地質(zhì)材料

測(cè)量地質(zhì)材料的熱導(dǎo)率

了解地質(zhì)樣品（包括巖芯樣品及相關(guān)鉆探應(yīng)用）的熱導(dǎo)率，對(duì)于設(shè)備和地下基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。C-Therm MTPS 傳感器能夠在各種溫度和壓力條件下對(duì)這類巖芯樣品進(jìn)行快速表征，而 TLS 針狀探頭則有助于對(duì)骨料和土壤進(jìn)行表征。

圖1. C-Therm 儀器被應(yīng)用于全球地?zé)峥睖y(cè)。該系統(tǒng)能夠部署在陸地和海洋的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室單元中。圖中是 Seaforth Geosurveys 的研究人員在測(cè)試從海底提取的樣本的熱導(dǎo)率。Seaforth Geosurveys 勘探船的船上實(shí)驗(yàn)室選擇 C-Therm 儀器進(jìn)行有效的熱導(dǎo)率表征。該儀器的便攜性和易用性使 Seaforth Geosurvy 的技術(shù)人員能夠在全天候作業(yè)中，快速、準(zhǔn)確且一致地測(cè)量地質(zhì)巖芯樣本的熱導(dǎo)率。

圖2. Trident熱導(dǎo)率分析儀

圖3. 美國(guó)康涅狄格州能源與環(huán)境部的研究人員利用 C-Therm 公司的 MTPS 熱導(dǎo)率儀，繪制了該地區(qū)地源熱交換器的分布圖。圖片來(lái)源：https://portal.ct.gov/-/media/DEEP/geology/geothermal/Bedrockthermalconductivitymappdf.pdf

案例亮點(diǎn)一

地?zé)崮茉错?xiàng)目 —— 基巖熱導(dǎo)率調(diào)查

康涅狄格州和馬薩諸塞州地質(zhì)調(diào)查局合作開(kāi)展了一項(xiàng)國(guó)家地?zé)釘?shù)據(jù)項(xiàng)目，該項(xiàng)目由美國(guó)能源部通過(guò)美國(guó)州地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)資助。目標(biāo)是開(kāi)發(fā)相關(guān)信息，以協(xié)助定位深層地?zé)豳Y源，并為基巖和松散沉積物中增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。本研究的主要關(guān)注點(diǎn)是那些被認(rèn)為有能力在深部產(chǎn)生放射性熱的基巖單元。樣本的重量通常在 0.2 至 1.0 千克之間。使用采用改良瞬態(tài)平面源技術(shù)的 C-Therm TCi 熱導(dǎo)率儀，對(duì)這些樣本的拋光平板進(jìn)行了以W/m/°K為單位的熱導(dǎo)率（K）測(cè)量（圖 3）。

該地圖是康涅狄格州地?zé)崮茼?xiàng)目地圖系列的一部分?？的腋裰莸?zé)崮茼?xiàng)目的所有數(shù)據(jù)和地圖產(chǎn)品均可通過(guò)www.stategeothermaldata.org獲取，這是一個(gè)由 50 個(gè)州合作建立的門(mén)戶網(wǎng)站，基于美國(guó)地球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)（USGIN）的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，由亞利桑那州地質(zhì)調(diào)查局托管。

案例亮點(diǎn)二

為閉環(huán)地源熱泵（或地埋管換熱器）的應(yīng)用提供支持的熱導(dǎo)率測(cè)量

（編者按：以下內(nèi)容節(jié)選自馬特?格羅貝（Matt Grobe）為艾伯塔地質(zhì)調(diào)查局撰寫(xiě)的綜合報(bào)告，標(biāo)題為《地球科學(xué)信息在艾伯塔省閉環(huán)地源熱泵系統(tǒng)（地?zé)崮芙粨Q）實(shí)施中的重要性》）

與地?zé)崮艹邪虆f(xié)會(huì)以及各級(jí)政府（市、省、聯(lián)邦）代表的討論表明，地球科學(xué)信息對(duì)于選擇、合理設(shè)計(jì)和實(shí)施地源地?zé)崮埽ǖ責(zé)崮芙粨Q）系統(tǒng)至關(guān)重要。地球科學(xué)信息對(duì)于解決土地使用問(wèn)題以及與廣泛采用該技術(shù)相關(guān)的潛在環(huán)境問(wèn)題也至關(guān)重要。

地表和地下地質(zhì)材料的變異性表現(xiàn)為不同的鉆探條件以及不同的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率數(shù)值。地質(zhì)圖顯示了大多數(shù)地點(diǎn)可能存在的土壤、沉積物和基巖類型。然而，將這些地圖轉(zhuǎn)化為地?zé)崮芙粨Q從業(yè)者可用信息的作用有限，原因如下：1）已公布的熱特性（熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率）與地質(zhì)材料類型的相關(guān)數(shù)值差異很大；2）地質(zhì)材料分類不一定能為評(píng)估土壤和巖石層的可鉆性提供有用信息。

