地质材料

测量地质材料的热导率

了解地质样品（包括岩芯样品及相关钻探应用）的热导率，对于设备和地下基础设施的设计至关重要。C-Therm MTPS 传感器能够在各种温度和压力条件下对这类岩芯样品进行快速表征，而 TLS 针状探头则有助于对骨料和土壤进行表征。

图1. C-Therm 仪器被应用于全球地热勘测。该系统能够部署在陆地和海洋的移动实验室单元中。图中是 Seaforth Geosurveys 的研究人员在测试从海底提取的样本的热导率。Seaforth Geosurveys 勘探船的船上实验室选择 C-Therm 仪器进行有效的热导率表征。该仪器的便携性和易用性使 Seaforth Geosurvy 的技术人员能够在全天候作业中，快速、准确且一致地测量地质岩芯样本的热导率。

图2. Trident热导率分析仪

图3. 美国康涅狄格州能源与环境部的研究人员利用 C-Therm 公司的 MTPS 热导率仪，绘制了该地区地源热交换器的分布图。图片来源：https://portal.ct.gov/-/media/DEEP/geology/geothermal/Bedrockthermalconductivitymappdf.pdf

案例亮点一

地热能源项目 —— 基岩热导率调查

康涅狄格州和马萨诸塞州地质调查局合作开展了一项国家地热数据项目，该项目由美国能源部通过美国州地质学家协会资助。目标是开发相关信息，以协助定位深层地热资源，并为基岩和松散沉积物中增强型地热系统的优化设计提供数据。本研究的主要关注点是那些被认为有能力在深部产生放射性热的基岩单元。样本的重量通常在 0.2 至 1.0 千克之间。使用采用改良瞬态平面源技术的 C-Therm TCi 热导率仪，对这些样本的抛光平板进行了以W/m/°K为单位的热导率（K）测量（图 3）。

该地图是康涅狄格州地热能项目地图系列的一部分。康涅狄格州地热能项目的所有数据和地图产品均可通过www.stategeothermaldata.org获取，这是一个由 50 个州合作建立的门户网站，基于美国地球科学信息网络（USGIN）的协议和标准构建，由亚利桑那州地质调查局托管。

案例亮点二

为闭环地源热泵（或地埋管换热器）的应用提供支持的热导率测量

（编者按：以下内容节选自马特・格罗贝（Matt Grobe）为艾伯塔地质调查局撰写的综合报告，标题为《地球科学信息在艾伯塔省闭环地源热泵系统（地热能交换）实施中的重要性》）

与地热能承包商协会以及各级政府（市、省、联邦）代表的讨论表明，地球科学信息对于选择、合理设计和实施地源地热能（地热能交换）系统至关重要。地球科学信息对于解决土地使用问题以及与广泛采用该技术相关的潜在环境问题也至关重要。

地表和地下地质材料的变异性表现为不同的钻探条件以及不同的热导率和热扩散率数值。地质图显示了大多数地点可能存在的土壤、沉积物和基岩类型。然而，将这些地图转化为地热能交换从业者可用信息的作用有限，原因如下：1）已公布的热特性（热导率和热扩散率）与地质材料类型的相关数值差异很大；2）地质材料分类不一定能为评估土壤和岩石层的可钻性提供有用信息。

2007 年 8 月，艾伯塔地质调查局（AGS）启动了一个试点项目，该项目涉及在艾伯塔省收集浅层温度数据以及测量浅层地球物质（表层沉积物、浅层基岩单元）的热导率。这项活动的目的是验证以下假设：热导率数值与地质材料类型相关，并且在没有公开可用数值的情况下，现有的表层物质地质图可用于估算热导率。

该项目方案包括：1）测量从露头和地表暴露处采集的岩石和沉积物样本的热特性；2）将从专门钻探的钻孔岩芯样本得出的热特性平均值，与通过标准方法在同一钻孔中实际测量的原位热特性进行比较。

此外，AGS 通过一个简单的建模练习，探究了地质学与地热能交换系统运行的相关性，并计算了高估场地热导率对成本的影响。

热导率结果：

这项活动的目标是收集艾伯塔省不同类型的地表和地下地球物质（沉积物、岩石）的热物性测量数据，以检验制作热物性地图的实用性。

计划的方法是：1）获取从露头采集的岩石和沉积物样本以及从专门钻探的钻孔中获取的岩芯样本的热物性数值；2）将岩芯样本的平均热物性与在同一钻孔中通过标准原位方法测量的实际数值进行比较。

为了对地球物质的热物性进行测量，AGS 使用了 C - Therm TCi™热导率分析仪。

图3. C - Therm TCi™热导率分析仪

热导率分析仪基于改进的瞬态平面源技术。它使用一种单面界面热反射传感器，该传感器向样品施加短暂的恒定热脉冲。所提供的热量会导致传感器与样品之间界面处的温度升高。这种界面处的温度升高会引起传感器元件电压的变化。传感器电压的上升速率用于确定样品材料的热物理性质（热导率和热扩散系数）。样品材料的热物理性质与传感器电压的上升速率成反比：材料的隔热性越强，电压上升就越陡峭。该分析是非破坏性的，但要求样品与传感器之间有一个平坦的接触表面。样品表面的轻微不平整可通过使用接触剂（通常是水）来补偿。

