地熱學

是經典地球物理學的一個分支學科。研究內容涵蓋三個方面。一是理論方面，探索地球的熱狀態和熱歷史，包括地球內熱的時空分布、形成演變、傳輸聚散等，尤其著重研究地球內熱的驅動-誘發機制，即內熱在生成、傳輸、積聚和耗散過程中驅動殼幔物質的構造變形或運動，以及岩石圈深度內不同規模、不同形式構造運動誘發相應的熱效應。由此可見，地熱學是深部地質學，尤其是地球動力學研究的一項重要學科內容。二是套用方面，它將地球視為一個蓄存巨大熱能資源的熱庫，重點研究地熱資源的形成、分布、富集機制和相應的勘探開發方法及利用途徑等；同時，深部熱作用對礦藏、煤炭，尤其是石油和天然氣的形成、聚集、遷移起著重要的控制和制約作用；另外，當金屬、煤炭等礦產資源進行深層開發時，將面臨礦井內高溫熱害，此時地熱學的研究任務乃是闡明熱害形成的機制及相應的對策。三是實驗方面，包括現場的鑽孔溫度測量、一系列岩石熱物理性質的實驗測定，乃至實驗儀器和裝備的設計和研製等實驗科學。這三個方面分別歸屬理論地熱學，套用地熱學和實驗地熱學三個學科分支的研究內容。

基本介紹

• 中文名：地熱學
• 外文名：geothermics
• 學科：地球物理學

概述

理論上，地熱學闡明地球熱狀態、熱歷史以及全球熱場分布；研究地球各圈層之間能量平衡的熱信息。同時揭示了地球內熱與太陽輻射外熱之間的關係，根據現今地熱資料推斷過去地質歷史時期中的古氣候變化。套用上，研究地熱資源分布規律、形成機理及其開發利用途徑；各類能源、礦產資源如石油、天然氣、甲烷水合物等形成時的今、古地熱條件，特別是含油氣盆地的熱狀態、熱歷史；研究礦區、尤其是煤礦區的深部地溫預測、礦井致熱因素和礦山熱害防治的地質-工程措施。以基礎理論研究為主要對象的理論地熱研究或“理論地熱學”乃是地球物理學的一個分支學科，與“重、磁、電、震”一起成為地球物理學的重要組成部分。地熱學的套用部分或稱“套用地熱學”涉及的面比較廣，從內容上看應屬地質學範疇。

研究意義

地球內熱是推動整個地球發生髮展和演化的原動力。在 45~47 億年前的地球形成早期，地球內熱促成了核、 幔、 殼的分異， 使地球從一個太空中未曾分異的“混沌體”演變成現今所看到的多圈層的地球；在現今，地球內熱驅動著諸如構造運動、岩漿活動、火山作用等一切內力作用，使地球發生著翻天覆地的變化；在將來，可以預見，地球內熱仍將是各種內力作用的原動力。地熱學的研究方法多種多樣，從學科層面來說，可以概括為地質、地球物理、地球化學三個方面。地球物理只能探測現今，如大地熱流是現今從地球內部散發出來的熱量。而地球化學可以記錄過去，如藉助能記錄過去地質歷史時期中的各種古溫標或地質溫度計，恢復或重建一個地區、特別是含油氣盆地的熱歷史。地熱學的理論研究與實際套用密切相聯。如，地熱資源的探測以區域地熱場分布特點、地殼高溫帶的時空遷移規律作為其理論基礎。礦區深部地溫預測、井下熱害防治等都亦以區域熱背景、產生礦井高溫的各種地質因素等地熱理論研究為依據。同時，許多實際問題的深入相應提出了一系列有待解決的理論課題。譬如國際上十分熱門的所謂“乾熱岩”或“增強地熱系統”地熱資源的開發利用，與地殼上部放射性生熱元素分布、岩石圈熱結構以及地幔熱柱等理論問題密切相關。又如各種能源、礦產資源特別是油氣資源形成時的古地熱條件則更要求恢復整個地區或盆地的熱演化歷史，這又涉及到理論地熱課題。總之，理論和套用兩方面的關係可以概括為： “套用”提出問題， “理論”解決問題；理論是基礎，套用是目的。

中國的地熱學研究

由於地熱顯示與地質構造特徵相關，也與礦產開採相關，所以我國地熱研究在六十年代首先從地質部門開始。

國家地質總局水文地質工程地質研究所、北京大學和各省市有關部門多年來對地下熱水進行普查勘探,根據不完全統計，我國已發現的溫泉露頭達二千五百多處。總的分布情況是以我國台灣省及東南沿海的廣東、福建、江西等省為最多,約有50餘處多為石。℃以上的高溫熱泉,個別點可達100℃左右。其次是雲南省的溫泉,約有482處,主要分布在滇池附近、“洱海”南北和薩陀河、怒江等流域,水溫皆在40“一50℃以上。滇西有著名的騰衝火山溫泉區,共有知余處露頭,水溫高達98℃左右,其他比較集中分布的地帶有遼東半島、山東半島、燕山地區等。

在我國太行山、呂梁山、渭河地塹和秦嶺東段也有不少溫泉出露。水溫均在41“一62℃,如臨漁華清池為51℃,崑崙山的金格爾北岸有50餘處溫泉,沿天山北麓也有溫泉分布,四川盆地有20餘處,柴達木盆地等處均發現有儲量豐富的地下熱水。

