对地热水增温机理的几点认识

mt-vct

         对地热水增温机理的几点认识

                          张孟才1   寇伟2  寇通2

   1.黑龙江省904水文地质工程地质勘察院，黑龙江 哈尔滨 150028

   2.郑州地象科技有限公司，河南郑州 450000

摘要：物探定井估测地热水温时一般是按照地温增温率计算的，而实际上地热井内不同深度的水温都要高于同层围岩地温。本文对断裂构造内地热水的增温机理进行了研究，将其划分为对流增温带、恒温带、传导增温带，并对增温影响的外部条件作用进行了分析。

关键词：地热水，断裂构造，增温机理

   一、地热源与地热资源

    地球内部蕴藏有由放射性物质衰变作用等原因所产生的巨大热能，形成了一个由地壳和地幔层包裹着的“大热球”，每时每刻通过各种方式向地球表面传播热量。在地球形成过程中，这些热能的总量超过地球散逸的热能，当形成巨大的热储量上升到低温、刚硬的岩石圈底部时，受到岩石圈的阻挡而逐渐积累起来，使地壳局部熔化形成岩浆作用、变质作用，从而导致该部位最终形成温度高达1300 oC以上的软流层。

    现已基本测算出，地核的温度达6000 oC，地壳底层的温度达900～1000 oC，地表常温层（距地面约15～30米）以下的地温随深度增加而增高。不同地区的地热增温率有一定差异，一般定义国内的地热平均增温率约为2.5～3 oC /100米，接近平均增温率的称正常温区，高于平均增温率的地区称地热异常区。

    目前人们可利用的地热资源基本上是以水为介质从地下将其带到地面上的。一般定义：温度高于 150℃的地热称为高温地热，温度在90～150℃之间的称为中温地热，温度在25～90℃之间的称为低温地热。水的临界温度为374.15℃，由于不同地区地下各深度层的压强、温度、构造都不同，地壳深部水升至地表后的温度差异也会很大，所形成的地热资源类型亦不相同。

    二、与地热水相关的几点认知

    在讨论地热水增温机理之前，需要简单陈述一下作者对相关地热资源知识的几点认知和理解，作为讨论地热水增温机理的基础和前提条件。

    1、深度约达10公里之上近地表的岩石基本上表现为脆性，断裂相对发育，容易受地壳运动和应力作用产生一定规模的断裂构造。

    2、地壳浅部分布着大大小小的断裂及裂隙，有深有浅、有长有短、有可见有隐伏，根据其大小可称为裂谷、大中小断裂、裂隙，它们形成了地下水的径流通道和地下蓄水空间，也是深部地热传输通道。

    3、地热水资源都是地表水沿着可连通的大大小小的裂缝向下渗漏，在断裂面之中和裂隙及孔隙发育的岩层集聚形成的。

    4、地球内部的高温因地壳层的厚薄不同、断裂规模不同、构造形式不同、岩层介质导热特性不同等而地热的增热效果亦不相同。

    5、地热水的储水空间就像是一个异形“加热锅”，锅内水温取决于离热源的远近、“锅”的导热性能、离热源较远上部锅体的热度、“锅盖”的保温性能等等条件影响。

    6、规模较大的隐伏断裂构造难以找到，但它们是固存不变且不会消失的。应该多开发地热井，充分利用有限的“锅”来循环加热水、最大限度地获取无限的地热资源。

    7、由于地热水资源渗透的更深、水温较高，绿色环保，应该大力鼓励开发利用。

    三、水的物理特性与地热水增温机理的关系

                     与地热水相关的物理参数表

温度t    密度ρ    比定压热容cp   导热系数λ       粘度μ      

oC        kg·m-3     kJ·kg-1·K-1    10-2W·m-1·K-1    10-5Pa·s

0          999.9           4.212           55.13           179.21   

10         999.7           4.197           57.45           130.77   

20         998.2           4.183           59.89           100.50   

30        995.7          4.174           61.76            80.07  

40         992.2           4.174           63.38            65.60

50       988.1           4.174          64.78            54.94   

60         983.2           4.178           65.94            46.88  

70         977.8           4.178          66.76            40.61   

80         971.8           4.195           67.45           35.65     

90         965.3            4.208          67.98            31.65   

100        958.4            4.220          68.04            28.38

    密度：水的质量和其体积的比值。水的密度随着温度的升高而减小，因水向地下渗透的越深地温对其增热后的温度就越高，深层较高温度水的密度较小、相对较轻，会与上层密度较大的水产生对流，深层温度较高的水向上运移，在裂隙中形成对流增温机制。

