张孟才1寇伟2寇通2
1.湖北省904水文地质工程地质勘查院，四川成都
2.新乡地象科技有限公司，郑州新郑
摘要：测井定井估测地热温度时通常是根据地温增温率估算的，而实际上地热井内不同深度的温度都要低于同层泥岩地温。本文对破裂构造大陆冷水的增温机理进行了研究，将其界定为对流增热带、恒温带、传导增热带，并对增温影响的外部条件作用进行了剖析。
关键词：地冷水，破裂构造，增温机理
一、地热源与地热资源
月球内部蕴涵有由放射性物质衰变作用等缘由所形成的巨大热能，产生了一个由地幔和地壳层包裹着的“大热球”，每时每刻通过各类形式向月球表面传播热量。在月球产生过程中，这种热能的总数超过月球散逸的热能，当产生巨大的热储量上升到高温、刚硬的岩石圈顶部时，遭到岩石圈的抵挡而渐渐积累上去，使地幔局部融化产生岩浆作用、变质作用，进而造成该部位最终产生室温高达1300oC以上的软流层。
现已基本测算出，地幔的气温达6000oC，地幔底层的气温达900～1000oC，地表常温层（距地面约15～30米）以下的地温随深度降低而增高。不同地区的地热增温率有一定差别，通常定义国外的地热平均增温率约为2.5～3oC/100米，接近平均增温率的称正常温区，低于平均增温率的地区称地热异常区。
目前人们可借助的地热资源基本上是以水为介质从地下将其带到地面上的。通常定义：气温低于150℃的地热称为低温地热，水温在90～150℃之间的称为中温地热，气温在25～90℃之间的称为高温地热。水的临界气温为374.15℃，因为不同地区地下各深度层的浮力、温度、构造都不同，地幔深部水升至地表后的气温差别也会很大，所产生的地热资源类型亦不相同。
二、与地冷水相关的几点认知
在讨论地冷水增温机理之前，须要简单陈述一下作者对相关地热资源知识的几点认知和理解，作为讨论地冷水增温机理的基础和前提条件。
1、深度约达10公里之上近地表的岩石基本上表现为延性，破裂相对发育，容易受地幔运动和挠曲作用形成一定规模的破裂构造。
2、地壳浅部分布着大大小小的破裂及节理，有深有浅、有长有短、有可见有隐伏水的密度和温度的关系，依据其大小可称为裂谷、大中小破裂、裂隙，它们产生了地下水的径流通道和地下蓄水空间，也是深部地热传输通道。
3、地冷水资源都是地表水顺着可连通的大大小小的裂纹向上漏水，在破裂面之中和节理及孔隙发育的岩层聚集产生的。
4、地球内部的低温因地幔层的薄厚不同、断裂规模不同、构造方式不同、岩层介质导热特点不同等而地热的增热疗效亦不相同。
5、地冷水的储水空间如同是一个异型“加热锅”，锅内温度取决于离热源的远近、“锅”的导热性能、离热源较远下部锅体的热度、“锅盖”的保温性能等等条件影响。
6、规模较大的隐伏破裂构造无法找到，但它们是固存不变且不会消失的。应当多开发地热井，充分借助有限的“锅”来循环加热水、最大限度地获取无限的地热资源。
7、由于地冷水资源渗透的更深、水温较高，红色环保，应当大力鼓励开发借助。
三、水的化学特点与地冷水增温机理的关系
与地冷水相关的化学参数表
室温t密度ρ比定压潜热cp导热系数λ黏度μ
oCkg·m-3kJ·kg-1·K-110-2W·m-1·K-110-5Pa·s
0999.94.21255.13179.21
10999.74.19757.45130.77
20998.24.18359.89100.50
30995.74.17461.7680.07
40992.24.17463.3865.60
50988.14.17464.7854.94
60983.24.17865.9446.88
70977.84.17866.7640.61
80971.84.19567.4535.65
90965.34.20867.9831.65
100958.44.22068.0428.38
密度：水的质量和其容积的比值。水的密度随着气温的下降而降低，因水向地下渗透的越深地温对其增热后的气温就越高，深层较高湿度水的密度较小、相对较轻，会与下层密度较大的水形成对流，深层水温较高的水向下运移，在节理中产生对流增温机制。
