廣東惠州地區鉆孔巖芯熱導率測試與分析

唐科， 黃少鵬， 魏正安， 張敏， 趙欣楠， 劉遠周

1）深圳大學土木與交通工程學院，廣東深圳518060；2）廣東省有色金屬地質局九三五隊，廣東惠州516001；3）惠州學院地理與旅游學院，廣東惠州516007

巖石熱物性參數是表征地球內部熱的傳遞、儲存和生成的一系列參數，包括巖石的熱導率、比熱、熱擴散率和放射性生熱率等［1］.其中，巖石熱導率表示的是巖石導熱能力的強弱，是研究一個地區大地熱流、深部熱狀態和巖石圈熱結構以及地熱資源評價中不可或缺的熱物性參數［2-3］，在采礦、油氣勘探和土木工程等領域也具有重要的應用.

惠州位于中國粵港澳大灣區的東部，包括惠州在內的大灣區是中國開放程度最高、經濟活力最強的區域之一，對新能源的需求旺盛.地熱能作為一種清潔高效的可再生新型能源，具有資源量豐富、成本低、效率高和穩定性好等優點.已有研究表明，在惠州地區內有很多地方極具地熱資源開發利用的潛力［4-5］，但是目前惠州地區的地熱資源開發利用形式單一，地熱資源科學化和綜合化利用程度不高，其重要原因是地熱研究程度低，缺乏對于熱導率等重要熱物性參數的觀測數據.

本研究對采集自惠州地區的207個巖石樣品進行熱導率測試，統計得到研究區巖石熱導率整體分布情況，分析了研究區的不同巖性熱導率參數特征，熱導率隨深度的變化規律，以及熱導率的影響因素，為惠州地區開展后續大地熱流計算及地熱資源評價等提供數據支撐.

1 地質背景

惠州位于中國廣東省中東部，在大地構造上屬華南地塊東南沿海斷褶帶，從屬于粵東梅縣-惠陽坳陷帶［4］.新元古代以來研究區經歷了多期次復雜的構造演化.晚中生代以來，經歷了由特提斯構造域向太平洋構造域的轉變，古太平洋俯沖造成了包括研究區在內的整個華南地區發生廣泛的巖漿-構造活動［6］.區內斷裂構造方向以北東向為主，以近東西向和北西向為輔.深大斷裂主要有紫金-博羅斷裂和河源斷裂，對本區域的構造格局、地質演化發揮重要的控制作用.

根據區域地質資料［7-9］，研究區內地層較為復雜，從老到新有震旦系-寒武系（變質砂巖和千枚巖）、泥盆系（白云質灰巖和大理巖）、三疊系-侏羅系（頁巖、粉砂巖和細砂巖）、白堊系（粉砂質泥巖夾泥灰巖）古近系以及第四系（砂和砂礫石）.受構造運動的影響，研究區經歷了多期次劇烈巖漿侵位事件，大面積出露中生代中酸性侵入巖，其中，以燕山期花崗巖最為發育，巖性以黑云母花崗巖、黑云母二長花崗巖和花崗閃長巖為主.

2 熱導率測試與結果

2.1 樣品測試

本次熱導率測量的207個巖芯樣品選自22個鉆井，其巖性主要是砂巖、灰巖和花崗巖等，地層主要包括泥盆系、石炭系和侏羅系等，埋深范圍為17～1 300 m，采樣原則是樣品盡可能包括研究區主要巖石類型.鉆井位置及地理坐標分別如圖1 和表1所示，樣品相關信息及測試結果請掃描論文末頁二維碼查看補充材料表S1.

表1 惠州地區采樣鉆井地理位置及取樣數Table 1 Locations and number of samples of the sampled boreholes in Huizhou area

圖1 惠州地區地質簡圖及鉆井位置示意圖Fig.1 Schematic geology map of Huizhou showing the location of the core-sampled boreholes.

熱導率測試所用光學掃描熱導儀（thermal conductivity scanning， TCS）為德國Lippmann 公司制造，測量范圍為0.2～25.0 W/（m·K），測試分辨率為0.001 W/（m·K），測量精度為 ±3%.該儀器具有操作簡單、省時高效、對測試樣品無損壞和準確率高等優點，已廣泛應用于國內外巖石熱導率測量工作當中，如法國EPS1鉆孔巖石物理非均質性研究［10］，鄂爾多斯盆地巖石熱導率測試［11］等.測量前需要在樣品平面上均勻涂抹厚度約25～40 μm 黑色油漆，以減少巖石表面光線反射對吸熱效率的影響.在室溫（25 ℃）常壓（1 個大氣壓）環境下，儀器通過1 個移動的熱源對巖芯樣品進行掃描，低溫傳感器和高溫傳感器連續記錄待測樣品被測面加熱前后的溫度，根據加熱前后兩個傳感器接收到的溫度差值，并與已知熱導率的標樣進行對比，計算出樣品的熱導率.被測樣品隨熱源加熱的溫度變化ΔT取決于掃描表面單元點吸收的熱量Q、熱源與測點的距離x和待測樣品熱導率λ，其關系［12］為

在熱源功率恒定的情況下，Q和x為定值，λ與已知標樣的熱導率λs之間存在以下關系，

其中，ΔTm和ΔTs分別為待測樣品和標樣升溫值.

