對地熱水增溫機理的幾點認識

地溫怎麼算

張孟才1 寇偉2 寇通2

1。黑龍江省904水文地質工程地質勘察院，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：物探定井估測地熱水溫時一般是按照地溫增溫率計算的，而實際上地熱井內不同深度的水溫都要高於同層圍巖地溫。本文對斷裂構造內地熱水的增溫機理進行了研究，將其劃分為對流增溫帶、恆溫帶、傳導增溫帶，並對增溫影響的外部條件作用進行了分析。

關鍵詞：地熱水，斷裂構造，增溫機理

一、地熱源與地熱資源

地球內部蘊藏有由放射性物質衰變作用等原因所產生的巨大熱能，形成了一個由地殼和地幔層包裹著的“大熱球”，每時每刻透過各種方式向地球表面傳播熱量。在地球形成過程中，這些熱能的總量超過地球散逸的熱能，當形成巨大的熱儲量上升到低溫、剛硬的岩石圈底部時，受到岩石圈的阻擋而逐漸積累起來，使地殼區域性熔化形成岩漿作用、變質作用，從而導致該部位最終形成溫度高達1300 oC以上的軟流層。

現已基本測算出，地核的溫度達6000 oC，地殼底層的溫度達900～1000 oC，地表常溫層（距地面約15～30米）以下的地溫隨深度增加而增高。不同地區的地熱增溫率有一定差異，一般定義國內的地熱平均增溫率約為2。5～3 oC /100米，接近平均增溫率的稱正常溫區，高於平均增溫率的地區稱地熱異常區。

目前人們可利用的地熱資源基本上是以水為介質從地下將其帶到地面上的。一般定義：溫度高於 150℃的地熱稱為高溫地熱，溫度在90～150℃之間的稱為中溫地熱，溫度在25～90℃之間的稱為低溫地熱。水的臨界溫度為374。15℃，由於不同地區地下各深度層的壓強、溫度、構造都不同，地殼深部水升至地表後的溫度差異也會很大，所形成的地熱資源型別亦不相同。

二、與地熱水相關的幾點認知

在討論地熱水增溫機理之前，需要簡單陳述一下作者對相關地熱資源知識的幾點認知和理解，作為討論地熱水增溫機理的基礎和前提條件。

1、深度約達10公里之上近地表的岩石基本上表現為脆性，斷裂相對發育，容易受地殼運動和應力作用產生一定規模的斷裂構造。

2、地殼淺部分佈著大大小小的斷裂及裂隙，有深有淺、有長有短、有可見有隱伏，根據其大小可稱為裂谷、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，也是深部地熱傳輸通道。

3、地熱水資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育的岩層集聚形成的。

4、地球內部的高溫因地殼層的厚薄不同、斷裂規模不同、構造形式不同、岩層介質導熱特性不同等而地熱的增熱效果亦不相同。

5、地熱水的儲水空間就像是一個異形“加熱鍋”，鍋內水溫取決於離熱源的遠近、“鍋”的導熱效能、離熱源較遠上部鍋體的熱度、“鍋蓋”的保溫效能等等條件影響。

6、規模較大的隱伏斷裂構造難以找到，但它們是固存不變且不會消失的。應該多開發地熱井，充分利用有限的“鍋”來迴圈加熱水、最大限度地獲取無限的地熱資源。

7、由於地熱水資源滲透的更深、水溫較高，綠色環保，應該大力鼓勵開發利用。

三、水的物理特性與地熱水增溫機理的關係

與地熱水相關的物理引數表

溫度t 密度ρ 比定壓熱容cp 導熱係數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：水的質量和其體積的比值。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其增熱後的溫度就越高，深層較高溫度水的密度較小、相對較輕，會與上層密度較大的水產生對流，深層溫度較高的水向上運移，在裂隙中形成對流增溫機制。

比定壓熱容：在壓強不變的情況下，單位質量水的溫度升高1K所需吸收的熱量，叫做該種物質的定壓比熱容。在溫度較低和較高時水的比定壓熱容都相對較高，而在30～70 oC之間則相對較低。說明水在0～30 oC 和70～100 oC增溫段升溫1K耗費的熱能相對較多，而在30～70 oC增溫段升溫1K所耗費的熱能相對較較少。

