本文是一篇岩土工程论文，本文以青海省贵德县扎仓沟地区地热资源为研究对象，基于区域地质和地球物理数据解译分析，深入分析了该地区地温场的分布规律，并开展热储岩石相关室内试验。以此为基础建立多个单一机器学习模型与粒子群优化极限梯度提升混合优化模型，并进行对比分析。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
全球能源议题作为国际社会持续关注的中心，对人类生存与发展发挥着至关重要的作用，同时成为国际竞争力的关键支撑。伴随技术创新与机械化应用的广泛推进，能源需求显著增加[1]。根据能源研究机构《世界能源统计年鉴》2023年发布的数据，全球一次能源消费量从2012年的527.96 EJ起，持续增长至2022年的604.04 EJ，比2021年增长了1.4%，创十年新高。特别是中国，在此期间经历了迅速的产业升级与社会全面进步，成为全球能源消费增速最快的国家。2012年，中国一次能源消费量为123.23 EJ，增至2022年的164.96 EJ，占全球总消费的26.5%，相当于5.41亿吨标准煤[2]。图1.1展示了过去十年全球及我国一次能源消费量的变化趋势。
1.2 研究现状
1.2.1 地热能开发利用现状
技术发展、能源需求增加和化石能源消耗对环境造成的负面影响日趋严重，使得地热能作为一种清洁、可持续的能源选项，在全球范围内得到了重视[16]。自20世纪50年代起，地热能利用与开发步入了快速增长的阶段。地热资源的勘探潜力与其储量紧密相关，这一储量的估计依赖于所在区域的地质结构。全球地热资源的分布受地质构造的影响，呈现出特定的规律性与地域性。在环太平洋地带、红海—亚丁湾—东非裂谷、地中海—喜马拉雅地带以及大西洋地带等关键地热带的地热资源特别丰富[17]。这些区域多位于地壳活动区及其周边，是高温地热资源的主要分布区。与此同时，中低温地热资源在板块内部也有广泛的分布，为全球不同地区提供了开发利用地热能的潜力和可能性。截至2023年，全球有46个国家利用地热能进行发电，利用地热发电装机容量达到16.01 GW [18]，美国、印度尼西亚和菲律宾位列全球前三。欧洲，尤其是德国，在加速地热能发展，计划在未来几年内大幅增加地热发电能力。相比之下，我国的地热发电规模较小，2020年的发电量仅占全球总量的0.184%[19]，但在喜马拉雅等地热带拥有丰富的高温地热资源。中国的羊八井地热电站作为第一个中高温地热发电站，自建站以来已稳定运行，截至2017年，发电量已超过3000 GW·h[20]。近年来随着唐山马头营干热岩试验电站等项目的实施和扩建，标志着我国地热发电行业的快速发展[21]。
第二章 研究区概况及地温场特征
2.1自然地理概况
2.1.1 地理位置
位于青藏高原东北边的贵德盆地，占据了黄河流域的核心地带，其形成背景深植于三河平原，由附近的多条河流共同汇入黄河而形成。盆地被诸多山脉围绕，包括位于其南面的青海南山、北面的拉脊山西侧、以及南部的己吉山、西部的瓦里贡山和东部的扎马杂日山，其所在的地质结构因周边众多断裂带而显得尤为特殊，归类于新生代时期形成的断陷盆地。盆地遍布的新生代地层中，尤以第三纪地层的厚度突出，展现了该地区地质上的特点。扎仓沟研究区，离贵德县西南约15 km，通过S101省道可直达镇，河阴镇是贵德县的政治、经济以及文化核心，与西宁市的直线距离大约114 km[44,45]。
扎仓沟研究区域设置在贵德县西南约15 km，如图2.1所示，地理坐标（（采用CGCS2000坐标系））界限为东经101°16′46″至101°18′54″，北纬35°56′25″至35°58′28″之间，总覆盖面积约10 km2。该地区不仅紧邻西宁市，而且得益于S101省道的连接，为地质勘察与研究活动提供了便捷的交通条件。
2.1.2 气象条件
研究区域深处于青藏高原东北边缘，展现出典型的半干旱大陆性气候特点，以其季节性变化明显而知名：春季风大干燥，夏季则凉爽多雨，秋季湿润，冬季寒冷且漫长。此外，该地区气候特征还包括严寒干燥、日照充足、太阳辐射强烈、日夜温差大、降水集中且蒸发量高。地形的独特性使得气候呈现出鲜明的垂直分布规律。
2.2 地质条件
2.2.1 地形地貌
图2.3为研究区地形地貌图，研究区地势特征为西部较高而东部较低，展现出显著的地形起伏。地貌以剥蚀构造低山丘陵为主，这种地貌类型普遍存在于海拔3000 m以下的区域，营造了独特的黄土红层景观。这些丘陵大致与黄河及其较大支流的走向平行，倾斜向黄河方向。地形的形成受到构造抬升和水流侵蚀的双重影响，导致地形破碎、沟谷纵深、冲沟频发。沟谷一般呈“V”字形，深度在20-50 m之间，部分区域深达300 m，沟底附近多为陡峭的悬崖。河谷在下游区域较宽，在中上游迅速变窄，宽度仅为50-80 m，谷坡斜度通常超过40度。此外，新生悬沟、落水洞和天生桥等黄土地貌特征在此地区广泛分布。地质岩层以中至晚三叠纪的花岗闪长岩和三叠纪的石英砂岩夹板岩为主，新近纪则以砖红色泥岩和砂岩为主。区域内地表植被较为稀疏[50-53]。
