唐科， 黃少鵬， 魏正安， 張敏， 趙欣楠， 劉遠(yuǎn)周

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

巖石熱物性參數(shù)是表征地球內(nèi)部熱的傳遞、儲存和生成的一系列參數(shù)，包括巖石的熱導(dǎo)率、比熱、熱擴(kuò)散率和放射性生熱率等［1］.其中，巖石熱導(dǎo)率表示的是巖石導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，是研究一個(gè)地區(qū)大地?zé)崃鳌⑸畈繜釥顟B(tài)和巖石圈熱結(jié)構(gòu)以及地?zé)豳Y源評價(jià)中不可或缺的熱物性參數(shù)［2-3］，在采礦、油氣勘探和土木工程等領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用.

惠州位于中國粵港澳大灣區(qū)的東部，包括惠州在內(nèi)的大灣區(qū)是中國開放程度最高、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的區(qū)域之一，對新能源的需求旺盛.地?zé)崮茏鳛橐环N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(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn).已有研究表明，在惠州地區(qū)內(nèi)有很多地方極具地?zé)豳Y源開發(fā)利用的潛力［4-5］，但是目前惠州地區(qū)的地?zé)豳Y源開發(fā)利用形式單一，地?zé)豳Y源科學(xué)化和綜合化利用程度不高，其重要原因是地?zé)嵫芯砍潭鹊?，缺乏對于熱?dǎo)率等重要熱物性參數(shù)的觀測數(shù)據(jù).

本研究對采集自惠州地區(qū)的207個(gè)巖石樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率測試，統(tǒng)計(jì)得到研究區(qū)巖石熱導(dǎo)率整體分布情況，分析了研究區(qū)的不同巖性熱導(dǎo)率參數(shù)特征，熱導(dǎo)率隨深度的變化規(guī)律，以及熱導(dǎo)率的影響因素，為惠州地區(qū)開展后續(xù)大地?zé)崃饔?jì)算及地?zé)豳Y源評價(jià)等提供數(shù)據(jù)支撐.

1 地質(zhì)背景

惠州位于中國廣東省中東部，在大地構(gòu)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(qū)經(jīng)歷了多期次復(fù)雜的構(gòu)造演化.晚中生代以來，經(jīng)歷了由特提斯構(gòu)造域向太平洋構(gòu)造域的轉(zhuǎn)變，古太平洋俯沖造成了包括研究區(qū)在內(nèi)的整個(gè)華南地區(qū)發(fā)生廣泛的巖漿-構(gòu)造活動［6］.區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造方向以北東向?yàn)橹鳎越鼥|西向和北西向?yàn)檩o.深大斷裂主要有紫金-博羅斷裂和河源斷裂，對本區(qū)域的構(gòu)造格局、地質(zhì)演化發(fā)揮重要的控制作用.

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料［7-9］，研究區(qū)內(nèi)地層較為復(fù)雜，從老到新有震旦系-寒武系（變質(zhì)砂巖和千枚巖）、泥盆系（白云質(zhì)灰?guī)r和大理巖）、三疊系-侏羅系（頁巖、粉砂巖和細(xì)砂巖）、白堊系（粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r）古近系以及第四系（砂和砂礫石）.受構(gòu)造運(yùn)動的影響，研究區(qū)經(jīng)歷了多期次劇烈?guī)r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(fā)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(dǎo)率測試與結(jié)果

2.1 樣品測試

本次熱導(dǎo)率測量的207個(gè)巖芯樣品選自22個(gè)鉆井，其巖性主要是砂巖、灰?guī)r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(qū)主要巖石類型.鉆井位置及地理坐標(biāo)分別如圖1 和表1所示，樣品相關(guān)信息及測試結(jié)果請掃描論文末頁二維碼查看補(bǔ)充材料表S1.

