地熱系統的概念與傳熱機制綜述

關 健，方 石，3

1.吉林大學地球科學學院，吉林長春130061；2.油頁巖與共生能源礦產吉林省重點實驗室，吉林 長春130061；3.東北亞生物演化與環境教育部重點實驗室，吉林 長春130026

0 引言

地熱能是蘊藏在地球內部的天然能源，起源于地球的熔融巖漿和放射性物質的衰變，從地球內部巨大的蘊藏量來看可列為再生能源.據國際能源專家預計，到2100年地熱利用將在世界能源總量占到30%～80%［1］.當代世界經濟對石油、煤炭、天然氣等非再生能源的嚴重依賴不僅制約了社會的可持續發展，也造成了嚴重的環境污染和生態平衡的破壞.而地熱是一種可替代傳統化石燃料的清潔能源，應大力開展對地熱的研究工作.在地下熱源將熱傳輸到地面再以溫泉或間歇泉的形式出露地表的過程中，地熱系統扮演了重要的角色.為了更好地研究地熱，我們需要弄清地熱系統的涵義以及熱在地熱系統中的傳輸機制.

1 地熱系統的概念

國內外最早的關于地熱系統的文獻出現在1966年［2］，不過當時并未明確定義其涵義，其意義與地熱田、地熱區等相當.1986年，Rybach等［3］提出“地熱的富集程度足以構成能量資源的系統才能叫作地熱系統”.1990年，Hochstein［4］將熱液狀態下的地熱系統定義為“在有限的空間內，地球上地殼的水通過流動將熱量從熱源傳遞到熱沉的過程”.根據這個定義，可知地熱系統主要由熱源、滲透性地層和流體3個要素構成，其中流體作為傳遞熱能的熱載體存在.近些年，地熱系統的概念越來越清晰，如國家標準［5］中將地熱系統定義為構成相對獨立的熱能儲存、運移、轉換的系統.朱煥來［6］綜合了前人的成果，從系統論的角度將地熱系統重新定義為“能形成地熱田各個地質要素的有機組合”.汪集旸［7］在給地熱系統下定義時更是將其與地熱田的概念區分開，他認為“地熱系統是指地熱能聚集到可利用的程度，在熱量和流體循環上相對獨立的地質單元，而地熱田是地熱系統的流體與熱量的匯集區，因此地熱田屬于地熱系統的一部分”.

2 國內外研究現狀

國內外學者對地熱系統做了大量相關的研究.1967年White［8］在研究美國內達華州的間歇泉活動時證明了其內部熱對流的機制，并于1973年提出了一個對流地熱系統的運作模型，闡述了對流系統的內部運作模式［9］，該模型已被廣泛接受.

20世紀70年代初，美國能源部首次在墨西哥灣盆地開展針對地壓型地熱系統的重點研究，并通過計算得出該地區地壓地熱資源的總熱能高達1.7×1022ca1［10-11］.同一時期，人們在美國墨西哥灣一口深油井中首次發現了熱干巖資源，不過當時并未引起關注［12］.

1974年，由美國政府資助的位于新墨西哥州芬頓山的干熱巖項目是世界上第一次利用干熱巖資源的項目［13］.而干熱巖系統（增強型地熱系統）最開始在1987年建立，并分別自1987年起于法國的Soultz-sous-Forêts，自2007年起在德國的Landau開始運行［14］.

1986年黃尚瑤［15］按地熱區形成的儲、蓋、通、源4個特征，結合其所在的大地構造環境，將我國地熱系統劃分為巖漿活動型、隆起斷裂型及沉積盆地型3種基本類型.

1996年陳墨香等［16］在黃尚瑤對我國熱水型地熱系統研究的基礎上做了某些改善或補正，將我國地熱系統細分為兩類五型，兩類是指構造隆起熱對流類和構造沉陷熱傳導類，而五型則指火山型、非火山型、深循環型、斷陷和拗陷盆地型.各類型所處地質構造背景如表1所示.