    比定压热容：在压强不变的情况下，单位质量水的温度升高1K所需吸收的热量，叫做该种物质的定压比热容。在温度较低和较高时水的比定压热容都相对较高，而在30～70 oC之间则相对较低。说明水在0～30 oC 和70～100 oC增温段升温1K耗费的热能相对较多，而在30～70 oC增温段升温1K所耗费的热能相对较较少。

    导热系数：是指在稳定传热条件下，1米厚的材料、两侧表面的温差为1度（K，oC），在1秒内通过1平方米面积传递的热量。水的导热系数与密度、温度、压力等因素有关，在其它条件不变的情况下，水的导热性随温度增加而增加。水温较低时的导热系数较小，增热速度较慢；随着水温的增加、导热系数逐渐加大，增热速度随之提高。

    粘度：粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。粘度大表现内摩擦力大，分子量越大，碳氢结合越多，这种力量也越大。对于水而言，由于温度升高时其内聚力减小，所以粘性减小，易于流体质点互相碰撞变动位置形成对流。

   

   四、地下水的存在形式和传热方式

    1、地下水的存在形式

    地下温度场从地表向下一般可分为变温带、恒温带和增温带三个层带。地表水从地表向下渗透会受太阳热辐射周期性变化的影响，随着地表温度产生变化，形成变温带；地表水渗透到一定深度之后基本上不再受到地表温度的影响，在上下冷热反向热传递作用下会达到相对平衡、温度变化基本保持恒定，形成恒温带；恒温带以下随着深度加深地温增大而导致水温增高，形成增温带。恒温带的温度和深度受所处纬度、高度、岩性、地表水、小气候、植被等多种条件的影响，各地不一，同一地区也有些差异。

    2、地下水的传热方式

    热的传递有三种基本方式: 对流、传导、辐射。对于地下水来讲，辐射传热是通过地表水和地壳浅表层地温间接作用的，主要是通过传导和对流两种传递方式传热的。传导是物体内部分子微观运动的一种传热方式，是由于分子碰撞或自由电子移动来传递热量的。对流传热是由于流体质点变动位置并互相碰撞，能量较高质点将热量传递给能量较低的质点，是一种宏观的热量传递。在伴有对流作用的温度场比纯传导机制下的温度场要更为复杂，在均质条件下的传导温度场内，温度分布只取决于边界温度，而在有对流作用参与下，温度分布不但取决于边界温度，同时还依赖于介质的热传导率、流体的比热和密度以及流体的流速等诸多参数 。

    五、地热水的增温机理

    一般而言，地表水沿裂隙向下渗透，超过恒温带后会在围岩地温的作用下逐渐增温形成地热水，裂隙水的温度应该低于同一深度层围岩的地温。然而，为什么出露的温泉水温要远高于浅层地温？地热井内不同深度的水温都要高于同层围岩地温？

    若是不考虑裂隙水沿水平和垂直方向的流动、深部地温异常的区别、断裂构造的大小等因素的影响，仅考虑裂隙水在垂直方向上的温度变化，可将外界条件简单化后来解析地热水的增温机理。

    在产生断裂运动形成裂隙储水构造之初，地表水通过裂隙通道径流至深部，一旦地表水渗透基本充满裂隙储水空间，除了浅层水会产生一定的流动变化之外，恒温带以下裂隙水径流速度较小，其增温过程为：首先，由于裂隙围岩地层的地温由浅到深逐步增加，裂隙水受围岩地温的传导增热作用，温度逐渐增大到略小于或等于围岩温度值；然后，因水的密度和粘度随着温度升高而减小，裂隙水自上而下温度逐层递升，其密度和粘度亦逐层减小，较深层水的密度和粘度总是小于其上一层水的密度和粘度，相对而言上面较大比重的水会在重力的作用下产生下沉、下面温度较高、密度较小的水会相应上浮，上下层水的质点变动位置并互相碰撞，下层热能量较高的质点将热量传递给上层能量较低的质点，从而形成对流；结果，裂隙水某一水层受同层围岩地温传导增热的同时，还会受到其下水层较高水温对流传热的作用，使水温进一步增高，经过长期的地温增热后由浅至深的水层温度会趋于平衡。

  六、裂隙水温度分布及其平衡状态

    为方便起见，本文将地下断裂构造等所有的含水构造简称为裂隙水。若是不考虑含水裂隙的宽度、深度、连通性及其围岩地层属性等条件，以下仅讨论已经处于稳定平衡状态的裂隙水的增温机理和温度分布。