2.2.2 地层岩性
研究区属于秦祁昆地层区的宗务隆—泽库地层分区，展示出早至中三叠纪隆务河组、新近纪贵德群、中更新世冰碛物及全新世至今的松散堆积物等地层单元。新近纪贵德群及第四系在该地区分布广泛，沉积厚度较大[54-56]。
一、第四纪地层
贵德盆地内的第四纪地层展现了从中更新世直至全新世的完整序列，其主要由冰碛物质、冰水沉积物、河流冲积物、洪水沉积物、湖泊沉积物、风成沉积物及其相互组合构成，如冲洪积层、冲湖积层、残留坡积层和坡面洪积层等多种沉积成因类型组成。研究区地层具体分布如下：
（一）中更新统（Qp2）
主要由冰碛物（Qp2gl）组成，主要分布在热水沟两侧，面积约0.05 km2。沉积物以大型漂砾、砾石、砂砾和泥砂为主，漂砾和砾石多呈次圆状，分选性较差，厚度约5m。
（二）上更新统（Qp3）
1、冲积、洪积物（Qp3al—pl），构成现代河流三级阶地，阶梯高度1.5-2.5 m，阶面平整但不完整。横断面呈现亚砂土层和砂砾卵石层的二元结构，亚砂土层厚1-2 m，砂砾卵石层厚度大于0.3-1.0 m。且亚砂土层厚度大于砂砾卵石层厚度。
2、风成堆积黄土（Qp3eol）广泛分布于黄土低山丘陵区，沿梁峁河的斜面，散布着一层细粒的浅灰黄色黄土，这些土壤特质松软，轻触即可察觉其脆性及砂质的质地，含有的粉砂比例一般超出70%。土壤呈现的特点是孔隙率高和垂直裂缝发达，同时具备显著的湿陷性。在这层土壤中，不难找到直径介于0.5-1.5 cm的扁蜗牛化石片段。它们的主要矿物组成包括长石、石英与云母。这片黄土覆盖的厚度变化大，普遍在5-30 m的范围，个别区域甚至达到百米以上。虽然某些区域中这批黄土与其底下的中更新世层次之间界限模糊，但这层黄土相对更加疏松，凝结性较弱，颜色亦偏浅，主要为浅灰黄色调。
第三章 研究区地球物理特征分析与热储岩样室内试验 .................... 27
3.1 研究区地球物理特征分析 ....................... 27
3.1.1 MT测量 ................................... 27
3.1.2 CSAMT测量 ................................ 28
第四章 基于机器学习的研究区地下温度预测 .................. 40
4.1 机器学习算法介绍 ......................... 40
4.1.1 粒子群优化 ................................. 40
4.1.2 极限梯度提升 ............................. 41
第五章 研究区热储动态开采潜力数值模拟研究 ................................ 59
5.1 数值模拟软件介绍 ......................... 59
5.2 热储动态开采数值模拟......................... 60
第五章 研究区热储动态开采潜力数值模拟研究
5.1 数值模拟软件介绍
通过数值模拟分析，可在实施地热钻探前评价地热系统的热效能，对于系统设计的优化、性能预估及长期运作风险的管理显得至关重要。依托于前述实验与钻井数据及第四章的预测成果，本节选定扎仓沟地热田作为研究对象，对钻孔二进行换热效率模拟，旨在评价该地区地热能源的动态采集潜力。
本文采用COMSOL Multiphysics进行建模。该软件作为一款综合的多物理场仿真平台，在工程技术、物理科学、生物医学等多个领域发挥重要作用。该软件由瑞典COMSOL公司开发，旨在为研究人员和工程师提供一个全面的模拟平台，以研究各种复杂系统中的相互作用和物理现象。其主要优势在于同时模拟和分析多种物理现象（例如流体动力、结构力学、电磁场、热传递、声学等）在同一模型中的交互作用。通过为用户提供从模型构建到仿真运行、再到结果分析的一体化解决方案，COMSOL Multiphysics成为了科研和工业界中不可或缺的工具之一。
第六章 结论与展望
6.1 结论
本文以青海省贵德县扎仓沟地区地热资源为研究对象，基于区域地质和地球物理数据解译分析，深入分析了该地区地温场的分布规律，并开展热储岩石相关室内试验。以此为基础建立多个单一机器学习模型与粒子群优化极限梯度提升混合优化模型，并进行对比分析。利用预测性能较好的PSO-XGB模型对地热开采潜力较高钻孔进行温度预测。最后利用COMSOL Multiphysics仿
