青海共和盆地干热岩热导率、比热容特征研究＊

周蔚 黄勇 辛连君 方郭志 张海良 杨生豪 罗佳佳

（青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海省水文地质及地热地质重点实验室，青海 西宁 810008）

0.前言

干热岩是一种没有水或蒸汽的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩类岩体[1]。地热资源涵盖了广泛的地球热源，不仅包括易于获取的水热资源，也包括遍及全球的储集于深部地壳的干热资源[2]。干热岩作为一种地热资源，由于其清洁、分布广泛、热储量巨大，被视为21世纪最具潜力的资源[3-4]。我国干热岩研究起步较晚，“十二五”前仅开展了相关理论的研究工作，“十二五”期间科技部启动了干热岩开发利用的核心技术研究工作，中国地质调查局相继安排了一批干热岩勘查工作。开展了全国干热岩资源调查评价，评估了资源潜力，圈定出有利靶区。青海省内干热岩勘查工作，始于2011年，经过10年工作相继在共和恰不恰、贵德扎苍沟找出了干热岩，实现了我国干热岩找矿零的突破。热导率和比热容作为干热岩是重要的热学性能指标，直接影响共和盆地干热岩勘查开发的核心技术攻关，为提高干热岩换热效率、遴选干热岩最佳换热段提供环境参数依据，而对于干热岩热导率、比热容与温度的关系，国内外研究工作非常少，因此干热岩热导率、比热容特征研究，对于干热岩的开发利用具有重要意义[5]。

1.研究对象与方法

1.1 研究对象

研究区处于青藏造山高原东北缘的祁连、西秦岭、东昆仑三个造山带的交汇部位，为一个总体呈北西向展布的菱形山间盆地，大地构造单元属西秦岭造山带，是秦祁昆造山系中段的组成部分，但在地质构造、岩浆作用、地貌特征上又有别于秦岭、昆仑造山带，以独特形式表现出来（图1）。本次研究对象为干热岩，主要目标岩性是花岗岩。共和盆地周边构造活动极为复杂，岩浆活动强烈，活动时期从晋宁期—加里东—燕山期均有，加里东时期的岩浆活动主要分布在盆地西侧和北东侧，规模也比较局限，而印支期（晚三叠世）岩浆活动在区内分布最为广泛、规模也较大，基本包围了整个共和盆地，形成北西向分布的长条状岩基，区域上构成一条规模巨大的中生代岩浆岩带。印支期侵入岩是勘查区内的主要地质体，主体为中三叠世侵入体，龙羊峡东侧出露少量的晚三叠世侵入体。中三叠世侵入体主要分布龙羊峡北侧和沟后水库北西侧地段，呈岩基状产出，岩石类型有石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、似斑状二长花岗岩（表1、表2）。

表1 恰卜恰干热岩体主要钻孔岩芯岩性定名简表

表2 恰卜恰干热岩体主要钻孔岩芯薄片鉴定统计表

图1 共和干热岩孔位置分布图

岩石化学特征显示，岩石具中-高钾钙碱性岩石，结晶分异程度较高。稀土元素特征反映，岩石中都具有一定程度的负Eu异常，分配曲线呈较为明显的一致右倾，但总体上轻重稀土分馏不明显。上述特征表明岩浆源于下地壳，有幔源物质混入。岩石为地壳重熔型花岗岩类。微量元素特征均显示岩石同洋脊花岗岩标准的板内花岗岩相当，微量元素蛛网图中显示的特征同火山弧花岗岩标准的同碰撞花岗岩特征相当，表明岩石中有地壳物质的熔融。前人工作中从石英闪长岩中获得了241.2±3.3Ma的锆石U-Pb同位素年龄值，在花岗闪长岩中获得了248.9±2.7、243.5±2.9Ma的锆石U-Pb同位素年龄值，在二长花岗岩中获得了247.2±1.7Ma的锆石U-Pb同位素年龄值，并综合上述测年结果，确定该侵入体时代为中三叠世。该期岩浆岩中所含的矿物颗粒分布较为均匀，中细粒结构，块状构造，总体上缺乏线理、页理等定向组构特征，花岗闪长岩中局部地段可见有少量的斜长石或钾长石的斑晶及闪长质包体，具有一定的定向性，走向基本为40°～55°之间（表3）。

