地热学

地热学Geothermometry地球物理专业用成都理工大学MaoLifeng2010年10月23日课程性质•专业任选课•学分数：2.5分•总学时数：40学时•适用专业：地球物理学•先修课程：《大地构造学》•主要教学参考书：《地热学导论》联邦德国邦特巴斯著1988年版•考核方式：考查课程内容与学时分配•Chp1地热学及地热资源概论3学时•Chp2岩石的热性质3学时•Chp3地温场的热传递方程6学时•Chp4地球内部热状态5学时•Chp5大地热流与环球地热带的分布4学时•Chp6地温测量3学时•Chp7地热资源的勘探方法8学时•Chp8我国地温分布的基本特征及开发利用6学时•复习课2学时Chp1地热学及地热资源概论•1.1地热是新能源的重要成员•1.2地热学的概念•1.3地球上的地热显示•1.4地球内热的来源•1.5地热能及其开发利用•1.6世界驰名地热田巡礼1.1地热是新能源的重要成员•能源是人类社会存在与发展的物质基础，过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，也带来了大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。寻找新的、清洁、安全可靠的可持续能源系统是当务之急。•在国内石油产量增长极缓慢的情况下，我国国民经济的高速发展迫使石油进口量快速增长。以原油进口量看，2000～2005年的年进口量增加81％，年增长率为12.58％；2005～2008年的3年间增加41％，年增率为12.07％。•2008年中国原油总产量1.89亿吨位居世界第五位。各大油田产量产油能力下降，价格接近中东石油价格。•我国经济正在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。1.1地热是新能源的重要成员•而常规的化石能源是十分有限的。据估计，全世界的各种化石能源总量仅为360000EJ（Daveetal.1990)，其中相对洁净的石油、天然气的资源量更是极为有限。按今天的消费量，全世界的石油仅可供人类使用50年左右的时间，而煤炭等固体燃料的使用，对人类生存环境造成了极大的污染。•尽管核能的和平利用得到了全世界的认可，但核安全问题已越来越引起高度重视，核废料的处置也成了世界难题。•鉴于此，包含中国在内的世界上许多国家为了寻找可替代能源，掀起了一个以开发新能源和可再生能源的热潮。通过研究和开发，使今天以化石能源为主的能源消费结构逐步转变为以水力资源、地热资源、太阳能、风能等绿色可再生能源为主的能源消费结构，是全世界的基本能源战略。1.1地热是新能源的重要成员•地热能：地球内部蕴藏着巨大的热量，这种天然热能就是我们所称的地热能。但狭义上说，地热能是指封闭在地球中距地表足够近的距离内，并可被经济开采的天然热能，故又称地热资源。目前国际上所指的地热资源是仅以地壳浅部5km以内储存的天然热量14.2e23KJ为依据，相当于5000亿吨标准煤的热量。•按地热资源的温度不同，通常把热储温度大于150°C称为高温地热能、小于150°C而大于90°C的称为中温地热资源、小于90°C的称为低温地热资源。•根据地热资源的性质和赋存状态，可将其分为五种类型：蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。前两种为水热型，是现在开发利用的主要地热资源。后两类属于今后大量开发利用时可以加以考虑的潜在地热资源。而地压型地热资源虽然生成条件不太普遍（往往在含油盆地深部），但其能量潜力巨大，而且除热能之外，它往往还储存有甲烷之类的化学能及高压所致的机械能。1.1地热是新能源的重要成员•也可根据热源类型将地热资源分为两种类型，即天然热水系统（hydrothermalsystem)和人工热水系统（artificialhydrothermalsystem)，其热源分别为火山性与非火山性的。更细的类型如下图。