2.1   气候

关中盆地位于中纬度地区，属大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季温暖潮湿。区域气候特征要求本地冬季供暖、夏季制冷。

2.2   地形地貌

关中断陷盆地，南依秦岭，北连黄土高原，为西狭东阔的新生代断陷盆地，渭河横贯其中。地势西高东低，向东微倾，由冲积平原、黄土台塬、洪积倾斜平原呈阶梯状组成。

2.3   地质构造

关中盆地被不同方向、不同规模的断裂分割成大小不等、结构不同的两种类型的断块构造：断隆（断阶、断坡），断陷。断块构造以活动断裂为界，可划分为6大构造单元：宝鸡凸起、咸礼凸起、蒲城凸起、临蓝凸起、固市凹陷和西安凹陷。发育13条张性或张扭性断裂，走向近东西或北西，倾角多在50~ 80°，控盆断裂6条，控单元断裂7条。

2.4   水文地质

关中盆地具有第四系松散岩类典型盆地的水文地质特征，堆积厚度巨大的砂砾卵石及粉质黏土层，构成稳定的含水空间，潜水与承压水丰富。潜水含水层包括冲积平原冲积砂砾石层、洪积平原洪积泥沙与砂砾卵石层及黄土台塬风成黄土含水层。承压水含水层主要为第四系下更新统冲洪积、冲湖积砂、砂砾石层，宝鸡与蓝田一带为上新近系较疏松的砂砾石层（周阳等，2016）。

2.5   热源

关中盆地是一个快速沉积的新生界盆地，并有隆起的莫霍面，相对较浅的深部地热能向上覆巨厚的新生界沉积层扩散，扩散速率与岩石的热阻率呈反相关关系，在断裂处可通过构造的贯通向浅部快速传递。

盆地内部喜马拉雅—燕山时期形成的大量酸性花岗岩中的同位素²³⁸U衰变可以产生大量热，探测到的放射性元素在衰变期内产生的氦可燃气体的富集可支持该结论。

蒙脱石向伊利石转化过程中也会产生热能，该过程在西安凹陷和固市凹陷普遍。

综上，关中盆地主要热源为上地幔热源，其次为地壳中放射性元素衰变以及矿物转化过程中产生的热能，同时生物降解的有机质热能也作为补充能源。

3.1   岩土体热物性特征

本次采集样品443件（图 1）。岩性主要为粉质黏土、砾岩、砂岩、泥岩、粉土、黏土以及各个粒级的砂（图 2，图 3）。

图 1.  取样点及测温点分布图

Figure 1.  The distribution map of sampling points and temperature monitoring points

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图 2.  岩土体导热系数统计特征值对比图

Figure 2.  Comparison of the statistical characteristic values of thermal conductivity of rock and soil mass

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图 3.  岩土体比热容统计特征值对比图

Figure 3.  Comparison of the statistical characteristic values of the specific heat capacity of the rock and soil

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区内岩土体导热系数最大为3.84 W/m·K，最小为1.00 W/m·K，平均2.13 W/m·K；比热容最大为2.00 kJ/ kg· K，最小为0.72 kJ/kg· K，平均0.94 kJ/kg· K。区内可取得样品的砂质类型以粗砂和中砂为主，少量细砂和粉砂，其最大导热系数为3.36 W/m· K，最小为0.95 W/m· K，平均1.58 W/m· K；比热容最大为1.65 kJ/kg· K，最小为0.70 kJ/kg·K，平均1.10 kJ/kg·K。

经对比知，岩体类的导热系数较砂土类高，岩体类导热系数在2.13 W/m· K左右，砂土类的导热系数在1.66W/m· K左右；岩体类的比热容较低，一般小于0.92 kJ/kg· K，砂土类的比热容一般在1.06 kJ/kg· K。

3.2   岩土体热物性影响因素

为了探寻岩土体热物性质的影响因素，采用灰色关联分析法分析热物性质与含水率、天然重度、干燥重度和孔隙率的关联度。

3.2.1   消除异常值

为了尽量减少测量误差所引起的异常数据值，本研究以格罗布斯判据进行粗差剔除。按照格罗布斯判据，对一列测量值x1，x2，x3，……，xn，可保留的范围如式(1)所示。

(1)

式中x为这列测量值的平均值，s为测量列的标准偏差，Gn是一个和数据n相联系的系数，可用下列式(2)和式(3)拟合式求得：

N < 30时取

(2)

N>30时取

(3)

用该方法进行条件筛选（表 1 表 2）。将数据中超出范围的超差数据列为异常值，予以剔除。

表 1.  岩土体导热系数的筛选依据

Table 1.  Selection of thermal conductivities of rock and soil

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表 2.  岩土体比热容的筛选依据

Table 2.  Selection of specific heat capacities of rock and soil

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3.2.2   灰色关联分析法

（1）原始数据的极差变换

极差变换是为了消除原始数据的纲量，使其具有可比性，公式如下：

(4)

（2）确定子母序列

定导热系数X₀，比热容X₁分别为母序列，含水率X₂、天然重度X₃、干燥重度X₄、孔隙率X₅为子序列。

（3）计算各母子序列差的绝对值Δ_0i (t_j)

(5)

（4）在Δ_0i (t_j)中取最大值Δ_max和最小值Δ_min。

（5）求各母序列X₀、X₁与子序列X_i的关联系数。

(6)

其中ρ为分辨系数，一般取0.5。

（6）求取关联系数的均值即为关联度（表 3，表 4），从而确定各因素对热物参数的影响程度的差异。

表 3.  岩土体导热系数关联度计算结果

Table 3.  Calculation results of correlation coefficients of thermal conductivity of rock and soil

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表 4.  岩土体比热容关联度计算结果

Table 4.  Calculation results of the specific heat capacities of rock and soil

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通过灰色关联分析知，含水率、天然重度、孔隙率三个参数对导热系数的影响程度相同（关联度0.66），干燥重度对导热系数的影响较大（关联度0.77）；干燥重度对比热容影响较大（关联度0.71），天然重度次之（关联度0.69），含水率和孔隙率影响最弱（关联度0.60）。

3.3   岩土体热物性参数与现场实测值对比

利用实验室测试原状土样得到的岩土体导热系数及砂层参考导热系数值，对各勘探孔内地层进行赋值，对以地层导热系数值加权平均得出各单孔的地层平均导热系数与现场热响应测试得出的单孔综合导热系数（大小功率得出的导热系数的平均值）进行相比较（表 5、图 4），可以看出两者有着较高的一致性。

表 5.  岩土体导热系数加权值与实测值对比

Table 5.  Comparison of the weighted and measured values of thermal conductivity of rock and soil

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图 4.  岩土体导热系数加权值与实测值对比图

Figure 4.  Comparison of the weighted and measured values of thermal conductivity of rock and soil

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4.1   常温层

采用数字地温监测系统，选择关中盆地内西安、咸阳、渭南、宝鸡以及杨凌区内新施工的地埋管地源热泵勘探孔作长期观测，进行恒温层深度和温度分析。

据本次地温监测资料，关中盆地地温场在垂直方向上总体随深度增加地温升高，但不同深度地温变化不同（图 5，图 6）。在常温带（15~25 m）以浅，尤其是近地表 0~3 m，受季节气候变化影响，地温高低波动敏感，3~15 m地温受气候变化影响逐渐减小，在地下15~20 m埋深处地温基本恒定不变，地温为15~17℃，在20~25 m以下，地温已不受当地气候变化影响，随深度增加温度升高。

图 5.  关中盆地100 m以浅地温变化曲线图

Figure 5.  Curves of temperature variation within 100 m in Guanzhong Basin

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图 6.  关中盆地200 m以浅地温变化曲线图

Figure 6.  Curves of temperature variation within 200 m in Guanzhong Basin

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4.2   地温场特征

4.2.1   地温特征

关中盆地近地表（20 m）地温场除秦岭山前个别断裂直接导通地表，致使该地段温度较高，一般情况下正常地温为15℃左右，但在秦岭山前的东大地区、骊山、宝鸡温水沟地区由于断裂直接导通地表，这些区域的地温值均大于17℃。

