DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 瞬变电磁道路雷达研制 瞬变电磁法探测路基病害需要解决类似雷达的扫描式探测系统、针对路基病害探测的天线装置、数据处理与成像等系列技术。 3.1. 瞬变电磁雷达系统 瞬变电磁雷达系统(Transient Electromagnetic Radar，简称TER)由电磁发射机、电磁接收机、天线及处理软件组成 [ 4 ] [ 5 ] 。TER瞬变电磁道路雷达如图3所示，TER道路雷达技术指标见表3。 图3. TER瞬变电磁道路雷达 Table 3 Transient electromagnetic road radar technical inde 发射机 接收机 发射频率 0.0625~222 Hz 采样频率 4.096~52.734 KHz 断电时间 <100 us A / D分辨率 24 Bit高精度 供电电流 0~50 A 动态范围 175 dB 表3. TER道路雷达技术指标 Continued 3.2. “临界阻尼”中心回线装置 对于常规瞬变电磁法来说，浅层瞬变电磁法记录信息更全面，所记录信息为电流开始关断时刻以后的纯瞬变二次磁场，该场定义为全程瞬变二次磁场，实际上TER瞬变电磁雷达是上升沿触发，通过设置延时来控制采样开始时间的。TEM仪器使用接收线圈观测瞬变电磁感应电压的常用装置，其模型可以等效如图4所示。V i 为接收线圈的感应电压，r为接收线圈的内阻，L为接收线圈的电感，C r 表示接收线圈的分布电容，R a 和C a 分别为前置放大器的输入电阻与输入电容，R T 为并联在接收线圈两端的阻尼电阻，调节R T 的大小可以使得线圈的过渡过程处于临界状态，一般情况下R T = R a 。 图4. 接收线圈等效电路 V i 为接收线圈的感应电压，实际接入前置放大器输入端的电压为： V a = R a R a + r + S ( L + R a r C ) + S 2 R a L C V i (1) 式中C = C r + C a ，S = jω；未接入R T ，一般情况，R a 比其它阻抗项要大的多，故有： V a = 1 1 + S r C + S 2 L C V i (2) 图5给出了全程瞬变电磁感应电压曲线示意图，图中虚线为含过渡过程的响应电压。根据电磁振荡理论，电路有谐振与固有两种频率，电路振荡临界系数可定义为： K = δ ω = α ( 1 2 R ) L / C + 1 2 r C / L (3) 式中： δ = r C + L / R ) / 2 L C ； r为瞬变电磁电路系统中接收线圈R x 内阻； R为外接电阻即配置电阻；L为接收线圈电感； C为系统中接收线圈的分布电容； ω = r / R + 1 ) / L C 为接收线圈的谐振频率； α = | K 2 − 1 | ω ，当K < 1、K = 1、K > 1，接收系统分别处于欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态，不同的接收状态对接收信号造成不同的影响。通常，可以通过调节匹配电阻R T 来调节整个工作电路处于临界阻尼状态下工作。综合来看，临界阻尼状态下的输出电压波形其总体效果最好 [ 6 ] 。 图5. 感应电动势欠阻尼和过阻尼过程 图6. 临界阻尼中心回线装置 研制的临界阻尼中心回线装置如图6所示，在临界阻尼状态下，采集的感应电压曲线如图7所示，图中显示早期信号仍混叠有一次场信号，随后感应电压随时间快速衰减。 图7. 临界阻尼中心回线装置获取的感应电压衰减曲线 3.3. 全期 ρ i 视电阻率计算 在瞬变电磁法中，视电阻率等于相同瞬变电磁系统和测量装置下，在同一时刻产生与测量值相同瞬变场响应的均匀导电半空间的电阻率。中心回线全期的 ρ i ( t ) 视电阻率计算 [ 7 ] ： ρ i ( t ) = μ 0 a 2 4 t u 2 (4) 其中a为发射回线半径， u 0 = 4 π ∗ 10 − 7 ，t发射电流关断后的延迟时间，u为与电阻率和测量装置相关的参数，中心回线 u = μ 0 a 2 4 ρ t ， ρ 为均匀半空间电导率。 图8为北京地铁平安里车站地下管线探查视电阻率波密度图与等值线图，红色代表高阻，蓝色代表低阻。 图8. 北京地铁平安里车站地下管线视电阻率波谱图
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user: 4. 与地质雷达试验对比 地质雷达其频率范围一般为n*10~n MHz，探测范围可从n cm~n*10 m。而实际在城市道路上探地雷达的最佳探测范围只有不到十米，特别在低阻覆盖层下探测深度更小。 图9. 地质雷达探测钢筋砼管沟波谱 图10. 瞬变电磁道路雷达探测钢筋砼管沟视电阻率像图 在北京车公庄道路检测中，利用TER瞬变电磁雷达与地质雷达进行了对比试验，图9、图10为并列大小钢筋砼管沟引起的地质雷达波谱异常和瞬变电磁雷达视电阻率异常。由于钢筋砼管沟与路基土介质存在较大的介电常数和视电阻率差异，跟据电磁波的传播特性，则砼管沟与周围物质接触的界面产生的反射电磁波很明显。而钢筋砼管沟比路基土介质的电阻率较低，在瞬变电磁雷达视电阻率剖面上呈现低阻异常。 通过对比常规地质雷达异常图谱，瞬变电磁雷达在道路探测中特点如下： 1) 地质雷达以介电常数为差异，而瞬变电磁雷达以地下电阻率为差异，其对目标体异常解释更为简单、直观、清晰。 2) 由于地质雷达图像易受现场各种信号干扰，通常虚假异常多，后期处理难于识别、判译，而瞬变电磁雷达视电阻率成像解释结果更接近实际目标体。 3) 地质雷达频率高、功率小、穿透能力差、探测深度浅，而瞬变电磁雷达更适合于大深度探测，其横向分辨率可达厘米级，对不同含水率土性、不同管材分辨力较高。
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user: 5. 工程应用 城市道路下主要有地下管线、地下空洞、疏松体病害和岩土介质。下面分别结合实际工程介绍利用TER瞬变电磁雷达探测地下管线 [ 8 ] [ 9 ] 和道路病害实例。TER雷达图谱解释是利用横向追踪视电阻率的变化来推演各种道路结构物和地下病害。 5.1. 探测地下管线 2017年05月项目组利用瞬变电磁道路雷达在“一带一路高峰论坛”会前对国家大剧院周边进行地下管线安全复查。 由于地质雷达探测深度的局限性，本项目采用TER瞬变电磁道路雷达对地质雷达探测的异常进行抽检、复核及验证。现场布置了6条测线，由于瞬变电磁雷达异常解释简单、易判读，可对地质雷达的异常区平行验证，经与实际地下管线竣工图进行对比，完全满足了对地下管线安全普查的精度要求。图11为现场实际采集图，图12、图13为L5、L6测线的实际解释图。检测结果与实际完全吻合。 图11. 国家大剧院周边现场数据采集 图12. TER雷达L-5视电阻率断面图 图13. TER雷达L-6视电阻率断面图 5.2. 探测道路病害 2018年8月，北京大兴亦庄同济南路路面局部区段出现路面沉降，经管理方要求对沉降部位进行探测。项目组利用TER瞬变电磁道路雷达进行现场方法试验，取得了预期效果。图14为某测线探测的地下管线与疏松体病害的视电阻率解释图。图15为某测线探测的不同埋深钢管和砼管与疏松体病害的视电阻率剖面解释图。
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user: 6. 结论 城市道路塌陷、地下管线事故每天都会发生，城市道路病害检测目前仍有许多问题，目前常规的方 图14. TER探测地下管线与疏松体病害的视电阻率解释图 图15. TER探测钢管、砼管与疏松体病害视电阻率剖面解释图 法仍是以地质雷达为主结合钻探法验证，但是地质雷达功率小、频率高、易受干扰、穿透能力低、探测深度有限。试验研究表明：瞬变电磁道路雷达功率大、频率低、视电阻率断面解释以及无损快速探测有望拓展城市道路质量检测的内容，通过进一步的试验与设备功能改进，将揭开瞬变电磁道路雷达在道路结构探测中新的应用方向 [ 10 ] 。
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user: 摘 要 即便是在国家能源结构调整背景下，未来一定时期内，煤炭仍是我国主要能源之一，煤矿安全生产的任务依然艰巨。水害作为煤矿五大灾害之一，严重威胁煤矿安全生产，为了减少煤矿水害事故的发生，最重要的就是对其突水水源进行有效识别。本文以皖北矿区童亭煤矿四个含水层的Na + + K + 、Mg 2+ 、Ca 2+ 、Cl − 、 S O 4 2 − 、 H C O 3 − 、TDS共7种常规水化学指标为基础，建立矿井突水水源识别的多元矩阵模型，并利用各离子组合来判定待测突水水样属于各含水层的可能性大小。以Na + + K + 、Mg 2+ 、Ca 2+ 为例，突水水样属于四含水的可能性为−0.2978、属于煤系的可能性为−0.0396、属于太灰的可能性为0.1101、属于奥灰水的可能性为0.8486，因此，该离子组合显示突水水样的来源是奥灰水。通过对其他各组离子的计算结果，同理可以判断其突水水源。结果显示，该矿井突水来源于煤系水的有0组，来源于太灰水的有2组，来源于四含的有4组，来源于奥灰的有29组，且各组平均值也显示为奥灰水。据此，可以认为突水水源为奥灰水。该模型原理简单，受到水样和指标数量限制较小，且具有较好的识别效果，对于皖北地区童亭煤矿的水源识别率可以达到82.86%，可以为矿区煤矿水害防治提供参考。 关键词 :多元矩阵模型，矿井突水，水源识别，童亭煤矿 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着国家能源结构的调整，煤炭资源在我国能源结构中的消费比重将逐步降低。但在一定时期内，煤炭仍是我国主要的能源之一，所以煤矿安全生产工作的任务依然艰巨。水害作为煤矿五大灾害之一，严重威胁煤矿安全生产，当矿井发生突水时，会淹没井巷、损坏生产设备、导致人员伤亡、造成巨大的经济损失等。对于煤矿水害事故的预防关键就是准确地识别矿井突水水源 [ 1 ] 。国内外诸多学者从水文地球化学的角度对矿井突水水源的识别进行了大量研究，而常规水化学方法由于测试简单、速度快、成本低，加之煤矿多年的开采，积累了大量的常规水化学数据，因此，常规水化学方法在判别煤矿突水水源中得到了广泛的应用 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 。多元矩阵模型由于原理简单，受样品数量以及每个样品的指标种类限制较小，且模型的可靠度较高，在生物学、生态学、系统工程、动力工程、爆炸安全理论与技术等领域都已经得到了广泛使用 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 。然而利用多元矩阵模型对矿井突水水源识别的报道较少 [ 10 ] [ 11 ] 。本文在上述研究的基础上，以皖北矿区童亭煤矿常规水化学数据为研究对象，利用多元矩阵方法建立矿井突水水源识别模型，以期为煤矿防治水工作提供参考。
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user: 2. 矿井水文地质特征 童亭煤矿位于淮北煤田临涣矿区，位于童亭背斜西翼北端，童亭背斜倾伏部位，为一轴向NW不对称宽缓向斜构造。北以次赵口断层为界，南以孟集断层为界，东部以煤层隐伏露头为界 [ 12 ] 。含煤地层为石炭系和二叠系，上覆为新生界松散层，下伏太原组灰岩和奥陶纪灰岩。根据地层特性、地下水的埋藏条件、区域富水条件等，可将矿区分为4个新生界松散层含水层(又可细分为第一、第二、第三、第四4个含水层)、煤系地层砂岩裂隙含水层(简称“煤系水”)、太原组灰岩岩溶裂隙含水层(简称“太灰水”)和奥陶纪灰岩含水层(简称“奥灰水”)。由于第一、二、三含水层底板均有稳定的隔水层，使得上部含水层与第四含水层(简称“四含水”)之间不存在水力联系；而四含水直接与煤系地层接触，是上部煤系地层开采的主要补给水源；下伏太原组灰岩和奥陶纪灰岩岩溶发育，其本身与煤层开采不存在直接的水力联系，倘若遇到岩溶陷落柱或断层切割形成导水通道时，灰岩含水层地下水便可涌入矿井。因此，该矿井主要突水水源为四含水、煤系水、太灰水、奥灰水。
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user: 3. 研究方法 多元矩阵模型的原理是利用多个未知数建立矩阵方程，再根据实测数据和矩阵的运算方法来求出未知数，其实质近似多元一次方程组，它是矩阵方程在实际工程当中的一种特殊应用 [ 11 ] 。根据矿井突水的一般规律，其水源一般由地下岩层水构成。因此，矿井水源识别的多元矩阵模型以各含水层对矿井突水的影响程度为未知研究对象，根据实测数据来判识待测水样的来源。多元矩阵模型在矿井水源识别中的数学矩阵可以表示如下： C F = P ， C = [ C 11 C 12 ⋯ C 1 n C 21 C 22 ⋯ C 2 n ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ C n − 1 ， 1 C n − 1 ， 2 ⋯ C n − 1 ， n 1 1 1 1 ] ， F = [ F 1 F 2 ⋮ F n − 1 F n ] ， P = [ P 1 P 2 ⋮ P n − 1 P n ] (1) 式(1)中，矩阵C为各含水层对应的水化学指标矩阵，P矩阵为待测水样的水化学指标矩阵，F矩阵为各含水层对矿井突水的影响程度矩阵。 C i j ( i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n − 1 ; j = 1 ， 2 ， ⋯ ， n ) 为各含水层中不同水化学指标的实测值；P i 为待测突水水样各水化学指标的实测值， F i ( i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n ) 为各含水层对矿井突水的影响程度(即待测突水水样属于各含水层的可能性大小)，F i 最大者代表的含水层即可能就是矿井突水的主要来源。
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user: 5. 结论 本文以皖北矿区童亭煤矿四个含水层的Na + + K + 、Mg 2+ 、Ca 2+ 、Cl − 、 SO 4 2 − 、 HCO 3 − 、TDS共7种常规水化学指标为基础，构建了矿井突水水源识别的多元矩阵模型，利用各离子组合来判定待测突水水样属于各含水层的可能性大小。该模型原理简单，受到水样和指标数量限制较小，且具有较好的识别效果，对于皖北地区童亭煤矿的水源识别率可以达到82.86%，可以为煤矿水害防治工作提供参考。
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user: 摘 要 为了查明研究区滑坡形成机制，本文通过对野外调查与实验资料的研究，分析了该滑坡体的基本特征和所在区域的地质条件。运用简化毕肖普法分别计算了斜坡自然状态和暴雨工况下的稳定性系数，结果发现斜坡自然状态下处于基本稳定状态、暴雨工况下为不稳定状态，与实际情况相符。认为与斜坡倾向一致的软硬相间地层组合及较差的岩土工程性质是滑坡发育的内因，开采黏土矿导致外部地质环境条件改变，破坏了山坡的整体稳定性是滑坡形成的主要外因，暴雨极端天气是直接诱因，以上各种影响因素的不利组合，导致了研究区滑坡的最终发生。 关键词 :滑坡，稳定性，成因，简化毕肖普法 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 我国山区面积较大，占国土面积的1/3，随着国民经济发展，山区矿产被大量开采，但由于部分矿产的过度开发以及不科学的开发方式，地质灾害频发，造成了巨大的人员经济损失 [ 1 ] [ 2 ]。安徽巢湖北部山区由于矿产的大规模开采，废弃矿山周围发生崩塌、滑坡等地灾可能性大，地质环境和地灾危险性评估均为中等 [ 3 ] [ 4 ]，有众多学者对巢湖市的滑坡进行了研究，王国强等学者分析了凤凰山南坡滑坡的形成机制，运用简化Bishop法进行了稳定性分析 [ 5 ]，王良宗对北外环的土质滑坡的形成条件及机理进行了研究 [ 6 ]，学者们在分析的基础上提出了综合治理措施，对巢湖地区地灾治理有良好的指导作用。汛期是滑坡的高发期，很多边坡失稳的诱发原因是短期强降雨，雨水使岩土体强度降低，容重和含水率增加 [ 7 ] [ 8 ]。此外，当滑坡含有膨胀性土体时，下雨膨胀变形受到上覆地层压力时，会出现膨胀力 [ 9 ]，膨胀土不良工程特性以及膨胀力使滑坡稳定性大大下降 [ 10 ] [ 11 ]。目前在量化分析、评估滑坡体的稳定性和危害性时广泛应用简化Bishop法 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]，这种基于平衡理论的数学模型经过众多学者的简化优化，其严格性和可靠度也得以论证 [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]，司光武等还将膨胀力考虑入条分法计算中 [ 21 ]。在确定计算参数时，目前很多勘查单位据水利水电工程实践的经验，将岩石粘聚力、内摩擦角予以折减再用于计算，实际效果较好，有关规范也明确给出了折减系数的建议值 [ 22 ] [ 23 ]，部分学者根据理论计算模型和滑坡破坏实际情况反算岩土力学参数，也证明了岩土参数实验值折减的必要性和合理性 [ 5 ] [ 24 ] [ 25 ]。 安徽省巢湖市麒麟山东北坡狮子口段原先一直处于基本稳定状态，因人工开挖粘土矿，2016年该市又遭遇多日极端暴雨天气，雨后发生山体滑坡。本文对该滑坡体的基本特征和所在区域的地质条件进行了分析，应用简化Bishop法对该滑坡的稳定性进行了计算，讨论了滑坡的形成机制，并提出了综合治理的建议。
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user: 2. 研究区概况及滑坡发育特征 2.1. 自然地理条件 滑坡点位于巢湖市凤凰山街道灯塔社区田埠村西侧的麒麟山东北坡(经度117˚51'18''、纬度31˚38'21'')。研究区气候温和湿润，四季分明，属于季风副热湿润气候，年平均气温为15℃，年平均降水量900~120 mm之间，其中夏季降水占据全年降水的45%，夏季经常出现暴雨极端天气。 2.2. 采矿背景与滑坡发育特征 研究区采矿坑位于田埠村西侧的麒麟山东北坡，矿坑中心点经纬坐标(117.861307， 31.638996)。该矿具体开采时间不详，至少于2004年之前开采，主要开采泥盆系五通组(D 3w )黏土岩，开矿弃渣堆叠于边坡之上，边坡植被破坏严重。黏土矿呈层状分布，矿层稳定、厚度较大，走向50˚左右，夹有薄层砂岩。黏土岩主要由高岭土、伊利石、少量石英及微量褐铁矿组成。矿坑近似呈椭圆状，长轴呈NE-SW方向伸展，长约200 m，周长约500 m，面积约4000 m 2 。 巢湖市凤凰山街道灯塔社区田埠村西侧的麒麟山，地质构造上处于凤凰山背斜。滑坡区域地面标高50~100 m，呈弧形，滑坡面积约为37，000 m 2 ，滑坡体体积约为250，000 m 3 ，属于中型土质滑坡。滑坡体出现多处拉张裂隙，滑坡体上可见“醉汉林”。滑坡前缘房屋出现裂缝，地面隆起，前缘屋后的挡土墙出现了变形，起翘剥壳。该滑坡影响其下方226户449人，同时威胁铁路专用线的安全。对斜坡主坡面进行了实测，发现组成该斜坡的地层有石炭系高骊山组(C 1g )、石炭系金陵组(C 1j )、泥盆系五通组(D 3w )。其下伏地层为志留系坟头组(S 2f )砂岩。滑坡体特征及滑坡区地形地质情况见图1。 图1. 滑坡区地形地质图
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user: 3. 研究区工程地质条件 研究区位于凤凰山背斜的南东翼，地层主要包括志留系坟头组(S 2f )、泥盆系五通组(D 3w )、石炭系金陵组(C 1j )和高骊山组(C 1g )。 滑坡体后缘为五通组石英砂岩，十分坚硬，透水性差，稳定性好，不易产生滑动。 滑坡主要发生在五通组(D 3w )顶部泥岩夹砂岩段，金陵组(C 1j )和高骊山组(C 1g )，滑坡物里还包括大量黏土矿废弃矿渣。其中，高骊山组泥岩风化严重，抗剪强度较低，雨后的抗剪强度下降较大。金陵组主要为一层灰黑色细晶灰岩，五通组泥岩夹砂岩段主要为淡青灰色黏土岩夹薄层中–细粒灰白色石英砂岩，软硬相间。砂岩风化严重，成碎裂块状，块体内部裂隙十分发育，本身不影响滑动。黏土岩天然状态下强度较高，但由于组成矿物亲水性较强，雨后强度迅速大幅降低，且具有弱膨胀性。滑坡体各岩土层力学参数详见表1。滑坡体地层组合及取样情况见图2。 Table 1 Statistical table of mechanics parameters of rocks and soils in landslide bod 地层及岩性 统计项目 物理力学性质 膨胀率(%) 容重(KN/m 3 ) C值(kPa) φ值(度) 自由状态 50 kPa C 1g 泥岩 范围值 20~20 48.2~48.2 9.9~9.9 49~49 −0.7~−0.7 平均值 20.00 48.20 9.90 49~49 −0.70 变异系数 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 C 1g 砂岩 范围值 25.2~25.9 6800~6900 36.5~38 0.00 0.00 平均值 25.55 6850.00 37.25 0.00 0.00 标准差 0.49 70.71 1.06 0.00 0.00 变异系数 0.02 0.01 0.03 0.00 0.00 C 1j 灰岩 范围值 25.9~25.9 6800~6800 38~38 0.00 0.00 平均值 25.90 6800.00 38.00 0.00 0.00 变异系数 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 D 3w 黏土岩 范围值 18.3~20.8 29.3~81.2 13~23.4 19~46 −1.9~−0.3 平均值 19.74 58.56 15.78 33.00 −0.82 标准差 0.94 21.39 4.32 10.20 0.64 变异系数 0.05 0.37 0.27 0.31 −0.78 D 3w 砂岩 范围值 25.2~25.9 6800~6900 14.9~15.7 0.00 0.00 平均值 25.73 68.50 15.30 0.00 0.00 标准差 11.51 30.64 6.85 0.00 0.00 变异系数 0.45 0.45 0.45 0.00 0.00 D 3w 页岩 范围值 19.4~19.4 34.3~34.3 18.5~18.5 32~32 −0.9~−0.9 平均值 19.40 34.30 18.50 32.00 −0.90 变异系数 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 表1. 滑坡体各岩土层力学参数统计表
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user: 4. 滑坡形成机制 4.1. 稳定性计算 4.1.1. 计算公式 在原简化Bishop法公式的基础上忽略孔隙水压力的影响，得到如下计算式 [ 5 ] ： F s = Σ ( W i × tan φ i + c i × b i ) / m θ i Σ W i sin θ i (1) 其中： m θ i = cos θ i + sin θ i ∗ tan φ i F s ； 式中：F s 为边坡的稳定性系数，W i 为条块重量，c i 、φ i 为条块滑面的粘聚力(KPa)与内摩擦角(˚)， 为条块宽度(m)，R为圆弧半径，θ i 为条块滑面与水平方向夹角。 4.1.2. 计算参数 黏土岩和砂岩的密度、粘聚力、内摩擦角等参数由室内试验所求，其取值的准确程度对滑坡稳定性分析意义重大。砂岩测试所用岩块内部裂隙极为发育，较难取芯，且实际岩体十分碎裂，本身不阻挡滑动，因此测试结果远远大于实际岩体的强度。结合前言中资料，辅以当地的地方经验资料，进行了合理折减，使之符合实际情况。试验土样由于取样方法、长距离运输以及试验操作等等因素的影响，使测试值与实际值有一定差别。狮子口滑坡五通组黏土层试验测试结果与实际情况较为符合，高骊山组泥岩风化严重，结合当地经验进行合理折减。在暴雨工况下，将各岩土层的容重增加(均增加1 KN/m³)，c值变为原来的80%，tanf值变为原来的90%。土层50 KPa下膨胀率出现较小负值，说明弱膨胀性黏土产生膨胀力接近50 KPa。 4.1.3. 计算结果 运用边坡计算软件SlopeLE对该边坡进行计算。该软件借助CAD软件实现建模和数据采集，然后将模型导入其客户端，可选择瑞典条分法、简化Bishop法、传递系数法计算边坡稳定性与剩余下滑力，最后生成计算表和结果图。据狮子口段滑坡实情，选择简化Bishop法分析计算，找出稳定性系数最小的滑动面，并结合实际情况进行分析，确定合理滑面。将折减后的参数带入公式和软件计算，得出如下结果： 1) 自然状态下对以上公式进行简化并带入自然状态岩土体工程性质参数，计算出F s 为1.128，边坡处于基本稳定状态。 2) 暴雨工况下带入暴雨工况土体工程性质参数计算出F s 为0.965，边坡处于不稳定状态。若考虑雨后黏土产生的膨胀力，则等于增加了下滑力，F s 会进一步降低，边坡更不稳定。 计算结果与边坡自然状态稳定，连续强降雨之后发生滑坡的实际情况符合。计算分析模型见图2。 4.2. 滑坡成因分析 1) 粘土矿开采，破坏了山坡岩土体的整体性 ① 黏土矿废弃矿渣的不当堆载额外增加了下滑力，随着废弃矿渣量的增加，下滑力不断变大，滑坡稳定性逐年下降直至失稳。 ② 受黏土矿开采施工和地层出露面积不断增加的影响，岩土体裂隙不断增加，强度下降。 ③ 黏土矿开采使边坡对暴雨的抵抗力逐年下降：一方面不断破坏植被，雨水的冲刷作用逐年变大，雨水渗入量逐年变多，植被蒸腾作用减少的地下水量逐年减少；另一方面废弃矿渣不当堆载使边坡排水困难，且矿渣的亲水性和地层出露使雨水渗入量增加。加之研究区2016年遭遇的连续强降雨，降水量大于往年，因此2016年雨水渗入量多于往年，坡内坟头组致密砂岩之上大量积水，高骊山组风化泥岩和五通组黏土岩的抗剪强度短期内大幅下降，阻滑力下降；岩土体及堆叠的废弃矿渣含水率、雨后容重较往 图2. 滑坡剖面 年也大幅增长，下滑力增加，最终导致该滑坡的发生。 2) 软硬相间地层条件下，雨水渗透、侵蚀等作用促进了岩体风化，降低了岩体强度 滑坡体下伏地层为坟头组致密坚硬，透水性差的砂岩，雨水渗入之后在边坡坟头组砂岩之上积水，对其上的岩土体进行浸润软化。发生滑动的地层主要为五通组黏土岩夹薄层砂岩与高骊山组泥岩夹薄层砂岩，软硬相间，雨水易沿着软硬地层界面渗入并带走细小颗粒形成渗流通道，因此界面附近的土体更加疏松多孔。雨水的冲刷、渗透、长期浸润软化侵蚀作用促进了风化作用，使得坡体内五通组砂岩内部裂隙不断增加和扩大，最终呈碎裂块状。碎裂块状砂岩由于强度低无法产生较大阻滑力，反而会因自身较大重力增加下滑力，加速滑动。且裂隙又会为雨水入渗提供通道，不断加速岩土体风化；使得高骊山组泥岩风化严重，粘聚力下降较大。在雨水的长期渗透、侵蚀，风化作用影响下，岩土体结构不断变化，性质不断劣化，强度降低，使得滑坡整体从基本稳定状态逐步变成至2016年的不稳定状态。 3) 雨水入渗导致软岩膨胀，增加了岩体的不稳定性 五通组黏土岩具有弱膨胀性，雨水渗入后发生膨胀，在受到外侧地层的限制后产生膨胀力，增加下滑力，斜坡稳定性下降。 4) 岩土体蠕变的影响 边坡长期微小变形的累积，使滑坡越来越不稳定。岩土体蠕变主要受废弃矿渣的量和降雨的影响： ① 废弃矿渣堆载少时边坡内部应力较小，岩土体不变形或者为衰减性蠕变；随着废弃矿渣量的增加，边坡内部的应力逐渐增大，逐渐变成非衰减性蠕变。到2016年时，边坡的内部应力大到使岩土体蠕变进入加速变形阶段。 ② 每年的降雨使岩土体发生蠕变变形，但由于低于变形上限不会进入加速蠕变阶段 [ 26 ]，到2016年时，土体蠕变变形累积至一定程度，且经历连续强降雨，岩土体进入加速蠕变阶段，岩土体出现破裂面，滑坡稳定性急剧下降。 综上所述，与斜坡倾向一致的软硬相间地层组合以及较差的岩土工程条件是研究区斜坡稳定性先天不足的内因，不合理开采黏土矿改变了外部的地质环境条件、破坏了山坡的整体性是滑坡形成的主要外因，暴雨极端天气是直接诱因，以上各种影响因素的不利组合，导致了研究区滑坡的最终发生。
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user: 5. 结论与建议 1) 巢湖市麒麟山东北坡狮子口段滑坡区位于凤凰山背斜的南东翼，滑坡体后缘为坚硬致密五通组石英砂岩，滑动地层及岩性主要为五通组青灰色黏土岩夹薄层砂岩、高骊山组风化泥岩夹薄层砂岩，整体上岩土工程性质较差。 2) 用简化Bishop法进行稳定性分析计算，自然状态下F s = 1.128，边坡处于基本稳定状态，暴雨工况F s = 0.965，边坡处于不稳定状态。 3) 与斜坡倾向一致的软硬相间地层组合以及较差的岩土工程性质是滑坡发育的内因，外部地质环境条件的改变(不合理开采黏土矿)破坏了山坡的整体性是滑坡形成的主要外因，暴雨极端天气是直接诱因，以上各种影响因素的不利组合，导致了研究区滑坡的最终发生。 4) 建议在坡顶、坡体表面和坡脚建排水渠，加强截、排水，防止雨水滞留浸泡；对滑坡体产生的拉张裂隙进行封闭处理，防止地表水入渗，同时在坡脚(下方住户前)重新建设抗滑桩等阻挡结构。
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user: 摘 要 赣南地区是华南东段的重要组成部分，寒武纪时期沉积了一套巨厚的复理石建造，它们都具有高SiO 2 (66.07%~83.85%)，相对较高的Al 2 O 3 (8.81%~22.56%)、K 2 O (1.27%~6.72%)和TFeO + MgO (2.17%~9.18%)含量，相对较低的Na 2 O和CaO含量。微量元素和稀土元素显示相容元素和轻稀土元素相对富集，与典型上地壳元素特征相似。稀土元素球粒陨石标准化分布图显示稀土元素具有明显右倾性，具有明显的Eu负异常和弱Ce负异常，与PASS和上地壳特征相似。岩石地球化学特征结合寒武纪碎屑锆石年代学和Hf同位素特征显示研究区物源主要来自华夏地块南部上地壳长英质源区，少量基性火山岩区和古老地壳再循环的产物。研究区寒武纪时沉积物源没有发生明显变化。研究区早古生代沉积构造背景为被动大陆边缘。 关键词 :寒武纪沉积岩，地球化学，物源区，构造背景，赣南地区 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 由扬子板块和华夏板块沿江南造山带拼合而成的华南板块一直是地质学研究的热点问题。从中新元古代板块拼合到加里东期造山运动，华南经历了复杂多变的构造–岩浆运动 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 。其中对于早古生代华南板块的构造属性一直存在争议，部分学者认为华南早古生代板块间存在一个古大洋，即华南早古生代存在洋壳 [ 5 ] - [ 13 ] 。另外一部分学者认为华南早古生代不存在洋壳俯冲，为一被动大陆边缘环境 [ 14 ] - [ 20 ] 。赣南地区作为华南东段的重要组成部分，寒武纪地层在该区广泛出露，成为了研究华南早古生代构造背景的一个重要窗口。笔者在详细野外地质调查基础之上，对该区的寒武纪地层剖面进行了系统的采样工作，并对样品主量元素、微量元素和稀土元素进行了详尽的分析，通过地球化学特征的分析对研究区寒武纪构造背景进行研究，以期对华南地区早古生代构造背景研究提供新的地质资料。 研究表明，沉积岩的化学组成记录了沉积盆地的源区性质和构造背景 [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] 。碎屑–岩的地球化学特征主要受源区成分的控制，在运移、沉积和成岩过程中，一些微量元素和稀土元素不会发生明显变化。因此，碎屑沉积岩的地球化学特征可以为沉积岩物源与形成的构造背景提供约束。
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user: 2. 地质背景 研究区(图1)位于华南东段的赣南永新地区，大地构造位置位于华南加里东造山带的东段。其分区地层隶属于华夏地层分区的永新–井冈山地层小区。新元古代南华纪–早古生代该区为一系列浅变质泥砂岩组成的复理石连续沉积。研究区的地层出露相对齐全，尤以中生代地层发育为特色 [ 25 ] 。主要地层有：寒武系、泥盆系的浅变质单元，部分地区出露奥陶系的稳定沉积单元，侏罗系、石炭系地层在研究区也有出露。研究区岩浆活动频繁，经历了长期多旋回的构造运动，产生了从南华纪至白垩纪的多期、多阶段岩浆活动，形成了广泛分布的花岗岩及少量基性侵入岩及海相火山岩 [ 26 ] - [ 29 ] 。与侵入岩有关的岩脉也相对发育。测区内断裂构造非常发育，主要表现为北东向加里东–燕山期多期次的断裂和韧性剪切带。 图1. 研究区地质简图(改自文献 [ 10 ] )；a-研究区大地构造位置简图；b-研究区地质简图；1-第四系；2-侏罗系；3-石炭系；4-泥盆系；5-奥陶系；6-水石组；7-高滩组；8-牛角河组；9-加里东期花岗岩10-断层；11-剖面位置及编号；12-取样位置 寒武纪地层在研究区内分布广泛，主要包括牛角河组、高滩组和水石组。其岩性主要为一系列浅变质的砂、板岩组成的复理石建造(图2)。其中牛角河组下部普遍发育石煤层，其上常见灰黑色的含炭硅质岩，组成了下部“华山硅质岩段”，与下覆整合接触的老虎塘组顶部的“白硅”成为了划分寒武纪与震旦纪地层的标志。水石组上部的砂板岩中常夹灰岩或其透镜体，成为与上覆奥陶纪地层的划分标志。为了更好地对研究区中生代的物源特征和构造背景进行研究，本文对赣南地区永新县坳南乡寒武纪PM113和PM111剖面进行了系统的采样工作，并对样品进行了主量、微量和稀土元素测试分析研究。
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user: 3. 测试方法 本文采集的剖面样品共计20件，为了能更加准确测定全岩地球化学数据，所采样品均为新鲜样品。 图2. 研究区寒武纪沉积岩野外露头和样品镜下特征。c-样品H113-26-1；d-样品H113-31-2；Qtz-石英；pl-斜长石；Se-绢云母 在系统岩相学鉴定基础上，进行主量元素、微量元素和稀土元素分析测试工作，其中砂质岩12件、泥质岩8件。所有样品的主量元素、微量元素及稀土元素测试工作均在南京矿产地质研究所试验测试中心完成。其中主量元素采用Axios 4.0波长色散型X射线荧光光谱仪测定，测试精度优于1%；微量元素和稀土元素采用Finnigan ElementⅡ型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定，精度优于5%。
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user: 4. 岩石地球化学特征 4.1. 主量元素特征 由表1可知，赣南地区沉积岩样品中SiO 2 含量变化较大，变化范围在66.07%~83.85%之间，平均含量为75.4%；Al 2 O 3 和K 2 O含量范围在8.81%~22.56% (平均为13.59%)和1.27%~6.72% (平均为3.3%)之间，含量相对较高；TiO 2 含量在0.21%~1.09%之间，平均含量为0.54%；TFeO + MgO含量在2.17%~9.18%之间，平均为4.91%；SiO 2 /Al 2 O 3 的值在2.93~9.52之间。K 2 O/Na 2 O的值大多数集中在0.1~10之间；CaO含量较低，变化范围在0.07%~0.83%之间。通常情况下，SiO 2 /Al 2 O 3 和K 2 O/Na 2 O的值可以反映沉积岩的成熟度 [ 22 ] 。研究区样品SiO 2 /Al 2 O 3 和K 2 O/Na 2 O值反映其为中等成熟度，但部分样品Na 2 O含量较低，反映样品可能受到了风化淋滤作用的影响，导致了Na丢失。 4.2. 微量元素特征 由表2可知，赣南地区寒武纪沉积岩微量元素具有以下特征：相容元素Cr、Ni、Co、V和Sc的值变化范围在11wt%~103 wt%、3.84 wt%~49.6 wt%、1.49wt%~190wt%、10.1wt%~98.3wt%、3.89wt%~14wt%之间；大离子亲石元素(LILE) Rb、Cs、Sr和Ba的变化范围是37.6wt%~390wt%、2.88wt%~34.9wt%、7.59wt%~111wt%和204wt%~1172wt%；高场强元素(HFSE) Zr、Hf、Th和U则在93.1wt%~714wt%、3.56wt%~18.7wt%、6.52wt%~33.7wt%、1.06wt%~15.6wt%之间变化。由多元素标准化图解(图3)可知，研究区大离子亲石元素与PASS相比Rb、Ba含量相当，而Sr具有明显亏损。与中国东部上地壳、上地壳相比，Rb富集，Ba出现弱亏损，而Sr亏损明显。样品中高场强元素与PASS、中国东部上地壳、上地壳相比含量均较高。相容元素Ni、V、Sc与上地壳的值相当，Co、Cr则与中国东部上地壳值更为相似。 图3. 寒武纪沉积岩多元素标准化图解。PASS、上地壳数据根据文献 [ 22 ] ；中国东部上地壳数据根据文献 [ 31 ] 4.3. 稀土元素特征 如表2和图4所示，研究区变沉积岩的稀土元素变化特征明显。样品稀土元素总量整体在96wt%~465wt%之间变化，平均为203wt%，明显高于上地壳，更接近PASS；样品轻稀土(LREE)中等富集，(La/Yb)N值的范围为5.1~20.64，平均为9.41。ΣLREE/ΣHREE的比值为4.87~12.7，平均为7.96。由稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图(图4)可以看出，稀土元素具有明显右倾性，轻稀土中等富集、重稀土相对平坦，具有明显的Eu负异常，Ce负异常较弱。与PASS和上地壳具有相同特征 [ 22 ] ，反映他们都来自上地壳。 图4. 寒武纪沉积岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图。(球粒陨石标准化数值据 [ 22 ] )
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user: 5. 讨论 陆源沉积物的化学组分主要受源区岩石类型、风化条件、搬运方式及成岩后生作用等的控制，这些因素又受沉积盆地的构造环境制约 [ 21 ] [ 32 ] 。因此利用不同元素之间的组合可以对沉积盆地的源区特征、构造环境等进行判别 [ 21 ] [ 22 ] 。其中主量元素构造判别图解采用 [ 23 ] 的K 2 O/Na 2 O-SiO 2 图解和SiO 2 /Al 2 O 3 -K 2 O/Na 2 O图解 [ 33 ] 。研究区部分样品H113-28-2、H113-31-2、H111-4、H111-6可能因风化淋滤作用的影响，Na值偏低。因此，在进行主量元素构造环境判别时不采用以上数据。 5.1. 源区特征 在TiO 2 -Ni图解中(图5)，大多数样品落入长英质源区砂岩范围内，表明源区以长英质岩石为主，部分样品落入长英质与镁铁质混合源区中，说明源区中可能存在少量基性岩石成分，这与研究区具有较高的TFeO + MgO及相容元素富集的特征一致；在Co/Th-La/Sc图解中(图6(a))，部分样品落入长英质火成岩 图5. 寒武纪沉积岩Ni-TiO 2 图解(根据文献 [ 34 ] ) 图6. 寒武纪沉积岩Co/Th-La/Sc (a)和La/Th-Hf (b)图解((a)据文献 [ 35 ] ；(b)据文献 [ 34 ] ) 物源区，部分样品落入长英质火成岩与TTG平均分成区；在La/Th-Hf图解中(图6(b))，大多数的样品落入长英质源区，部分样品落入长英质与基性源区的混合区域，这与前面得到的结论相同，说明源区中可能含有少量基性岩石成分。部分样品落入长英质源区的右侧，暗示有古老地壳物质的加入。这与上述稀土元素特征表明源区物质主要来自上地壳的结论一致。 5.2. 物源分析 利用沉积岩碎屑锆石年龄谱是探讨沉积物源与亲缘性的有效方法之一 [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] 。本文利用已经发表的赣南地区寒武纪牛角河组和高滩组碎屑锆石年龄谱图与扬子板块和华夏板块特征年龄峰值进行对比研究，可以有效识别出沉积物来源。华夏板块(图7)存在典型的1000 Ma的碎屑锆石年龄峰值，前人的研究也可以得出这一结论 [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] 。扬子板块碎屑锆石年龄峰值中以典型的780~860 Ma为特征，说明扬子板块周缘存在广泛780~860 Ma的岩浆活动。虽然扬子板块也存在1000 Ma左右的岩浆活动，但是这一时期的岩浆活动主要存在与扬子板块的西缘 [ 43 ] ，与研究区相距甚远。因此，我们认为赣南地区寒武纪沉积岩的物源来自华夏板块，非扬子板块。 沉积盆地的源区改变会对沉积岩的形成产生影响，主要体现在沉积岩成分和碎屑锆石U-Pb年龄分布方面 [ 44 ] [ 45 ] 。赣南地区寒武纪碎屑锆石均具有明显的4个峰值年龄：980 Ma、800 Ma、2500 Ma、1500 Ma。因此，研究区早古生代寒武纪沉积岩的物源区没有发生明显的变化。本文作者已发表的牛角河组和高滩组碎屑锆石Hf同位素研究表明(图8)，赣南地区寒武纪沉积岩源区既与新生地壳物质熔融有关，也有古老地壳物质再循环的产物。这与研究区物源来自长英质物源区和古老地壳成分的加入的结论是一致的。 5.3. 构造环境判别 在K 2 O/Na 2 O-SiO 2 图解中(图9(a))，大多数样品落入被动大陆边缘区域，少部分落入活动大陆边缘；在SiO 2 /Al 2 O 3 -K 2 O/Na 2 O图解中(图9(b))，除一个样品落入玄武质和安山质碎屑的岛弧环境外，其他样品均落入被动大陆边缘环境；在La-Th-Sc三角图解中(图10(a))，大部分样品落入活动大陆边缘和被动大陆边缘的环境，部分落入大陆岛弧环境；在Th-Co-Zr三角图解中(图10(b))，大部分样品落入被动大陆边缘及被动大陆边缘与大陆岛弧环境，一个样品落入大洋岛弧环境；在Th-Sc-Zr图解中(图10(c))，大部分样品落入大陆岛弧环境中，部分落入被动大陆边缘环境，少量落入活动大陆边缘环境。 从主量元素和微量元素图解中可以看出，研究区早古生代变沉积岩所包含的沉积构造背景是多元的。为什么研究区沉积岩出现如此多元的沉积构造背景信息？研究表明，当物源区岩石包含多种构造背景信息时，其沉积构造背景在一定程度上也会受到源区岩石性质的影响 [ 46 ] 。被动大陆边缘相对稳定，经历了复杂的构造岩浆活动，其原岩中可能包含大陆岛弧或活动大陆边缘的信息。大陆岛弧和活动大陆边缘作用下形成的沉积盆地由于快速堆积和同期火山物质的加入，一般认为不包含有被动大陆边缘沉积环境的信息。因此，赣南地区寒武纪沉积岩的沉积环境应为被动大陆边缘。 实际上，前人的研究也可以得出与本文对应的结论。王剑等 [ 47 ] 通过对华南新元古代沉积岩的岩相学研究得出华南新元古代沉积盆地为海相沉积盆地的结论。柏道远等 [ 46 ] 对湘东南南华系–寒武系砂岩的地球化学研究表明扬子板块与华夏板块之间新元古代–早古生代期间的沉积盆地不是洋盆，而是陆内裂谷盆地。沈渭州等 [ 48 ] 运用地球化学方法对江西井冈山地区寒武纪–奥陶纪沉积盆地研究认为该地区早古生代沉积盆地属于浅海–半深海或陆壳海槽环境，其构造环境应属于被动大陆边缘。