地热资源分类火山型非火山型天然热水系统人工热水系统深层热水系统蒸汽型热水型高温岩体火山岩浆图1地热资源分类示意图1.2地热学的研究内容•地热学是一个新兴的地球科学分支，它包括理论地热学、应用地热学和测量地热学（或实验地热学）三个研究领域，构成完整的学科体系。理论地热学是后两者的基础，而应用地热学和实验地热学的发展又不断以大量实际资料和实验数据丰富前者。•理论地热学研究的基本任务在于认识和掌握地球这个大热库中的一切热现象的表现形式、热能的空间分布和变化的发展过程、热能的来源及其变化规律。它所研究的主要内容包括地球热场的时空变化规律、地球内部的热源、地球内部的热状态、热历史以及与此相关的地球起源演化等问题。另外，在地震研究中可以认为热因素参与地震孕育发展的全过程。无论是在地震能量的积累过程中，还是在岩石破裂的瞬间都有热量的作用。因此查明地球热场的规律，对于研究震源物理和探索地震预报都具有重要意义1.2地热学的研究内容•应用地热学则依据理论地热学知识，应用在勘探、开发地热资源及相关生产开发活动。它主要研究地热资源的赋存状态和形成机制，地热系统的分布特点和资源的定量评价，研究矿区地温状况、沉积盆地构造热演化特征。按不同的范畴其主要表现在：（1）构造地热学:研究构造热演化、圈定地壳深部构造（闭合构造和区域性断裂）及确定断裂的活动性;（2）探矿地热学:油气、金属和非金属矿等；（3）水文地热学：研究和解决水文地质学中的某些实际问题，根据地下水温度和围岩温度的平衡条件、地热参数及等温线在水平方向和垂直剖面内的变化形态等确定地下水的流速和流向以及自流盆地或承压水系统的补给、径流和泄流条件等；（4）工程地热学：矿山地温研究工作，在地热学研究中，地热资源形成的构造地质条件、地热资源形成的机制极其定量评价方法的研究也是地热学研究的重要内容，在地热资源的勘探和评价中，查明地热异常的空间分布极其随时间的变化，确定地热资源的构造地质条件，热源性质、地热流体分布及形成的特征、热资源定量评价模型是一分十分重要的工作，但迄今为止，一个完整有效的研究地热资源的形成机理、赋存特征以及定量评价的理论方法尚未完成。1.2地热学的研究内容•测量地热学是通过对热量在岩石中的传递方式和影响因素的理论研究、建立实验测试系统和提供岩石热物理参数等途径为理论地热学和应用地热学服务的；同时为定性的深部地质研究逐渐向定量的地球物理研究过渡创造必要的数据和装备等物质基础。•事实上，通过地层温度测量，岩石热导率、比热、放射性生热率的测定，即可获得大地热流数据，从而探讨区域地温场形成、深部构造热作用机制和演化等理论地热学问题，也可解决地热资源的生成、类型和分布，矿井深部温度预测，油气资源的预测和评价，乃至矿井巷道中围岩热交换等一系列应用地热学课题。1.3地球上的地热显示•地球是个庞大的热库，蕴藏着巨大的热能，自有文明史以来，世界上许多地区就有人利用地热温泉洗浴疗疾，这种初始利用方式持续了数千年之久。真正大规模利用地热能发电、采暖是从20世纪初开始的。•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，即地表地热显示，或地热的漏泄显示。地热显示具有重大的科学身价，它能把很多重要的地质、地球化学、地下温度等重要信息携带上来，为人们揭示地表深层的奥秘提供可靠的依据。1.3地球上的地热显示•地热显示的科学意义和价值：①地热显示的出露预示着该区域地下深处有热异常，亦作为进一步勘探的重要依据，探查可能存在的潜伏地热田、矿田或油田。②地热显示的流体，自身不仅携带有多种微量元素、化合物、气体及溶解的各类矿物盐等，而且还有一些金属和非金属能从流体中淀积出来形成矿物，诸如金-银矿化、硫磺矿以及高岭土等矿化，这些地表的矿化现象，通常是“找热探热”的重要标志。③另一方面，对地热流体化学组分特征的研究，有助于了解流体上升过程中周围岩石的物理化学特性；对热流体温度、流量、压力等条件变化的研究，有助于了解地球深处岩石增温、岩石渗透率、地质构造等特征。