第十章--地热资源的开发利用

第十章地热资源的开发利用主讲内容:一、有关地热的基本概念二、地热资源的分布三、地热资源勘查四、地热资源评价一、有关地热的基本概念（一）地热增温率变温带：地球表层热能来自太阳辐射，表层以下约15－30m的范围内，温度随昼夜、四季气温的变化而交替发生明显变化。恒温带：从地表向内，太阳辐射的影响逐渐减弱，到一定深度，这种影响消失，温度终年不变，即达到所谓“常温层”。增温带：从常温层再向下，地温受地球内部热量的影响，逐渐升高，这种来自地球内部的热能称为“内热”。地下水温度的控制因素地温受太阳辐射能的影响呈周期性的昼夜变化和年变化，随着深度的增加，变化幅度逐渐减小。地温变化幅度趋于零的深度为常温带。地温受地球内部热力的影响，随着深度增加而有规律地升高。•地热梯度：在地壳增温带上，每垂直深入地下100m或1km的地温增加值G。在增温带，深度每增加100m，所增高的温度值。单位为oC/100m。•地热增温级：温度每升高1℃所需增加的深度（m）称为地热增温级（单位：m/oC）。GhHTTBH•近代火山岩浆活动区增温率一般在6-8℃/100m；•正在喷发和不久前喷发的活火山区地热增温率达每百米几十度；•地壳活动不活跃的古老结晶岩区则1℃/100m；•由沉积岩组成的近代沉降地区和年轻山地区增温率2-4℃/100m；•绝大部分地区增温率2-5℃/100m。凡地热增温率超过某一正常值的地区，我国规定为3.5℃/100m，统称为“地热异常区”。地温梯度G与地质构造条件、岩石导热性、火山与岩浆活动以及水文地质等因素有关。大地热流（热流）是地球内部热能传输至地表的一种现象。大地热流的量值称为大地热流量，是地热场最重要的表征。热流量(q)是岩热导率(k)和垂直地温梯度(dT/dZ)的乘积,即q=k(dT/dZ)。热流量单位为微卡（厘米·秒），通称热流量单位(HFU)，也有用毫瓦/平米表示的，两者的关系为：1HFU=1微卡/（平方厘米·秒）=41.86毫瓦/平方米。地球内部热能通过火山爆发、温泉、间隙喷泉及岩石的热传导等形式不断地向地表传送和散失热量。熔岩浆、地下热水和蒸汽等载热体将地球内部的热能带到地表，在地表或近地表处形成强烈的地热显示和具有经济开发价值的地热田。凡在某一未来时间内能被经济而合理地取出来的那部分地下热能，称之为地热资源。（二）地热资源1.地热资源按其形成的要素分为3种基本类型：①近期岩浆活动型；②断裂（裂隙）型；③沉降盆地型。2.地热资源按温度可分为3类：①高温（t≥150℃）、②中温(90≤t＜150℃)③低温(t＞90℃)。（二）地热资源地下水类型水温（℃）地下水类型水温（℃）过冷水冷水低温热水中温热水中高温热水〈00~2020~4040-6060-80高温热水低温过热水高温过热水80~100100-374高于374地下水按温度分类3.按地下储存形式可分为5种类型：①蒸汽为主型地热资源—以蒸汽形式赋存于地下热储中；②水为主型地热资源—以热水的形式赋存于地下热储中；③地压地热资源—埋藏在沉积盆地可渗透的沉积岩中，流体压力明显超过正常压力的异常高压层中的地热资源，不但具有高压（机械能）、高温（热能），水中还溶有饱和的可回收的碳氢化合物（天然气甲烷）；④干热岩地热资源—干热泛指地下不存在热水或蒸汽的热岩体，干热岩地热资源专指埋藏较浅、温度较高且有较大开发经济价值的热岩体中赋存的地热资源；⑤熔岩（岩浆）型地热资源—蕴藏在熔融状态和半熔状态岩浆中巨大能量（三）地热区、地热田与热储1.地热区——在现时条件下，在技术经济上有开发利用价值的地热相对富集区，即地温梯度大于正常值的地区。2.地热田——具备良好渗透性热储的地热区（相对概念）。如地热田圈定：世界上发电高温地热田以热储温度高于150℃来圈定；若发电技术有所突破或高温资源不能满足需要而使开发150℃以下的资源成为必要时，热田面积就可以相应扩大。