引用本文
薛圣泽, 周阳, 刘建强. 陕西关中盆地粉质黏土热物理性质研究[J].中国地质调查, 2021,8(5): 115-121.
XUE Shengze, ZHOU Yang, LIU Jianqiang. Study on thermophysical properties of silty clay in Guanzhong Basin, Shaanxi Province[J].Geological Survey of China, 2021,8(5): 115-121.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2021.05.14
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陕西关中盆地粉质黏土热物理性质研究
薛圣泽1,2, 周阳3,4, 刘建强3,4
1.西安科技大学地质与环境学院,陕西 西安 710054
2.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院,陕西 西安 710054
3.陕西省地质调查院,陕西 西安 710054
4.陕西省水工环地质调查中心,陕西 西安 710068

第一作者简介: 薛圣泽(1995—),男,博士研究生,主要从事岩土体稳定及其物理力学行为研究。Email: explorerHsueh@163.com。

收稿日期: 2020-08-19 修回日期: 2020-12-28
基金资助: 陕西省公益性地质调查专项“关中平原城市群浅层地温能开发利用潜力评价及环境效应研究(编号: 201915)”和陕西省公益性地质工作项目“陕西省浅层地热能赋存规律及开发利用关键技术研究(编号: 20170201)”联合资助
摘要

关中盆地浅层地热能资源十分丰富,但目前开采程度仍有待提高。土壤的热物理性质在很大程度上决定了其工程特性,对浅层地热能在开发利用过程中所涉及的基本理论和开发方法等具有较大影响。通过室内试验对西安市、咸阳市、渭南市和宝鸡市范围内的粉质黏土的热物理性质开展研究,对试验数据进行了分析,进而揭示了粉质黏土比热容、导温系数和热导率的宏观变化规律。结果表明: 粉质黏土的热导率为0.82~2.65 W/(m·K),导温系数为0.001 28~0.004 86 m2/h,比热容为0.77~1.53 kJ/(kg·K); 随着含水率的增大,热导率整体呈减小趋势,且数值分布范围缩小; 比热容总体随导温系数的增大而减小; 导温系数随热导率的增大呈线性增大,且相关系数均较高。研究可为工程实践过程中开发利用浅层地热提供一定的理论基础。

关键词: 粉质黏土; 热物理性质; 比热容; 导温系数; 热导率; 关中盆地
中图分类号:P642.114 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2021)05-0115-07
Study on thermophysical properties of silty clay in Guanzhong Basin, Shaanxi Province
XUE Shengze1,2, ZHOU Yang3,4, LIU Jianqiang3,4
1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Shaanxi Xi’an 710054, China
2. Geological Research Institute for Coal Green Mining, Xi’an University of Science and Technology, Shaanxi Xi’an 710054, China
3. Shaanxi Institute of Geological Survey, Shaanxi Xi’an 710054, China
4. Shaanxi Hydrogeology Engineering Geology and Environmental Geology Survey Center, Shaanxi Xi’an 710068, China
Abstract

The shallow geothermal energy resources in Guanzhong Basin are very rich, but the exploitation degree still needs to be improved. The engineering characteristics of soil are determined by the thermophysical properties, which has a great impact on the basic theories and development methods during the development and utilization of shallow geothermal energy. Through the laboratory tests of thermophysical properties of silty clay in Xi’an, Xianyang, Weinan and Baoji, and the analysis of experimental data, the authors revealed the macroscopic variation rules of specific heat capacity, thermal diffusivity and thermal conductivity. The results show that, the thermal conductivity of silty clay is 0.82 to 2.65 W/(m·k), the thermal diffusivity is 0.001 28 to 0.004 86 m2/h, and the specific heat capacity is 0.77 to 1.53 kJ/(kg·K). With the increase of water content, the thermal conductivity shows a decrease trend, and its value range becomes narrow. The specific heat capacity decreases with the increase of thermal diffusivity in general. The thermal diffusivity increases linearly with thermal conductivity, and the correlation coefficients are all high. This research would provide some theoretical basis for the development of shallow geothermal energy in engineering practice process.