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

圖1 惠州地區(qū)地質(zhì)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(dǎo)率測試所用光學(xué)掃描熱導(dǎo)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(shí)高效、對測試樣品無損壞和準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外巖石熱導(dǎo)率測量工作當(dāng)中，如法國EPS1鉆孔巖石物理非均質(zhì)性研究［10］，鄂爾多斯盆地巖石熱導(dǎo)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(gè)大氣壓）環(huán)境下，儀器通過1 個(gè)移動的熱源對巖芯樣品進(jìn)行掃描，低溫傳感器和高溫傳感器連續(xù)記錄待測樣品被測面加熱前后的溫度，根據(jù)加熱前后兩個(gè)傳感器接收到的溫度差值，并與已知熱導(dǎo)率的標(biāo)樣進(jìn)行對比，計(jì)算出樣品的熱導(dǎo)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(diǎn)吸收的熱量Q、熱源與測點(diǎn)的距離x和待測樣品熱導(dǎo)率λ，其關(guān)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(biāo)樣的熱導(dǎo)率λs之間存在以下關(guān)系，

其中，ΔTm和ΔTs分別為待測樣品和標(biāo)樣升溫值.

2.2 測試結(jié)果

圖2 為惠州地區(qū)不同巖石熱導(dǎo)率分布直方圖.熱導(dǎo)率測量結(jié)果顯示，惠州地區(qū)207 個(gè)樣品巖石熱導(dǎo)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(gè)別樣品較高，可達(dá)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(qū)不同巖石熱導(dǎo)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(tǒng)計(jì)的結(jié)果（n代表巖石樣品個(gè)數(shù)）.由表2 可見，砂巖熱導(dǎo)率相對偏高，礫巖和灰?guī)r的熱導(dǎo)率較為接近.巖漿巖類巖石中，花崗巖熱導(dǎo)率與熔結(jié)凝灰?guī)r熱導(dǎo)率相差不大.輝綠巖和輝綠玢巖樣品數(shù)量少，不確定性比較大.變質(zhì)巖類巖石中，花崗片麻巖、變質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)砂巖和大理巖相比，花崗片麻巖的熱導(dǎo)率較小，變質(zhì)砂巖和大理巖的熱導(dǎo)率較大且較為接近.

表2 惠州地區(qū)不同巖石的熱導(dǎo)率Table 2 Thermal conductivity of different rocks in Huizhou

圖3為巖芯數(shù)目較多的砂巖、灰?guī)r和花崗巖熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖.由圖3 可見，在研究區(qū)內(nèi)，同一巖性不同巖石樣品之間以及不同巖性之間熱導(dǎo)率存在著明顯的差異.研究區(qū)內(nèi)變質(zhì)粉砂巖的熱導(dǎo)率最高，其次是砂巖，花崗片麻巖的熱導(dǎo)率最低.砂巖的熱導(dǎo)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(dǎo)致孔隙率變化大相關(guān).

圖3 砂巖、 灰?guī)r和花崗巖熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dǎo)率測量結(jié)果（圖4）看，砂巖、灰?guī)r、花崗巖熱導(dǎo)率與深度相關(guān)性不大.這很可能是因?yàn)樗蓸悠返纳疃缺容^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(dǎo)率隨深度變化的趨勢不明顯.

圖4 （a）砂巖、 （b）灰?guī)r和（c）花崗巖樣品熱導(dǎo)率與深度的關(guān)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(qū)巖石熱導(dǎo)率對比

熊亮萍等［13］報(bào)道了在中國東南地區(qū)從109個(gè)鉆孔中采集的712個(gè)巖石樣品的熱導(dǎo)率測量結(jié)果，對比本研究惠州地區(qū)與東南地區(qū)巖石熱導(dǎo)率測量（表3）.由表3可發(fā)現(xiàn)，兩項(xiàng)研究中的砂巖、礫巖、灰?guī)r、花崗巖和大理巖熱導(dǎo)率值相近，礫巖熱導(dǎo)率相差最大為0.38 W/（m·K），在測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi).大理巖在惠州地區(qū)和東南地區(qū)的各同類巖石對比中熱導(dǎo)率均為最大，其原因可能在于大理巖屬變質(zhì)巖類，經(jīng)過重結(jié)晶作用和變質(zhì)作用后，一方面會使巖石孔隙度降低，結(jié)構(gòu)更致密，熱導(dǎo)率升高［14］；另一方面，經(jīng)過變質(zhì)作用后巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物組成等發(fā)生變化，導(dǎo)致熱導(dǎo)率發(fā)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(dǎo)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(guān).東南地區(qū)采集的712 塊巖石樣品熱導(dǎo)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(gè)巖石樣品熱導(dǎo)率的測量結(jié)果一致，惠州地區(qū)巖石熱導(dǎo)率（圖2）整體上也呈現(xiàn)出類似的分布規(guī)律.

