《地?zé)釋W(xué)》復(fù)習(xí)課2006

《地?zé)釋W(xué)》復(fù)習(xí)課成都理工大學(xué)毛立峰

2008年10月27日實(shí)驗(yàn)課安排（地點(diǎn)5417）2006050501班：第10周： 星期一第3、4、5、6節(jié) 星期三第1、2節(jié)星期四第5、6節(jié)第11周： 星期三第1、2節(jié)2006050502班：第10周： 星期三第5、6節(jié)第11周： 星期一第7、8節(jié)星期四

第5、6節(jié)第12周： 星期一第5、6節(jié)星期四第5、6節(jié)地?zé)釋W(xué)術(shù)語及專業(yè)英語地?zé)釋W(xué)（Geothermometry

）；熱導(dǎo)率（thermalconductivity

）。熱擴(kuò)散率（ThermalDiffusivity

）。淺層地?zé)崮埽⊿hallowgeothermalenergy）：指地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般為恒溫帶至200m埋深），溫度低于25℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的地球內(nèi)部的熱能資源。淺層地?zé)崮苁堑責(zé)豳Y源的一部份?；鶞?zhǔn)溫度（Referencetemperature）：淺層地?zé)崮芸衫玫臏囟认孪蓿话愕陀诋?dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜鉁?～7℃。恒溫帶（Constanttemperaturezone）：距地表最淺的年溫度變化小于0.1℃的帶。該帶地溫不受太陽輻射影響，不同緯度地區(qū)的恒溫帶深度不同。地下水換熱系統(tǒng)（Groundwaterheatexchangesystem）：與地下水進(jìn)行熱交換的地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)，分為直接地下水換熱系統(tǒng)和間接地下水換熱系統(tǒng)。也稱為開式循環(huán)系統(tǒng)?；毓嗑↖njectionwell）：用于向含水層灌注回水的井。地?zé)釋W(xué)術(shù)語及專業(yè)英語熱傳導(dǎo)方程（HeatConductionEquation）。熱物性測試（Thermalphysicalpropertytest）：對巖土體的樣品進(jìn)行熱物理參數(shù)的室內(nèi)測試。開發(fā)效應(yīng)（Exploitationeffects）：開發(fā)淺層地?zé)崮軐ψ匀画h(huán)境、淺層地?zé)醿π誀钜约傲黧w物理化學(xué)條件等的反應(yīng)。熱流量法（Heatfluxassessmentmethod）：根據(jù)大地?zé)崃髦颠M(jìn)行區(qū)域淺層地?zé)崮苜Y源計(jì)算的方法。大地?zé)崃髅芏龋海╣eothermaldensity)：單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱通量，單位為mW/m2，41.86mW/m2=1HFU（原單位）。熱污染（Heatcontamination）：溫度很高的尾水排放，使局部空氣和水體的溫度升高，改變生態(tài)平衡，影響環(huán)境和生物生長?，F(xiàn)場熱傳導(dǎo)試驗(yàn)（In-situthermalconductivitytest）：采用人工冷（熱）源利用地埋管換熱系統(tǒng)對巖土體的熱傳導(dǎo)性能進(jìn)行的一種試驗(yàn)。比熱容：SepcificHeatCapacity(SHC)。實(shí)驗(yàn)一：熱流密度的計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深對熱流密度的理解，掌握熱流密度值的計(jì)算原理和熱流密度值的兩種計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)要求 認(rèn)真閱讀課程中有關(guān)熱流密度的章節(jié)和本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，獨(dú)立完成本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和思考題熱流密度的計(jì)算原理和方法 大地?zé)崃魇侵竿ㄟ^熱傳導(dǎo)作用，單位時(shí)間內(nèi)單位面積上從地球內(nèi)部向地球表面?zhèn)鬏數(shù)臒崃浚窃u定一個(gè)地區(qū)的地?zé)釥顩r，說明地?zé)釄鎏卣鞯囊粋€(gè)綜合參數(shù)，它對于研究地球動力學(xué)問題具有重要意義。熱流密度的分布與地質(zhì)構(gòu)造條件和某些地球物理場有密切的關(guān)系，并可作為預(yù)測深部溫度的依據(jù)。 熱流密度的計(jì)算可根據(jù)下述一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式 其中，T溫度（℃），z深度（m），k巖石熱導(dǎo)率（W/(m·K))，q熱流密度（mW/(m2))，G地溫梯度（℃/km），負(fù)號表示熱流密度與溫度梯度方向相反。實(shí)驗(yàn)一：熱流密度的計(jì)算由于上式是在假設(shè)地溫處于穩(wěn)態(tài)條件下的熱傳導(dǎo)公式，因而要獲得有意義的熱流密度致?lián)?。必須注意以下幾點(diǎn)：