Keyword: silty clay; thermophysical properties; specific heat capacity; thermal diffusivity; thermal conductivity; Guanzhong Basin
0 引言

浅层地热能具有可再生、污染小、分布范围广等特点, 具有极高的开发利用价值[1], 目前已有一些学者对不同地区的浅层地热能的赋存规律及时空分布特征进行了研究[2, 3]。关中盆地浅层地热资源丰富[4], 但复杂的区域地质构造体系对浅层地热资源的赋存条件和分布特征影响较大, 目前关中地区浅层地热资源利用率仍然较低[5, 6]。研究不同地层中岩土体的热导率、导温系数和比热容等热物理性质有助于加深对地层工程性质如何影响地热开发过程的理解, 对浅层地热能的开发与利用具有重要意义。Wang等[7]利用试验证明了热导率与电阻率间存在线性关系; 周阳等[8]在室内和现场试验的基础上较为系统地分析了不同条件对岩土体热导率的影响; 高志友等[9]对济南市岩土热物性试验数据进行了对比分析, 提出了热导率和导温系数随孔隙率变化的经验公式; Sun等[10]对-20~10 ℃温度范围下土壤热导率和电阻率的关系进行研究, 并建立了相应的模型; Zhang等[11]利用线性回归分析等方法对多种土壤热导率预测模型进行了分析和评价; 李婷等[12]试验测定了不同土壤的热物理性质, 计算并分析了不同条件下的导温系数; 王铁行等[13]利用重塑扰动黄土开展试验, 研究了热导率和比热容随含水量和密度的变化规律。现有研究对热导率、比热容和导温系数间宏观规律的研究较少, 无法在实际工程中较为高效和直观地了解地层的热物理性质, 这限制了探查地热能赋存和分布规律的效率。

本文通过分析关中盆地各主要城市岩土体的热物理性质试验数据, 对不同条件下热物理性质间的宏观变化规律进行分析, 为关中盆地浅层地热能资源的开发利用提供了理论参考。

1 研究区概况

关中盆地位于我国内陆中心, 具有联结东西部地区, 沟通南北部地区的区位优势, 是西部地区重要的交通枢纽。本文的研究区包括西安、咸阳、渭南和宝鸡4个关中盆地的主要城市(图1)。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Geographical location of the study area

关中盆地南起秦岭, 北接黄土高原, 整体走势由西向东逐渐变宽, 渭河是关中盆地的主要河流之一, 沿渭河两岸形成多级阶地地貌, 盆地地形向渭河倾斜。关中盆地位于鄂尔多斯地块与秦岭造山带之间, 于喜马拉雅期陷落形成新生代断陷盆地, 下部为燕山隆起, 断裂构造发育。新生界沉积厚度大; 古近系至第四系均有发育。

图2为关中盆地第四系的典型钻孔柱状图。图中显示钻孔最大深度150.3m, 其中粉质黏土总厚度为66.78m, 占比约44.43%。由此可见, 研究区内各种沉积相中粉质黏土分布广泛, 在不同条件下其热物理性质的变化规律对浅层地热能资源的开发和利用具有较大影响。因此本文对取自关中盆地野外岩心中的粉质黏土开展室内试验, 测定其热物理性质, 分析其变化规律。

图2 关中盆地典型钻孔柱状图Fig.2 Geological logging of a typical borehole in Guanzhong Basin

2 样品采集及试验方法

本研究在关中盆地的西安市、咸阳市、渭南市和宝鸡市的范围内共采集样品223件, 在实验室进行了热物理性质参数测定。根据得到的试验数据对热物理性质参数间的规律进行了分析。

2.1 样品采集

为确保采集的样品能够满足热物理性质测定的要求, 并保证所得到的试验数据能够准确代表地层中岩土体的热物理性质, 在研究区范围内从各钻孔中的粉质黏土层采集直径大于10 cm、高度大于15 cm的原状岩心样。岩心取出后迅速用样皮和塑料袋封好并贴上标签, 标注采集时间、地点、层深等取样信息并及时进行室内试验。

