青海共和盆地干熱巖熱導率、比熱容特征研究＊

周蔚 黃勇 辛連君 方郭志 張海良 楊生豪 羅佳佳

（青海省水文地質工程地質環境地質調查院，青海省水文地質及地熱地質重點實驗室，青海 西寧 810008）

0.前言

干熱巖是一種沒有水或蒸汽的熱巖體，主要是各種變質巖或結晶巖類巖體[1]。地熱資源涵蓋了廣泛的地球熱源，不僅包括易于獲取的水熱資源，也包括遍及全球的儲集于深部地殼的干熱資源[2]。干熱巖作為一種地熱資源，由于其清潔、分布廣泛、熱儲量巨大，被視為21世紀最具潛力的資源[3-4]。我國干熱巖研究起步較晚，“十二五”前僅開展了相關理論的研究工作，“十二五”期間科技部啟動了干熱巖開發利用的核心技術研究工作，中國地質調查局相繼安排了一批干熱巖勘查工作。開展了全國干熱巖資源調查評價，評估了資源潛力，圈定出有利靶區。青海省內干熱巖勘查工作，始于2011年，經過10年工作相繼在共和恰不恰、貴德扎蒼溝找出了干熱巖，實現了我國干熱巖找礦零的突破。熱導率和比熱容作為干熱巖是重要的熱學性能指標，直接影響共和盆地干熱巖勘查開發的核心技術攻關，為提高干熱巖換熱效率、遴選干熱巖最佳換熱段提供環境參數依據，而對于干熱巖熱導率、比熱容與溫度的關系，國內外研究工作非常少，因此干熱巖熱導率、比熱容特征研究，對于干熱巖的開發利用具有重要意義[5]。

1.研究對象與方法

1.1 研究對象

研究區處于青藏造山高原東北緣的祁連、西秦嶺、東昆侖三個造山帶的交匯部位，為一個總體呈北西向展布的菱形山間盆地，大地構造單元屬西秦嶺造山帶，是秦祁昆造山系中段的組成部分，但在地質構造、巖漿作用、地貌特征上又有別于秦嶺、昆侖造山帶，以獨特形式表現出來（圖1）。本次研究對象為干熱巖，主要目標巖性是花崗巖。共和盆地周邊構造活動極為復雜，巖漿活動強烈，活動時期從晉寧期—加里東—燕山期均有，加里東時期的巖漿活動主要分布在盆地西側和北東側，規模也比較局限，而印支期（晚三疊世）巖漿活動在區內分布最為廣泛、規模也較大，基本包圍了整個共和盆地，形成北西向分布的長條狀巖基，區域上構成一條規模巨大的中生代巖漿巖帶。印支期侵入巖是勘查區內的主要地質體，主體為中三疊世侵入體，龍羊峽東側出露少量的晚三疊世侵入體。中三疊世侵入體主要分布龍羊峽北側和溝后水庫北西側地段，呈巖基狀產出，巖石類型有石英閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖、似斑狀二長花崗巖（表1、表2）。

表1 恰卜恰干熱巖體主要鉆孔巖芯巖性定名簡表

表2 恰卜恰干熱巖體主要鉆孔巖芯薄片鑒定統計表

圖1 共和干熱巖孔位置分布圖

巖石化學特征顯示，巖石具中-高鉀鈣堿性巖石，結晶分異程度較高。稀土元素特征反映，巖石中都具有一定程度的負Eu異常，分配曲線呈較為明顯的一致右傾，但總體上輕重稀土分餾不明顯。上述特征表明巖漿源于下地殼，有幔源物質混入。巖石為地殼重熔型花崗巖類。微量元素特征均顯示巖石同洋脊花崗巖標準的板內花崗巖相當，微量元素蛛網圖中顯示的特征同火山弧花崗巖標準的同碰撞花崗巖特征相當，表明巖石中有地殼物質的熔融。前人工作中從石英閃長巖中獲得了241.2±3.3Ma的鋯石U-Pb同位素年齡值，在花崗閃長巖中獲得了248.9±2.7、243.5±2.9Ma的鋯石U-Pb同位素年齡值，在二長花崗巖中獲得了247.2±1.7Ma的鋯石U-Pb同位素年齡值，并綜合上述測年結果，確定該侵入體時代為中三疊世。該期巖漿巖中所含的礦物顆粒分布較為均勻，中細粒結構，塊狀構造，總體上缺乏線理、頁理等定向組構特征，花崗閃長巖中局部地段可見有少量的斜長石或鉀長石的斑晶及閃長質包體，具有一定的定向性，走向基本為40°～55°之間（表3）。