3.2 礦物成分對巖石熱導(dǎo)率的影響

巖石熱導(dǎo)率的高低很大程度上取決于其造巖礦物熱導(dǎo)率的高低.不同礦物之間的熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率相對較大，是影響巖石熱導(dǎo)率的主要礦物成分，例如石英砂巖的熱導(dǎo)率值最高可達(dá)6.46 W/（m·K）［13］.ZHAO等［16］通過對47塊花崗巖巖樣進(jìn)行了熱導(dǎo)率測試研究，發(fā)現(xiàn)在孔隙率相同且完全飽水時(shí)，巖石熱導(dǎo)率主要由石英含量決定，隨著石英含量的增加，熱導(dǎo)率明顯增大.

TANG 等［17］和李瀟等［18］分別發(fā)表了四川盆地和松遼盆地沉積巖的熱導(dǎo)率測量成果，這兩個(gè)地區(qū)的平均砂巖樣品熱導(dǎo)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(qū)和東南地區(qū)［12］砂巖平均熱導(dǎo)率（3.40 W/（m·K）和3.41 W/（m·K））.造成這種熱導(dǎo)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(qū)中生界儲層特征研究結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)上三疊統(tǒng)巖石類型主要為長石石英砂巖，石英體積分?jǐn)?shù)大于75%；侏羅系巖石類型絕大多數(shù)為石英砂巖，石英及硅質(zhì)巖屑體積分?jǐn)?shù)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(qū)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?jǐn)?shù)）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?jǐn)?shù)僅為21.8%～33.9%［20］.四川盆地侏羅系地層砂巖石英體積分?jǐn)?shù)也小于惠州地區(qū)，為35%～89%，平均為50%［21］.石英是主要的造巖礦物之一，且熱導(dǎo)率相對較大，其含量的多少對巖石熱導(dǎo)率具有重大影響.因此，惠州地區(qū)和東南地區(qū)砂巖中較高的石英含量可能是該地區(qū)砂巖熱導(dǎo)率顯著高于四川盆地和松遼盆地砂巖熱導(dǎo)率的直接原因.

本研究巖石熱導(dǎo)率測試結(jié)果中，變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖以及花崗巖的熱導(dǎo)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(guān)系.比如，大理巖的主要礦物成分為方解石，灰?guī)r的主要礦物成分為方解石和白云石，熱導(dǎo)率相對較高的方解石和白云石是本地區(qū)大理巖和白云巖熱導(dǎo)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(dǎo)率較小，這也直接造成了花崗片麻巖的熱導(dǎo)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?jǐn)?shù)為60%以上）和輝石（體積分?jǐn)?shù)不超過40%），盡管輝石的熱導(dǎo)率較大，但含量較高的長石具有相對較低的熱導(dǎo)率，使得輝綠巖和輝綠玢巖的熱導(dǎo)率相對較小.從礦物學(xué)的角度看，研究區(qū)的熔結(jié)凝灰?guī)r與流紋巖的成分相當(dāng)，主要由硅質(zhì)礦物構(gòu)成，因此，其熱導(dǎo)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(dǎo)率的影響

對于礦物組成相近的巖石樣品，熱導(dǎo)率依然會存在一定的差距，這可能與其孔隙率不同相關(guān).大多數(shù)巖石都具有孔隙，含孔隙巖石是一種多相介質(zhì)系統(tǒng)，干巖樣和飽水巖樣均屬二相介質(zhì)，含水而非飽和的巖樣為三相介質(zhì)，充填于孔隙中的流體（如水和空氣等）的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石基質(zhì)的熱導(dǎo)率，因此巖石的熱導(dǎo)率一般隨著孔隙率的增大而減小.這種影響在沉積巖當(dāng)中表現(xiàn)得尤為明顯.CLAUSER 等［22］認(rèn)為，礦物組成對各類巖石熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率［23］.由于大多數(shù)巖石都具有一定的孔隙率，地下熱傳導(dǎo)一般是在飽水情況下進(jìn)行的，而實(shí)際測量時(shí)樣品是干燥的，孔隙當(dāng)中充填的是空氣，而在飽水狀態(tài)下空隙充填的是水.空氣的熱導(dǎo)率（0.025 W/（m·K））遠(yuǎn)小于水的熱導(dǎo)率（0.067 W/（m·K））［24］，這就導(dǎo)致干燥巖石樣品的熱導(dǎo)率可能低于巖石的原位熱導(dǎo)率.

