地 热 学

第一节 概述 　　　地热学：研究地壳及整个地球热状态，热源，温度，热流分布规律及有关物理性质的现象的科学。

研究意义: ①研究地球深部，地球动力学，地球起源 ②区域地质，构造地质，地震成因 ③资源（地热， 油气，矿物），环境

地热学常用物理量 1.温度： 2.热量： 3.热流量：表示单位时间内通过地球表面流出的热量 4.热流密度：表示单位时间内通过地球表面单位面积流出的热量

岩石热物理性质 1.热导率（ｋ） ：表示传热物质的属性 2.比热容（C）：单位质量的物质温度升高一度所吸收的热量。 3.热扩散率（D）：热导率与密度和定压质量热容乘积的比值 4.生热率（A）：

第二节 热传递方式 介质 传递方式 热传导 固体 非金属晶体：分子振动热交换 金属晶体：自由电子扩散能量交换 热对流 流体 各部分相对位移热量转换 热辐射 不需 电磁波形式发射

一、热传导 基本方程：

二、热对流 １．形式：自然对流，强迫对流 ２．基本定律：牛顿冷却定律 3．热传导+热对流方程：

三、热辐射 规律： ①大于绝对零度物体皆可，电磁波形式 ②大部分为红外光，少部分为可见光

第三节 地球热能源与损耗 一、地球热能源： （一） 外部热源： 1. 太阳辐射热 2. 潮汐摩擦热 3. 其他：宇宙射线， 陨石坠落 （一）　外部热源： 1. 太阳辐射热 2. 潮汐摩擦热 3. 其他：宇宙射线， 陨石坠落 （二）　内部热源： 1. 放射性衰变热： 　　2. 重力分异热： 　　3. 其他： 　　　地球转动热，外成生物作用热，地球残余热

二、地球热损耗： 1.大地热流向地表传递 2.火山热损耗 3.温泉、地热的热损耗 4.地震

三、地球热平衡 地球的总散热量略大于地球内部的总生热量，基本处于热平衡状态。

第四节 地壳的内热及属性 1. 定义：地球表面能直接量测到的热流场，是地球内热在地表最为直观的显示。 2. 热流测量: --实验室测得； 第四节 地壳的内热及属性 一、地表热场（大地热流密度） 1. 定义：地球表面能直接量测到的热流场，是地球内热在地表最为直观的显示。 2. 热流测量: --实验室测得； --实测；

图1 地面热流分布图

地球内部的热物理参数 ①岩石导热系数或热导率 ②岩石热阻系数或热阻率 ③岩石比热 ④岩石温度传导系数或温度传导率

二、 地壳热属性 １．各种岩石的热导率 ２．岩石密度、含水量与热导率 ３．温度与热导率 ４．压缩与热导率，比热与热扩散率

三、地表热场（热流密度） 分布规律：强烈的区域性

基本特点： 1.海洋与大陆平均热流值近于相等 2.热场分布与现代地壳运动： 　洋中脊，洋中隆高热流； 　海沟，海盆地热流； 　陆地活动高热流； 3.热场与大陆构造活动性： 　　古老稳定地区，热流值低；年轻活动性强地区，热流值高。

第五节　　地球内部温度分布

一、　地壳温度 １．地壳浅层温度：恒温带，增温带 影响因素：太阳辐射，地球内部热传递，地形，水文。 ２．地壳深层温度 影响因素：放射热源 形式：热传导

二、地幔的温度 １．形式：热对流，热辐射 ２．研究方法：①计算法　②实验法　③求取电导率，转为温度　④岩石学研究

图2 一条横贯欧洲的温度—深度剖面图

三、地核的温度 肯尼迪假说， 博齐假说

图3 普端斯和西弗尔推断的地球内部温度分布

图4 斯梅斯洛夫综合的地球内部温度分布曲线

地球的热历史 两种假说： ①高温起源说 ②地温起源说

第六节 地热能源的综合利用

一、地热资源概念 地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下，地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用组分。 地热资源按其在地下的赋存状态，可以分为水热型、干热岩型和地压型地热资源；其中水热型地热资源又可进一步划分为蒸汽型和热水型地热资源。