地热田的形成是各种地质作用（火山作用、岩浆活动、断裂作用、沉积作用）综合影响的结果，受复杂的地质、水文地质、地球热态等因素所控制。必须具备条件：储、盖、通、源（储是热储层，盖是盖层，通是指构造通道，源包括热源、水源及水中物质成分的来源。热源对形成热田是高温还是中低温起着决定性的作用）ABCEGD对流的(?)岩浆透水岩石沸腾开始低渗透岩石结晶岩石F温泉或间隙泉地表处10℃热　流热水(低密度)(高密度)冷水高温地热田理想模式（构造模型）形成地热的要素：热储层、热储体盖层、热流体通道和热源（三）地热区、地热田与热储3.热储——地热流体相对富集，具有一定渗透性并含载热流体的岩层或岩体破碎带。孔隙热储：砂层、砂卵砾石层、胶结较差的砂岩、砾岩和部分碳酸岩等属孔隙热储裂隙热储：火成岩、变质岩、部分碳酸盐岩和致密砂岩、砾岩属裂隙热储。（四）地热异常1.物理异常自由空间物理异常与热流密度有关。许多物理勘探方法通过某些与热流密度有关的物理量的异常来发现和圈定地热异常区。物理异常主要是探明构造活动与地热的关系，探索热储层的深度、规模及产状。高热流值一般位于重力高异常区，低热流值位于重力低异常区；电阻率可显示地热异常；岩石孔隙率对弹性波传播的速度不同，人工地震反射波P波的速度变化，可用以探测构造破碎带、储水层及岩体位置。高温热田具有较大地噪声和微震反应，籍此可获得地下热水循环深部信息。2．化学异常以地热田的微量元素作为指标，以其含量判断地热田性质及圈定地热田规模。如高温地热田中，Hg、As、Sb、Bi、Li、Rb等含量会出现异常；而中低温地热田，土壤中的Hg、As、Sb、Bi、B、Be、Li、Rb、Cs、W、Sn、Pb、Zn、Mn、Ni、Co等微量元素也会出现异常。此外，放射性元素Rn、Th、U及其同位素，也是反映地热异常的重要标志。(1)地下热水的气体成分冷水的气体成分以O2、N2为主，属大气型的。地下热水中的O2的含量微小，以CO2、CH4、H2S等气体组分为主，He、H2等含量也较多。（2）地下热水的化学成分地下热水中除含有冷水中常见的7种离子外，还含有较多的微量元素，如：F、Br、I、B、Sr、Li、Rb、Cs、Hg、As等。地下热水处于深部高温高压条件下，有利于水与围岩的相互作用，使围岩中在普通温度、压力条件下不易进入地下水的化学组分能较快的速度进入到地下热水中。3．地温异常地热田直接标志。普查阶段首先要进行地温测量，以圈定地热异常范围及分布特点。热流值是作为区域地热评价的要素，热流值高的地区往往是高温地热异常区。地震常出现在活动构造带，它也是地热流体向上运移的有利地带，所以地热异常带常常与地震活动带相吻合，而岩浆及火山活动则是直接寻高温地热异常的重要线索。4.奇特地热显示地热在地表有各种奇特的显示，如火山爆发、沸泉、沸喷泉、间歇喷泉、冒气穴、汽泉、喷气孔、沸泥塘、泉华沉积、水热蚀变以及水热爆炸、水热矿化等待。地热显示的存在，也可以预示深部可能存在着热田。(1)火山爆发(2)温泉温泉又称热泉或热矿泉，是指不断一出地表的水温在20℃以上的热水和矿水的水泉。由于气候、纬度和海拔高度的变化各地不一，所以目前各国多以20℃作为温泉的下限。(3)沸泉沸泉又称过热泉，治水在泉口不断沸腾着的水泉，水温达到或超过当地沸点。如我国西藏查孜沸泉海拔5500m，是中国已知海拔最高的沸泉，水温达86℃，高于当地沸点6℃以上。(4)沸泥塘温泉的一种特殊类型，以泥浆形式存在。这种泥浆由水热蚀变的矿物及沸水组成。由于水热蚀变矿物的成分不同，因而呈现出各种不同的色彩。一般地说，水热时矿物成分主要是黏土，其中常常夹有明矾石、氧化铁和硫化铁等，使沸泥塘的泥浆具有乳白、黄褐或橙红等色。(5)喷泉与间歇喷泉又称沸喷泉，是从地下连续不断地将热水或沸水喷射到地表的水泉。间歇喷泉又称间歇泉，它和其他类型温泉不同之处在于它具有周期性活动的特点，即间歇喷泉是地下的热水和蒸汽间断性的喷射出地表的水泉。间歇喷泉多属高温水热活动，热水的温度一般接近或高于纯水的沸点。