2.2 測試結果

圖2 為惠州地區不同巖石熱導率分布直方圖.熱導率測量結果顯示，惠州地區207 個樣品巖石熱導率變化范圍為1.74～5.46 W/（m·K），主要分布在2.5～4.0 W/（m·K）之間，個別樣品較高，可達5.0 W/（m·K）以上，平均值為（3.25 ± 0.52）W/（m·K），見圖2.

圖2 惠州地區不同巖石熱導率分布直方圖Fig.2 Distribution histogram of thermal conductivity of different rocks in the Huizhou area.

表2 是按巖性統計的結果（n代表巖石樣品個數）.由表2 可見，砂巖熱導率相對偏高，礫巖和灰巖的熱導率較為接近.巖漿巖類巖石中，花崗巖熱導率與熔結凝灰巖熱導率相差不大.輝綠巖和輝綠玢巖樣品數量少，不確定性比較大.變質巖類巖石中，花崗片麻巖、變質粉砂巖、變質砂巖和大理巖相比，花崗片麻巖的熱導率較小，變質砂巖和大理巖的熱導率較大且較為接近.

表2 惠州地區不同巖石的熱導率Table 2 Thermal conductivity of different rocks in Huizhou

圖3為巖芯數目較多的砂巖、灰巖和花崗巖熱導率數據統計直方圖.由圖3 可見，在研究區內，同一巖性不同巖石樣品之間以及不同巖性之間熱導率存在著明顯的差異.研究區內變質粉砂巖的熱導率最高，其次是砂巖，花崗片麻巖的熱導率最低.砂巖的熱導率變化范圍較其他巖性相比最大，這可能是由于不同樣品砂巖的礦物組成不一以及與砂巖樣品埋深差距大導致孔隙率變化大相關.

圖3 砂巖、 灰巖和花崗巖熱導率數據統計直方圖Fig. 3 Histograms of the thermal conductivities of the core samples of sandstone， limestone and granite.

從這批巖石樣品熱導率測量結果（圖4）看，砂巖、灰巖、花崗巖熱導率與深度相關性不大.這很可能是因為所采樣品的深度比較淺，大部分樣品集中在埋深小于0.5 km 的淺部地層，因此熱導率隨深度變化的趨勢不明顯.

圖4 （a）砂巖、 （b）灰巖和（c）花崗巖樣品熱導率與深度的關系Fig.4 Relationship between thermal conductivity and depth of the core samples of (a) sandstone, (b) limestone and (c) granite.

3 討 論

3.1 與中國東南地區巖石熱導率對比

熊亮萍等［13］報道了在中國東南地區從109個鉆孔中采集的712個巖石樣品的熱導率測量結果，對比本研究惠州地區與東南地區巖石熱導率測量（表3）.由表3可發現，兩項研究中的砂巖、礫巖、灰巖、花崗巖和大理巖熱導率值相近，礫巖熱導率相差最大為0.38 W/（m·K），在測量數據統計誤差范圍內.大理巖在惠州地區和東南地區的各同類巖石對比中熱導率均為最大，其原因可能在于大理巖屬變質巖類，經過重結晶作用和變質作用后，一方面會使巖石孔隙度降低，結構更致密，熱導率升高［14］；另一方面，經過變質作用后巖石的內部結構和礦物組成等發生變化，導致熱導率發生變化.與其他巖性相比，本研究和熊亮萍等［12］測得的砂巖的熱導率變化幅度均較大，這可能是由于不同樣品砂巖的礦物組成不一以及與砂巖孔隙率變化大相關.東南地區采集的712 塊巖石樣品熱導率測量值為2.0～4.0 W/（m·K），大于5 W/（m·K）的樣品占比不到10%，這與本研究207個巖石樣品熱導率的測量結果一致，惠州地區巖石熱導率（圖2）整體上也呈現出類似的分布規律.

