《地热学》复习课2006

《地热学》复习课成都理工大学毛立峰

2008年10月27日实验课安排（地点5417）2006050501班：第10周： 星期一第3、4、5、6节 星期三第1、2节星期四第5、6节第11周： 星期三第1、2节2006050502班：第10周： 星期三第5、6节第11周： 星期一第7、8节星期四

第5、6节第12周： 星期一第5、6节星期四第5、6节地热学术语及专业英语地热学（Geothermometry

）；热导率（thermalconductivity

）。热扩散率（ThermalDiffusivity

）。浅层地热能（Shallowgeothermalenergy）：指地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200m埋深），温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地热能是地热资源的一部份。基准温度（Referencetemperature）：浅层地热能可利用的温度下限，一般低于当地多年平均气温5～7℃。恒温带（Constanttemperaturezone）：距地表最浅的年温度变化小于0.1℃的带。该带地温不受太阳辐射影响，不同纬度地区的恒温带深度不同。地下水换热系统（Groundwaterheatexchangesystem）：与地下水进行热交换的地热能交换系统，分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系统。也称为开式循环系统。回灌井（Injectionwell）：用于向含水层灌注回水的井。地热学术语及专业英语热传导方程（HeatConductionEquation）。热物性测试（Thermalphysicalpropertytest）：对岩土体的样品进行热物理参数的室内测试。开发效应（Exploitationeffects）：开发浅层地热能对自然环境、浅层地热储性状以及流体物理化学条件等的反应。热流量法（Heatfluxassessmentmethod）：根据大地热流值进行区域浅层地热能资源计算的方法。大地热流密度：（geothermaldensity)：单位时间内通过单位面积的热通量，单位为mW/m2，41.86mW/m2=1HFU（原单位）。热污染（Heatcontamination）：温度很高的尾水排放，使局部空气和水体的温度升高，改变生态平衡，影响环境和生物生长。现场热传导试验（In-situthermalconductivitytest）：采用人工冷（热）源利用地埋管换热系统对岩土体的热传导性能进行的一种试验。比热容：SepcificHeatCapacity(SHC)。实验一：热流密度的计算实验目的 通过本实验进一步加深对热流密度的理解，掌握热流密度值的计算原理和热流密度值的两种计算方法。实验要求 认真阅读课程中有关热流密度的章节和本实验内容，独立完成本实验内容和思考题热流密度的计算原理和方法 大地热流是指通过热传导作用，单位时间内单位面积上从地球内部向地球表面传输的热量，是评定一个地区的地热状况，说明地热场特征的一个综合参数，它对于研究地球动力学问题具有重要意义。热流密度的分布与地质构造条件和某些地球物理场有密切的关系，并可作为预测深部温度的依据。 热流密度的计算可根据下述一维稳态热传导公式 其中，T温度（℃），z深度（m），k岩石热导率（W/(m·K))，q热流密度（mW/(m2))，G地温梯度（℃/km），负号表示热流密度与温度梯度方向相反。实验一：热流密度的计算由于上式是在假设地温处于稳态条件下的热传导公式，因而要获得有意义的热流密度致据。必须注意以下几点：

1.必须用稳态测温数据，从钻孔测得的温度操度必须是真正的地温梯度。

2.必须有适当数量的岩芯标本，能代表钻孔或研究段的热导率。

3.井温必须无对流影响，所得热流密度必须仅由热传导产生。若并孔有热水活动，则所得结果不能反映地球内部的传导热流。

4.山区地形起伏较大，近期的古气候变化，新近的快速沉积或剥蚀，均对地温场有影响，因此需对浅孔测温结果进行校正或尽可能利用井孔深段进行热流密度计算。大地热流值计算要求应采用恒温带以下的地温数据和热导率数据进行计算。应充分利用前人测定和公布的一些地区的大地热流值，并注意其值在深度上和区域上的代表性。如果没有实测的大地热流值，则利用地温实测数据和热导率测试数据按公式q＝λG，即大地热流值＝热导率×地温梯度，进行计算。大地热流值单位为mW/m2

或HFU，1HFU=41.86mW/m2。大地热流值计算方法计算温度梯度计算岩石热导率分段法（Intervalmethod）

热阻法（Bullardmethod）实验一：热流密度的计算分段法用钻孔中规定深度范围内的温度与深度数据计算地温梯度，然后乘以相应深度范围内有代表性的岩石热导率值。 每个钻孔可以根据岩性选择一个或者多个热流计算段，一般尽可能选取岩性较均一的井段作为计算段。在计算段内要尽可能采集较多的岩石样品，使所测定的热导率数据具有代表性。

计算段内的地温梯度用最小二乘法计算．线性回归方程式为：T(z)=T0+Gz。式中T0为回归直线与温度坐标T的截距，相当于按钻孔中实测地温数据所推算的地表温度。当没有其它因素干扰时，T0值应等于恒温带温度，即

