青海共和盆地干熱巖熱導(dǎo)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(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海省水文地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhì)巖或結(jié)晶巖類巖體[1]。地?zé)豳Y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(chǔ)集于深部地殼的干熱資源[2]。干熱巖作為一種地?zé)豳Y源，由于其清潔、分布廣泛、熱儲(chǔ)量巨大，被視為21世紀(jì)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(guān)理論的研究工作，“十二五”期間科技部啟動(dòng)了干熱巖開發(fā)利用的核心技術(shù)研究工作，中國地質(zhì)調(diào)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(diào)查評(píng)價(jià)，評(píng)估了資源潛力，圈定出有利靶區(qū)。青海省內(nèi)干熱巖勘查工作，始于2011年，經(jīng)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(shí)現(xiàn)了我國干熱巖找礦零的突破。熱導(dǎo)率和比熱容作為干熱巖是重要的熱學(xué)性能指標(biāo)，直接影響共和盆地干熱巖勘查開發(fā)的核心技術(shù)攻關(guān)，為提高干熱巖換熱效率、遴選干熱巖最佳換熱段提供環(huán)境參數(shù)依據(jù)，而對(duì)于干熱巖熱導(dǎo)率、比熱容與溫度的關(guān)系，國內(nèi)外研究工作非常少，因此干熱巖熱導(dǎo)率、比熱容特征研究，對(duì)于干熱巖的開發(fā)利用具有重要意義[5]。

1.研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

研究區(qū)處于青藏造山高原東北緣的祁連、西秦嶺、東昆侖三個(gè)造山帶的交匯部位，為一個(gè)總體呈北西向展布的菱形山間盆地，大地構(gòu)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(zhì)構(gòu)造、巖漿作用、地貌特征上又有別于秦嶺、昆侖造山帶，以獨(dú)特形式表現(xiàn)出來（圖1）。本次研究對(duì)象為干熱巖，主要目標(biāo)巖性是花崗巖。共和盆地周邊構(gòu)造活動(dòng)極為復(fù)雜，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，活動(dòng)時(shí)期從晉寧期—加里東—燕山期均有，加里東時(shí)期的巖漿活動(dòng)主要分布在盆地西側(cè)和北東側(cè)，規(guī)模也比較局限，而印支期（晚三疊世）巖漿活動(dòng)在區(qū)內(nèi)分布最為廣泛、規(guī)模也較大，基本包圍了整個(gè)共和盆地，形成北西向分布的長條狀巖基，區(qū)域上構(gòu)成一條規(guī)模巨大的中生代巖漿巖帶。印支期侵入巖是勘查區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)體，主體為中三疊世侵入體，龍羊峽東側(cè)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(cè)和溝后水庫北西側(cè)地段，呈巖基狀產(chǎn)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(tǒng)計(jì)表

圖1 共和干熱巖孔位置分布圖

巖石化學(xué)特征顯示，巖石具中-高鉀鈣堿性巖石，結(jié)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(fù)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)的板內(nèi)花崗巖相當(dāng)，微量元素蛛網(wǎng)圖中顯示的特征同火山弧花崗巖標(biāo)準(zhǔn)的同碰撞花崗巖特征相當(dāng)，表明巖石中有地殼物質(zhì)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(jié)果，確定該侵入體時(shí)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(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，總體上缺乏線理、頁理等定向組構(gòu)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(zhì)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(tǒng)計(jì)表

GR1、GR2孔水熱蝕變主要表現(xiàn)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(jié)理面充填有方解石、灰白色濁沸石、粉紅色輝沸石等，證實(shí)該井段發(fā)育中低溫?zé)崴练e現(xiàn)象；2500m～3400m，巖芯裂隙發(fā)育水熱蝕變現(xiàn)象，多處見濁沸石細(xì)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(fā)育水熱蝕變現(xiàn)象。經(jīng)X射線衍射分析（XRD）鉀長石含量30%，暗示蝕變溫度較高。

根據(jù)GR1孔巖XRD分析結(jié)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(huán)境，局部達(dá)到低綠片巖相環(huán)境。沸石相的穩(wěn)定溫度一般為70℃～250℃，低綠片巖相的溫度為250℃～350℃，預(yù)示蝕變時(shí)的歷史溫度曾達(dá)到250℃～350℃，表明地殼深部存在高溫?zé)嵩矗ū?）。

表4 GR1孔巖芯水熱蝕變礦物XRD分析結(jié)果表

1.2 分析方法

本次研究參考《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程 第14部分：巖石熱導(dǎo)率試驗(yàn)》DZ/T0276.14-2015、DZ/T0276.13-2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程 第13部分 巖石比熱試驗(yàn)》《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特征的測定（熱流計(jì)法）》GB/T0295-2008/ISO301：1991（E）等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行。

共設(shè)計(jì)GR1、GR2、DR3、DR4 4個(gè)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(yàn)得10組數(shù)據(jù)。

熱導(dǎo)率試驗(yàn)基于穩(wěn)態(tài)平板法測試原理，在熱面加入穩(wěn)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(jù)試樣的厚度和傳熱面積可計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻，此測試方法簡便、快捷、重復(fù)性好，非常適用于材料傳熱方面的研究和開發(fā)；比熱容試驗(yàn)是在熱傳導(dǎo)比較少的容器（保溫桶）中放入質(zhì)量為m2溫度為t2的水，再放入質(zhì)量為m1溫度為t1的干熱巖樣品，混勻、放置一段時(shí)間后，測量水和干熱巖樣品的共同溫度t3。

2.結(jié)果與討論

熱導(dǎo)率系數(shù)計(jì)算：

其中λ是導(dǎo)熱系數(shù)（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(yàn)計(jì)算：

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

以上數(shù)據(jù)表明（表5、表6）：同一樣品，導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而呈現(xiàn)線性降低趨勢。從GR1號(hào)孔不同深度分析，1600m時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)最大，1900m導(dǎo)熱系數(shù)最小。

表5 數(shù)據(jù)匯總表

表6 深度與導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容變化關(guān)系表

以上數(shù)據(jù)表明（表5、表7）：150℃時(shí)，GR1號(hào)孔導(dǎo)熱系數(shù)最大出現(xiàn)頻次較高；190℃時(shí)，GR1號(hào)比熱容最大出現(xiàn)頻次較高。

表7 導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容最大值與溫度變化關(guān)系表

3.結(jié)論

青海共和盆地干熱巖熱導(dǎo)率、比熱容特征研究，未考慮不同深度下壓力對(duì)干熱巖熱導(dǎo)率、比熱容產(chǎn)生的影響。結(jié)合同一樣品不同溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及不同樣品在同一溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于不同溫度下，樣品內(nèi)的溫度梯度不同，則在不同溫度下同一樣品的導(dǎo)熱系數(shù)不同，通過數(shù)據(jù)分析，青海共和盆地干熱巖導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而呈現(xiàn)線性降低趨勢，未發(fā)現(xiàn)比熱容隨溫度增加而呈現(xiàn)明顯遞增或遞減的規(guī)律。不通過最大值出現(xiàn)頻次分析，150℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最大值出現(xiàn)頻次較高，190℃時(shí)比熱容最大值出現(xiàn)頻次較高。