導熱係數：是指在穩定傳熱條件下，1米厚的材料、兩側表面的溫差為1度（K，oC），在1秒內透過1平方米麵積傳遞的熱量。水的導熱係數與密度、溫度、壓力等因素有關，在其它條件不變的情況下，水的導熱性隨溫度增加而增加。水溫較低時的導熱係數較小，增熱速度較慢；隨著水溫的增加、導熱係數逐漸加大，增熱速度隨之提高。

粘度：粘度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動力對其內部摩擦現象的一種表示。粘度大表現內摩擦力大，分子量越大，碳氫結合越多，這種力量也越大。對於水而言，由於溫度升高時其內聚力減小，所以粘性減小，易於流體質點互相碰撞變動位置形成對流。

四、地下水的存在形式和傳熱方式

1、地下水的存在形式

地下溫度場從地表向下一般可分為變溫帶、恆溫帶和增溫帶三個層帶。地表水從地表向下滲透會受太陽熱輻射週期性變化的影響，隨著地表溫度產生變化，形成變溫帶；地表水滲透到一定深度之後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達到相對平衡、溫度變化基本保持恆定，形成恆溫帶；恆溫帶以下隨著深度加深地溫增大而導致水溫增高，形成增溫帶。恆溫帶的溫度和深度受所處緯度、高度、巖性、地表水、小氣候、植被等多種條件的影響，各地不一，同一地區也有些差異。

2、地下水的傳熱方式

熱的傳遞有三種基本方式： 對流、傳導、輻射。對於地下水來講，輻射傳熱是透過地表水和地殼淺表層地溫間接作用的，主要是透過傳導和對流兩種傳遞方式傳熱的。傳導是物體內部分子微觀運動的一種傳熱方式，是由於分子碰撞或自由電子移動來傳遞熱量的。對流傳熱是由於流體質點變動位置並互相碰撞，能量較高質點將熱量傳遞給能量較低的質點，是一種宏觀的熱量傳遞。在伴有對流作用的溫度場比純傳導機制下的溫度場要更為複雜，在均質條件下的傳導溫度場內，溫度分佈只取決於邊界溫度，而在有對流作用參與下，溫度分佈不但取決於邊界溫度，同時還依賴於介質的熱傳導率、流體的比熱和密度以及流體的流速等諸多引數 。

五、地熱水的增溫機理

一般而言，地表水沿裂隙向下滲透，超過恆溫帶後會在圍巖地溫的作用下逐漸增溫形成地熱水，裂隙水的溫度應該低於同一深度層圍巖的地溫。然而，為什麼出露的溫泉水溫要遠高於淺層地溫？地熱井內不同深度的水溫都要高於同層圍巖地溫？

若是不考慮裂隙水沿水平和垂直方向的流動、深部地溫異常的區別、斷裂構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，可將外界條件簡單化後來解析地熱水的增溫機理。

在產生斷裂運動形成裂隙儲水構造之初，地表水透過裂隙通道徑流至深部，一旦地表水滲透基本充滿裂隙儲水空間，除了淺層水會產生一定的流動變化之外，恆溫帶以下裂隙水徑流速度較小，其增溫過程為：首先，由於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增熱作用，溫度逐漸增大到略小於或等於圍巖溫度值；然後，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於其上一層水的密度和粘度，相對而言上面較大比重的水會在重力的作用下產生下沉、下面溫度較高、密度較小的水會相應上浮，上下層水的質點變動位置並互相碰撞，下層熱能量較高的質點將熱量傳遞給上層能量較低的質點，從而形成對流；結果，裂隙水某一水層受同層圍巖地溫傳導增熱的同時，還會受到其下水層較高水溫對流傳熱的作用，使水溫進一步增高，經過長期的地溫增熱後由淺至深的水層溫度會趨於平衡。

六、裂隙水溫度分佈及其平衡狀態

為方便起見，本文將地下斷裂構造等所有的含水構造簡稱為裂隙水。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，以下僅討論已經處於穩定平衡狀態的裂隙水的增溫機理和溫度分佈。

裂隙水在深部一定深度範圍內，圍巖地溫始終高於裂隙水溫，此深度帶內主要由圍巖地溫對水加熱，增溫方式是以傳導為主；對流導熱的作用是由下向上逐層提升水溫與同層地溫的相對差距，使得水溫逐漸接近地溫。從裂隙最底層地溫明顯高於水溫、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為主增溫帶。