3.2 礦物成分對巖石熱導率的影響

巖石熱導率的高低很大程度上取決于其造巖礦物熱導率的高低.不同礦物之間的熱導率差異很大，常見礦物中，石英、白云石、方解石、輝石、長石的熱導率分別為7.69、5.50、3.57、3.80 和1.9 W/（m·K）［15］.在主要的造巖礦物中石英熱導率相對較大，是影響巖石熱導率的主要礦物成分，例如石英砂巖的熱導率值最高可達6.46 W/（m·K）［13］.ZHAO等［16］通過對47塊花崗巖巖樣進行了熱導率測試研究，發現在孔隙率相同且完全飽水時，巖石熱導率主要由石英含量決定，隨著石英含量的增加，熱導率明顯增大.

TANG 等［17］和李瀟等［18］分別發表了四川盆地和松遼盆地沉積巖的熱導率測量成果，這兩個地區的平均砂巖樣品熱導率分別為（3.06 ± 0.73） W/（m·K）和（1.89 ± 0.64） W/（m·K），明顯小于惠州地區和東南地區［12］砂巖平均熱導率（3.40 W/（m·K）和3.41 W/（m·K））.造成這種熱導率差異的原因可能是巖石的礦物組成不同，特別是石英含量不同.

左銀輝等［19］對粵東、粵中地區中生界儲層特征研究結果表明，區內上三疊統巖石類型主要為長石石英砂巖，石英體積分數大于75%；侏羅系巖石類型絕大多數為石英砂巖，石英及硅質巖屑體積分數超過95%；白堊系地層巖石類型主要為長石石英砂巖、巖屑長石石英砂巖和長石石英雜砂巖.

惠州地區砂巖總體上以石英砂巖和長石石英砂巖等為主，石英含量占碎屑總量75%（體積分數）以上.但是松遼盆地北部砂巖主要為巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖，碎屑成分主要為石英、長石和巖屑，石英體積分數僅為21.8%～33.9%［20］.四川盆地侏羅系地層砂巖石英體積分數也小于惠州地區，為35%～89%，平均為50%［21］.石英是主要的造巖礦物之一，且熱導率相對較大，其含量的多少對巖石熱導率具有重大影響.因此，惠州地區和東南地區砂巖中較高的石英含量可能是該地區砂巖熱導率顯著高于四川盆地和松遼盆地砂巖熱導率的直接原因.

本研究巖石熱導率測試結果中，變質砂巖、變質粉砂巖以及花崗巖的熱導率均較高，分別為（3.38 ± 0.68）、（3.92 ± 0.25）和（3.33 ± 0.40）W/（m·K），這與它們的礦物組成有直接關系.比如，大理巖的主要礦物成分為方解石，灰巖的主要礦物成分為方解石和白云石，熱導率相對較高的方解石和白云石是本地區大理巖和白云巖熱導率較高的直接原因.花崗片麻巖中的主要礦物是長石和石英，且長石含量高于石英，而長石的熱導率較小，這也直接造成了花崗片麻巖的熱導率相對較小.輝綠巖和輝綠玢巖的主要礦物組成為長石（體積分數為60%以上）和輝石（體積分數不超過40%），盡管輝石的熱導率較大，但含量較高的長石具有相對較低的熱導率，使得輝綠巖和輝綠玢巖的熱導率相對較小.從礦物學的角度看，研究區的熔結凝灰巖與流紋巖的成分相當，主要由硅質礦物構成，因此，其熱導率（（3.24 ± 0.10） W/（m·K））與花崗巖（（3.33 ± 0.40） W/（m·K））較為相近.

3.3 孔隙率和溫壓條件對巖石熱導率的影響

對于礦物組成相近的巖石樣品，熱導率依然會存在一定的差距，這可能與其孔隙率不同相關.大多數巖石都具有孔隙，含孔隙巖石是一種多相介質系統，干巖樣和飽水巖樣均屬二相介質，含水而非飽和的巖樣為三相介質，充填于孔隙中的流體（如水和空氣等）的熱導率遠遠小于巖石基質的熱導率，因此巖石的熱導率一般隨著孔隙率的增大而減小.這種影響在沉積巖當中表現得尤為明顯.CLAUSER 等［22］認為，礦物組成對各類巖石熱導率的影響均較大，特別是石英含量，但火山巖和沉積巖的熱導率除了受礦物組成影響之外，還受巖石中孔隙率的影響.

含水飽和率也會影響巖石原位熱導率［23］.由于大多數巖石都具有一定的孔隙率，地下熱傳導一般是在飽水情況下進行的，而實際測量時樣品是干燥的，孔隙當中充填的是空氣，而在飽水狀態下空隙充填的是水.空氣的熱導率（0.025 W/（m·K））遠小于水的熱導率（0.067 W/（m·K））［24］，這就導致干燥巖石樣品的熱導率可能低于巖石的原位熱導率.