2004年Wisian等［18］通過建立二維模擬模型確定了美國西部盆地區地熱的構造、熱輸入和滲透率分布之間的基本定性關系，得出該區地熱水主要是深部循環水而不是通過冷卻的圍巖供熱，同時評價了滲透率和構造變化對美國西部的盆山地熱系統的影響.

2013年Cherubini等［19］通過三維有限元模擬，研究了德國格羅伯－肖內貝克盆地深部熱場的控制因素，并通過流體和熱傳導耦合模擬，評估了不同傳熱機制對研究區水文地質背景下溫度分布的相對影響，且比據文獻［17］.宿主含水層更具滲透性的斷層能在局部尺度上對熱場和流體循環起到很強的控制作用.

表1 中國地熱系統的基本類型Table 1 Basic types of geothermal system in China

3 地熱系統的主控因素

根據對前人文獻［6，20-23］的總結，得知地熱系統的控制因素主要有如下3點：

1）熱源，主要包含有巖漿熱源、放射性熱源、摩擦生熱等.充足的熱源是形成大規模地熱資源的首要控制因素.

2）具有一定埋深的大規模孔滲性較好的優質儲層.熱儲作為熱水的聚集場所，能儲集地熱流體并形成足夠的地熱流體產能.

3）斷裂和裂縫的發育.一方面，斷裂可作為熱能傳遞的通道，將深部熱源通過對流的方式帶到地表；另一方面，由于斷裂自身的張扭性特征可允許熱水在其中流動或者直接成為地熱儲層.

4 地熱系統的類型和傳熱機制

1976年，Muffler［24］在第二次聯合國舊金山地熱資源開發和利用專題討論會上，根據地熱系統的地質環境和熱量傳遞方式，將其分成對流型地熱系統和傳導型地熱系統兩大類.在對流型地熱系統中又分出以年輕淺成侵入巖漿體作為熱源、可被鉆孔挖掘的巖漿侵入型系統和沿斷層或裂隙帶具有足夠的滲透率來進行水循環的深部循環系統；在傳導型系統中，則分出區域熱背景正常或略偏高地區沉積層中的地壓地熱帶系統和干熱巖系統.前者以流體為特征，其賦存和攜帶的能量以流體形式從深部向淺部傳遞；而后者主要通過傳導的形式將熱能從一種介質傳遞到另外一種介質.

4.1 傳導型地熱的傳熱機制

從地球內部傳遞到其表面的大部分熱量是通過傳導產生的.傳導涉及到分子之間的隨機動能的傳遞，而不需要物質的整體轉移.移動的分子撞擊鄰近的分子，使它們振動得更快，從而傳遞熱能.傳導是固體中的主要傳熱方式.

4.1.1 沉積盆地傳導型地熱系統

深沉積盆地型地熱系統由深層（＞6 km）沉積含水層組成.這些深層地下水由具有適度滲透性的砂巖或碳酸鹽含水層組成，通過下層傳導加熱，并被具有低滲透性和低導熱率（良好絕緣體屬性）的巖石（如頁巖）覆蓋.正常情況下，深層地下水由當地自然溫度梯度通過傳導加熱，然而有時會遇到可滲透型地層傾斜的情況，此時一些含水層可能會通過平流產生近水平的緩慢流動，導致地下水升溫速率略有下降（如圖1）.整體來看，地下水溫度與所在深度呈正相關的關系［25］.季漢成等［26］通過對南襄盆地研究區兩口全測溫井的溫度－深度曲線圖分析得知，南襄盆地溫度隨深度呈近似直線增加趨勢，從而明確其熱傳輸機制為熱傳導型.

圖1 沉積盆地傳導型地熱系統中地下水溫度與深度的關系Fig.1 Groundwater temperature vs.depth in sedimentary basin conductive geothermal system

4.1.2 地壓型地熱系統

地壓型儲層傳導系統是高度加壓的沉積含水層，在其中形成了地壓型地熱資源.這種地熱資源是指熱儲層孔隙流體壓力超過水柱所產生的靜水壓力，與通常所稱的正常水壓地熱資源的主要區別在于其具有異常高壓（壓力梯度為正常靜水壓力梯度的1.2～2倍），同時熱儲流體中還溶解有較多的甲烷，少量乙烷和丙烷等烴類氣體［27］.