2007 年 8 月，艾伯塔地質(zhì)調(diào)查局（AGS）啟動(dòng)了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目涉及在艾伯塔省收集淺層溫度數(shù)據(jù)以及測(cè)量淺層地球物質(zhì)（表層沉積物、淺層基巖單元）的熱導(dǎo)率。這項(xiàng)活動(dòng)的目的是驗(yàn)證以下假設(shè)：熱導(dǎo)率數(shù)值與地質(zhì)材料類型相關(guān)，并且在沒(méi)有公開(kāi)可用數(shù)值的情況下，現(xiàn)有的表層物質(zhì)地質(zhì)圖可用于估算熱導(dǎo)率。

該項(xiàng)目方案包括：1）測(cè)量從露頭和地表暴露處采集的巖石和沉積物樣本的熱特性；2）將從專門(mén)鉆探的鉆孔巖芯樣本得出的熱特性平均值，與通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法在同一鉆孔中實(shí)際測(cè)量的原位熱特性進(jìn)行比較。

此外，AGS 通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的建模練習(xí)，探究了地質(zhì)學(xué)與地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)性，并計(jì)算了高估場(chǎng)地?zé)釋?dǎo)率對(duì)成本的影響。

熱導(dǎo)率結(jié)果：

這項(xiàng)活動(dòng)的目標(biāo)是收集艾伯塔省不同類型的地表和地下地球物質(zhì)（沉積物、巖石）的熱物性測(cè)量數(shù)據(jù)，以檢驗(yàn)制作熱物性地圖的實(shí)用性。

計(jì)劃的方法是：1）獲取從露頭采集的巖石和沉積物樣本以及從專門(mén)鉆探的鉆孔中獲取的巖芯樣本的熱物性數(shù)值；2）將巖芯樣本的平均熱物性與在同一鉆孔中通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)原位方法測(cè)量的實(shí)際數(shù)值進(jìn)行比較。

為了對(duì)地球物質(zhì)的熱物性進(jìn)行測(cè)量，AGS 使用了 C - Therm TCi?熱導(dǎo)率分析儀。

圖3. C - Therm TCi?熱導(dǎo)率分析儀

熱導(dǎo)率分析儀基于改進(jìn)的瞬態(tài)平面源技術(shù)。它使用一種單面界面熱反射傳感器，該傳感器向樣品施加短暫的恒定熱脈沖。所提供的熱量會(huì)導(dǎo)致傳感器與樣品之間界面處的溫度升高。這種界面處的溫度升高會(huì)引起傳感器元件電壓的變化。傳感器電壓的上升速率用于確定樣品材料的熱物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)）。樣品材料的熱物理性質(zhì)與傳感器電壓的上升速率成反比：材料的隔熱性越強(qiáng)，電壓上升就越陡峭。該分析是非破壞性的，但要求樣品與傳感器之間有一個(gè)平坦的接觸表面。樣品表面的輕微不平整可通過(guò)使用接觸劑（通常是水）來(lái)補(bǔ)償。

對(duì)制造商提供的標(biāo)準(zhǔn)材料進(jìn)行測(cè)量，其精度和準(zhǔn)確度分別優(yōu)于 1% 和 5%。

測(cè)試針對(duì)多種地球材料（沉積物和巖石）展開(kāi)。為獲得平整的接觸面，對(duì)于未固結(jié)但具粘性的沉積物，用刀切割；對(duì)于巖石，則用巖鋸切割。切割方向垂直于層理。干燥的巖石樣品需用蒸餾水重新浸泡過(guò)夜。

對(duì)完全飽和的巖石和堅(jiān)固沉積物的測(cè)試結(jié)果，均呈現(xiàn)在文獻(xiàn)內(nèi)(Birch and Clark, 1940; Kappelmeyer and Haenel, 1974; Roy et al., 1981; Cermak and Rybach, 1982; Robertson, 1988; Zoth and Haenel, 1988)。

黑斯廷斯湖試驗(yàn)場(chǎng)沉積物與巖石的熱導(dǎo)率

對(duì) 9 個(gè)冰磧物巖芯樣本和 66 個(gè)馬蹄峽谷組巖芯樣本進(jìn)行了熱導(dǎo)率測(cè)量。如前所述，巖芯已用保鮮膜和鋁箔包裹，以防干燥。將巖芯段逐一打開(kāi)，并從巖芯中心取樣。迅速稱取冰磧物樣本的重量（以測(cè)定含水量），然后立即將其放置在 TCi 傳感器上進(jìn)行熱分析。基巖樣本則未經(jīng)稱重直接放置在傳感器上。在熱分析之前，對(duì)樣本進(jìn)行目視檢查，并將其大致歸類為不同的巖性類別（即砂、粉砂、黏土、砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖、煤、膨潤(rùn)土）。對(duì)樣本的詳細(xì)結(jié)構(gòu)（粒度、分選性、孔隙度）和成分（礦物學(xué)）分析仍有待進(jìn)行，這將完善樣本的巖性分類。