1.必須用穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù)，從鉆孔測得的溫度操度必須是真正的地溫梯度。

2.必須有適當(dāng)數(shù)量的巖芯標(biāo)本，能代表鉆孔或研究段的熱導(dǎo)率。

3.井溫必須無對流影響，所得熱流密度必須僅由熱傳導(dǎo)產(chǎn)生。若并孔有熱水活動，則所得結(jié)果不能反映地球內(nèi)部的傳導(dǎo)熱流。

4.山區(qū)地形起伏較大，近期的古氣候變化，新近的快速沉積或剝蝕，均對地溫場有影響，因此需對淺孔測溫結(jié)果進(jìn)行校正或盡可能利用井孔深段進(jìn)行熱流密度計(jì)算。大地?zé)崃髦涤?jì)算要求應(yīng)采用恒溫帶以下的地溫?cái)?shù)據(jù)和熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)充分利用前人測定和公布的一些地區(qū)的大地?zé)崃髦?，并注意其值在深度上和區(qū)域上的代表性。如果沒有實(shí)測的大地?zé)崃髦?，則利用地溫實(shí)測數(shù)據(jù)和熱導(dǎo)率測試數(shù)據(jù)按公式q＝λG，即大地?zé)崃髦担綗釋?dǎo)率×地溫梯度，進(jìn)行計(jì)算。大地?zé)崃髦祮挝粸閙W/m2

或HFU，1HFU=41.86mW/m2。大地?zé)崃髦涤?jì)算方法計(jì)算溫度梯度計(jì)算巖石熱導(dǎo)率分段法（Intervalmethod）

熱阻法（Bullardmethod）實(shí)驗(yàn)一：熱流密度的計(jì)算分段法用鉆孔中規(guī)定深度范圍內(nèi)的溫度與深度數(shù)據(jù)計(jì)算地溫梯度，然后乘以相應(yīng)深度范圍內(nèi)有代表性的巖石熱導(dǎo)率值。 每個(gè)鉆孔可以根據(jù)巖性選擇一個(gè)或者多個(gè)熱流計(jì)算段，一般盡可能選取巖性較均一的井段作為計(jì)算段。在計(jì)算段內(nèi)要盡可能采集較多的巖石樣品，使所測定的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)具有代表性。

計(jì)算段內(nèi)的地溫梯度用最小二乘法計(jì)算．線性回歸方程式為：T(z)=T0+Gz。式中T0為回歸直線與溫度坐標(biāo)T的截距，相當(dāng)于按鉆孔中實(shí)測地溫?cái)?shù)據(jù)所推算的地表溫度。當(dāng)沒有其它因素干擾時(shí)，T0值應(yīng)等于恒溫帶溫度，即

G為回歸直線的斜率，即計(jì)算段內(nèi)的地溫梯度。巖石熱導(dǎo)率的計(jì)算方法計(jì)算段內(nèi)的巖石熱導(dǎo)率，根據(jù)巖石樣品的實(shí)測熱導(dǎo)率值用算術(shù)平均、加權(quán)平均或者調(diào)和平均計(jì)算。一般說來，調(diào)和平均值比較合理，因?yàn)闇囟入S深度的變化直接與巖石的熱阻1／成比例，而不是與熱導(dǎo)率成比例，調(diào)和平均的計(jì)算公式為 式中為第i塊樣品實(shí)測的熱導(dǎo)率，di為第i塊樣品所代表的巖層厚度，為計(jì)算段的厚度。實(shí)驗(yàn)一：熱流密度的計(jì)算(2)熱阻法(Bullard法)

