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地温法勘探

测量地球温度场的分布和变化,研究地壳内热源体的要素,观测外部热源影响和测定地壳物质的热物理参数,以勘探地热资源或解决一定的地质问题的一种地球物理勘探方法。

地表和地壳各点的温度是不均匀的,取决于以下因素:岩浆(内部热源)的侵入、喷出和冷却过程,太阳辐射(外部热源)的各种周期性变化,气候、地下水活动和人为因素,以及地表和地壳物质的结构及其热物理参数。地壳的热状态受内部热源和外部热源的双重制约,内部热源可以认为是稳态的,而外部热源则是变化的。因此,测量地球温度场的空间分布和随时间的变化,可以调查地热、油气和矿产资源,以及解决其他地质问题。

太阳辐射源对地球表面加热有24小时的日变、年变和一种受地质年代冰期影响的更长周期的变化,它们对地温影响的深度各不相同。在实际工作中,人们将太阳辐射对地壳加热所影响的深度作为一个分界面,这个界面叫做恒温层,以上为变温层,以下为增温层。各地恒温层的深度及其温度值并不相同,它明显地与纬度有关。各地恒温层深度和温度要根据钻孔长期观测结果来测定。中国已测得的恒温层深度在15~30米之间,温度在10~23℃之间。太阳辐射日变化所影响的深度,一般不超过1米。增温层以下平均地温梯度为30摄氏度每公里。

地温场测量

可分为遥感测量和直接测量两种。

遥感测量

一切物体都发射红外线(热辐射电磁波)。测量地球表面辐射或反射的红外电磁波,可以在地面用红外辐射温度计测量,在飞机上用航空红外扫描仪测量,也可以在人造卫星上对地球进行全面测量,例如美国在1978年4月26日发射的地球热容量制图卫星(HCMM)。测量地球表面的发射或反射的红外电磁波,可以了解地球表面的温度场特征及其变化。白天测量的红外电磁波,主要是太阳对地表辐射波的反射;夜间可以明显地测量到地球表面本身所辐射的红外电磁波。后一种资料可以用来研究火山机制,火山和温泉、汽泉的放热量。昼夜分别测量的红外波段信息,可以用来计算地面物质的热容量和热惯量。用这些资料可了解土壤湿度,发现浅埋地下水富集区,也可以作为识别不同岩石和某些蚀变矿床的标志。

直接测量

地温的直接测量都是在地下条件如坑道、钻井或海底进行。最浅是在地下1米深处测量地温,这是一种简易的地温测量方法,这种地温场的资料可用于发现异常幅度大而且埋藏浅的地热田。直接探测隐伏地下储热构造,往往在10~30米或50~100米浅井内进行地温和地温梯度测量。这个深度的地温场资料,可以反映不同异常幅度和不同埋藏深度的热储构造。更深的地温场(如300~1000米)则用于研究区域构造、深部地热资源和油气田。例如中国华北平原北部地温梯度等值线图上的地温异常,反映了深部地热资源和油气田(见图)。

图

此外,浅层地温测量常常受到地下水侧向运动的干扰,因此这种地温测量为寻找浅层富水区地下水补排关系和水库渗漏的研究,提供了有益的资料。

人工地温法

地温法勘探主要测量地表和地壳的天然温度场。象电法和地震勘探一样,地温法也可以用人工造成一个局部温度场,以研究一定地质问题。井中温度扩散法就是一种常用的人工地温法。往井中注入定量热(或冷)水后,过一定时间重复测量全井温度变化,可以研究含水层。这种方法在地下含水层矿化度较高而不能采用常规的盐扩散法时更为有效。往一口井中注入热(或冷)水,而观测周围井温度变化,可以计算含水层导水能力,研究含水层储能空间和储能效率,研究地热田热储的开发寿命等。

地热流测量

地壳的温度场受许多干扰因素影响。地温梯度则与岩石热导率有关,因而这些资料的应用受地区和时间的限制,而不利于全国或全球的对比。地热流值是一种理想的参数。地热流值等于垂直地温梯度与同深度的岩石热导率的乘积:

式中Q为地热流值,K为岩石热导率,T为温度,Z为深度。地热流值表征为通过地球截面单位面积、单位时间所放出的微卡值(微卡/厘米2·秒),以符号HFU表。世界平均地热流值约1.50HFU。岩芯热导率测定方法,通常是将岩芯按规定要求切成标本在室内岩石热导率测量仪上进行。

海洋地热流测量

在洋底采集标本进行测量成本太高。近年发展了一种海底地热流探测器,可以在洋底原位直接测量海洋地热流值。海底地热流探测器的发明,大大加快了海底地热流测量速度。

大陆地热流测量

一般仍采用在室内测量岩石标本以求热导率的方法。但已有许多学者指出,由井下取出的岩石标本(固结与非固结的)离开了它存在的自然状态,温度、压力和湿度都有很大的变化,非固结沉积物的孔隙度也有变化,而湿度和孔隙度对标本的热导率都有很大影响。在浅层土壤中、坑中和井中原位测定岩石(或非固结沉积物)热导率的技术是值得进一步发展的。