張孟才1寇偉2寇通2
1.湖北省904水文地質工程地質勘查院，四川成都
2.新鄉(xiāng)地象科技有限公司，鄭州新鄭
摘要：測井定井估測地熱溫度時通常是根據地溫增溫率估算的，而實際上地熱井內不同深度的溫度都要低于同層泥巖地溫。本文對破裂構造大陸冷水的增溫機理進行了研究，將其界定為對流增熱帶、恒溫帶、傳導增熱帶，并對增溫影響的外部條件作用進行了剖析。
關鍵詞：地冷水，破裂構造，增溫機理
一、地熱源與地熱資源
月球內部蘊涵有由放射性物質衰變作用等緣由所形成的巨大熱能，產生了一個由地幔和地殼層包裹著的“大熱球”，每時每刻通過各類形式向月球表面?zhèn)鞑崃俊Ｔ谠虑虍a生過程中，這種熱能的總數超過月球散逸的熱能，當產生巨大的熱儲量上升到高溫、剛硬的巖石圈頂部時，遭到巖石圈的抵擋而漸漸積累上去，使地幔局部融化產生巖漿作用、變質作用，進而造成該部位最終產生室溫高達1300oC以上的軟流層。
現已基本測算出，地幔的氣溫達6000oC，地幔底層的氣溫達900～1000oC，地表常溫層（距地面約15～30米）以下的地溫隨深度降低而增高。不同地區(qū)的地熱增溫率有一定差別，通常定義國外的地熱平均增溫率約為2.5～3oC/100米，接近平均增溫率的稱正常溫區(qū)，低于平均增溫率的地區(qū)稱地熱異常區(qū)。
目前人們可借助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。通常定義：氣溫低于150℃的地熱稱為低溫地熱，水溫在90～150℃之間的稱為中溫地熱，氣溫在25～90℃之間的稱為高溫地熱。水的臨界氣溫為374.15℃，因為不同地區(qū)地下各深度層的浮力、溫度、構造都不同，地幔深部水升至地表后的氣溫差別也會很大，所產生的地熱資源類型亦不相同。
二、與地冷水相關的幾點認知
在討論地冷水增溫機理之前，須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，作為討論地冷水增溫機理的基礎和前提條件。
1、深度約達10公里之上近地表的巖石基本上表現為延性，破裂相對發(fā)育，容易受地幔運動和撓曲作用形成一定規(guī)模的破裂構造。
2、地殼淺部分布著大大小小的破裂及節(jié)理，有深有淺、有長有短、有可見有隱伏水的密度和溫度的關系，依據其大小可稱為裂谷、大中小破裂、裂隙，它們產生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、地冷水資源都是地表水順著可連通的大大小小的裂紋向上漏水，在破裂面之中和節(jié)理及孔隙發(fā)育的巖層聚集產生的。
4、地球內部的低溫因地幔層的薄厚不同、斷裂規(guī)模不同、構造方式不同、巖層介質導熱特點不同等而地熱的增熱療效亦不相同。
5、地冷水的儲水空間如同是一個異型“加熱鍋”，鍋內溫度取決于離熱源的遠近、“鍋”的導熱性能、離熱源較遠下部鍋體的熱度、“鍋蓋”的保溫性能等等條件影響。
6、規(guī)模較大的隱伏破裂構造無法找到，但它們是固存不變且不會消失的。應當多開發(fā)地熱井，充分借助有限的“鍋”來循環(huán)加熱水、最大限度地獲取無限的地熱資源。
7、由于地冷水資源滲透的更深、水溫較高，紅色環(huán)保，應當大力鼓勵開發(fā)借助。
三、水的化學特點與地冷水增溫機理的關系
與地冷水相關的化學參數表
室溫t密度ρ比定壓潛熱cp導熱系數λ黏度μ
oCkg·m-3kJ·kg-1·K-110-2W·m-1·K-110-5Pa·s
0999.94.21255.13179.21
10999.74.19757.45130.77
20998.24.18359.89100.50
30995.74.17461.7680.07
40992.24.17463.3865.60
50988.14.17464.7854.94
60983.24.17865.9446.88
70977.84.17866.7640.61
80971.84.19567.4535.65
90965.34.20867.9831.65
100958.44.22068.0428.38
密度：水的質量和其容積的比值。水的密度隨著氣溫的下降而降低，因水向地下滲透的越深地溫對其增熱后的氣溫就越高，深層較高濕度水的密度較小、相對較輕，會與下層密度較大的水形成對流，深層水溫較高的水向下運移，在節(jié)理中產生對流增溫機制。
