对地热水增温机理的几点认识.docx
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1、 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
2、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9001000 oC,地表常温层(距地面约1530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2.53 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
3、上的。一般定义:温度高于 150的地热称为高温地热,温度在90150之间的称为中温地热,温度在2590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
4、、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
5、”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 比定压热容cp 导热系数 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
7、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3070 oC之间则相对较低。说明水在030 oC 和70100 oC增温段升温1K耗费的热能相对较多,而在3070 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
8、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
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