在圍巖地溫降低到一定程度時，同層地溫傳導增熱和下層水對流傳熱的熱能與該層水對上層水對流傳導熱能達到相對平衡，使該層裂隙水溫度與圍巖地溫基本保持一致，此深度帶內增溫方式是以傳導和對流共同作用，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，地溫對於裂隙水的傳導增溫貢獻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流增溫作用超過了圍巖地溫增熱作用，使得該層的水溫高於地溫。等溫帶之上裂隙水層可統稱為對流傳熱為主增溫帶，該增溫帶的主要特徵為自下而上圍巖地溫的遞減速度明顯高於水溫的遞減速度。

七、外部條件與地熱水增溫的關係

1、地熱水溫度與熱源距離的關係。地球內部就是一個“大火爐”，它與深層盛滿裂隙水 “鍋”的距離越近、“火”的熱度就越高，“鍋”內被加熱後的水溫自然會高。具體要視裂隙水之下地層是否存在新構造運動後的地熱帶或活動斷層、高熱度岩層與深層地熱水距離的遠近、地殼岩層的厚薄等因素而定。

2、地熱水增溫與地質構造的關係。斷裂規模不同、構造性質不同等都直接影響著地熱水的增溫、熱度及保有量。斷裂規模越大，地熱異常區域越大；斷裂越深，地熱水溫度越高；斷裂越寬越長，地熱水保有量就越大。

3、地熱水增溫與圍巖巖性的關係。不同巖性具有不同的導熱係數，就地球內部熱能向上傳導至同一深度層後的圍巖地溫來看，導熱係數高的岩石地溫就高（如石英岩、花崗岩、大理岩等），導熱係數低的岩石地溫相對就低（如頁岩、玄武岩、板岩等）。

4、地熱水溫度與圍巖巖性的關係：由於在地熱水等溫帶之上的圍巖溫度低於裂隙內的水溫，在圍巖與水的接觸面上較高溫度的地熱水會對較低溫度的圍巖以傳導方式散發熱能，此時圍巖的導熱係數越小、吸收地熱水的熱能就越少。

5、地熱水溫度與近地表岩層巖性的關係：第四系粘土、沙土等介質的導熱係數小、密度低、擴散率小，在接近地表的淺層可以構成地熱蓋層，減少地溫能向地表的擴散速度。

八、地熱井出水溫度與地熱水的增溫和流動

國內大多數可開發的地熱資源都屬於板內斷裂構造型，其中深大斷裂帶可能會長達幾百公里、寬度幾公里，小的斷裂帶長度可能只有幾公里、寬度有幾百米。受斷裂構造帶的規模大小、延伸長度和寬度的控制形成相應規模的斷裂型地熱帶，其形成特點是：斷裂帶成為熱儲和熱流的通道，一方面大氣降水和地表水透過斷裂帶入滲到深部，成為地熱水的主要補給源；另一方面經過深部熱巖的長時期傳導加熱，在壓力作用下某一地下水沿斷裂帶上湧至地表或淺部，顯示出地熱異常或出露成溫泉。

假設地熱井僅在某一深度穿過一個含水裂隙層，該層地熱水會上湧至裂隙水靜水位，水溫會透過井壁逐漸散發降低。在連續抽水狀態下，地熱水從井內向上運移抽出，首先是從井位穿過裂隙深度層處同層同溫度地熱水向井內供給，待周邊地熱水供給一定時間後上層裂隙水逐漸也對井內供水。由於一般深層裂隙都具有一定規模，連續抽水狀態下從裂隙補給到井內的都是深層周邊的地熱水，水溫基本上變化不大。

當地熱井穿過多個含水裂隙時，一般會根據測井分析結果和鑿井記錄情況確定固井深度，僅保留較深的溫度達標的含水裂隙層。這種情況下抽水溫度及增溫機制就較為複雜，一是抽水時上層溫度較低的裂隙水優先，供給到井內的地熱水相對會多；二是越深的裂隙水承壓越大，會擠壓承壓相對較小的裂隙水相對多的供給到井內；三是含水量大的裂隙水供水比例也相對會大；四是還要考慮到裂隙水所在岩層巖性、斷裂規模、裂隙導通性等因素。實踐中具體情況多種多樣，很難把地熱井出水溫度變化規律和增溫機制梳理的很清楚，只能從這幾方面進行概念性的分析。

參考文獻：

【1】張志輝等，地下熱水運移中自然對流的研究，水文地質工程地質，1995（4）

【2】張樹光，張傳，深部巖體傳熱機理的研究現狀與進展，世界科技研究與發展，2011（4）

鄭州地象科技有限公司 寇偉