回收的冰磧物（分為砂、粉砂和黏土）測(cè)得的熱導(dǎo)率在 1.8 至 3.2 W/m?K 之間，平均為 2.4 W/m?K。然而，由于未固結(jié)的冰磧物巖芯采取率較低（即取芯間隔大多為更致密的富含黏土的粉砂和黏土，而較松散的砂和礫石在鉆探過(guò)程中被沖走），這些樣本被認(rèn)為不能代表所遇到的沉積物類型。因此，無(wú)法獲得冰磧物熱導(dǎo)率的厚度加權(quán)平均值。含水量范圍從 10.65 米深處回收的粉砂質(zhì)砂中的 8.2 wt.%，到 5.9 米深處粉砂質(zhì)黏土中的 21 wt.%。除樣本 1 外，對(duì)于粉砂樣本，可以觀察到熱導(dǎo)率隨含水量增加而降低的總體趨勢(shì)。在 0.3 米深處采集的樣本 1 的低電導(dǎo)率，可能是由于風(fēng)化作用和存在分散的有機(jī)物。

表 1. 黑斯廷斯湖社區(qū)禮堂場(chǎng)地取芯的沉積物和巖石類型的實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率（k）范圍和平均值。冰磧物樣本取自 HL - 08 - 01 鉆孔，基巖樣本取自 HL - 08 - 01 和 HL - 08 - 02 鉆孔

1 表示漂移沉降樣本。

表 2. 黑斯廷斯湖社區(qū)會(huì)堂場(chǎng)地 HL - 08 - 01 鉆孔中未固結(jié)漂積物樣品的實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率和含水量。

回收的基巖類型的實(shí)測(cè)熱導(dǎo)率，在某些煤樣的 0.6 W/m?K 與某些粉砂巖和砂巖樣品的 2.7 W/m?K 之間（表 1）。由于基巖單元的巖芯回收率良好，AGS 研究人員嘗試計(jì)算熱導(dǎo)率的厚度加權(quán)平均值（表 3）。

表 3. 黑斯廷斯湖社區(qū)會(huì)堂場(chǎng)地飽和基巖類型的厚度加權(quán)平均熱導(dǎo)率

黑斯廷斯湖社區(qū)會(huì)堂場(chǎng)地所穿透的 77 m基巖類型的綜合熱導(dǎo)率計(jì)算為 1.97 W/m?K 。

由于缺乏具有代表性的漂積物樣本，且樣本巖性的確定尚處于初步階段，因此，將這些數(shù)值與從瞬變平面熱源法（FTC）測(cè)試（見(jiàn)報(bào)告）中獲得的數(shù)值直接進(jìn)行比較，時(shí)機(jī)尚不成熟。然而，考慮到這些不確定性，計(jì)算得出的 1.97 W/m?K）的綜合熱導(dǎo)率，與通過(guò) FTC 測(cè)試得到的淺鉆孔（主要為冰磧沉積物，熱導(dǎo)率為 2.01 W/m?K）和深鉆孔（43 m冰磧沉積物和 77 W/m?K 基巖，熱導(dǎo)率為 1.74 W/m?K）的值相當(dāng)接近。似乎 FTC 測(cè)試得出的熱導(dǎo)率，低于根據(jù)巖芯樣本熱分析得出的加權(quán)平均值綜合計(jì)算得出的熱導(dǎo)率。這可能是因?yàn)闊釋?dǎo)率測(cè)量是在從巖芯中獲取的保存最完好（擾動(dòng)最小）的樣本上進(jìn)行的。這消除了天然存在的充水裂縫的影響（即在基巖段上部，靠近基巖 - 漂積物界面處），這些裂縫通常會(huì)降低給定沉積物或巖石單元的熱導(dǎo)率（水的熱導(dǎo)率為 0.6 W/m?K）。為了建立更好的校準(zhǔn)方法，有必要增加現(xiàn)場(chǎng) FTC 測(cè)試與根據(jù)巖芯樣本計(jì)算得出的綜合熱導(dǎo)率數(shù)值進(jìn)行比較的機(jī)會(huì)。不過(guò)，計(jì)算得出的綜合熱導(dǎo)率可作為該場(chǎng)地基巖材料最大熱導(dǎo)率的估計(jì)值。