超壓（異常高壓）是指地層孔隙流體壓力超過靜水壓力，是流體滯留引起的一種不平衡狀態，控制其存在和分布的主要因素是滲透率以及沉積物的可壓縮性［28］.而厚層泥巖序列快速埋藏引起的不均衡壓實是產生超壓的最主要因素［29］.圖2a顯示在靜水和超壓條件下壓力隨深度的變化情況①Hydraulic Fracturing.New South Wales：School of Geosciences，University of Sydney，2016..通常情況下，孔隙壓力等于靜水壓力，流體被困在透水層中，并被不透水的巖層迅速掩埋和隔離.隨著時間的推移和進一步埋藏，當孔隙壓力超過靜水壓力時，地壓儲層系統開始形成.在完全被地壓包裹的儲層中，孔隙流體壓力基本等于地層壓力.同時由于孔隙壓力的不斷升高，巖石在儲層內經歷了由壓實到破碎再到重新壓實的過程，其抗剪強度也在不斷發生變化（如圖2b）.

圖2 孔隙流體壓力和巖石抗剪強度隨深度變化圖解（據文獻［28］）Fig.2 Diagram of pore-fluid pressure and rock shear strength changing with depth（From Reference［28］）

地壓型地熱系統的成因可分為3個階段（圖3）.首先是砂體在重力作用下接受沉積.第二階段，當上覆粗粒沉積砂質量超過下伏泥質沉積層的承重能力時，砂體逐漸下沉，沉積砂體逐漸被周圍的泥質沉積層所圈閉，并承受來自上覆沉積層的部分壓力.雖然覆蓋層的負荷總是趨于壓出沉積砂體中的隙間水，但由于在地層不斷埋深過程中，孔隙體積趨向于快速減小，四周圈閉層的透水性能很差，而砂粒和隙間水的可壓縮程度很低，導致砂巖中的水分無法突破泥巖層，孔隙流體排出受阻.進入第三階段，上覆沉積層壓力繼續增加，致使地層流體承擔一部分負荷壓力，從而流體壓力超過靜水柱壓力形成超壓，在孔隙水不斷被熱源加熱的過程中，泥頁巖生成的烴類資源連同無機成因氣體一起進入儲層，最終形成具有高壓烴類、非烴類氣體的地熱資源［27］.

4.1.3 干熱巖型地熱系統

干熱巖概念于1970年首次由美國的Los Alamos國家實驗室提出［31］，是指地下埋深數千米，具有高溫（通常大于200℃）特點，但由于低孔隙度和低滲透率而缺少流體或存在少量流體的巖石（體）.儲存于干熱巖中的熱量需通過人工壓裂形成增強型地熱系統（EGS），才能得以開采［32-33］，賦存于干熱巖中可以開采的地熱能稱為干熱巖型地熱資源［34］.干熱巖區別于水熱型地熱巖層的突出特點是儲層致密，不含或含有少量的流體，需壓裂造儲取熱.由于缺乏天然儲集層的滲透性和巖石中存在的水，熱的流動來源于傳導，而不是對流［35］.汪集旸［7］根據地殼結構和成因機制將我國的干熱巖資源分為高放射性產熱型、強烈構造活動帶型、沉積盆地型及近代火山型等4類.

圖3 地壓型地熱系統模型（據文獻［30］）Fig.3 Model of geopressure geothermal system（From Reference［30］）

4.2 對流型地熱的傳熱機制

對流地熱系統又稱水熱對流系統，特點是流體的自然循環.當物質具有一定的流動性時，它可以攜帶熱能從高溫地點移向低溫地點，而且不需要很大的溫度梯度.這種物質遷移現象在地球內部普遍存在，如熱水活動、巖漿活動、地幔對流等.在對流為主的地熱活動中，流體向上循環將熱量從深部輸送到較淺的儲集層，或輸送到地表，從而導致對流單元上部的溫度升高，下部的溫度降低［36］.