本研究雖然沒有開展巖石樣品孔隙率測量和飽水實(shí)驗(yàn)，但是開展了與孔隙率相關(guān)的吸水率測試，測試結(jié)果請掃描論文末頁右下角二維碼查看補(bǔ)充材料表S2.由表S2 可見，36 個(gè)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(guān)孔隙率對巖石吸水率影響的實(shí)驗(yàn)，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(guān)系，發(fā)現(xiàn)它們之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系.楊淑貞等［23］對孔隙巖石的飽水試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于低孔隙率的致密巖類，干試樣與飽水試樣熱導(dǎo)率的差值不大，可不作校正.

另外，巖石的原位熱導(dǎo)率與在室溫常壓條件下實(shí)測得到的熱導(dǎo)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(shí)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高時(shí)，由非諧振動發(fā)散引起的平均自由程減小，從而導(dǎo)致巖石的熱導(dǎo)率降低［26］；另一方面，隨著巖石埋深的增大，巖石的壓實(shí)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(dǎo)致熱導(dǎo)率增大.所以一般情況下，巖石的熱導(dǎo)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(dǎo)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(shù)埋深較淺（＜ 500 m），受到的地層壓力較小，因此，在實(shí)驗(yàn)室常壓條件下實(shí)測的巖石熱導(dǎo)率應(yīng)該接近真實(shí)的原位熱導(dǎo)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(shí)測的巖石熱導(dǎo)率也比較能夠反映真實(shí)的原位熱導(dǎo)率.

3.4 熱導(dǎo)率測試結(jié)果的大地?zé)崃骱x

由地球內(nèi)部以傳導(dǎo)的形式單位時(shí)間通過某一地區(qū)單位面的熱流稱為該地區(qū)的大地?zé)崃?，簡稱熱流.大地?zé)崃魇潜碚鞯厍騼?nèi)部熱狀態(tài)和熱結(jié)構(gòu)最直接最基礎(chǔ)的地球物理參數(shù)，在數(shù)值上等于巖石熱導(dǎo)率和地溫梯度的乘積.目前尚未見關(guān)于惠州地區(qū)大地?zé)崃鞯膱?bào)道，迄今粵港澳大灣區(qū)中國大陸地區(qū)大地?zé)崃鲄R編［28］中僅有廣州和深圳共計(jì)5 個(gè)熱流數(shù)據(jù)，平均地溫梯度和熱導(dǎo)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(gè)巖芯樣品熱導(dǎo)率平均為（3.25 ± 0.52） W/（m·K），略低于前人報(bào)道的熱導(dǎo)率平均值［28］.目前，惠州地區(qū)的鉆孔溫度數(shù)據(jù)正在處理之中，從初步結(jié)果看，研究區(qū)的地溫梯度可能高于廣州和深圳地區(qū)的平均地溫梯度.目前尚未獲得具有代表性的地溫梯度數(shù)據(jù)，還不足以討論研究區(qū)的大地?zé)崃鞣植迹狙芯裤@孔巖芯樣品熱導(dǎo)率的測定為后續(xù)研究區(qū)大地?zé)崃骱蛶r石圈熱結(jié)構(gòu)分析奠定了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

結(jié) 語

中國廣東惠州地區(qū)22個(gè)鉆孔207個(gè)巖芯樣品的巖石熱導(dǎo)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?guī)r樣品的平均熱導(dǎo)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(jié)凝灰?guī)r熱導(dǎo)率分別為1.84、3.08、3.33和3.24 W/（m·K）；變質(zhì)巖類中，花崗片麻巖、變質(zhì)砂巖、變質(zhì)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(dǎo)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(shí)測巖石熱導(dǎo)率隨深度變化的趨勢不明顯.

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

本研究對從惠州地區(qū)22 個(gè)鉆孔采集的具有代表性的沉積巖、侵入巖和變質(zhì)巖共計(jì)207個(gè)巖芯樣品進(jìn)行了熱導(dǎo)率測試及其影響因素分析，填補(bǔ)了研究區(qū)巖芯樣品熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)的空白，為后續(xù)研究區(qū)大地?zé)崃骱蛶r石圈熱結(jié)構(gòu)分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ).