性，每个热敏传感器分别导线3（防水）连接，地面测量2.3 恒温层深度确定方法因太阳的辐射和一年四季不同气候的影响，使地球表面的温度随之变化，这种变化因地表地形和覆盖层介质不同，其影响深度是不一样的我们知道地球内部的热以传导方式向地表方向扩散，地球表面受太阳辐射和一年四季不同气温的侵入，那么当“内扩散”和“外侵入”在地表以下某个深度点（层）达到抵消或平衡时，该深度点（层）的温度值是不随时间而变化的，该点（层）距地表的垂直距离就是恒温层深度。
利用试验孔的地温长期观测记录资料，分析出一年时间内相对温度不变的深度点（层） ，距地表相对最近的点(层)，即认为此深度为该点（区）的恒温层深度3 沽源地区浅层地温场特征分析3.1 浅层地温场随时间的变化特征沽源试验孔从 2009 年 9 月 22 日至 2010 年 10 月 24 日，连续观测记录了 398天，图 2 显示了 1～40m 深度的温度随时间变化曲线，由图可见，在 1～10m 深度上，温度随时间的变化非常明显，以 1m 深度为例，该孔开始测量时间为 2009 年 9月 23 日，正值中国的深秋，几天内观测到的温度均为一相对高值，约 12℃（相对温度测量） ；随着冬季的到来，温度逐渐降低，曲线随时间向下衰减，在冬季的 09年 12 月～10 年 2 月期间，观测到的温度值相对最低，达到 0℃以下，最低约-2℃，曲线显示一极小值；在春季（10 年 3 月～10 年 5 月） ，随着气温的逐渐回升，观测到的地温曲线也缓慢抬升；当夏季（10 年 6 月～10 年 8 月）到来时，观测到的地温值随时间抬升的速度加快，曲线明显变陡，并在 10 年 8 月初达到极大值，温度约 14℃随着又一年秋季的到来，一年四季不同气候对地温影响的一个周期结束，温度曲线逐渐平缓、又开始缓慢的下降，进入下一个气候影响的周期。
从不同深度的温度－时间曲线看，观测深度越浅，温度随时间变化的幅度就越大，曲线波动越明显；观测深度越深，温度随时间变化的曲线就越稳定另外，温度－时间曲线受季节性变化影响的特征点（如极小值、极大值） ，明显地随着深度的增加而向后延迟，表明浅层地温受气温影响有一定的延迟，并且深度越大，延迟时间越长3.2 浅层地温场随深度的变化特征为了分析该区浅层地温场随深度的变化特征，绘出温度－深度曲线，从 2009年 10 月起，选择每个月 15 日的观测值绘制一条温度－深度曲线，如图 3 所示4图 2 沽源县试验度－时间曲线图图 3 沽源县试验孔温度－深度曲线图5由图 3 可见，在该比例尺下，温度－深度曲线有明显变化的均在 15m 以上，15m 以下深度的曲线变化无法分辨，重点分析 15m 以上的曲线特征由图可见，2009 年 10 月～12 月的曲线特征相似，随着深度的由浅到深，地温观测值先由低到高、又由高向低转变，曲线显示出反“S”型特征，从观测时间的季节特征分析，10 月～12 月正处于我国的深秋、初冬季节，气温处于由高向低转变过程中，浅部受气温的影响较快，观测到的是一低温值，深度增加，气温影响的延迟时间增大，同时观测到的地温值受较早时期的气温影响更大，显示为一较高温度值，观测深度进一步增加，受到更早时期气温的影响，温度又开始降低，并逐渐达到一个平衡点，不再随深度的增加而变化；2010 年 01 月～5 月的曲线特征比较相似，随深度由浅到深，温度幅值由低到高并逐渐达到平衡点；6 月份的曲线与 11 月份的曲线特征正好相反，显示为明显的“S”型特征，由于 6 月正处于夏初季节，气温由低向高变化，近地表的地温受气温影响较快，观测到一相对高值，较深处受较早时期气温影响，观测到的是一相对低值，深度越大，受到的是更早时期气温的影响，但影响力越来越弱，地温值又逐渐增大，并最终达到一个平衡点；2010 年 10 月份的曲线与2009 年 10 月份的曲线特征完全一致。