White［9］于1973年提出了一個對流地熱系統的運作模型（如圖4b）.地面和近地表冷卻的地下水沿不滲透巖石中的裂縫向下滲透到地表深處B點（2～6 km），在那里冷卻水被巖漿或異常熱的巖石從下方加熱.此時，受熱的水可以沿低滲透巖石覆蓋的可滲透巖石層橫向流動.一段時間后部分冷卻水由于冷卻下降的流體和熱上升的流體之間的浮力，被加熱后沿上覆巖層中可能的裂縫上升到表面，導致的結果是流體會在滲透巖層（儲集層）中循環，在中間溫度較高的地方上升，在儲集層兩側冷卻的地方下沉，這便形成了對流系統.圖4a顯示了流體在不同深度的溫度變化，這些變化與圖4b的截面相對應.對流系統的一個特征是溫度隨深度的等值分布（見圖4a、b中的C和D點）.而對于C、F和G點，由于固結巖漿傳熱主要靠熱傳導，溫度隨著深度的增加而穩趨上升.

4.2.1 巖漿侵入型地熱系統

世界上大多數具備商業價值的地熱區都是從更深埋的熔巖（巖漿）區域獲得熱能的，在板塊構造運動比較活躍的地區，比如板塊交接處及其附近，板塊之間相互作用導致板塊張裂、地殼巖石重熔或深部地幔熱物質上涌，形成了熔融巖漿［37］.巖漿活動過程中，除部分噴出地表形成火山外，大部分會沿構造薄弱帶侵入到淺部地層或斷裂系統中.同樣，這種淺部的巖漿囊為地熱的形成提供了高溫附加熱源.板塊碰撞帶附近，由于板塊間的擠壓、摩擦生熱而會在局部形成類似的高溫附加熱源（局部熔融體）［38］.由于下伏巖漿的存在，熱流較高，巖漿侵入型地熱系統具有典型的高焓特征.

4.2.2 深循環型地熱系統

對于無特殊熱源的中低溫對流型地熱系統，其熱源性質可分為兩種情況［39］：1）與深部無聯系通道，以正常或偏高的大地熱流作為其主要的熱量來源，地下熱水經歷長時間的深部循環，過程中不斷被圍巖加熱，充分吸收圍巖的熱量，熱水溫度受循環深度控制［40］；2）與深部有聯系通道，深部流體混入對地下水起加熱作用.

圖4 對流地熱系統模型（據文獻［38］改編）Fig.4 Model of convective geothermal system（Modified from Reference［38］）

深循環型地熱系統下部不存在附加高溫熱源，主要是由地表冷水沿深大斷裂入滲，經循環加熱后上涌（熱對流），并在上升和出露的地方形成中地溫對流型地熱資源.其中熱儲為沿斷裂帶展布的裂隙型帶狀儲層.White［41］曾提出深循環型地熱系統的形成模式：在正常或較高的區域熱背景下，周邊隆起區的大氣降水經裂隙網絡或斷裂破碎帶下滲，在水頭差驅動下向深部徑流，基底熱流值逐漸增大，地下水不斷從圍巖中汲取熱量形成地熱水，后因密度差上升至地表，在適當的構造部位（一般為兩組斷裂交匯處）出露形成溫泉或間歇泉.

5 結論與認識

通過對地熱系統概念、分類、特征及主控因素等方面進行研究，獲得了如下的認識和結論.

1）地熱系統是能形成地熱田各個要素的有機結合，在概念上區分于地熱田，是相對獨立的單元，主要組成要素為熱源、滲透性地層和流體.

2）地熱系統形成的主控因素包括熱源、斷裂和裂縫的發育以及一定埋深的大規模優質儲層，其中充足的熱源是形成大規模地熱資源的首要控制因素.

3）地熱系統可分為傳導型和對流型兩大類型，可進一步細分為沉積盆地型、地壓型、干熱巖型、巖漿侵入型和深循環型5個亞類.