G为回归直线的斜率，即计算段内的地温梯度。岩石热导率的计算方法计算段内的岩石热导率，根据岩石样品的实测热导率值用算术平均、加权平均或者调和平均计算。一般说来，调和平均值比较合理，因为温度随深度的变化直接与岩石的热阻1／成比例，而不是与热导率成比例，调和平均的计算公式为 式中为第i块样品实测的热导率，di为第i块样品所代表的岩层厚度，为计算段的厚度。实验一：热流密度的计算(2)热阻法(Bullard法)

对于揭穿多个水平岩层，或者岩石样品采集较多的钻孔，可以来用下列公式计算热流值：

表示从地表至测温深度内n个间隔热阻的总和。

由上式对T(z)和进行线性回归，该回归直线的斜 率等于地表热流q，直线与温度坐标T的截距等于推算的地表温度T0。实验一：热流密度的计算 若一井孔有若干测温点，则对各测温点，由上式有：（s2） 式(s2)为—超定线性方程组，按最小二乘法求解，得到q实验一：热流密度的计算数据说明：

B孔：钻孔深度2220m，区内地形十分平坦，右表给出了钻孔实测温度。实验一：热流密度的计算下表给出了分层岩性和热导率。深度－温度曲线线性回归曲线对比图实验二：垂直流动的地下水流速计算在均质各向同性的介质中，有地下水垂直运动存在时，即在同时兼有传导和对流两种传热机制的作用下，一维稳态温度场中的温度分布，可用下式描写： 为温度；c为流体的比热；为流体密度；为岩石和流体混合热导率；v为流体在z轴方向上的体积流速，v>0时，表示流速向下；v<0时，表示流速向上。方程第一项表示传导传热作用，第二项为对流传热作业。当流速v＝0，即对流作业的作业下，则第二项为0，方程变为传导方程。实验二：垂直流动的地下水流速计算假定水流速度v为常数，则传导-对流方程为：边界条件为当z=0时（地面），；当z=L时（井底），（）解二阶常微分方程，令，有即即

实验二：垂直流动的地下水流速计算结合边界条件：联立解得：（1）实验二：垂直流动的地下水流速计算计算温度梯度： 而温度梯度为（2）

由（1）和（2）消去z得到温度梯度与温度之 间的关系

两者为直线关系，斜率为实验二：地下水垂直运动时的温度计算（1）式表明伴有对流作用时的温度场比纯传导机制下的温度场要复杂。在均质条件下的传导温度场内，温度分布只决定于边界温度，温度垂直分布呈具有一定斜率的直线；而在有对流作用参与之下，温度分布不但决定于边界温度，同时还依赖于介质的热传导率()、流体的比热容(c)、密度()以及流体的流速(v)诸多参数。此时，温度垂直分布不再是直线。在水流向下运动时()，温度的分布如下图的曲线A，可见某一深度的温度比没有水流时的温度要低(图中的水平线)，或者说，要在比没有水运动时更深的地方才能达到相同的温度(图中的垂直线)，若是有上升水流()存在，温度的分布将有和曲线A方向相反的图式，如曲线B。而在流速

，即时，则对流消失，转为纯传导情况，温度分布呈直线(图中的虚线)。实验二：垂直流动的地下水流速计算程序设计：目的：根据实测的温度与对应深度数据，考察温度与温度梯度之间的线性关系，利用线性回归得到斜率值G，从G与之间的近似关系，得到水流速度v。设计过程：输入参数：流体的比热、密度、固体和流体的综合热导率、测量的温度数据。设计函数：先计算温度梯度，再线性回归，求得由温度与温度梯度之间线性回归，即可得到G，进而由得到垂直流速。输出数据，用于作图，显示有无流体、流体方向等：将（1）式改写为， 得到值及z/L值，即可得到上式右端函数的值，作出它们的关系曲线，从而可以判断流体是否存在及流向等特性。实验二的程序计算结果实验二的程序计算结果实验二的程序计算结果复习题（1）地温热传递的三种方式为（热传导）、（热对流）和热辐射。（2）热导率、大地热流密度和恒温带的英语翻译分别为（thermalconductivity

）、（geothermaldensity）和（Constanttemperaturezone

）。（3）影响岩石热导率的因素很多，但主要是（岩石的成分和结构特点）。（4）岩石的放射性生热率的含义为（单位重量岩石所含的发射性元素，在单位时间内由衰变所释放的能量（或热量）），与地球内热热源有关的三种主要的放射性元素为（238U和235U