从技术经济角度，目前地热资源勘查的深度可达到地表以下5000m，其中2000m以浅为经济型地热资源，2000m至5000m为亚经济型地热资源。 总体上我国是以中低温地热资源为主。资源总量为；可供高温发电的约5800MW以上，可供中低温直接利用的约2000亿吨标煤当量以上。

二、大地构造背景 从全球地质构造观点来看： 大于150℃的高温地热资源带主要出现在地壳表层各大板块的边缘，如板块的碰撞带，板块开裂部位和现代裂谷带。 小于150℃的中、低温地热资源则分布于板块内部的活动断裂带、断陷谷和坳陷盆地地区。

中国大地热流的分布特征 图5 中国大陆1°×1°网格平均热流值分布图 （引自陈墨香等，1994）

三、成因类型 现（近）代火山型 岩浆型 断裂型 断陷盆地型 坳陷盆地型

1．现（近）代火山型 现（近）代火山型地热资源主要分布在台湾北部大屯火山区和云南西部腾冲火山区。腾冲火山高温地热区是印度板块与欧亚板块碰撞的产物。台湾大屯火山高温地热区属于太平洋岛弧之一环，是欧亚板块与菲律宾小板块碰撞的产物。在台湾已探到293℃高温地热流体，并在靖水建有装机3MW地热试验电站。

2．岩浆型 在现代大陆板块碰撞边界附近，埋藏在地表以下6─10km，隐伏着众多的高温岩浆，成为高温地热资源的热源。如在我国西藏南部高温地热田，均沿雅鲁藏布江即欧亚板块与印度板块的碰撞边界出露，就是这种成生模式的较典型的代表。西藏羊八井地热田ZK4002孔，在井深1500─2000m处，探获329.8℃的高温地热流体；羊易地热田ZK203孔，在井深380m处，探获204℃高温地热流体。

3．断裂型 主要分布在板块内侧基岩隆起区或远离板块边界由断裂形成的断层谷地、山间盆地，如辽宁、山东、山西、陕西以及福建、广东等。这类地热资源的成生和分布主要受活动性的断裂构造控制，热田面积一般几平方公里，甚至小于1平方公里。热储温度以中温为主，个别也有高温，单个地热田热能潜力不大，但点多面广。

4．断陷、坳陷盆地型 主要分布在板块内部巨型断陷、坳陷盆地之内，如华北盆地、松辽盆地、江汉盆地等。地热资源主要受盆地内部断块凸起或褶皱隆起控制，该类地热源的热储层常常具有多层性、面状分布的特点，单个地热田的面积较大，几十平方公里，甚至几百平方公里，地热资源潜力大，有很高的开发价值。

四、温度分级与规模分类 根据地热勘查国家标准GB11615─89规定，地热资源按温度分为高温、中温、低温三级，按地热田规模分为大、中、小三类（见表4-2、4-3）。 地热资源的开发潜力主要体现在具体地热田的规模大小。

地热资源温度分级 温度分级 温度t界限℃ 主要用途 高温 t≥150 发电、烘干 中温 90≤t＜150 工业利用、烘干、发电、制冷 热水 采暖、工艺流程   温热水 40≤t＜60 医疗、洗浴、温室 温水 25≤t＜40 农业灌溉、养殖、土壤加工

地热资源规模分类 高温地热田 中、低温地热田   电能（兆瓦） 能利用年限 计算年限 大型 ＞50 30 100 中型 10-50 小型 ＜10

五、地热田地质勘查研究程度要求 1. 地热田地质 1. 地热田地质 a.研究地热田的地层、构造、岩浆(火出)活动及地热显示等特点，以阐明控制地热田的地质条件，确定热储、益层、导水和控热构造。 b.对于受断裂按制的地热田，要着重研究断裂的形态、规模、产状、组合配套关系等特点，阐明断裂系统与地热的关系。

c.对于层控的地热田，应详细划分地层，确定地层时代，区分储层和盖层。着重研究热储结构、热储的岩性、厚度及其分布范围，以及热储的孔隙、裂隙或岩溶发育情况等影响地热流体储存、运移、富集的地质因素。 d.对地热田的外围有关地区应进行必要的地质调查和地球物理、地球化学工作。探索地热田的形成，地热流体的补给来源和循环途径。