对制造商提供的标准材料进行测量，其精度和准确度分别优于 1% 和 5%。

测试针对多种地球材料（沉积物和岩石）展开。为获得平整的接触面，对于未固结但具粘性的沉积物，用刀切割；对于岩石，则用岩锯切割。切割方向垂直于层理。干燥的岩石样品需用蒸馏水重新浸泡过夜。

对完全饱和的岩石和坚固沉积物的测试结果，均呈现在文献内(Birch and Clark, 1940; Kappelmeyer and Haenel, 1974; Roy et al., 1981; Cermak and Rybach, 1982; Robertson, 1988; Zoth and Haenel, 1988)。

黑斯廷斯湖试验场沉积物与岩石的热导率

对 9 个冰碛物岩芯样本和 66 个马蹄峡谷组岩芯样本进行了热导率测量。如前所述，岩芯已用保鲜膜和铝箔包裹，以防干燥。将岩芯段逐一打开，并从岩芯中心取样。迅速称取冰碛物样本的重量（以测定含水量），然后立即将其放置在 TCi 传感器上进行热分析。基岩样本则未经称重直接放置在传感器上。在热分析之前，对样本进行目视检查，并将其大致归类为不同的岩性类别（即砂、粉砂、黏土、砂岩、粉砂岩、页岩、煤、膨润土）。对样本的详细结构（粒度、分选性、孔隙度）和成分（矿物学）分析仍有待进行，这将完善样本的岩性分类。

回收的冰碛物（分为砂、粉砂和黏土）测得的热导率在 1.8 至 3.2 W/m•K 之间，平均为 2.4 W/m•K。然而，由于未固结的冰碛物岩芯采取率较低（即取芯间隔大多为更致密的富含黏土的粉砂和黏土，而较松散的砂和砾石在钻探过程中被冲走），这些样本被认为不能代表所遇到的沉积物类型。因此，无法获得冰碛物热导率的厚度加权平均值。含水量范围从 10.65 米深处回收的粉砂质砂中的 8.2 wt.%，到 5.9 米深处粉砂质黏土中的 21 wt.%。除样本 1 外，对于粉砂样本，可以观察到热导率随含水量增加而降低的总体趋势。在 0.3 米深处采集的样本 1 的低电导率，可能是由于风化作用和存在分散的有机物。

表 1. 黑斯廷斯湖社区礼堂场地取芯的沉积物和岩石类型的实测热导率（k）范围和平均值。冰碛物样本取自 HL - 08 - 01 钻孔，基岩样本取自 HL - 08 - 01 和 HL - 08 - 02 钻孔

1 表示漂移沉降样本。

表 2. 黑斯廷斯湖社区会堂场地 HL - 08 - 01 钻孔中未固结漂积物样品的实测热导率和含水量。

回收的基岩类型的实测热导率，在某些煤样的 0.6 W/m•K 与某些粉砂岩和砂岩样品的 2.7 W/m•K 之间（表 1）。由于基岩单元的岩芯回收率良好，AGS 研究人员尝试计算热导率的厚度加权平均值（表 3）。

表 3. 黑斯廷斯湖社区会堂场地饱和基岩类型的厚度加权平均热导率

黑斯廷斯湖社区会堂场地所穿透的 77 m基岩类型的综合热导率计算为 1.97 W/m•K 。

由于缺乏具有代表性的漂积物样本，且样本岩性的确定尚处于初步阶段，因此，将这些数值与从瞬变平面热源法（FTC）测试（见报告）中获得的数值直接进行比较，时机尚不成熟。然而，考虑到这些不确定性，计算得出的 1.97 W/m•K）的综合热导率，与通过 FTC 测试得到的浅钻孔（主要为冰碛沉积物，热导率为 2.01 W/m•K）和深钻孔（43 m冰碛沉积物和 77 W/m•K 基岩，热导率为 1.74 W/m•K）的值相当接近。似乎 FTC 测试得出的热导率，低于根据岩芯样本热分析得出的加权平均值综合计算得出的热导率。这可能是因为热导率测量是在从岩芯中获取的保存最完好（扰动最小）的样本上进行的。这消除了天然存在的充水裂缝的影响（即在基岩段上部，靠近基岩 - 漂积物界面处），这些裂缝通常会降低给定沉积物或岩石单元的热导率（水的热导率为 0.6 W/m•K）。为了建立更好的校准方法，有必要增加现场 FTC 测试与根据岩芯样本计算得出的综合热导率数值进行比较的机会。不过，计算得出的综合热导率可作为该场地基岩材料最大热导率的估计值。