表3 DR3和GR4孔岩芯花岗岩锆石U-Pb年龄统计表

GR1、GR2孔水热蚀变主要表现为热水矿物沿岩石裂隙沉淀，由浅部至深部由方解石、硅华、向浊沸石、辉沸石、绿泥石-绿帘石过渡。在GR1的1900m～2350m井段岩芯沿节理面充填有方解石、灰白色浊沸石、粉红色辉沸石等，证实该井段发育中低温热水沉积现象；2500m～3400m，岩芯裂隙发育水热蚀变现象，多处见浊沸石细脉及薄膜，沸石沉积厚度增加；3000m以下井段可见青灰色蚀变花岗岩，蚀变矿物主要为绿泥石化、绿帘石化，黑云母均已绿帘石化，长石具高岭土化；深部可见硅华、钙华、浊沸石等地下热水沉积矿物。3400m岩芯裂隙发育水热蚀变现象。经X射线衍射分析（XRD）钾长石含量30%，暗示蚀变温度较高。

根据GR1孔岩XRD分析结果，热水沉积矿物主要有方解石、石英、多硅云母、沸石、绿泥石、更长石等，主体为沸石相环境，局部达到低绿片岩相环境。沸石相的稳定温度一般为70℃～250℃，低绿片岩相的温度为250℃～350℃，预示蚀变时的历史温度曾达到250℃～350℃，表明地壳深部存在高温热源（表4）。

表4 GR1孔岩芯水热蚀变矿物XRD分析结果表

1.2 分析方法

本次研究参考《岩石物理力学性质试验规程 第14部分：岩石热导率试验》DZ/T0276.14-2015、DZ/T0276.13-2015《岩石物理力学性质试验规程 第13部分 岩石比热试验》《绝热材料稳态热阻及有关特征的测定（热流计法）》GB/T0295-2008/ISO301：1991（E）等相关规范进行。

共设计GR1、GR2、DR3、DR4 4个采样孔，采集不同深度的干热岩样品，每一组样品分别在150℃、160℃、180℃、190℃、210℃、220℃、240℃、250℃、260℃和280℃下试验得10组数据。

热导率试验基于稳态平板法测试原理，在热面加入稳定的热面温度，热量通过试样传递到冷面，测量传递的热流，再根据试样的厚度和传热面积可计算导热系数和热阻，此测试方法简便、快捷、重复性好，非常适用于材料传热方面的研究和开发；比热容试验是在热传导比较少的容器（保温桶）中放入质量为m2温度为t2的水，再放入质量为m1温度为t1的干热岩样品，混匀、放置一段时间后，测量水和干热岩样品的共同温度t3。

2.结果与讨论

热导率系数计算：

其中λ是导热系数（W/mk），TA是试样热面温度（K），TD是试样冷面温度（K），A是试样截面积（m2），Q是热流（w），L是试样厚度（m）。

比热试验计算：

其中c是干燥状态下岩石在温度t1时的比热[J/(g·℃)]，t1是干热岩样品温度（℃），m1是干热岩样品质量（g），t2是水的温度（℃），m2是水的质量（g），t3是混匀、放置一段时间后样水混合物的温度（℃）。

以上数据表明（表5、表6）：同一样品，导热系数随着温度的升高而呈现线性降低趋势。从GR1号孔不同深度分析，1600m时的导热系数最大，1900m导热系数最小。

表5 数据汇总表

表6 深度与导热系数、比热容变化关系表

以上数据表明（表5、表7）：150℃时，GR1号孔导热系数最大出现频次较高；190℃时，GR1号比热容最大出现频次较高。

表7 导热系数、比热容最大值与温度变化关系表

3.结论

青海共和盆地干热岩热导率、比热容特征研究，未考虑不同深度下压力对干热岩热导率、比热容产生的影响。结合同一样品不同温度下的试验数据以及不同样品在同一温度下的试验数据，由于不同温度下，样品内的温度梯度不同，则在不同温度下同一样品的导热系数不同，通过数据分析，青海共和盆地干热岩导热系数随着温度的升高而呈现线性降低趋势，未发现比热容随温度增加而呈现明显递增或递减的规律。不通过最大值出现频次分析，150℃时导热系数最大值出现频次较高，190℃时比热容最大值出现频次较高。