2. 地温场 查明地热田内的地温及地温梯度的空间变化，圈定地热异常范围、计算热流密度，推算热储温度，并对地热异常的成因、热储结构特征、控热构造及可能存在的热源做出合理的分析推断。

3. 热储 查明热储分布面积、岩性与厚度变化、埋深及边界条件，查明热储结构、各热储间的关系及热储内的渗透性能、地热流体的温度、压力、产量及其变化规律，测定热储的孔隙率、渗透系数、传导系数、给水度(弹性释水系数)和压缩系数等，为储量计算提供依据。

4. 地热流体 一般应测定地热流体的化学成分、同位素组成、有用组分以及有害成分等。分析地热流体与大气降水、地表水和常温地下水的关系，查明地热流体的来源及其补给、储集、运移、排泄条件；对高温地热田还应查明地热流体的相态、地热并排放的汽水比例、蒸汽干度、不凝气体成分，为地热资源开发利用与环境影响评价提供依据。

5. 勘查三阶段 （1） 普查阶段 a.主要是寻找地热异常区或对已发现的地热异常区开展地热地质普查。 b.初步查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆(火山)活动情况，研究它们与地热显示、地热异常的关系，推断地热田的热储、盖层、导水和控热构造。 c.初步查明地热田的地表热显示特征，测定地热流体的天然排放量及其化学成分，估算地热田的热储温度和地热田的天然热流量，初步圈定地热异常的范围，提出热储概念模型。 d.探求D+E级储量，估价地热田开发利用前景。提交普查报告，为是否须进行详查工作提供依据。

（2） 详查阶段 a.在初步查明地热田的地球化学场、地球物理场及热储边界条件的基础上，对地热田是否具有开发价值以及近期内能否被开发利用，进行详查工作。 b.基本查明地热田及其外围的地层、构造、岩浆活动情况，初步查明地热田内的断裂及其产状、各地层的孔隙、节理裂隙、岩溶及水热蚀变发育情况，划分热储、盖层、导水与控热构造。

c. 基本查明地热田内地温及地温梯度和空间变化，进一步圈定地热异常的范围，计算热储温度，分析推断地热异常的成因。 d. 基本查明热储的岩性、厚度、埋深及其边界条件，各热储内地热流体的温度、压力、产量及其变化关系，热储的孔隙率及渗透性能，圈定地热流体富集地段。 e. 基本查明热储中地热流体的相态、地热井排放的汽水比例、地热流体的化学成分、有用组分和有害成分以及地热流体的补给、运移、排泄条件。建立热储理论参数模型。 f. 探求C十D级储量，提交详查报告，为地热田开发总体规划和是否转入勘探阶段提供依据。

（3） 勘探阶段 a.一般应在经过详查工作证实具有开发价值的基础上进行，主要是对地热田开发经济效益高的地热流体富集地段进行勘探。 （3） 勘探阶段 a.一般应在经过详查工作证实具有开发价值的基础上进行，主要是对地热田开发经济效益高的地热流体富集地段进行勘探。 b.详细查明地热田内的地层、构造、岩浆(火山)活动和水热蚀变等特点。基本查明热储、导水、控热构造的空间展布及其组合关系。 c.详细查明地热流体特征，包括地热流体在热储中的相态、温度、地热井排放时的汽水比例、蒸汽干度、流体化学成分和同位素组成。阐明地热流体中不同用途的有用组分和有害成分、地热流体的来源、补给、径流排泄条件以及地热流体运移过程中可能出现的相变和与冷水混合过程。

d.详细查明地热田内的地温、地温梯度及有关物性参数的空间分布及其变化规律。详细圈定地热流体的富集地段。 e. 详细查明地热田的热储结构，各热储的分布面积、厚度、产状、埋深及边界条件，各热储内地热流体的温度、压力、产量的变化规律及各热储的相互关系。实测各项储量计算参数，建立热储参数模型。探求B+C级储量，提出合理开发方案并作出环境影响评价，提交勘探报告，为地热田开发利用提供依据。

地热学结束