表3 DR3和GR4孔巖芯花崗巖鋯石U-Pb年齡統計表

GR1、GR2孔水熱蝕變主要表現為熱水礦物沿巖石裂隙沉淀，由淺部至深部由方解石、硅華、向濁沸石、輝沸石、綠泥石-綠簾石過渡。在GR1的1900m～2350m井段巖芯沿節理面充填有方解石、灰白色濁沸石、粉紅色輝沸石等，證實該井段發育中低溫熱水沉積現象；2500m～3400m，巖芯裂隙發育水熱蝕變現象，多處見濁沸石細脈及薄膜，沸石沉積厚度增加；3000m以下井段可見青灰色蝕變花崗巖，蝕變礦物主要為綠泥石化、綠簾石化，黑云母均已綠簾石化，長石具高嶺土化；深部可見硅華、鈣華、濁沸石等地下熱水沉積礦物。3400m巖芯裂隙發育水熱蝕變現象。經X射線衍射分析（XRD）鉀長石含量30%，暗示蝕變溫度較高。

根據GR1孔巖XRD分析結果，熱水沉積礦物主要有方解石、石英、多硅云母、沸石、綠泥石、更長石等，主體為沸石相環境，局部達到低綠片巖相環境。沸石相的穩定溫度一般為70℃～250℃，低綠片巖相的溫度為250℃～350℃，預示蝕變時的歷史溫度曾達到250℃～350℃，表明地殼深部存在高溫熱源（表4）。

表4 GR1孔巖芯水熱蝕變礦物XRD分析結果表

1.2 分析方法

本次研究參考《巖石物理力學性質試驗規程 第14部分：巖石熱導率試驗》DZ/T0276.14-2015、DZ/T0276.13-2015《巖石物理力學性質試驗規程 第13部分 巖石比熱試驗》《絕熱材料穩態熱阻及有關特征的測定（熱流計法）》GB/T0295-2008/ISO301：1991（E）等相關規范進行。

共設計GR1、GR2、DR3、DR4 4個采樣孔，采集不同深度的干熱巖樣品，每一組樣品分別在150℃、160℃、180℃、190℃、210℃、220℃、240℃、250℃、260℃和280℃下試驗得10組數據。

熱導率試驗基于穩態平板法測試原理，在熱面加入穩定的熱面溫度，熱量通過試樣傳遞到冷面，測量傳遞的熱流，再根據試樣的厚度和傳熱面積可計算導熱系數和熱阻，此測試方法簡便、快捷、重復性好，非常適用于材料傳熱方面的研究和開發；比熱容試驗是在熱傳導比較少的容器（保溫桶）中放入質量為m2溫度為t2的水，再放入質量為m1溫度為t1的干熱巖樣品，混勻、放置一段時間后，測量水和干熱巖樣品的共同溫度t3。

2.結果與討論

熱導率系數計算：

其中λ是導熱系數（W/mk），TA是試樣熱面溫度（K），TD是試樣冷面溫度（K），A是試樣截面積（m2），Q是熱流（w），L是試樣厚度（m）。

比熱試驗計算：

其中c是干燥狀態下巖石在溫度t1時的比熱[J/(g·℃)]，t1是干熱巖樣品溫度（℃），m1是干熱巖樣品質量（g），t2是水的溫度（℃），m2是水的質量（g），t3是混勻、放置一段時間后樣水混合物的溫度（℃）。

以上數據表明（表5、表6）：同一樣品，導熱系數隨著溫度的升高而呈現線性降低趨勢。從GR1號孔不同深度分析，1600m時的導熱系數最大，1900m導熱系數最小。

表5 數據匯總表

表6 深度與導熱系數、比熱容變化關系表

以上數據表明（表5、表7）：150℃時，GR1號孔導熱系數最大出現頻次較高；190℃時，GR1號比熱容最大出現頻次較高。

表7 導熱系數、比熱容最大值與溫度變化關系表

3.結論

青海共和盆地干熱巖熱導率、比熱容特征研究，未考慮不同深度下壓力對干熱巖熱導率、比熱容產生的影響。結合同一樣品不同溫度下的試驗數據以及不同樣品在同一溫度下的試驗數據，由于不同溫度下，樣品內的溫度梯度不同，則在不同溫度下同一樣品的導熱系數不同，通過數據分析，青海共和盆地干熱巖導熱系數隨著溫度的升高而呈現線性降低趨勢，未發現比熱容隨溫度增加而呈現明顯遞增或遞減的規律。不通過最大值出現頻次分析，150℃時導熱系數最大值出現頻次較高，190℃時比熱容最大值出現頻次較高。