(6)喷气孔喷气现象常与火山作用和岩浆活动相伴生，与火山喷气活动和火山喷发后期放气现象有关。这种从炽热岩浆中分离出的大量水蒸气和气体，沿着岩石裂隙和构造通道喷出地表。喷气的成分以水蒸气为主，其次为硫化氢、碳酸气、硼酸以及氨气等。(7)水热爆炸较罕见。在高温地热区，由于近地表岩体含有水温高达200～250℃以上的过热水，当这些过热水上升到地表时，因压力降低而突然大量汽化，容积膨胀，并产生强烈冲击，冲破盖层并使盖层的岩石块及砾石、砂土等连同热水和蒸汽一起抛掷出地表，在地表形成坑穴，有的还形成热水湖和热水塘。(8)泉华当地下热流体沿着一定通道上升至地表或赋存于地下浅部，由于温度和压力条件的变化，在地下深循环运移过程中，曾一度溶解矿物质于其中，这时又从流体中沉淀下来，形成色彩和形态各异的沉积，通常称泉华。泉华的各类在高温水热活动区主要为硅华、硫华，低温区有时也常有钙华。中国的藏、滇高温地热带中某些泉区常见到多彩多姿、景观秀丽的泉华。二、地热资源的分布（一）板块构造和地热带的分布地热分布受地质构造控制。板块构造学说认为，岩石圈板块活动产生的热物质——岩浆。活动带会产生岩浆侵入体，表现形式是火山。板块边缘成为地震活动和构造活动的主要源地，也是高温地热田分布带。按照板块构造学说，全球的地热带可划分为板缘（或板间）地热带和板内地热带两大类。（二）板缘地热带板缘地热带属火山型。地壳浅部存在火山或岩浆热源，高热流及高强度区域地热异常，地表水热活动强烈，高温地热资源丰富，地热田温度多数在200℃以上。全球的四个地热带：环太平洋地热带、大西洋地热带（洋中脊型）、红海－亚丁湾－东非裂谷地热带和地中海－喜马拉雅地热带（缝合线型）。①热田浅部有正在冷却的火山物质侵入的岩浆体等强大热源；②有良好的热田表部保温隔热盖层，盖层由致密的火山岩或其它沉积岩构成；③盖层下有透水性较好的孔隙、裂隙或岩溶热储；④基底有裂隙发育的构造断裂带作为热流体上升的有利通道；⑤地热增温率和大地热流值明显高于地壳平均值；⑥地壳水热活动强烈；⑦水质主要为氯化物及磷酸盐型，水中含有大量的硅酸和氟，多数呈酸性或强酸性反应；⑧热水90%以上来源于大气降水；⑨伴生矿床及现代成矿作用主要有汞矿、硫磺矿、黄铁矿及辉锑矿等。（二）板内地热带板内地热带是指板块内部地壳隆起区(皱褶山系、山间盆地)和沉降区(主要为中新生代沉积盆地)内广泛发育的板内低温地热带和少量在板内特定条件下(即有热点，热柱处)形成的高温地热带。板内地热带热源来自地下水的深循环在正常地温梯度下由地壳内部获得的热量。板内曾发生过岩浆活动对地热影响取决于岩体侵入时代。中新世(新第三纪早期)到第四纪以来的岩浆侵入和喷发对地热区的形成才有意义，这以前的岩浆侵入和喷发所带出的热量已消失殆尽。板内低温地热带可分为隆起断裂型和沉降盆地型两大类型。1.隆起断裂型隆起断裂型系指地壳隆起区多沿构造断裂带展布的呈带状分布温泉密集带。长度取决于构造断裂带规模。热水由地下水经深循环加热形成，浅部无近代火山或岩浆热源；热水沿深断裂带上涌至地表或浅部，常以温泉形式出露于山间盆地及滨海盆地或山前地带，多出露于河谷底部或阶地上；热水起源于大气降水；温泉区没有盖层或盖层较薄；在热水主流带附近常形成局部热异常，异常中心的地温梯度可比正常值高2～3倍以上；水质类型单一，在花岗岩、火山岩及片麻岩地区，低矿化重碳酸盐钠质水，多呈碱性，水中氟及硅酸含量较多；在灰岩及砂岩区，磷酸盐-钠-钙型水或重碳酸盐-磷酸盐-钠-钙型水。沉积物多为钙华。2.沉降盆地型沉降盆地型一般指地壳沉降区内沿基底或盖层内构造断裂带展布的地热带或大型自流热水盆地。分为沉积断陷型与沉积拗陷型两类。(1)沉积断陷型热田沉降区有厚层沉积物覆盖的地堑地垒或构造盆地，边界有控制性断裂，基底阶梯状断裂发育。热水经深循环在正常地温梯度下由地壳内部获得的热量；有较厚的隔热盖层；地温梯度接近正常值或略高；水源是大气降水，有的地区尚有少量封存水(古沉积水)；2.沉降盆地型(1)沉积断