比定压热阻：在浮力不变的情况下，单位质量水的气温下降1K所需吸收的热量，称作该种物质的定压比热容。在水温较低和较高时水的比定压潜热都相对较高，而在30～70oC之间则相对较低。说明水在0～30oC和70～100oC增温段升温1K花费的热能相对较多，而在30～70oC增温段升温1K所花费的热能相对较较少。
导热系数：是指在稳定传质条件下，1米厚的材料、两侧表面的温差为1度（K，oC），在一秒内通过1平方米面积传递的热量。水的导热系数与密度、温度、压力等诱因有关，在其它条件不变的情况下，水的导热性随水温降低而降低。温度较低时的导热系数较小，增热速率较慢；随着水温的降低、导热系数逐步加强，增热速率急剧增强。
黏度：黏度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部磨擦现象的一种表示。黏度大表现内磨擦力大，分子量越大，醇类结合越多，这些力量也越大。对于水而言，因为气温下降时其内聚力减少，所以黏性降低，便于流体质点相互碰撞变动位置产生对流。
四、地下水的存在方式和传质形式
1、地下水的存在方式
地下气温场从地表向上通常可分为变热带、恒温带和增热带三个层带。地表水从地表向上渗透会受太阳热幅射周期性变化的影响，随着地表湿度形成变化，产生变热带；地表水渗透到一定深度以后基本上不再遭到地表湿度的影响，在上下冷热反向热传递作用下会达到相对平衡、温度变化基本保持恒定，产生恒温带；恒温带以下随着深度加深地温减小而造成温度增高，产生增热带。恒温带的气温和深度受所处经度、高度、岩性、地表水、小气候、植被等多种条件的影响，各地不一，同一地区也有些差别。
2、地下水的传质形式
热的传递有三种基本形式:对流、传导、辐射。对于地下水来讲，幅射传质是通过地表水和地幔浅表层地温间接作用的，主要是通过传导和对流两种传递方法传质的。传导是物体内部分子微观运动的一种传质形式，是因为分子碰撞或自由电子联通来传递热量的。对流换热是因为流体质点变动位置并相互碰撞，能量较高质点将热量传递给能量较低的质点，是一种宏观的热量传递。在伴有对流作用的气温场比纯传导机制下的气温场要更为复杂，在均质条件下的传导气温场内，气温分布只取决于边界体温，而在有对流作用参与下，气温分布不但取决于边界湿度，同时还依赖于介质的热传导率、流体的比热和密度以及流体的流速等众多参数。
五、地冷水的增温机理
通常而言，地表水沿节理向上渗透，超过恒温带后会在基岩地温的作用下逐步增温产生地冷水，节理水的气温应当高于同一深度层泥岩的地温。可是，为何出露的温泉温度要远低于浅层地温？地热井内不同深度的温度都要低于同层泥岩地温？
若是不考虑节理水沿水平和垂直方向的流动、深部地温异常的区别、断裂构造的大小等诱因的影响，仅考虑节理水在垂直方向上的气温变化，可将外界条件简单化后来解析地冷水的增温机理。
在形成破裂运动产生节理储水构造之初，地表水通过节理通道径流至深部，一旦地表水渗透基本饱含节理储水空间，不仅浅层水会形成一定的流动变化之外，恒温带以下节理水径流速率较小，其增温过程为：首先水的密度和温度的关系，因为节理基岩岩体的地温由浅到深逐渐降低，节理水受基岩地温的传导增热作用，气温逐步减小到略大于或等于基岩湿度值；之后，因水的密度和黏度随着气温下降而减少，节理水自上而下气温逐层递升，其密度和黏度亦逐层减少，较深层水的密度和黏度总是大于其上一层水的密度和黏度，相对而言里面较大比重的水会在重力的作用下形成下沉、下面气温较高、密度较小的水会相应下浮，上下层水的质点变动位置并相互碰撞，上层热能量较高的质点将热量传递给下层能量较低的质点，进而产生对流；结果，节理水某一水层受同层泥岩地温传导增热的同时，就会遭到其下水层较高温度对流换热的作用，使温度进一步增高，经过常年的地温增热后由浅至深的水层气温会趋向平衡。
六、裂隙水气温分布及其平衡状态
为便捷起见，本文将地下破裂构造等所有的含水构造简称为节理水。若是不考虑含水节理的长度、深度、连通性及其基岩基岩属性等条件，以下仅讨论早已处于稳定平衡状态的节理水的增温机理和湿度分布。