3.3 恒温层特征在图 2 所示的温度－时间曲线图上，10m 以下温度随时间变化的曲线已经不明显为了准确确定恒温层的深度，就必须研究温度场的细微变化，有必要对每个深度上的地温观测值进行数学统计与分析，采用的方法是：（1）为了排除钻探施工对地温场的干扰，前 20 天的观测数据不参与统计；（2）求出每个深度点上地温的最大、最小以及平均值；（3）按 2 个月时间间隔划分一个窗口，求出一个平均值将上述求取的温度统计值列于表 1，为了更直观的了解温度值的细微变化，将时间窗口中的平均值与全体平均值相减，各深度的温度差值见表 2由两个统计表的数据分析可见，深度达到 24m 时，温度场就较为稳定通过试验孔的长期、定时观测记录，及上述对浅层地温场特征分析可以看出：（1）浅层地温场受到季节性气候变化的影响，季节性影响呈现出一定的规律性；（2）地球外部温度变化对地温的影响只局限于一定的深度范围内，在此深度上，来自地球内部的热扩散与地球外部气温的影响达到平衡，这个深度就是恒温层6深度3）在恒温层以上，观测深度不同，气温对地温的影响程度就不同，主要特征是：随深度逐渐增大，气温的影响力逐渐减弱、且延迟时间越长4）通过曲线、数学统计及综合分析地温场的细微变化，可以确定 24m 为沽源地区的恒温层深度，恒温层温度约为 5.6℃。
表 1 沽源县试验孔温度值统计表 单位：℃深度（m）最大值最小值全体平均091013～091212091213～100212100213～100412100413～100612100613～100812100813～1010121 14.25 -1.74 4.89 6.37 -0.17 -1.05 0.18 10.32 12.862 11.48 0.71 5.03 8.08 3.01 0.90 0.75 5.84 10.873 9.57 1.87 5.19 8.23 4.82 2.63 2.00 4.18 8.664 7.99 2.96 5.36 7.69 5.86 4.05 3.18 3.84 6.955 7.25 3.75 5.47 7.16 6.30 4.95 4.10 4.07 5.916 6.89 4.37 5.64 6.78 6.51 5.58 4.81 4.49 5.5078 6.31 4.91 5.62 6.04 6.26 5.92 5.40 4.98 5.169 6.06 5.09 5.61 5.75 6.04 5.92 5.57 5.22 5.1710 6.05 5.41 5.75 5.72 5.98 6.02 5.83 5.56 5.4311 5.95 5.46 5.72 5.62 5.84 5.93 5.83 5.63 5.4812 5.95 5.59 5.78 5.67 5.82 5.93 5.90 5.77 5.6213 5.92 5.65 5.81 5.67 5.76 5.86 5.90 5.86 5.8114 5.76 5.59 5.67 5.59 5.63 5.70 5.74 5.72 5.6515 5.73 5.62 5.68 5.62 5.63 5.68 5.72 5.73 5.6916 5.75 5.63 5.69 5.66 5.65 5.68 5.72 5.74 5.7217 5.66 5.59 5.62 5.60 5.59 5.60 5.63 5.65 5.6618 5.72 5.65 5.68 5.66 5.65 5.66 5.68 5.70 5.7119 5.69 5.63 5.65 5.64 5.63 5.64 5.65 5.67 5.6820 5.69 5.63 5.65 5.64 5.63 5.64 5.65 5.66 5.6721 5.67 5.58 5.62 5.58 5.60 5.61 5.62 5.63 5.6522 5.66 5.60 5.63 5.63 5.62 5.63 5.63 5.64 5.6523 5.60 5.55 5.57 5.56 5.56 5.57 5.57 5.58 5.5924 5.73 5.65 5.69 5.67 5.68 5.69 5.70 5.71 5.7225 5.60 5.58 5.59 5.。