比定壓熱阻：在浮力不變的情況下，單位質量水的氣溫下降1K所需吸收的熱量，稱作該種物質的定壓比熱容。在水溫較低和較高時水的比定壓潛熱都相對較高，而在30～70oC之間則相對較低。說明水在0～30oC和70～100oC增溫段升溫1K花費的熱能相對較多，而在30～70oC增溫段升溫1K所花費的熱能相對較較少。
導熱系數：是指在穩(wěn)定傳質條件下，1米厚的材料、兩側表面的溫差為1度（K，oC），在一秒內通過1平方米面積傳遞的熱量。水的導熱系數與密度、溫度、壓力等誘因有關，在其它條件不變的情況下，水的導熱性隨水溫降低而降低。溫度較低時的導熱系數較小，增熱速率較慢；隨著水溫的降低、導熱系數逐步加強，增熱速率急劇增強。
黏度：黏度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動力對其內部磨擦現象的一種表示。黏度大表現內磨擦力大，分子量越大，醇類結合越多，這些力量也越大。對于水而言，因為氣溫下降時其內聚力減少，所以黏性降低，便于流體質點相互碰撞變動位置產生對流。
四、地下水的存在方式和傳質形式
1、地下水的存在方式
地下氣溫場從地表向上通常可分為變熱帶、恒溫帶和增熱帶三個層帶。地表水從地表向上滲透會受太陽熱幅射周期性變化的影響，隨著地表濕度形成變化，產生變熱帶；地表水滲透到一定深度以后基本上不再遭到地表濕度的影響，在上下冷熱反向熱傳遞作用下會達到相對平衡、溫度變化基本保持恒定，產生恒溫帶；恒溫帶以下隨著深度加深地溫減小而造成溫度增高，產生增熱帶。恒溫帶的氣溫和深度受所處經度、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(qū)也有些差別。
2、地下水的傳質形式
熱的傳遞有三種基本形式:對流、傳導、輻射。對于地下水來講，幅射傳質是通過地表水和地幔淺表層地溫間接作用的，主要是通過傳導和對流兩種傳遞方法傳質的。傳導是物體內部分子微觀運動的一種傳質形式，是因為分子碰撞或自由電子聯(lián)通來傳遞熱量的。對流換熱是因為流體質點變動位置并相互碰撞，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。在伴有對流作用的氣溫場比純傳導機制下的氣溫場要更為復雜，在均質條件下的傳導氣溫場內，氣溫分布只取決于邊界體溫，而在有對流作用參與下，氣溫分布不但取決于邊界濕度，同時還依賴于介質的熱傳導率、流體的比熱和密度以及流體的流速等眾多參數。
五、地冷水的增溫機理
通常而言，地表水沿節(jié)理向上滲透，超過恒溫帶后會在基巖地溫的作用下逐步增溫產生地冷水，節(jié)理水的氣溫應當高于同一深度層泥巖的地溫。可是，為何出露的溫泉溫度要遠低于淺層地溫？地熱井內不同深度的溫度都要低于同層泥巖地溫？
若是不考慮節(jié)理水沿水平和垂直方向的流動、深部地溫異常的區(qū)別、斷裂構造的大小等誘因的影響，僅考慮節(jié)理水在垂直方向上的氣溫變化，可將外界條件簡單化后來解析地冷水的增溫機理。
在形成破裂運動產生節(jié)理儲水構造之初，地表水通過節(jié)理通道徑流至深部，一旦地表水滲透基本飽含節(jié)理儲水空間，不僅淺層水會形成一定的流動變化之外，恒溫帶以下節(jié)理水徑流速率較小，其增溫過程為：首先水的密度和溫度的關系，因為節(jié)理基巖巖體的地溫由淺到深逐漸降低，節(jié)理水受基巖地溫的傳導增熱作用，氣溫逐步減小到略大于或等于基巖濕度值；之后，因水的密度和黏度隨著氣溫下降而減少，節(jié)理水自上而下氣溫逐層遞升，其密度和黏度亦逐層減少，較深層水的密度和黏度總是大于其上一層水的密度和黏度，相對而言里面較大比重的水會在重力的作用下形成下沉、下面氣溫較高、密度較小的水會相應下浮，上下層水的質點變動位置并相互碰撞，上層熱能量較高的質點將熱量傳遞給下層能量較低的質點，進而產生對流；結果，節(jié)理水某一水層受同層泥巖地溫傳導增熱的同時，就會遭到其下水層較高溫度對流換熱的作用，使溫度進一步增高，經過常年的地溫增熱后由淺至深的水層氣溫會趨向平衡。
六、裂隙水氣溫分布及其平衡狀態(tài)
為便捷起見，本文將地下破裂構造等所有的含水構造簡稱為節(jié)理水。若是不考慮含水節(jié)理的長度、深度、連通性及其基巖基巖屬性等條件，以下僅討論早已處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的節(jié)理水的增溫機理和濕度分布。