杨明桂等 [ 49 ] 通过对江西中新元古代地层对比研究认为华南新元古代裂谷盆地为陆内海盆环境。郑宁等 [ 50 ] 和杨世文等 [ 51 ] 通过对江西不同地区的沉积岩进行地球化学方面的研究得出早古生代寒武系沉积岩的沉积环境为被动大陆边缘。周恳恳等 [ 52 ] 运用岩相古地理的手段对华南盆地演化进行研究认为华南早古生代无洋盆消减，而是经历了从被动大陆边缘到前陆盆地演化的过程。 图7. 研究区寒武纪沉积岩碎屑锆石年龄谱图(扬子板块和华夏板块碎屑锆石年龄谱文献据 [ 44 ] ) 综上所述，通过前人资料和研究区寒武纪地球化学方面等对学科多角度的研究，本文认为华南早古生代裂谷盆地为陆内裂谷，赣南地区早古生代沉积岩的沉积构造背景为被动大陆边缘。 图8. 牛角河组(a)和高滩组(b)碎屑锆石ε Hf (t)和U-Pb年龄图(据文献 [ 30 ] ) 图9. 寒武纪沉积岩主量元素构造环境判别图解。不同构造环境的界线根据 [ 23 ] (a)和 [ 33 ] (b)：ARC-大洋岛弧；ACM-活动大陆边缘；PM-被动大陆边缘；A1-玄武质和安山质碎屑的岛弧环境；A2-长英质侵入岩碎屑的进化岛弧环境 图10. 寒武纪沉积岩微量元素构造环境判别图解。不同构造环境的分布区域根据 [ 53 ] ：A-大洋岛弧；B-大陆岛弧；C-活动大陆边缘；D-被动大陆边缘
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user: 6. 结论 通过对赣南地区早古生代沉积岩的主量、微量和稀土元素地球化学特征结合研究区牛角河组、高滩组碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素进行研究得出以下结论： 1) 赣南地区寒武纪沉积岩的物源主要来自华夏地块南部的长英质物源区，还有少量基性岩石物源区；寒武纪时期研究区的物源没有发生明显变化；源区成分既有与新生地壳熔融有关的岩浆产物，也有古老地壳物质再循环的产物。 2) 研究区早古生代为陆内裂谷环境，沉积构造背景为被动大陆边缘。
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user: 摘 要 本文提出了地热资源质量评价方法，以综合反映某区域地热资源的开发价值和利用难度。研究中选取单井产热功率、地热流体质量和大地热流三个评价指标，建立了一种“三元耦合”的地热资源质量评价方法。单井产热功率用来反映储层物性特征和地热水补给能力，另外在建立分级标准时考虑了资源利用方式的投资回报，能够反映地热工程的经济价值，是本方法的主要评价指标。地热流体质量体现在结垢性和腐蚀性，会对地热井管和换热设备产生损耗，从而影响地热资源开发的经济性。大地热流体现热储层的热补给能力。首先对三个评价指标进行单指标评价，然后利用综合评价模板就可以得到区域地热资源质量的综合分级。本方法既简单明了，又能反映地热资源的内在属性，经过济阳坳陷6个地热项目的实际应用和检验，该方法评价结果能够客观地反映地热资源特征，符合实际。 关键词 :地热资源品质评价，三元耦合，济阳坳陷 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 地热资源作为一种清洁的可再生能源，由于其持续稳定、可直接利用、成本低的优势，近年来发展迅速 [ 1 ] 。地热资源评价是地热资源勘察和开发各阶段的重要内容。目前的地热资源质量评价主要是各类专项评价，包括资源量评价(热量、水量)、水质评价，以及目前探讨性的经济性评价、可持续性评价等 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 。 这些专项评价能够提供地热田地热资源量、资源质量和可持续性等各方面的信息，但并没有提供不同地热田之间的优劣对比，因此对非专业的决策者来说不易作为决策依据。 本文提出了一种“三元耦合”的地热资源质量评价方法，考虑影响地热资源开发利用价值的三个主要影响因素，能够较直观地反映地热资源的开发利用价值和利用难度，能够为地热资源的开发布局和利用规划提供指导。
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user: 2. “三元耦合”地热资源质量评价方法 2.1. 何谓地热资源质量评价？ 根据“全国科学技术名词审定委员会”的定义，自然资源质量是指在一定社会经济技术条件下，自然资源满足人类和社会环境需要的优劣程度，或获取经济效益、社会效益和生态效益的多少和价值高低的表征。资源质量评价已在水资源、耕地、林业以及旅游资源等领域得到应用 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 。在地质领域，陆云龙等 [ 10 ] 尝试对油气储层质量进行了评价。 根据2010年新修订的《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)，地热资源是指能够经济地被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分。无疑，地热资源是自然资源的一种，在地热资源开发时要考虑其品质高低。地热资源质量评价是指在一定经济技术条件下，某一地区地热资源的开发利用价值。 进行自然资源质量评价时，首先要厘清影响自然资源利用价值的主要因素，并考虑其权重，综合评价自然资源的质量。本文在讨论地热田地热资源质量评价时，认为需要重视的是热储的产热能力、流体质量以及热储温度等这三个对地热资源开发价值影响较大的因素。 2.2. 参数选取及评价标准 本文选取单井产热功率、地热流体质量和大地热流三个参数，对地热资源质量进行评价。 2.2.1. 单井产热功率 水热型地热资源的利用主要是通过钻探地热抽水换热实现。不同的热储条件(储层厚度、孔渗性等)下，地热井所能采出的热量存在较大差异 [ 11 ] [ 12 ] 。在地热资源开发利用过程中，希望通过最少的地热井最大限度满足用热需求，以降低成本，提高经济效益。因此，采用单井产能功率作为评价不同地热区块的产热能力的指标。 单井产热功率是指某一热储每口地热井所能提供的热功率，能够反映热储孔渗性、地热水补给能力等地热资源的自然属性。计算公式如下： Q = q C w ρ w ( t r − t p ) (1) 式中：Q——单井产热功率(J/d)； q——单井日产水量(m 3 /d)； C w ——热水比热(取值4186.8 J/kg·℃)； ρ w ——热水密度(取值986.185 kg∕m 3 )； t r ——地热流体温度(℃)； t p ——弃水温度(℃)。 在评价单井产热功率时，需要体现地热资源的经济价值优劣。这需要考虑地热资源的目标利用方式来确定不同级别的单井产热功率划分界限，如地热发电、地热供暖、地热养殖等。地热发电可考虑钻探成本、设备成本、输电成本，而投资回收需要考虑电价等因素。 本次研究的研究区为济阳坳陷，主要利用方向为地热清洁供暖。因此，本次研究以地热供暖开发利用成本结合本地区供暖收费(表1)，进行不同单井产热功率的地热供暖经济评价，最终通过不同单井产热功率的投资回收期和所得税后财务内部收益率的分析(图1)，确定单井产能规模划分界限。 财务内部收益率为0时单井产热功率2 MW。投资回收期10年、财务内部收益率为8.00%时，单井产热功率为12 MW。