）、（40K

）和（282Th

）。名词解释地表地热显示地球上露出地表、并能被人们直接感知的与地球内热相关的自然现象，就是通常所讲的地表地热显示，或称之为地热的泄漏显示。大地热流系指地球在单位时间内通过单位面积流出的热量（能量），简称地表热流或大地热流密度。地球的重力热原始地球是一个未曾分异、较为均质的低温尘埃、气体和陨石物质的“混合体”。它们发生聚集，体积收缩形成地球。地球收缩时释放的重力能和物质碰撞动能转换的热能也是一种长期有效的热源，其中部分热能作为辐射能由地表向外空散失，另一部分将地球加热。这是地球物质在重力作用下，向地心集中时由位能转换成热能名词解释地球化学温标 地球化学温标是指与地下热储温度相关的热水化学组分浓度或浓度比值。水热系统不同部位的温度可能不一致，所以不同的化学温标也有可能反映同一水热系统中的不同部位的温度。地热田 是指现代地壳内占有一定空间位置，处于有利地质构造部位、具有一定物理性质（温度、压力、相态）和特殊化学组分的地下热水和蒸汽，同时是大量富集的地域，而且在目前工艺条件下，可通过钻井钻取的合理深度内，可供经济利用的地热区。或以地热动力开发为标准来衡量：“每年至少能提供5亿度电的地热区”、“通过钻井可以采出可供工业开发利用的天然蒸汽的地热区。判断题（1）气候的变化对地表温度场产生影响，长周期的气候变化影响地下温度场的深度较大。（正确）（2）近代火山作用和岩浆作用是形成高强度地热异常的主导因素。（正确）（3）海洋与大陆的平均热流密度值与全球的平均热流密度值是有较大差异的

。（错误）（4）处在板块内部的水热活动区，绝大多数都是以中低温的温泉出露为主，少数的高温水热活动区，除有特殊热源的存在外，其余部分均呈带状集中分别在板块的边界。（正确）（5）用电法寻找地热异常时，若出现视电阻率低异常区域时，即可判断其下一定有热水储存在。（错误）简答题

简述微震信息在地热勘探中能够起到的作用：微震信息在地热勘探中大致可起到如下作用：根据微震确定的震中位置，推断地热系统的通道位置。由于多数微震都是由断裂构造引起的，而这些断裂构造往往就是水的通道。根据微震信息确定的震源深度估算热储的埋深。按微地震的机理分析，水与热是诱发地热田区构造地震的动力，因此震源深度的位置应该是热储的埋深。根据微地震震源机制研究断层的性质。应用P波的初动方向，可以求取表征震源特性的各参数，包括震源错动力的方向和主应力轴的方向、断层面的走向、倾向和倾角。根据微震信息求得的泊松比值研究热田的性质。泊松比值可由P波和S波波速（或波速之比）计算得到，热水田的液体饱和的岩石的泊松比值比正常值偏低。简答题简述岩石电性与地温场的关系：1）电阻率随着温度的升高而降低，在150℃以下水的电阻率与温度大致成线性关系，实验证明当溶液温度从18℃升高到28℃时电阻率约下降20％。因为温度升高可引起溶液粘滞性减小，离子活动性增加，离子的迁移率增大，致使电阻率降低。2）当温度大于300℃时，液态变为气态，使电阻率随温度的增加而增加。随之，岩石骨架中的自由电子的迁移受阻，使导电性能变坏。因此蒸汽田一般出现高阻异常。3）另外溶解度随温度的增高使含盐量增大，电阻率降低。由于水中含盐量与导电性呈正相关，因此当地热系统内有高含盐量的地下水时，冷水和热水的电性差异不明显。理解公式的含义该公式表示含源的传导－对流共存时的三维热传递方程，公式左边表示温度随时间的变化，表示温度，t为时间；右端第一项为热传导对温度变化的贡献，k、c和分别为固体－流体混合体的综合热导率、比热和密度；右端第二项为流体对流对温度变化的贡献，分别为流体的比热和密度，vx、vy、vz分别表示流体在三个坐标方向x、y、z上的流速；第三项为生热或吸热对温度变化的贡献，A表示生热率。论述题论述地下水与围岩温度场相互关系的几种类型：

地下水是最活跃的地质因素，其在地壳浅部分布广泛，易于流动，且热容量大，对温度场有重要影响。这里仅就地下水与因岩温度场的相互关系和热水通道温度场的特点作说明。地下水与围岩温度场相互关系有以下三种类型：地下水活动引起围岩温度降低型。这是地下水侧向活动强烈，地下水的补给、径流条件十分良好的地区的特征。一些中小型盆地及某些大型盆地的边缘部位，从补给区进入的温度较低的地下水，在快速流动过程中，不断吸取围岩热量，从而降低了地温。华北平原的山前部分在宽30-60km的范围内，于相当深度出现的低温状况就是这样形成的。处于燕山南麓，太行山东麓，泰山北麓的