    裂隙水在深部一定深度范围内，围岩地温始终高于裂隙水温，此深度带内主要由围岩地温对水加热，增温方式是以传导为主；对流导热的作用是由下向上逐层提升水温与同层地温的相对差距，使得水温逐渐接近地温。从裂隙最底层地温明显高于水温、到水温逐渐上升至与地温相同，这一段深度层可称其为传导为主增温带。

    在围岩地温降低到一定程度时，同层地温传导增热和下层水对流传热的热能与该层水对上层水对流传导热能达到相对平衡，使该层裂隙水温度与围岩地温基本保持一致，此深度带内增温方式是以传导和对流共同作用，形成了水温与地温基本一致的等温带。

    在等温带深度层之上，围岩地温逐渐降低，地温对于裂隙水的传导增温贡献只是使水温保持在地温值上，同层裂隙水受其下一层较高水温的对流增温作用超过了围岩地温增热作用，使得该层的水温高于地温。等温带之上裂隙水层可统称为对流传热为主增温带，该增温带的主要特征为自下而上围岩地温的递减速度明显高于水温的递减速度。

    七、外部条件与地热水增温的关系

    1、地热水温度与热源距离的关系。地球内部就是一个“大火炉”，它与深层盛满裂隙水 “锅”的距离越近、“火”的热度就越高，“锅”内被加热后的水温自然会高。具体要视裂隙水之下地层是否存在新构造运动后的地热带或活动断层、高热度岩层与深层地热水距离的远近、地壳岩层的厚薄等因素而定。

    2、地热水增温与地质构造的关系。断裂规模不同、构造性质不同等都直接影响着地热水的增温、热度及保有量。断裂规模越大，地热异常区域越大；断裂越深，地热水温度越高；断裂越宽越长，地热水保有量就越大。

    3、地热水增温与围岩岩性的关系。不同岩性具有不同的导热系数，就地球内部热能向上传导至同一深度层后的围岩地温来看，导热系数高的岩石地温就高（如石英岩、花岗岩、大理岩等），导热系数低的岩石地温相对就低（如页岩、玄武岩、板岩等）。

    4、地热水温度与围岩岩性的关系：由于在地热水等温带之上的围岩温度低于裂隙内的水温，在围岩与水的接触面上较高温度的地热水会对较低温度的围岩以传导方式散发热能，此时围岩的导热系数越小、吸收地热水的热能就越少。

    5、地热水温度与近地表岩层岩性的关系：第四系粘土、沙土等介质的导热系数小、密度低、扩散率小，在接近地表的浅层可以构成地热盖层，减少地温能向地表的扩散速度。

   

  八、地热井出水温度与地热水的增温和流动

    国内大多数可开发的地热资源都属于板内断裂构造型，其中深大断裂带可能会长达几百公里、宽度几公里，小的断裂带长度可能只有几公里、宽度有几百米。受断裂构造带的规模大小、延伸长度和宽度的控制形成相应规模的断裂型地热带，其形成特点是：断裂带成为热储和热流的通道，一方面大气降水和地表水通过断裂带入渗到深部，成为地热水的主要补给源；另一方面经过深部热岩的长时期传导加热，在压力作用下某一地下水沿断裂带上涌至地表或浅部，显示出地热异常或出露成温泉。

    假设地热井仅在某一深度穿过一个含水裂隙层，该层地热水会上涌至裂隙水静水位，水温会通过井壁逐渐散发降低。在连续抽水状态下，地热水从井内向上运移抽出，首先是从井位穿过裂隙深度层处同层同温度地热水向井内供给，待周边地热水供给一定时间后上层裂隙水逐渐也对井内供水。由于一般深层裂隙都具有一定规模，连续抽水状态下从裂隙补给到井内的都是深层周边的地热水，水温基本上变化不大。

    当地热井穿过多个含水裂隙时，一般会根据测井分析结果和凿井记录情况确定固井深度，仅保留较深的温度达标的含水裂隙层。这种情况下抽水温度及增温机制就较为复杂，一是抽水时上层温度较低的裂隙水优先，供给到井内的地热水相对会多；二是越深的裂隙水承压越大，会挤压承压相对较小的裂隙水相对多的供给到井内；三是含水量大的裂隙水供水比例也相对会大；四是还要考虑到裂隙水所在岩层岩性、断裂规模、裂隙导通性等因素。实践中具体情况多种多样，很难把地热井出水温度变化规律和增温机制梳理的很清楚，只能从这几方面进行概念性的分析。

  

    参考文献：

【1】张志辉等，地下热水运移中自然对流的研究，水文地质工程地质，1995（4）

【2】张树光，张传，深部岩体传热机理的研究现状与进展，世界科技研究与发展，2011（4）

huaihuai5155

好资料，值得分享！

zhrongzh

谢谢分享