對(duì)地?zé)崴鰷貦C(jī)理的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1、 對(duì)地?zé)崴鰷貦C(jī)理的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí) 張孟才1 寇偉2 寇通2 1.黑龍江省904水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，黑龍江 哈爾濱 150028 2.鄭州地象科技有限公司，河南 鄭州 450000摘要：物探定井估測(cè)地?zé)崴疁貢r(shí)一般是按照地溫增溫率計(jì)算的，而實(shí)際上地?zé)峋畠?nèi)不同深度的水溫都要高于同層圍巖地溫。本文對(duì)斷裂構(gòu)造內(nèi)地?zé)崴脑鰷貦C(jī)理進(jìn)行了研究，將其劃分為對(duì)流增溫帶、恒溫帶、傳導(dǎo)增溫帶，并對(duì)增溫影響的外部條件作用進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：地?zé)崴?，斷裂?gòu)造，增溫機(jī)理 一、地?zé)嵩磁c地?zé)豳Y源 地球內(nèi)部蘊(yùn)藏有由放射性物質(zhì)衰變作用等原因所產(chǎn)生的巨大熱能，形成了一個(gè)由地殼和地幔層包裹著的“大熱球”，每時(shí)每刻通過(guò)各種方式向地球表面

2、傳播熱量。在地球形成過(guò)程中，這些熱能的總量超過(guò)地球散逸的熱能，當(dāng)形成巨大的熱儲(chǔ)量上升到低溫、剛硬的巖石圈底部時(shí)，受到巖石圈的阻擋而逐漸積累起來(lái)，使地殼局部熔化形成巖漿作用、變質(zhì)作用，從而導(dǎo)致該部位最終形成溫度高達(dá)1300 oC以上的軟流層。 現(xiàn)已基本測(cè)算出，地核的溫度達(dá)6000 oC，地殼底層的溫度達(dá)9001000 oC，地表常溫層（距地面約1530米）以下的地溫隨深度增加而增高。不同地區(qū)的地?zé)嵩鰷芈视幸欢ú町?，一般定義國(guó)內(nèi)的地?zé)崞骄鰷芈始s為2.53 oC /100米，接近平均增溫率的稱正常溫區(qū)，高于平均增溫率的地區(qū)稱地?zé)岙惓^(qū)。 目前人們可利用的地?zé)豳Y源基本上是以水為介質(zhì)從地下將其帶到地面

3、上的。一般定義：溫度高于 150的地?zé)岱Q為高溫地?zé)幔瑴囟仍?0150之間的稱為中溫地?zé)?，溫度?590之間的稱為低溫地?zé)?。水的臨界溫度為374.15，由于不同地區(qū)地下各深度層的壓強(qiáng)、溫度、構(gòu)造都不同，地殼深部水升至地表后的溫度差異也會(huì)很大，所形成的地?zé)豳Y源類型亦不相同。 二、與地?zé)崴嚓P(guān)的幾點(diǎn)認(rèn)知 在討論地?zé)崴鰷貦C(jī)理之前，需要簡(jiǎn)單陳述一下作者對(duì)相關(guān)地?zé)豳Y源知識(shí)的幾點(diǎn)認(rèn)知和理解，作為討論地?zé)崴鰷貦C(jī)理的基礎(chǔ)和前提條件。 1、深度約達(dá)10公里之上近地表的巖石基本上表現(xiàn)為脆性，斷裂相對(duì)發(fā)育，容易受地殼運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力作用產(chǎn)生一定規(guī)模的斷裂構(gòu)造。 2、地殼淺部分布著大大小小的斷裂及裂隙，有深有淺、有長(zhǎng)有短

4、、有可見(jiàn)有隱伏，根據(jù)其大小可稱為裂谷、大中小斷裂、裂隙，它們形成了地下水的徑流通道和地下蓄水空間，也是深部地?zé)醾鬏斖ǖ馈?3、地?zé)崴Y源都是地表水沿著可連通的大大小小的裂縫向下滲漏，在斷裂面之中和裂隙及孔隙發(fā)育的巖層集聚形成的。 4、地球內(nèi)部的高溫因地殼層的厚薄不同、斷裂規(guī)模不同、構(gòu)造形式不同、巖層介質(zhì)導(dǎo)熱特性不同等而地?zé)岬脑鰺嵝Ч嗖幌嗤?5、地?zé)崴膬?chǔ)水空間就像是一個(gè)異形“加熱鍋”，鍋內(nèi)水溫取決于離熱源的遠(yuǎn)近、“鍋”的導(dǎo)熱性能、離熱源較遠(yuǎn)上部鍋體的熱度、“鍋蓋”的保溫性能等等條件影響。 6、規(guī)模較大的隱伏斷裂構(gòu)造難以找到，但它們是固存不變且不會(huì)消失的。應(yīng)該多開發(fā)地?zé)峋?，充分利用有限的“?/p>