地热的地表显示是揭示地球内部的一个重要窗口1.3地球上的地热显示地表地热显示的类型1.微温地面或放热地面，有水蒸气释放时，地面上容易形成特殊的晨雾。2.温泉和热泉，包括与它相关的各种泉塘和热水湖。3.沸泉。4.湿喷汽孔。5.间歇喷泉，包括泥火山。6.干喷汽孔。7.水热爆炸。8.火山喷发。9.水热蚀变10.水热矿化温泉•温泉是地球上分布最广又最常见的一种地热显示，它较为集中地出露在高山峡谷、沟谷、河谷以及盆地的边缘地带。•温泉是一种由地下自然涌出的泉水，其水温该环境年平均温摄氏5℃，或华氏10℉以上。是水温热到可以洗澡、煮水饺、川烫青江菜、涮羊肉的泉水就称之为温泉。当然，不同人种，对温泉的温度高低有不同的定义：0℃-10℃：这叫冰水、冷水，不叫温泉。20℃：这叫一般水，不过对于怕烫的美帝及欧洲国家的人来说，已经是温泉了。30℃：这个温度对中国人而言，正好是可以洗澡的水温。40℃：对于皮厚的日本人来讲，凡是水温低于40℃通通叫冷水。50℃：在北海道，若是没有这个温度就没有资格叫温泉。60℃：对于有风湿痛的欧巴桑而言，这是治疗风湿痛的最佳水温。70℃：如果有人想边泡温泉边煮茶鸡蛋来吃，这个水温刚刚好。80℃：对于爱吃水饺或是吃汤圆的人而言，这种水温正好可以满足你的需求。90℃：这个水温正好可以满足一边泡温泉一边吃火锅的娱乐享受，当然有人想顺便吃关东煮，也是不错的点子。100℃：因为青江菜没有超过100℃的水温会烫不熟，因此如果有人想边洗边川烫青江菜来吃，最好别泡水温低于100℃以下的温泉。110℃：如同烫青江菜一样，想吃涮涮锅的话没有这个水温的话，同样肉片也会涮不熟。不过，我要提醒你，如果你的皮不够厚或者你不是无敌铁金钢，想涮肉还是在池边涮就行了，否则边泡边涮的后果如何，没有人能保证。据传东瀛女优国长野县的白骨温泉就是让人吃涮涮锅专用的温泉。•依化学组成分类，温泉中主要的成份包含氯离子、碳酸根离子、硫酸根离子，依这三种阴离子所占的比例可分为氯化物泉、碳酸氢盐泉、硫酸盐泉。温泉温泉温泉温泉温泉•中国古代对温泉的记载：我国是世界上最早利用温泉和治疗疾病的国家之一，最早文字记载利用温泉洗浴是先秦时期，在《礼记》中有“头有创则沐，身有病则浴”。此外在《内经》、《辛氏三秦记》、《水经著》、《本草纲目》等众多古典文献中均有记载。•我国的温泉区大约有3000余处，出露数量最多的前5个省份为云南、西藏、广东、四川和福建。其中云南被誉为“温泉之乡”，历代文人墨客对其考察和记载之多，可谓举不胜举。如《永昌府文集》文卷27，由尹家令作的《热海记》非常详细地描述了热海硫磺塘水热活动的壮观景象。•古代对我国温泉的记载大体包含3个方面：一是对出露温泉区自然景观的描述；二是温泉利用的记载；三是对温泉疗疾的神奇功效的歌颂。•“春寒赐浴华清池，温泉水暖洗凝脂”。温泉何处来？•地球内部源源热流是温泉的热源：一种是以特殊的局部热源来加热地下水，诸如出露在现代火山区或地下有年轻侵入体存在的地区的温泉，他们是被地下埋藏不深的岩浆囊的热加温所致，这类温泉水温高，甚至形成汽水两相赋存于地下，称之为高温温泉。另一种是不在火山和岩浆活动区内的而且是数量远远大于高温温泉的低温温泉，它们的升温是地球的内热，如地壳浅层内部温度随深度的增加而增加，如在华北平原钻井施工时，当钻至1000m时，井下温度为46.8℃，钻进2100m时，井底温度升到84.5℃，平均每百米增温3.4℃，地下水随其深度以当地的地热增温率来增温，一般情况下，地下水每百米的平均增温在2.5-3℃。•水源：地球内热是加热温泉的“锅炉”，那么“锅炉”中的源源不断的水又是从哪里来呢？温泉水来源于大气降水在循环过程中，一部分渗入到地下深处被加热，同时化学成分也发生明显变化，形成温泉水。•温泉形成的通道：如果没有理想的上升通道，也形成不了温泉。强烈的地质构造运动导致地层产生断裂、错动、上升、下陷等一系列地质运动现象，从而在岩层中形成不同方向、不同类型的断裂带、破碎带等一系列的“通道”。使得地下的热水得以涌升至地表形成温泉。我国温泉的分布态势•我国包