對于揭穿多個(gè)水平巖層，或者巖石樣品采集較多的鉆孔，可以來用下列公式計(jì)算熱流值：

表示從地表至測溫深度內(nèi)n個(gè)間隔熱阻的總和。

由上式對T(z)和進(jìn)行線性回歸，該回歸直線的斜 率等于地表熱流q，直線與溫度坐標(biāo)T的截距等于推算的地表溫度T0。實(shí)驗(yàn)一：熱流密度的計(jì)算 若一井孔有若干測溫點(diǎn)，則對各測溫點(diǎn)，由上式有：（s2） 式(s2)為—超定線性方程組，按最小二乘法求解，得到q實(shí)驗(yàn)一：熱流密度的計(jì)算數(shù)據(jù)說明：

B孔：鉆孔深度2220m，區(qū)內(nèi)地形十分平坦，右表給出了鉆孔實(shí)測溫度。實(shí)驗(yàn)一：熱流密度的計(jì)算下表給出了分層巖性和熱導(dǎo)率。深度－溫度曲線線性回歸曲線對比圖實(shí)驗(yàn)二：垂直流動的地下水流速計(jì)算在均質(zhì)各向同性的介質(zhì)中，有地下水垂直運(yùn)動存在時(shí)，即在同時(shí)兼有傳導(dǎo)和對流兩種傳熱機(jī)制的作用下，一維穩(wěn)態(tài)溫度場中的溫度分布，可用下式描寫： 為溫度；c為流體的比熱；為流體密度；為巖石和流體混合熱導(dǎo)率；v為流體在z軸方向上的體積流速，v>0時(shí)，表示流速向下；v<0時(shí)，表示流速向上。方程第一項(xiàng)表示傳導(dǎo)傳熱作用，第二項(xiàng)為對流傳熱作業(yè)。當(dāng)流速v＝0，即對流作業(yè)的作業(yè)下，則第二項(xiàng)為0，方程變?yōu)閭鲗?dǎo)方程。實(shí)驗(yàn)二：垂直流動的地下水流速計(jì)算假定水流速度v為常數(shù)，則傳導(dǎo)-對流方程為：邊界條件為當(dāng)z=0時(shí)（地面），；當(dāng)z=L時(shí)（井底），（）解二階常微分方程，令，有即即

實(shí)驗(yàn)二：垂直流動的地下水流速計(jì)算結(jié)合邊界條件：聯(lián)立解得：（1）實(shí)驗(yàn)二：垂直流動的地下水流速計(jì)算計(jì)算溫度梯度： 而溫度梯度為（2）

由（1）和（2）消去z得到溫度梯度與溫度之 間的關(guān)系

兩者為直線關(guān)系，斜率為實(shí)驗(yàn)二：地下水垂直運(yùn)動時(shí)的溫度計(jì)算（1）式表明伴有對流作用時(shí)的溫度場比純傳導(dǎo)機(jī)制下的溫度場要復(fù)雜。在均質(zhì)條件下的傳導(dǎo)溫度場內(nèi)，溫度分布只決定于邊界溫度，溫度垂直分布呈具有一定斜率的直線；而在有對流作用參與之下，溫度分布不但決定于邊界溫度，同時(shí)還依賴于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)率()、流體的比熱容(c)、密度()以及流體的流速(v)諸多參數(shù)。此時(shí)，溫度垂直分布不再是直線。在水流向下運(yùn)動時(shí)()，溫度的分布如下圖的曲線A，可見某一深度的溫度比沒有水流時(shí)的溫度要低(圖中的水平線)，或者說，要在比沒有水運(yùn)動時(shí)更深的地方才能達(dá)到相同的溫度(圖中的垂直線)，若是有上升水流()存在，溫度的分布將有和曲線A方向相反的圖式，如曲線B。而在流速