根据已有地温数据对关中盆地100 m的地温场进行分析，认为盆地内100 m处地温介于16.5~ 21.9℃，西安凹陷、蒲城凸起等地温较高，宝鸡凸起、咸礼凸起等地地温较低。

选取开采段1300~2000 m的地热井温度数据，结合地温梯度公式估算1500 m地温值，认为1500 m处地温大致在60~70℃，在渭河断裂武功—咸阳段、渭南—敷水镇段两侧以及西安凹陷部分区域1500 m处地温大于70℃；宝鸡凸起、临蓝凸起大部分区域以及渭北岩溶区1500 m处地温均小于60℃。

4.2.2   地温梯度变化规律

地温梯度是地温和深度的函数，反映了温度随深度的变化率，不同地区同一深度的地温梯度，反映了地区地温梯度的差异，同一地区不同深度地温梯度反映了垂向地温的变化。一般把在常温层以下，每向下加深100 m所升高的温度称为地热增温率或地温梯度。

其计算公式为：地温梯度= (T-T₀)*100/(H-H₀)其中T代表该点温度；H代表该点深度；T₀代表恒温层温度；H₀代表恒温层深度。

关中盆地地温梯度总体呈中部高、东西低。从构造单元来看固市凹陷、西安凹陷、蒲城凸起、岩溶区断裂附近以及断裂汇合区域、秦岭山前的东西汤峪以及东大地区地温梯度相对较大，一般大于3℃/100 m，汤峪、临潼、蒲城等地都在5℃/100 m以上，长安区东大附近地温梯度最大可达到13.7℃/100 m；宝鸡凸起、咸礼凸起、临蓝凸起以及渭北岩溶区地温梯度相对较小，一般小于等于3℃/100 m（图 7）。

图 7.  关中盆地地温梯度等值线图

Figure 7.  Contour map of geothermal gradient in Guanzhong Bas

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4.3   影响地温分布的因素

4.3.1   构造对地温场分布的影响

关中盆地是一个独立的新生代地堑型断陷盆地，新生界沉积巨厚，地表被第四系覆盖，根据地震资料的分析可得盆地基底岩性为非均一，基底埋藏深度南深北浅，中间深，东西浅的格局，不同构造单元基底起伏的不同，导致地温场的差异。如宝鸡凸起与西安凹陷相比，宝鸡凸起的渭滨区石鼓镇地温监测孔100 m处地温为17.5℃；西安凹陷的未央区草滩镇地温监测孔100 m处地温为19.5℃，可以看出同一深度，宝鸡凸起地温低于西安凹陷。

（1）垂向热对流型

盆地内部发育断裂构造对地温场分布的影响较大，尤其在某些深大断裂带或其两侧区域地温场较远离断裂带的地温场大，使该区域地温场产生正异常。

关中盆地中部渭河断裂纵贯渭河盆地中央，总体走向近东西向，断面南倾，倾角65°~80°，延伸长度为170 km，是一条高角度的正断层。咸阳以西垂直错断晚更新统古土壤地层，最大错距达16~24 m，并有砂土液化现象；咸阳以东断裂错断全新统地层，垂直断距约1 m，为全新世活动断裂。正是这些特征，渭河断裂在许多地段具有与深部良好的沟通性，地表径流沿与渭河断裂相交的断裂以及秦岭断裂本身的某些地段向深部循环，在深部高温、高压的驱动下，局部地段向地表运移，形成温泉或浅部地温异常区。例如位于咸阳市渭阳区的地热城处于该断裂带内，由于断裂沟通深部热源导致这个地区的地热井在较浅的情况下出现高地温、高地温梯度的现象，100 m时水温达到21.9℃。