5、”來(lái)循環(huán)加熱水、最大限度地獲取無(wú)限的地?zé)豳Y源。 7、由于地?zé)崴Y源滲透的更深、水溫較高，綠色環(huán)保，應(yīng)該大力鼓勵(lì)開發(fā)利用。 三、水的物理特性與地?zé)崴鰷貦C(jī)理的關(guān)系 與地?zé)崴嚓P(guān)的物理參數(shù)表溫度t 密度 比定壓熱容cp 導(dǎo)熱系數(shù) 粘度 oC kgm-3 kJkg-1K-1 10-2Wm-1K-1 10-5Pas0 999.9 4.212 55.13 179.21 10 999.7 4.197 57.45 130.7720 998.2 4.183 59.89 100.5030 995.7 4.174 61.76 80.0740 992.2 4.174 63.38 65.6050 988.1 4.17

6、4 64.78 54.9460 983.2 4.178 65.94 46.8870 977.8 4.178 66.76 40.6180 971.8 4.195 67.45 35.6590 965.3 4.208 67.98 31.65100 958.4 4.220 68.04 28.38 密度：水的質(zhì)量和其體積的比值。水的密度隨著溫度的升高而減小，因水向地下滲透的越深地溫對(duì)其增熱后的溫度就越高，深層較高溫度水的密度較小、相對(duì)較輕，會(huì)與上層密度較大的水產(chǎn)生對(duì)流，深層溫度較高的水向上運(yùn)移，在裂隙中形成對(duì)流增溫機(jī)制。 比定壓熱容：在壓強(qiáng)不變的情況下，單位質(zhì)量水的溫度升高1K所需吸收的熱量，叫做該種物

7、質(zhì)的定壓比熱容。在溫度較低和較高時(shí)水的比定壓熱容都相對(duì)較高，而在3070 oC之間則相對(duì)較低。說(shuō)明水在030 oC 和70100 oC增溫段升溫1K耗費(fèi)的熱能相對(duì)較多，而在3070 oC增溫段升溫1K所耗費(fèi)的熱能相對(duì)較較少。 導(dǎo)熱系數(shù)：是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1米厚的材料、兩側(cè)表面的溫差為1度（K，oC），在1秒內(nèi)通過(guò)1平方米面積傳遞的熱量。水的導(dǎo)熱系數(shù)與密度、溫度、壓力等因素有關(guān)，在其它條件不變的情況下，水的導(dǎo)熱性隨溫度增加而增加。水溫較低時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)較小，增熱速度較慢；隨著水溫的增加、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸加大，增熱速度隨之提高。 粘度：粘度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動(dòng)力對(duì)其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表

8、示。粘度大表現(xiàn)內(nèi)摩擦力大，分子量越大，碳?xì)浣Y(jié)合越多，這種力量也越大。對(duì)于水而言，由于溫度升高時(shí)其內(nèi)聚力減小，所以粘性減小，易于流體質(zhì)點(diǎn)互相碰撞變動(dòng)位置形成對(duì)流。 四、地下水的存在形式和傳熱方式 1、地下水的存在形式 地下溫度場(chǎng)從地表向下一般可分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶三個(gè)層帶。地表水從地表向下滲透會(huì)受太陽(yáng)熱輻射周期性變化的影響，隨著地表溫度產(chǎn)生變化，形成變溫帶；地表水滲透到一定深度之后基本上不再受到地表溫度的影響，在上下冷熱反向熱傳遞作用下會(huì)達(dá)到相對(duì)平衡、溫度變化基本保持恒定，形成恒溫帶；恒溫帶以下隨著深度加深地溫增大而導(dǎo)致水溫增高，形成增溫帶。恒溫帶的溫度和深度受所處緯度、高度、巖性、地表水

9、、小氣候、植被等多種條件的影響，各地不一，同一地區(qū)也有些差異。 2、地下水的傳熱方式 熱的傳遞有三種基本方式: 對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射。對(duì)于地下水來(lái)講，輻射傳熱是通過(guò)地表水和地殼淺表層地溫間接作用的，主要是通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流兩種傳遞方式傳熱的。傳導(dǎo)是物體內(nèi)部分子微觀運(yùn)動(dòng)的一種傳熱方式，是由于分子碰撞或自由電子移動(dòng)來(lái)傳遞熱量的。對(duì)流傳熱是由于流體質(zhì)點(diǎn)變動(dòng)位置并互相碰撞，能量較高質(zhì)點(diǎn)將熱量傳遞給能量較低的質(zhì)點(diǎn)，是一種宏觀的熱量傳遞。在伴有對(duì)流作用的溫度場(chǎng)比純傳導(dǎo)機(jī)制下的溫度場(chǎng)要更為復(fù)雜，在均質(zhì)條件下的傳導(dǎo)溫度場(chǎng)內(nèi)，溫度分布只取決于邊界溫度，而在有對(duì)流作用參與下，溫度分布不但取決于邊界溫度，同時(shí)還依賴于介質(zhì)的

