地熱測量方法
在大面積地熱調查中,可以用紅外掃描方法來圈定地熱異常的範圍。在區域的或局部的地熱調查中,通常有深孔溫度測量(1000m左右)、淺孔溫度測量(50~200m)、淺層 土壤溫度測量(2~30m)和1m測溫法。
(壹)地熱測量儀器
1.溫度計
鉆孔測溫使用的儀器有最高水銀溫度計、電阻溫度計和半導體熱敏電阻溫度計等。實際測量中可根據具體情況靈活使用。
2. 熱導率的測量儀器
巖石的熱導率值基本上是在實驗室進行的。但土壤壹類松散物質可以采用就地測量方 法。實驗室測量方法有穩態法和瞬態法。穩態法比較精確,但比瞬態法需要更多的時間。在我國,常用的儀器是穩定平板熱導儀,也可以用導熱探棒在現場直接測量熱導率。
就地測量方法的優點在於能夠測量巖石在原始狀態的特性;另壹優點是速度快。為了 測量深海沈積物、土壤、砂、黏土、雪和冰等壹類松散物質的熱導率,有各種就地測量技 術,其結果都只能反映測量探頭周圍的瞬時熱狀態。近幾年已采用壹種兩用探頭在鉆孔內 同時測量地溫梯度和熱導率值。
(二)地熱測量的工作方法
地熱測量在地熱調查中具有十分重要的意義,由於地熱異常區的熱量可以通過傳導而不斷地向地表擴散,測量地下壹定深度的溫度和天然熱流量,便可以圈定地熱異常區,並 大致推斷地下水的分布範圍。
地熱測量可在壹定間隔的點、線組成的測網上進行。測線方向壹般應垂直於地熱異常 的長軸或儲熱、導熱構造的方向。測網密度應根據地熱異常形態、規模等確定,如控制地 下熱水的構造不清,熱異常形態復雜,則測網密度應加大;若覆蓋層較厚,地熱異常不明 顯,測網密度可適當放稀,而擴大測量面積。
地熱測量的深度應根據儲熱構造的埋深、溫度及當地的水文地質、氣候條件而定。在埋深較小的高溫地熱區,由於地表地熱異常明顯,可采用淺部測溫。淺部測溫包括地表溫 度調查和淺孔地溫調查兩類。
地表溫度調查是測量土壤的溫度和溫度梯度,由於1m深處的地溫已不受氣溫瞬息 變化的影響,所以可采用1m深度的測量,即米測溫法,也可在深2~30m的淺孔中用 溫度計進行測量。由於近地表地熱異常的延伸範圍壹般較小,故點距應小於50m,大 多在10~30m之間。
淺孔地溫測量的孔深壹般在50~200m之間,鉆孔間距取決於地熱異常的範圍。其優 點在於不受地表氣候變化的影響,但鉆進費用較土壤溫度測量高。
深孔地溫測量的孔深較深,壹般在1000m左右,主要了解深層熱狀態。
在覆蓋層較厚的地熱區,地表沒有地熱異常顯示或顯示微弱的情況下,多采用鉆孔測 溫方法。由於鉆孔中的原始巖體溫度已受到鉆探、井液或空氣循環等技術活動的破壞,因 此,為使測得的地溫梯度盡量接近於原始地溫梯度,壹般要求在終孔後相當壹段時間(壹 般為數天至半月),待孔中氣溫和井壁巖層溫度達到穩定平衡以後,再進行地溫梯度測量。測量時,將半導體熱敏電阻溫度計通過電纜放入鉆孔中,逐點測量地溫的垂向變化。
(三)地熱測量資料的整理和圖示
地熱測量取得的數據是極其重要的第壹手資料。為了獲得有關地熱異常空間分布及其規模的正確結論,必須對所收集的與地熱場有關的原始資料和原始測溫數據進行全面分析,分類評價。
在綜合資料之前,需要了解鉆孔溫度是否已經恢復平衡。長期靜止的鉆井、基井、生 產井、水位變化不大的水文觀測孔以及終孔後穩定3~5天以上的鉆孔測溫數據可作為基礎數據。鉆進過程中的井底溫度、關井測靜壓時的井溫以及礦井平巷淺孔(通常要超過5m)的溫度可作為同類數據的對比和參考數據。徑流影響強烈的自流井和幹井內的溫度 曲線不能作為地溫資料處理。如果目的在於確定熱流密度,則應選擇當地最深、又無地下水運動影響的鉆孔溫度資料。
根據全區內各鉆孔的溫度曲線,可以分別求得鉆孔內各巖層的地溫梯度及全區各巖層的平均地溫梯度,然後按照式(6-3),利用巖心標本測得的巖石熱導率κ,求得鉆孔中 各巖層的熱流密度,並進而求得全區各巖層的平均熱流密度值。
對於淺孔測溫數據特別是米測溫數據,由於它受溫度周期變化,不同地表狀況的幹擾,地下水活動,高程和山的陰坡、陽坡及人為幹擾等影響,所以應作溫度校正。
1.溫度周期變化對米測溫的影響與校正
太陽熱輻射的周期性變化引起的近地表氣溫的周期性變化,由於熱交換,勢必影響到 地溫場的分布。
年變的校正要根據工作區的大小、工作時間的長短、工區條件分別采取不同的方法,若工作時間不長,且地形較平坦、巖性較均壹、地表狀況不復雜,可采用測量相對地溫方 法。這種方法是將所測各點的溫度值分別減當天基點溫度值,就可得到各測點的相對溫度 值。當基點溫度變化較大時(大於0.3℃),用內插方法進行改正,最後將測區各測點相對地溫值換算為以工作期內某壹時間為準的地溫值,並以此溫度值繪圖進行解釋。如果能在氣溫變化平緩的月份開展淺層測溫工作,年變影響將大大減弱。