对采集的岩心样进行室内试验发现, 研究区内粉质黏土多呈褐色, 土质均匀且饱和密实, 塑性多为硬塑状态, 部分样品中含有黑色铁锰质或白色钙质结核。粉质黏土的天然含水率主要分布于18.5%~25.6%, 平均天然含水率为22.1%; 天然重度主要分布于17.6~20.7 kN/m3, 平均天然重度为19.5 kN/m3; 孔隙率大多分布于37.1%~46.5%, 平均孔隙率为39.8%。

2.2 试验方法

利用削土刀和削样器将采集的岩心样加工成直径50 mm、高度25 mm的圆柱形试样用于测试。制成的试样高度误差不大于2 mm, 直径误差不超过0.3 mm, 两端面的不平行度小于0.05 mm, 两端与试样周线的最大偏角不大于0.25° 。

利用Hot Disk热常数分析仪测定粉质黏土试样的比热容、导温系数和热导率, 采用双面法进行试验。试验时将探头固定于样品支架的中间部位, 将一个试样放在测试台上, 调整样品支架高度, 使试样上端面贴住探头, 随后在探头上放置另一个试样并与下试样对齐, 拧紧固定螺丝使上下试样夹紧探头, 盖上挡风罩防止外界因素影响试验精度。

3 结果与讨论
3.1 热导率随含水率变化规律

研究区范围内各试样热导率λ 随含水率w变化曲线如图3所示。

图3 研究区粉质黏土试样热导率-含水率曲线Fig.3 Relationship between thermal conductivity and water content of silty clay samples in the study area

试验测得的数据分布在以曲线λ =1.451-0.023w为下界限, 以曲线λ =3.408-0.056w为上界限的区域内。当含水率较低时, 热导率的分布区间较大, 随着含水率的增加, 试样热导率的分布趋于集中, 在含水率为18%~28%的范围内尤为显著。与前人的研究结果不同[14, 15, 16], 本文通过对研究区试样进行整体的宏观分析, 发现研究区范围内粉质黏土的热导率随含水率的增大总体呈减小趋势。

3.2 比热容随导温系数变化规律

热物性试验数据如表1所示。关中盆地及其中各市范围内试样的比热容随导温系数变化的趋势如图4所示。可以看出, 关中盆地及其中各市范围内试样的比热容均随导温系数的增大总体呈减小趋势。

表1 研究区试样热物性试验数据 Tab.1 Thermophysical property test data of the samples in the study area

图4 研究区粉质黏土试样比热容c-导温系数α 曲线图Fig.4 Relationship between specific heat capacity and thermal diffusivity of silty clay samples in the study area

3.3 导温系数随热导率变化规律

根据试验数据绘制研究区各市及关中盆地整体的试样导温系数随热导率变化曲线(图5)。可以看出, 各区域内试样的导温系数随热导率的增大均呈线性增大, 且拟合曲线方程可表示为

α =a+bλ 。 (1)

式中: α 为导温系数, m2/h; λ 为热导率, W/(m· K); a、b为拟合参数

图5 研究区粉质黏土试样导温系数-热导率曲线图Fig.5 Relationship between thermal diffusivity and thermal conductivity of silty clay samples in the study area

各地区拟合曲线中的相应参数有所不同, 关中盆地及其各主要城市范围内试样的拟合曲线参数a、b及相应的相关系数R2如表2所示。可以看出, 各区域拟合曲线的相关系数均较高, 热导率的变化对导温系数具有显著影响。拟合曲线斜率最大的为咸阳市, 截距最大的为宝鸡市。

表2 研究区粉质黏土试样导温系数-热导率曲线参数表 Tab.2 Parameters between thermal diffusivity and thermal conductivity of silty clay samples in the study area
4 结论

(1)关中盆地内粉质黏土的比热容随导温系数的增大总体呈减小趋势。

(2)关中盆地内粉质黏土的导温系数随热导率的增大呈线性增大, 且能够与线性函数表达式良好拟合。

(3)关中盆地内的粉质黏土的含水率在18%~28%范围内时, 热导率随含水率的增大整体呈明显的减小趋势, 且大多分布于1.23~1.75 W/(m· K)范围内。

本文在前人研究的基础上更加直观地指出了关中盆地内粉质黏土各项热物理性质间的宏观规律, 为工程实践过程中开发利用浅层地热能提供了一定的理论基础。

(责任编辑: 魏昊明)

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