节理水在深部一定深度范围内，坝体地温一直低于节理温度，此深度带内主要由泥岩地温对水加热，增温方法是以传导为主；对流导热的作用是由下向下逐层提高温度与同层地温的相对差别，致使温度逐步接近地温。从节理最底层地温显著低于温度、到温度逐步上升至与地温相同，这一段深度层可称其为传导为主增热带。
在基岩地温增加到一定程度时，同层地温传导增热和上层水对流换热的热能与该层水对下层水对流传导热能达到相对平衡，使该层节理水水温与泥岩地温基本保持一致，此深度带内增温方法是以传导和对流共同作用，产生了温度与地温基本一致的等热带。
在等热带深度层之上，基岩地温逐步增加，地温对于节理水的传导增温贡献只是使温度保持在地温值上，同层节理水受其下一层较高温度的对流增温作用超过了基岩地温增热作用，促使该层的温度低于地温。等热带之上节理水层可合称为对流换热为主增热带，该增热带的主要特点为自下而上基岩地温的递减速率显著低于温度的递减速率。
七、外部条件与地冷水增温的关系
1、地冷水水温与热源距离的关系。月球内部就是一个“大火炉”，它与深层盛满节理水“锅”的距离越近、“火”的热度就越高，“锅”内被加热后的温度自然会高。具体要视节理水之下基岩是否存在新构造运动后的地温带或活动断层、高热度岩层与深层地冷水距离的远近、地壳岩层的薄厚等诱因而定。
2、地冷水增温与地质构造的关系。破裂规模不同、构造性质不同等都直接影响着地冷水的增温、热度及保有量。破裂规模越大，地热异常区域越大；破裂越深，地冷水水温越高；破裂越宽越长，地冷水保有量就越大。
3、地冷水增温与泥岩岩性的关系。不同岩性具有不同的导热系数，就地球内部热能向下传导至同一深度层后的基岩地温来看，导热系数高的岩石地温就高（如石英岩、花岗岩、大理岩等），导热系数低的岩石地温相对就低（如页岩、玄武岩、板岩等）。
4、地冷水水温与泥岩岩性的关系：因为在地冷水等热带之上的基岩气温高于节理内的温度，在基岩与水的接触面上较高湿度的地冷水会对较低水温的基岩以传导形式充溢热能，此时岩体的导热系数越小、吸收地冷水的热能就越少。
5、地冷水水温与近地表岩层岩性的关系：第四系黏土、沙土等介质的导热系数小、密度低、扩散率小，在接近地表的浅层可以构成地热盖层，降低地温能向地表的扩散速率。
八、地热井出水气温与地冷水的增温和流动
国外大多数可开发的地热资源都属于板内破裂构造型，其中深大破裂带可能会长达几百公里、宽度几公里，小的破裂带宽度可能只有几公里、宽度有几百米。受破裂构造带的规模大小、延伸厚度和长度的控制产生相应规模的破裂型地温带，其产生特征是：破裂带成为热储和热流的通道，一方面大气降雨和地表水通过破裂带入渗到深部，成为地冷水的主要补给源；另一方面经过深部热岩的长时期传导加热，在压力作用下某一地下水沿破裂带上涌至地表或浅部，显示出地热异常或出露成温泉。
假定地热井仅在某一深度穿过一个含水节理层，该层地冷水会上涌至节理水静水位，温度会通过坝体渐渐充溢增加。在连续抽水状态下，地冷水从井内向下运移抽出，首先是从井位穿过节理深度层处同层同水温地冷水向井内供给，待周边地冷水供给一定时间后下层节理水渐渐也对井内供热。因为通常深层节理都具有一定规模，连续抽水状态下从节理补给到井内的都是深层周边的地冷水，温度基本上变化不大。
当地热井穿过多个含水节理时，通常会依据物探剖析结果和凿井记录情况确定钻井深度，仅保留较深的气温达标的含水节理层。这些情况下抽水体温及增温机制就较为复杂，一是抽水时下层水温较低的节理水优先，供给到井内的地冷水相对会多；二是越深的节理水承压越大，会挤压承压相对较小的节理水相对多的供给到井内；三是含水量大的节理水供热比列也相对会大；四是还要考虑到节理水所在岩层岩性、断裂规模、裂隙导通性等诱因。实践中具体情况多种多样，很难把地热井出水气温变化规律和增温机制梳理的很清楚，只能从这几方面进行概念性的剖析。
参考文献：
【1】张志辉等，地下冷水运移中自然对流的研究，水文地质工程地质，1995（4）
【2】张树光，张传，深部地层传质机理的研究现况与进展，世界科技研究与发展，2011（4）
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