當工區較大、工作時間較長、地表狀況也較復雜時,由於所選基點與野外實測孔的年 變往往不能同步,因而采用不同基點進行分別校正。當其工作量大且不易取得較好效果 時,可利用熱擴散系數值計算某深度相對地表溫度變化延遲量的方法進行年變校正。
2.不同地表狀況的幹擾與校正
地表狀況不同是指土壤性質、巖性分布、覆蓋條件、植被等地表狀況的不同。即使地 球內部向外部傳遞的熱量不發生變化,由於巖石的熱力學性質不同,也會引起地下溫度的 變化,影響溫度分布的熱力學參數主要是熱導率、熱擴散率及放熱系數。地表狀況校正可 采用剖面校正法、統計校正法、熱擴散系數校正法及放熱系數校正法。
剖面校正法是在背景場上選擇同時穿過幾種不同地況的剖面,利用增設感溫元件或重復觀測的方法,對地表狀況不同的地段進行反復測量,按不同地表狀況分界處的溫度跨度確定校正值。
統計校正法是在野外施工之前,根據踏勘對測區進行分類,在分布較廣的不同地表狀 況的地方,分別選擇分布均勻且易保存的若幹測點。施工期間,根據不同月份定期觀測,每次每個測孔重復觀測3~4次,經過總基點校正,將每孔平均值作為該孔溫度值,再求出某地表狀況平均值作為該地溫值。
熱擴散系數校正法是按地表狀況類型分別選取若幹測點,按壹定時間間隔(或每月)測定各點的土壤熱擴散系數值,按年變校正方法,計算各種類型地表狀況的校正系數。
放熱系數校正法是以測區內地表狀況不同、放熱系數不同為依據,通過測量1m深處 的溫度與溫度梯度,然後求出放熱系數值,根據不同地表狀況下的平均放熱系數差值進行校正。
3.地下水活動的影響
地下水是活躍的地質因素,在地表淺部尤其是在地表附近分布廣泛,且易流動。地下 水具有較高的熱導率和較大的熱容量,以傳導和對流兩種方式傳遞熱量。淺層地下水的活 動會影響區域地溫場的分布,從而成為淺層測溫的幹擾因素。
在開啟性泄流盆地,地下水起著冷卻和降溫作用,在封閉性滯流盆地,地下水相對停 滯,水溫和圍巖溫度趨於壹致,地下水對地溫場影響不大。在半開啟性滯流盆地,盆地中 心無泄水區存在,地下水相對停滯,而在盆地邊部,由於大氣降水滲入對地下水也會有相 當大的影響。
由於地下水的普遍存在,給米測溫工作帶來較大的困難。勘查地下熱水所得到的地溫異 常受地下水活動的影響,往往使異常幅度大大降低,地溫異常形態發生變化,使地溫異常的 最大值從熱水導水斷裂的正上方發生偏移。各個工區的地下水活動有其本身的特點,目前尚 無適當的方法對地下水的幹擾進行有效地校正。實踐表明,即使地下潛水位變化較大,地下 水垂向和橫向活動劇烈的地區,米測溫雖然很難指明高溫異常的確切位置,但仍然可以反映 地熱異常區的大致範圍。由此,不能簡單地從觀測到的溫度最大值推斷熱儲的地下位置,應 盡力收集有關的水文地質、構造地質資料,以求對測溫結果作出正確的解釋。
4.高程和山的陰坡、陽坡及人為幹擾的影響及校正
地形的起伏或測點位於山坡的陰坡、陽坡,使測點接受日照量存在明顯差異。實際工 作中,地溫場與相應的地形剖面線位置密切相關。地形斜度不大於5~7℃時,1m深處的溫度不受地形起伏的影響。在地形起伏較大的測區內,應參考年平均溫度和高程的關系。簡單的校正辦法是地形每上升或下降1m時,溫度增或減0.01℃,在山前地帶、山區及地形被強烈切割的地區,還應考慮地表傾角不同時的校正值。
距離陽坡越近的測點溫度越高,反之,測點位於長期避陽處溫度較低。在野外記錄中考慮了這種影響因素,通過簡單的對比實驗即可求出校正值。
地表水及明顯的地物會影響測溫的質量。這些因素可使近距離內溫度發生大幅度畸 變,但其影響範圍有限,且沿平面衰減迅速,為此幹擾可通過踏勘剔除。
為了便於成果解釋,測點應盡量避開地形突變的邊坡、沖溝、河漫灘、湖岸、沼澤 地、湧水處及樹木、高大建築物的長期背陰處,盡量選擇地表狀況大致相同的地段安放感溫元件進行溫度測量。
5.地溫測量的幾種主要成果圖件
(1)鉆孔地溫剖面圖
該圖是根據鉆孔內不同深度上的溫度值繪制而成。通常將此曲線附在鉆孔水文地質柱狀圖上,以便與鉆孔的水位、流量及地層結構等進行對比分析。對於淺孔測量沒有此圖。
(2)等溫線斷面圖
該圖是研究地熱變化的重要圖件。圖中除了應將各鉆孔的地溫數據標在圖上並勾繪等溫線外,還應將地層巖性、斷裂、裂隙、熱巖溶蝕以及鉆孔的湧水、漏水、水位等資料表示在圖上,以便進行分析對比。
(3)等溫線平面圖
這種圖通常是以地形地質圖為底圖,根據各測點同壹深度的地溫數據繪制而成。該圖對於了解地熱異常區的平面形態,尋找和圈定高溫中心具有重要意義(田鋼等,2005)。