，即時(shí)，則對流消失，轉(zhuǎn)為純傳導(dǎo)情況，溫度分布呈直線(圖中的虛線)。實(shí)驗(yàn)二：垂直流動的地下水流速計(jì)算程序設(shè)計(jì)：目的：根據(jù)實(shí)測的溫度與對應(yīng)深度數(shù)據(jù)，考察溫度與溫度梯度之間的線性關(guān)系，利用線性回歸得到斜率值G，從G與之間的近似關(guān)系，得到水流速度v。設(shè)計(jì)過程：輸入?yún)?shù)：流體的比熱、密度、固體和流體的綜合熱導(dǎo)率、測量的溫度數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)函數(shù)：先計(jì)算溫度梯度，再線性回歸，求得由溫度與溫度梯度之間線性回歸，即可得到G，進(jìn)而由得到垂直流速。輸出數(shù)據(jù)，用于作圖，顯示有無流體、流體方向等：將（1）式改寫為， 得到值及z/L值，即可得到上式右端函數(shù)的值，作出它們的關(guān)系曲線，從而可以判斷流體是否存在及流向等特性。實(shí)驗(yàn)二的程序計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)二的程序計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)二的程序計(jì)算結(jié)果復(fù)習(xí)題（1）地溫?zé)醾鬟f的三種方式為（熱傳導(dǎo)）、（熱對流）和熱輻射。（2）熱導(dǎo)率、大地?zé)崃髅芏群秃銣貛У挠⒄Z翻譯分別為（thermalconductivity

）、（geothermaldensity）和（Constanttemperaturezone

）。（3）影響巖石熱導(dǎo)率的因素很多，但主要是（巖石的成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）。（4）巖石的放射性生熱率的含義為（單位重量巖石所含的發(fā)射性元素，在單位時(shí)間內(nèi)由衰變所釋放的能量（或熱量）），與地球內(nèi)熱熱源有關(guān)的三種主要的放射性元素為（238U和235U

）、（40K

）和（282Th

）。名詞解釋地表地?zé)犸@示地球上露出地表、并能被人們直接感知的與地球內(nèi)熱相關(guān)的自然現(xiàn)象，就是通常所講的地表地?zé)犸@示，或稱之為地?zé)岬男孤╋@示。大地?zé)崃飨抵傅厍蛟趩挝粫r(shí)間內(nèi)通過單位面積流出的熱量（能量），簡稱地表熱流或大地?zé)崃髅芏?。地球的重力熱原始地球是一個(gè)未曾分異、較為均質(zhì)的低溫塵埃、氣體和隕石物質(zhì)的“混合體”。它們發(fā)生聚集，體積收縮形成地球。地球收縮時(shí)釋放的重力能和物質(zhì)碰撞動能轉(zhuǎn)換的熱能也是一種長期有效的熱源，其中部分熱能作為輻射能由地表向外空散失，另一部分將地球加熱。這是地球物質(zhì)在重力作用下，向地心集中時(shí)由位能轉(zhuǎn)換成熱能名詞解釋地球化學(xué)溫標(biāo) 地球化學(xué)溫標(biāo)是指與地下熱儲溫度相關(guān)的熱水化學(xué)組分濃度或濃度比值。水熱系統(tǒng)不同部位的溫度可能不一致，所以不同的化學(xué)溫標(biāo)也有可能反映同一水熱系統(tǒng)中的不同部位的溫度。地?zé)崽?是指現(xiàn)代地殼內(nèi)占有一定空間位置，處于有利地質(zhì)構(gòu)造部位、具有一定物理性質(zhì)（溫度、壓力、相態(tài)）和特殊化學(xué)組分的地下熱水和蒸汽，同時(shí)是大量富集的地域，而且在目前工藝條件下，可通過鉆井鉆取的合理深度內(nèi)，可供經(jīng)濟(jì)利用的地?zé)釁^(qū)?；蛞缘?zé)釀恿﹂_發(fā)為標(biāo)準(zhǔn)來衡量：“每年至少能提供5億度電的地?zé)釁^(qū)”、“通過鉆井可以采出可供工業(yè)開發(fā)利用的天然蒸汽的地?zé)釁^(qū)。判斷題（1）氣候的變化對地表溫度場產(chǎn)生影響，長周期的氣候變化影響地下溫度場的深度較大。（正確）（2）近代火山作用和巖漿作用是形成高強(qiáng)度地?zé)岙惓５闹鲗?dǎo)因素。（正確）（3）海洋與大陸的平均熱流密度值與全球的平均熱流密度值是有較大差異的