10、熱傳導(dǎo)率、流體的比熱和密度以及流體的流速等諸多參數(shù) 。 五、地?zé)崴脑鰷貦C(jī)理 一般而言，地表水沿裂隙向下滲透，超過(guò)恒溫帶后會(huì)在圍巖地溫的作用下逐漸增溫形成地?zé)崴严端臏囟葢?yīng)該低于同一深度層圍巖的地溫。然而，為什么出露的溫泉水溫要遠(yuǎn)高于淺層地溫？地?zé)峋畠?nèi)不同深度的水溫都要高于同層圍巖地溫？ 若是不考慮裂隙水沿水平和垂直方向的流動(dòng)、深部地溫異常的區(qū)別、斷裂構(gòu)造的大小等因素的影響，僅考慮裂隙水在垂直方向上的溫度變化，可將外界條件簡(jiǎn)單化后來(lái)解析地?zé)崴脑鰷貦C(jī)理。 在產(chǎn)生斷裂運(yùn)動(dòng)形成裂隙儲(chǔ)水構(gòu)造之初，地表水通過(guò)裂隙通道徑流至深部，一旦地表水滲透基本充滿裂隙儲(chǔ)水空間，除了淺層水會(huì)產(chǎn)生一定的流動(dòng)變化之外

11、，恒溫帶以下裂隙水徑流速度較小，其增溫過(guò)程為：首先，由于裂隙圍巖地層的地溫由淺到深逐步增加，裂隙水受圍巖地溫的傳導(dǎo)增熱作用，溫度逐漸增大到略小于或等于圍巖溫度值；然后，因水的密度和粘度隨著溫度升高而減小，裂隙水自上而下溫度逐層遞升，其密度和粘度亦逐層減小，較深層水的密度和粘度總是小于其上一層水的密度和粘度，相對(duì)而言上面較大比重的水會(huì)在重力的作用下產(chǎn)生下沉、下面溫度較高、密度較小的水會(huì)相應(yīng)上浮，上下層水的質(zhì)點(diǎn)變動(dòng)位置并互相碰撞，下層熱能量較高的質(zhì)點(diǎn)將熱量傳遞給上層能量較低的質(zhì)點(diǎn)，從而形成對(duì)流；結(jié)果，裂隙水某一水層受同層圍巖地溫傳導(dǎo)增熱的同時(shí)，還會(huì)受到其下水層較高水溫對(duì)流傳熱的作用，使水溫進(jìn)一步增

12、高，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的地溫增熱后由淺至深的水層溫度會(huì)趨于平衡。 六、裂隙水溫度分布及其平衡狀態(tài) 為方便起見(jiàn)，本文將地下斷裂構(gòu)造等所有的含水構(gòu)造簡(jiǎn)稱為裂隙水。若是不考慮含水裂隙的寬度、深度、連通性及其圍巖地層屬性等條件，以下僅討論已經(jīng)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的裂隙水的增溫機(jī)理和溫度分布。 裂隙水在深部一定深度范圍內(nèi)，圍巖地溫始終高于裂隙水溫，此深度帶內(nèi)主要由圍巖地溫對(duì)水加熱，增溫方式是以傳導(dǎo)為主；對(duì)流導(dǎo)熱的作用是由下向上逐層提升水溫與同層地溫的相對(duì)差距，使得水溫逐漸接近地溫。從裂隙最底層地溫明顯高于水溫、到水溫逐漸上升至與地溫相同，這一段深度層可稱其為傳導(dǎo)為主增溫帶。 在圍巖地溫降低到一定程度時(shí)，同層地溫傳導(dǎo)增

13、熱和下層水對(duì)流傳熱的熱能與該層水對(duì)上層水對(duì)流傳導(dǎo)熱能達(dá)到相對(duì)平衡，使該層裂隙水溫度與圍巖地溫基本保持一致，此深度帶內(nèi)增溫方式是以傳導(dǎo)和對(duì)流共同作用，形成了水溫與地溫基本一致的等溫帶。 在等溫帶深度層之上，圍巖地溫逐漸降低，地溫對(duì)于裂隙水的傳導(dǎo)增溫貢獻(xiàn)只是使水溫保持在地溫值上，同層裂隙水受其下一層較高水溫的對(duì)流增溫作用超過(guò)了圍巖地溫增熱作用，使得該層的水溫高于地溫。等溫帶之上裂隙水層可統(tǒng)稱為對(duì)流傳熱為主增溫帶，該增溫帶的主要特征為自下而上圍巖地溫的遞減速度明顯高于水溫的遞減速度。 七、外部條件與地?zé)崴鰷氐年P(guān)系 1、地?zé)崴疁囟扰c熱源距離的關(guān)系。地球內(nèi)部就是一個(gè)“大火爐”，它與深層盛滿裂隙水 “鍋