節(jié)理水在深部一定深度范圍內，壩體地溫一直低于節(jié)理溫度，此深度帶內主要由泥巖地溫對水加熱，增溫方法是以傳導為主；對流導熱的作用是由下向下逐層提高溫度與同層地溫的相對差別，致使溫度逐步接近地溫。從節(jié)理最底層地溫顯著低于溫度、到溫度逐步上升至與地溫相同，這一段深度層可稱其為傳導為主增熱帶。
在基巖地溫增加到一定程度時，同層地溫傳導增熱和上層水對流換熱的熱能與該層水對下層水對流傳導熱能達到相對平衡，使該層節(jié)理水水溫與泥巖地溫基本保持一致，此深度帶內增溫方法是以傳導和對流共同作用，產生了溫度與地溫基本一致的等熱帶。
在等熱帶深度層之上，基巖地溫逐步增加，地溫對于節(jié)理水的傳導增溫貢獻只是使溫度保持在地溫值上，同層節(jié)理水受其下一層較高溫度的對流增溫作用超過了基巖地溫增熱作用，促使該層的溫度低于地溫。等熱帶之上節(jié)理水層可合稱為對流換熱為主增熱帶，該增熱帶的主要特點為自下而上基巖地溫的遞減速率顯著低于溫度的遞減速率。
七、外部條件與地冷水增溫的關系
1、地冷水水溫與熱源距離的關系。月球內部就是一個“大火爐”，它與深層盛滿節(jié)理水“鍋”的距離越近、“火”的熱度就越高，“鍋”內被加熱后的溫度自然會高。具體要視節(jié)理水之下基巖是否存在新構造運動后的地溫帶或活動斷層、高熱度巖層與深層地冷水距離的遠近、地殼巖層的薄厚等誘因而定。
2、地冷水增溫與地質構造的關系。破裂規(guī)模不同、構造性質不同等都直接影響著地冷水的增溫、熱度及保有量。破裂規(guī)模越大，地熱異常區(qū)域越大；破裂越深，地冷水水溫越高；破裂越寬越長，地冷水保有量就越大。
3、地冷水增溫與泥巖巖性的關系。不同巖性具有不同的導熱系數，就地球內部熱能向下傳導至同一深度層后的基巖地溫來看，導熱系數高的巖石地溫就高（如石英巖、花崗巖、大理巖等），導熱系數低的巖石地溫相對就低（如頁巖、玄武巖、板巖等）。
4、地冷水水溫與泥巖巖性的關系：因為在地冷水等熱帶之上的基巖氣溫高于節(jié)理內的溫度，在基巖與水的接觸面上較高濕度的地冷水會對較低水溫的基巖以傳導形式充溢熱能，此時巖體的導熱系數越小、吸收地冷水的熱能就越少。
5、地冷水水溫與近地表巖層巖性的關系：第四系黏土、沙土等介質的導熱系數小、密度低、擴散率小，在接近地表的淺層可以構成地熱蓋層，降低地溫能向地表的擴散速率。
八、地熱井出水氣溫與地冷水的增溫和流動
國外大多數可開發(fā)的地熱資源都屬于板內破裂構造型，其中深大破裂帶可能會長達幾百公里、寬度幾公里，小的破裂帶寬度可能只有幾公里、寬度有幾百米。受破裂構造帶的規(guī)模大小、延伸厚度和長度的控制產生相應規(guī)模的破裂型地溫帶，其產生特征是：破裂帶成為熱儲和熱流的通道，一方面大氣降雨和地表水通過破裂帶入滲到深部，成為地冷水的主要補給源；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破裂帶上涌至地表或淺部，顯示出地熱異常或出露成溫泉。
假定地熱井僅在某一深度穿過一個含水節(jié)理層，該層地冷水會上涌至節(jié)理水靜水位，溫度會通過壩體漸漸充溢增加。在連續(xù)抽水狀態(tài)下，地冷水從井內向下運移抽出，首先是從井位穿過節(jié)理深度層處同層同水溫地冷水向井內供給，待周邊地冷水供給一定時間后下層節(jié)理水漸漸也對井內供熱。因為通常深層節(jié)理都具有一定規(guī)模，連續(xù)抽水狀態(tài)下從節(jié)理補給到井內的都是深層周邊的地冷水，溫度基本上變化不大。
當地熱井穿過多個含水節(jié)理時，通常會依據物探剖析結果和鑿井記錄情況確定鉆井深度，僅保留較深的氣溫達標的含水節(jié)理層。這些情況下抽水體溫及增溫機制就較為復雜，一是抽水時下層水溫較低的節(jié)理水優(yōu)先，供給到井內的地冷水相對會多；二是越深的節(jié)理水承壓越大，會擠壓承壓相對較小的節(jié)理水相對多的供給到井內；三是含水量大的節(jié)理水供熱比列也相對會大；四是還要考慮到節(jié)理水所在巖層巖性、斷裂規(guī)模、裂隙導通性等誘因。實踐中具體情況多種多樣，很難把地熱井出水氣溫變化規(guī)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剖析。
參考文獻：
【1】張志輝等，地下冷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，深部地層傳質機理的研究現況與進展，世界科技研究與發(fā)展，2011（4）
廣州地象科技有限公司寇偉