本研究雖然沒有開展巖石樣品孔隙率測量和飽水實驗，但是開展了與孔隙率相關的吸水率測試，測試結果請掃描論文末頁右下角二維碼查看補充材料表S2.由表S2 可見，36 個測試樣品的平均吸水率為0.61%.一般來說，吸水率較低，巖石的孔隙率也就相對較低.張娜等［25］通過有關孔隙率對巖石吸水率影響的實驗，比較分析3組巖樣平均有效孔隙率與平均吸水率之間的關系，發現它們之間具有較好的正相關關系.楊淑貞等［23］對孔隙巖石的飽水試驗研究發現，對于低孔隙率的致密巖類，干試樣與飽水試樣熱導率的差值不大，可不作校正.

另外，巖石的原位熱導率與在室溫常壓條件下實測得到的熱導率可能存在一定的差別.一方面巖石礦物晶體的傳熱幾乎完全依靠晶格的震動來實現，當溫度升高時，由非諧振動發散引起的平均自由程減小，從而導致巖石的熱導率降低［26］；另一方面，隨著巖石埋深的增大，巖石的壓實程度增高，使得巖石的孔隙、裂縫趨于閉合，孔隙率減小，從而導致熱導率增大.所以一般情況下，巖石的熱導率隨著溫度的升高而減小，隨著壓力增大而增大［27］，溫度和壓力對于巖石熱導率的影響在一定程度上是可以相互抵消的.由于本研究中的巖石樣品大多數埋深較淺（＜ 500 m），受到的地層壓力較小，因此，在實驗室常壓條件下實測的巖石熱導率應該接近真實的原位熱導率.巖石樣品原位溫度大多在23.7 ～ 40.0 ℃之間，與室溫差別不大，因此，在室溫條件下實測的巖石熱導率也比較能夠反映真實的原位熱導率.

3.4 熱導率測試結果的大地熱流含義

由地球內部以傳導的形式單位時間通過某一地區單位面的熱流稱為該地區的大地熱流，簡稱熱流.大地熱流是表征地球內部熱狀態和熱結構最直接最基礎的地球物理參數，在數值上等于巖石熱導率和地溫梯度的乘積.目前尚未見關于惠州地區大地熱流的報道，迄今粵港澳大灣區中國大陸地區大地熱流匯編［28］中僅有廣州和深圳共計5 個熱流數據，平均地溫梯度和熱導率分別為22.46 K/km 和3.34 W/（m·K），平均熱流值為75 mW/m2，明顯高于全國平均值（60.4 ± 12.3） mW/m2.本研究207個巖芯樣品熱導率平均為（3.25 ± 0.52） W/（m·K），略低于前人報道的熱導率平均值［28］.目前，惠州地區的鉆孔溫度數據正在處理之中，從初步結果看，研究區的地溫梯度可能高于廣州和深圳地區的平均地溫梯度.目前尚未獲得具有代表性的地溫梯度數據，還不足以討論研究區的大地熱流分布，但本研究鉆孔巖芯樣品熱導率的測定為后續研究區大地熱流和巖石圈熱結構分析奠定了重要的數據基礎.

結 語

中國廣東惠州地區22個鉆孔207個巖芯樣品的巖石熱導率主要分布在2.5 ～ 4.0 W/（m·K）之間，平均值為（3.25 ± 0.52） W/（m·K）.沉積巖類中，砂巖、礫巖和灰巖樣品的平均熱導率值分別為3.40、3.15 和3.12 W/（m·K）；火成巖類中，輝綠巖、輝綠玢巖、花崗巖和熔結凝灰巖熱導率分別為1.84、3.08、3.33和3.24 W/（m·K）；變質巖類中，花崗片麻巖、變質砂巖、變質粉砂巖和大理巖分別為2.81、3.38、3.92和3.48 W/（m·K）.

本研究熱導率測試的巖芯樣品所處地層主要包括泥盆系、石炭系和侏羅系等，埋深范圍為17～1 300 m，但大部分樣品集中在埋深小于500 m的淺部地層，因此實測巖石熱導率隨深度變化的趨勢不明顯.

惠州地區巖石樣品熱導率測量結果與熊亮萍等［13］在中國東南地區采集測量的同類巖石熱導率高度一致，但砂巖熱導率明顯高于四川盆地和松遼盆地同類巖石樣品的熱導率，其主要原因是包括惠州地區在內的東南地區砂巖中石英含量高，惠州地區的巖石熱導率主要受礦物成分的控制.

本研究對從惠州地區22 個鉆孔采集的具有代表性的沉積巖、侵入巖和變質巖共計207個巖芯樣品進行了熱導率測試及其影響因素分析，填補了研究區巖芯樣品熱導率數據的空白，為后續研究區大地熱流和巖石圈熱結構分析提供了數據基礎.