14、”的距離越近、“火”的熱度就越高，“鍋”內(nèi)被加熱后的水溫自然會(huì)高。具體要視裂隙水之下地層是否存在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后的地?zé)釒Щ蚧顒?dòng)斷層、高熱度巖層與深層地?zé)崴嚯x的遠(yuǎn)近、地殼巖層的厚薄等因素而定。 2、地?zé)崴鰷嘏c地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。斷裂規(guī)模不同、構(gòu)造性質(zhì)不同等都直接影響著地?zé)崴脑鰷?、熱度及保有量。斷裂?guī)模越大，地?zé)岙惓^(qū)域越大；斷裂越深，地?zé)崴疁囟仍礁?；斷裂越寬越長(zhǎng)，地?zé)崴Ｓ辛烤驮酱蟆?3、地?zé)崴鰷嘏c圍巖巖性的關(guān)系。不同巖性具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，就地球內(nèi)部熱能向上傳導(dǎo)至同一深度層后的圍巖地溫來(lái)看，導(dǎo)熱系數(shù)高的巖石地溫就高（如石英巖、花崗巖、大理巖等），導(dǎo)熱系數(shù)低的巖石地溫相對(duì)就低（如頁(yè)巖、玄武巖、板

15、巖等）。 4、地?zé)崴疁囟扰c圍巖巖性的關(guān)系：由于在地?zé)崴葴貛е系膰鷰r溫度低于裂隙內(nèi)的水溫，在圍巖與水的接觸面上較高溫度的地?zé)崴畷?huì)對(duì)較低溫度的圍巖以傳導(dǎo)方式散發(fā)熱能，此時(shí)圍巖的導(dǎo)熱系數(shù)越小、吸收地?zé)崴臒崮芫驮缴佟?5、地?zé)崴疁囟扰c近地表巖層巖性的關(guān)系：第四系粘土、沙土等介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)小、密度低、擴(kuò)散率小，在接近地表的淺層可以構(gòu)成地?zé)嵘w層，減少地溫能向地表的擴(kuò)散速度。 八、地?zé)峋鏊疁囟扰c地?zé)崴脑鰷睾土鲃?dòng) 國(guó)內(nèi)大多數(shù)可開發(fā)的地?zé)豳Y源都屬于板內(nèi)斷裂構(gòu)造型，其中深大斷裂帶可能會(huì)長(zhǎng)達(dá)幾百公里、寬度幾公里，小的斷裂帶長(zhǎng)度可能只有幾公里、寬度有幾百米。受斷裂構(gòu)造帶的規(guī)模大小、延伸長(zhǎng)度和寬度的控制形成相

16、應(yīng)規(guī)模的斷裂型地?zé)釒В湫纬商攸c(diǎn)是：斷裂帶成為熱儲(chǔ)和熱流的通道，一方面大氣降水和地表水通過(guò)斷裂帶入滲到深部，成為地?zé)崴闹饕a(bǔ)給源；另一方面經(jīng)過(guò)深部熱巖的長(zhǎng)時(shí)期傳導(dǎo)加熱，在壓力作用下某一地下水沿?cái)嗔褞嫌恐恋乇砘驕\部，顯示出地?zé)岙惓；虺雎冻蓽厝?假設(shè)地?zé)峋畠H在某一深度穿過(guò)一個(gè)含水裂隙層，該層地?zé)崴畷?huì)上涌至裂隙水靜水位，水溫會(huì)通過(guò)井壁逐漸散發(fā)降低。在連續(xù)抽水狀態(tài)下，地?zé)崴畯木畠?nèi)向上運(yùn)移抽出，首先是從井位穿過(guò)裂隙深度層處同層同溫度地?zé)崴蚓畠?nèi)供給，待周邊地?zé)崴┙o一定時(shí)間后上層裂隙水逐漸也對(duì)井內(nèi)供水。由于一般深層裂隙都具有一定規(guī)模，連續(xù)抽水狀態(tài)下從裂隙補(bǔ)給到井內(nèi)的都是深層周邊的地?zé)崴?，水溫基本上變化不大?當(dāng)?shù)責(zé)峋┻^(guò)多個(gè)含水裂隙時(shí)，一般會(huì)根據(jù)測(cè)井分析結(jié)果和鑿井記錄情況確定固井深度，僅保留較深的溫度達(dá)標(biāo)的含水裂隙層。這種情況下抽水溫度及增溫機(jī)制就較為復(fù)雜，一是抽水時(shí)