根據中國科學院青藏高原綜合科學考察隊的資料,我國青藏高原的地熱資源十分豐富,地熱顯示極為明顯分布著各種類型的高溫熱泉,有噴氣孔、間歇泉、乃至水熱爆炸等等。尤以雅魯藏布江中游南北兩側水熱活動更為強烈。那裡有正在勘探的羊八井熱田,是一個濕蒸氣田,已測到的最高溫度為170℃。

綜合上述的熱水勘探的結果,正在編繪全國溫泉分布圖。

到了七十年代,對地熱資源的勘探更加重視。先後二十多個省市自治區進行了地下熱水的普查與勘探工作。通過地質、測溫和地球物理探礦的手段,並與鑽探工程結合,用以圈定地下熱資源的分布範圍,確定其覆蓋厚度、隱伏的基岩起伏情況及熱資源的地點。

利用地球物理勘探手段勘探地熱資源的作法自六十年代就開始套用,如湖南省寧鄉灰湯、北京小湯山、山西等地的熱資源勘探就是利用電法勘探找到的。

在勘探熱資源中,也用磁法進行勘探,證明磁異常的範圍與地下熱水的分布基本上是一致的。

除此以外,我國已研製成功紅外線多光譜掃描探側系統。紅外技術和航空遙感手段,已在個別地區進行試驗和測量,收到了良好的效果。

在這一勘探的基礎上,全國各地對地下熱水的利用廣泛開展。特別是北京、天津、山東、廣東、河北以及東北各地不僅用於工業、農業、醫療衛生,而且還進行了綜合利用。

1970年在廣東豐順鄧屋地區建成了我國第一座地熱試驗站,已投入生產。1971年在北京懷來也建成一座小型地熱試驗站。最近正在西藏羊八井地區建設地熱發電站。

隨著工業的發展,礦山開採的不斷加深,熱害問題便被提上了議程,我國開採礦石已普遍達到500一600米,更深可達1000米,這不但給開採帶來困難,而且有損礦工身體健康。在這一方面,冶金部、煤炭部等有關單位非常重視熱害的調查與防治工作。已在河北唐山開灤煤礦、河南平頂山礦、山東的充州煤田、東灘井田和安徽羅河鐵礦設立基點。較系統地開展礦山地熱試驗研究,取得了一些有意義的結果。

大地熱流是表征地球內部熱狀態的一個物理量,對這一物理量觀測與研究,各國都非常重視。至1975年底為止,全球共有熱流數據5417個〔2,,海洋比陸地多六倍,展示了全球熱場分布面貌。我國熱流的測量工作已公布華北及鄰近地區第一批熱流數據共18個。

華北的熱流數據表明:華北地台古老基岩廣泛出露隆起的地區,熱流值為0.8一13x10卡/厘米2秒,平均值為1.1x10卡/厘米2秒,接近該類地質單元的正常值。華北地台新生代強烈拗陷帶其熱流值為1.5一1.9x10卡/厘米2秒,平均約1.7x10卡/厘米2秒,顯然為高熱流區。在揚子一錢塘早古生代準褶皺帶,熱流平均值為1.84x10卡/厘米2秒,也高於同類地區的平均值。熱流值的差異反映了各區域地質構造穩定性的差別,這與該區地殼結構、放射性物質的含量、上地慢的溫度等相關。

中國科學院地質研究所收集了石油工業部等單位的石油井的溫度數據,又根據華北地區200餘個鑽孔測溫資料,編制了華北平原300米深處的地溫狀況圖和這一範圍內的平均地溫梯度圖,這項工作已為我國在這方面的研究做出了良好的開端。

隨著地震預報事業的發展,特別是1976年唐山大地震以後,地熱和地震的關係已開始進行探討。

此外,在地熱和板塊構造理論中,如地慢涌流,上地慢對流匯3]岩漿上涌等問題已有了一些研究,數學模擬和一些熱參數測試(如熱導率、密度)也已開展。總的來看,我國對地熱資源作了大量的調查工作,熱資源的利用、熱害防治、地熱理論研究還是剛剛開始,我國地熱研究尚較薄弱,熱流數據還很少,為了祖國的富強,要合理和有效的利用豐富的地熱資源。地熱工作是大量的、艱巨的,而前景是廣闊的。

今後的任務和展望

地熱學是地球科學的基礎理論研究,它在研究板塊構造，成礦規律與礦產資源勘察，地震成因與預報,地熱資源的利用,熱害的防治與預測以及醫藥衛生和工農業生產中，均起著重要的作用。我國地熱工作已經取得了一定的成績，為今後大力開展這一領域的研究打下了基礎。當然,擺在我國地熱工作者面前的任務是艱巨的，地熱工作必須統一規劃，要在短時間內迅速查清我國地熱資源的分布規律,研究地熱田的形成機制和控制條件。由於我國地熱研究開展較晚，所以就必須加強大地熱流的側量和取得大量資料與數據，並且要在重要的構造活動地區建立地熱側井網,因為它能給出熱場特徵和地球內部熱狀態。這對於弄清我國某些典型地區地殼與上地慢的熱結構，了解地球內部的溫度分布,探討地球科學中的一些重大問題(如板塊運動的驅動力，地慢對流,地慢熱柱與上地慢岩漿源的發生、發展與演化,地殼活動性的地熱標誌,地質年代中地殼高溫帶的遷移與大地構造的關係)有著深遠的意義。

為此,加強地熱基礎理論及為國民經濟服務的套用等研究是地熱發展的重要環節。為此,除必須與地殼一上地慢研究結合起來並進行地球物理場的綜合研究外，還必須對地熱井一觀測與試驗室參數測定以及大面積地熱普查的儀器設備和側試系統作進一步的改進和提高,將現代科學技術引入地熱這一領域,把地熱研究與生產緊密地結合起來。