在盆地其他深大断裂带如华山山前断裂、长安临潼断裂以及一些对盆地地质结构起控制性的大断裂上均有一定的地热异常现象。例如位于扶风—礼泉断阶的扶风县法门寺监测孔在深度1031 m处钻遇F₅断裂，温度由900 m处的39.06℃增至48.82℃，反映了更深部的高温流体沿着断裂上升，引起该点温度发生突变。

（2）水平热对流型

主要分布在深大断裂的一侧（或两侧）。其特点是热能在深大断裂垂向对流的过程中，由于上部通道不畅或断裂旁侧有空隙、裂隙发育的水平岩层，热流体（或部分热流体）转以水平方向对流，形成深大断裂附近一定范围的地热异常区，其中地温梯度高于正常值，但向断裂远端的延伸范围各异，主要与断裂带垂向热对流的强度、断裂带的开放程度、断裂带附近岩层的空隙发育程度等有关。在平面上常显示为沿断裂带呈串珠状或带状分布的地热异常区。

秦岭山前的东大、子午草堂寺等地段，由于沿断裂上升的热能并没有能溢出地表，则沿水平途径进入第四系松散层，形成了秦岭山前沿断裂带串珠状分布的浅埋热异常地段。例如位于东大子午镇的地热井，井深356.06 m，井口水温达54℃。

综上，坳陷区地壳较薄，地壳构造活动较为强烈，地表热流密度较高，来自地幔的热流密度相对贡献较大；而在隆起区则相反，地壳较厚，地表热流密度较低，来自地幔的热流密度相对贡献较小。同时断裂对地温场的分布影响比较大，尤其是在某些深大断裂带一侧或两侧区域地温场较远离断裂带的地温场大，使地温场在这些地区产生正异常。

4.3.2   地下水活动对地温场分布的影响

地壳浅部的地下水易于流动且热容量较大，其对地温场影响的程度取决于沉积盆地的规模、地貌特征、含水层及其水动力条件等。通常在受冷水源补给的地下水强径流区，由于从补给区进入较低温度的地下水，在快速流动过程中和围岩进行热交换，不断把热量带走，冷却围岩，导致地温降低。如盆地北部山前岩溶区属于地下水补给区的区域，由于岩溶孔隙裂隙比较发育，地下水径流速度快，致使这些区域出现地温的负异常，地温梯度一般为1.25~2.8℃/100 m，100 m时的地层温度在16.5~19.0℃。

地下水排泄区或某些断裂带出现地温正异常，是由于深部温度较高的地热流体通过断裂运移至浅部，从而对上部围岩起着加热的作用，导致地温的增高。如位于渭北岩溶水排泄区的合阳县洽川镇的处女泉、马粪泉，由于深部较高温度的地热流体在排泄区由深部上行，造成该处温泉出露，地温产生正异常。

4.3.3   岩土体热物性参数对地温场分布的影响

在完整的地质块断内（地质体内），深部热能通过上覆岩层以热传导的方式向地表扩散。关中盆地上覆新生界岩性导热系数数值的差异造成了在不同深度的岩层内形成了面状的地温梯度不同的地段。上覆岩层导热率相对较低，孔隙率较大的岩层起到了隔热作用，地温梯度较大，在相对较完整的断凹部形成了封闭的高温高压热储层。

例如宝鸡市北部陵塬乡地层以导热系数数值较高的砾岩（均值2.35 W/ m· K）为主，该处的地温梯度为2.6℃/100m，渭河南岸阶地马营镇地层以粉质黏土（均值1.47 W/ m· K）为主，地温梯度升至3.0℃/100m左右。

西安凹陷内建成的地热井均有高温高压热流体，特别在凹陷封闭较好的西安—咸阳之间，热流体可喷出地表 100余米，温度超过100℃，如咸阳国际商贸学院地热井井深3500.32 m，井口温度120℃，井口压力1.0 MPa，折算水头高度+100 m。尽管固市凹陷地热井较少，但华县051基地地热井仍揭露出了高压高温热流。