。（錯(cuò)誤）（4）處在板塊內(nèi)部的水熱活動區(qū)，絕大多數(shù)都是以中低溫的溫泉出露為主，少數(shù)的高溫水熱活動區(qū)，除有特殊熱源的存在外，其余部分均呈帶狀集中分別在板塊的邊界。（正確）（5）用電法尋找地?zé)岙惓r(shí)，若出現(xiàn)視電阻率低異常區(qū)域時(shí)，即可判斷其下一定有熱水儲存在。（錯(cuò)誤）簡答題

簡述微震信息在地?zé)峥碧街心軌蚱鸬降淖饔茫何⒄鹦畔⒃诘責(zé)峥碧街写笾驴善鸬饺缦伦饔茫焊鶕?jù)微震確定的震中位置，推斷地?zé)嵯到y(tǒng)的通道位置。由于多數(shù)微震都是由斷裂構(gòu)造引起的，而這些斷裂構(gòu)造往往就是水的通道。根據(jù)微震信息確定的震源深度估算熱儲的埋深。按微地震的機(jī)理分析，水與熱是誘發(fā)地?zé)崽飬^(qū)構(gòu)造地震的動力，因此震源深度的位置應(yīng)該是熱儲的埋深。根據(jù)微地震震源機(jī)制研究斷層的性質(zhì)。應(yīng)用P波的初動方向，可以求取表征震源特性的各參數(shù)，包括震源錯(cuò)動力的方向和主應(yīng)力軸的方向、斷層面的走向、傾向和傾角。根據(jù)微震信息求得的泊松比值研究熱田的性質(zhì)。泊松比值可由P波和S波波速（或波速之比）計(jì)算得到，熱水田的液體飽和的巖石的泊松比值比正常值偏低。簡答題簡述巖石電性與地溫場的關(guān)系：1）電阻率隨著溫度的升高而降低，在150℃以下水的電阻率與溫度大致成線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)溶液溫度從18℃升高到28℃時(shí)電阻率約下降20％。因?yàn)闇囟壬呖梢鹑芤赫硿詼p小，離子活動性增加，離子的遷移率增大，致使電阻率降低。2）當(dāng)溫度大于300℃時(shí)，液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，使電阻率隨溫度的增加而增加。隨之，巖石骨架中的自由電子的遷移受阻，使導(dǎo)電性能變壞。因此蒸汽田一般出現(xiàn)高阻異常。3）另外溶解度隨溫度的增高使含鹽量增大，電阻率降低。由于水中含鹽量與導(dǎo)電性呈正相關(guān)，因此當(dāng)?shù)責(zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)有高含鹽量的地下水時(shí)，冷水和熱水的電性差異不明顯。理解公式的含義該公式表示含源的傳導(dǎo)－對流共存時(shí)的三維熱傳遞方程，公式左邊表示溫度隨時(shí)間的變化，表示溫度，t為時(shí)間；右端第一項(xiàng)為熱傳導(dǎo)對溫度變化的貢獻(xiàn)，k、c和分別為固體－流體混合體的綜合熱導(dǎo)率、比熱和密度；右端第二項(xiàng)為流體對流對溫度變化的貢獻(xiàn)，分別為流體的比熱和密度，vx、vy、vz分別表示流體在三個(gè)坐標(biāo)方向x、y、z上的流速；第三項(xiàng)為生熱或吸熱對溫度變化的貢獻(xiàn)，A表示生熱率。論述題論述地下水與圍巖溫度場相互關(guān)系的幾種類型：

地下水是最活躍的地質(zhì)因素，其在地殼淺部分布廣泛，易于流動，且熱容量大，對溫度場有重要影響。這里僅就地下水與因巖溫度場的相互關(guān)系和熱水通道溫度場的特點(diǎn)作說明。地下水與圍巖溫度場相互關(guān)系有以下三種類型：地下水活動引起圍巖溫度降低型。這是地下水側(cè)向活動強(qiáng)烈，地下水的補(bǔ)給、徑流條件十分良好的地區(qū)的特征。一些中小型盆地及某些大型盆地的邊緣部位，從補(bǔ)給區(qū)進(jìn)入的溫度較低的地下水，在快速流動過程中，不斷吸取圍巖熱量，從而降低了地溫。華北平原的山前部分在寬30-60km的范圍內(nèi)，于相當(dāng)深度出現(xiàn)的低溫狀況就是這樣形成的。處于燕山南麓，太行山東麓，泰山北麓的