以此作为划分节点，按单井产热功率将地热资源划分为三类：经济的(>12 MW)，次经济的(2~12 MW)，不经济的(<2 MW)。 Table 1 The cost and revenue of geothermal space heatin 类型 项目 费用 成本 投资成本(万元) 地面 + 埋深 × 钻井成本参数 运行维护费用指标(元/平) 16 收入 收费标准(元/平) 24 表1. 地热供暖成本及收入表 图1. 单井产热功率与投资回收期和财务内部收益率的关系 2.2.2. 地热流体质量 在开采过程中，由于压力、温度降低，地热水中各类阴阳离子发生沉淀，形成结垢，或对管道、换热器产生腐蚀，影响设备寿命、增大损耗 [ 13 ] 。因此将热流体质量作为地热资源质量评价的另一重要指标。 主要考虑地热流体的腐蚀性和结垢性，采用《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615-2010)中规定的方法进行计算。 济阳坳陷新近系馆陶组和古近系东营组热储矿化度较高，Cl-离子含量高，多为Cl-Na型或Cl-Ca型水，结垢性不强，但腐蚀性很强 [ 14 ] [ 15 ] ，因此，根据地热流体腐蚀性将地热流体质量分为三类：强腐蚀性、中腐蚀性和低腐蚀性。 2.2.3. 大地热流 热储温度决定了地热田地热流体性质、利用方式以及利用价值，是地热资源质量评价的关键因素。在地热田内部，也即地温梯度 > 3.0℃/100 m范围内，不同区带在平面大地热流补给方面也存在明显差异，从而影响地热资源质量，需要进一步细分。通过分析地热田地温场特征，利用大地热流补给反映热源对地热资源质量的影响。 根据天津、河南、江苏以及山东济阳坳陷各地热田的分析 [ 16 ] [ 17 ] ，将地热田划分为三种类型：① 快速热补型：大地热流 > 75 mW/m 2 ，热源补给迅速；② 中速热补型：大地热流70 mW/m 2 ，热源补给速度中等；③ 慢速热补型：大地热流 < 60 mW/m 2 ，热源补给速度较慢。 2.3. “三元耦合”地热资源质量评价 通过对地热田单井产热功率、热补给能力、地热流体质量的分析，取得分项评价后，进一步进行地热资源质量综合分类评价。具体步骤如下： 1) 根据勘探过程中获取的温度测试资料，计算并明确全区地温梯度和热储温度分布特征。 2) 利用砂岩厚度、渗透率计算不同区域不同热储层系单井出水量，结合之前各热储层系出水温度换算单井产热功率；再根据不同单井产热功率的财务内部收益率分布区间(>0， 0%~8%， >8%)，对全区划分一级分类。 3) 根据各地热井水化学分析资料，计算拉申指数，评价地热流体腐蚀性和结垢性。 4) 利用不同构造区的大地热流特征划分快速、中速、慢速热补类型分区，反应热量补给能力。 5) 综合上述三个指标将地热资源划分为很好、好、中等、差、五种类型(表2)。 Table 2 Rating of geothermal resources quality evaluatio 质量分类 单井产热功率 大地热流 流体质量 好 经济 快速 低腐蚀性 经济 快速 中腐蚀性 经济 中速 低腐蚀性 经济 慢速 低腐蚀性 较好 经济 中速 中腐蚀性 经济 慢速 低腐蚀性 次经济 快速 低腐蚀性 中等 次经济 中速 低腐蚀性 次经济 慢速 低腐蚀性 差 次经济 中速 中腐蚀性 次经济 慢速 中腐蚀性 表2. “三元耦合”地热资源质量评价分级
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user: 3. 济阳坳陷地热资源质量评价 在胜利油田石油大会战初期(二十世纪六十年代)，勘探油气的同时发现有中低温地热水，表明济阳坳陷除了有丰富的油气资源外，还蕴藏着丰富的地热资源。在油气区长期勘探开发过程中，掌握了大量地温、地层、构造资料，并已将地热资源应用于医疗、生活用热水、农业养殖、生活采暖、污水余热输油加温等方面 [ 18 ] [ 19 ] 。本次研究过程中，对济阳坳陷全区新近系馆陶组和东营组热储进行了地热资源质量评价。 3.1. 单井产热功率 计算单井产热功率需要结合抽水试验资料的确定单井日产水量。利用东营、临盘和海洋采油厂地热井的抽水资料进行拟合校正，得到了适合济阳坳陷热储的实际出水量计算公式。 Q = 1.56 K ⋅ M ⋅ S W lg R r + 1069.8 (2) 式中，Q’——单井实际日产水量(m 3 /d)； K——渗透系数(m/d)； M——砂岩厚度(m)； S W ——降深(m)； r——井径(m，取0.065 m)； R——影响半径(m)。 图2为济阳坳陷馆上段–东三段单井产热功率等值线图。可见，滩海地区单井产热功率最大，最高功率大于40 MW，东营凹陷单井产热功率最小。 3.2. 地热热流体质量 济阳坳陷馆陶组、东营组热储中Cl − 浓度较高，采用拉申指数法判断其腐蚀性、结垢性 [ 6 ] 。通过对全区64余个地层流体样品进行计算分析，计算结果见图3。可见全区各层系地层流体均以中度–重度腐蚀性为主，结垢性较差。 图2. 济阳坳陷馆陶组热储单井产热功率分布图 图3. 济阳坳陷馆陶组热储流体腐蚀性评价 根据济阳坳陷地热流体拉申指数的平面分布特征，含油气区地热流体质量可能受深部油气渗漏影响，油源断层对地热流体质量具有明显的控制作用。远离油源断层的洼陷区流体拉申指数较小，油源断层区流体拉申指数较大(图4)。这主要是由于油源断层活动时期沟通深部高矿化度强变质地层水，导致油源断层附近流体质量较差。 图4. 济阳坳陷馆陶组地热井拉申指数分布图 3.3. 热补给能力 统计了全区300多口油气勘探井的试油温度、砂泥比数据，结合砂岩、泥岩的热导率统计值，计算了馆陶–东营组热储各井点的大地热流值(图5)。边缘凸起区大地热流的补充值较高，在70 mw/m 2 以上，洼陷区大地热流值较小，小于60 mW/m 2 。 济阳坳陷及邻区热储的快速热补型主要分布在盆地边缘前的基岩凸起区，大地热流值一般在75 mW/m 2 以上，中速热补型主要分布在盆地凸起与洼陷之间的斜坡带，大地热流值一般在70 mW/m 2 左右，而慢速热补型则主要分布在地层厚度较大的盆地洼陷区，大地热流值一般在60 mW/m 2 以下。 3.4. 济阳坳陷地热资源品质评价结果 综合考虑单井产热功率、热补给能力、流体质量三个参数，对全区地热资源进行质量分类评价，划分为好、较好、中等、差四种类型，质量好–较好的地热资源分布区为开发利用有利区(图6)。 按照上述地热资源质量评价结果，胜利油田2017年在地热资源质量优良区内的纯梁小区、聚华小区、河口小区、孤岛东、孤岛西、仙河地区部署6个地热供暖项目，均获成功，现场勘探结果表明评价结果符合实际。 图5. 济阳坳陷大地热流值分布图 图6. 济阳坳陷馆陶组地热资源质量分类评价图
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user: 4. 结论 对于非专业的地热资源行政管理者需要直观地得到某地地热资源优劣的信息，也即地热资源质量，本文参照一般的自然资源质量评价提出了“地热资源质量评价”的概念，并提出了一种三元耦合的地热资源质量评价方法。 根据地热资源开发利用的主要影响因素，采用单井产热功率、地热流体质量和大地热流三类参数建立了地热资源质量评价指标。经过在济阳坳陷的实际应用和验证，该评价方法较好地反映了地热资源管理中对热储特征、经济效益和成本控制的需求，为地热田管理运行提供了更准确的理论基础和技术支撑。