A. 地熱測量方法
在大面積地熱調查中，可以用紅外掃描方法來圈定地熱異常的范圍。在區域的或局部的地熱調查中，通常有深孔溫度測量（1000m左右）、淺孔溫度測量（50～200m）、淺層 土壤溫度測量（2～30m）和1m測溫法。
（一）地熱測量儀器
1.溫度計
鑽孔測溫使用的儀器有最高水銀溫度計、電阻溫度計和半導體熱敏電阻溫度計等。實際測量中可根據具體情況靈活使用。
2. 熱導率的測量儀器
岩石的熱導率值基本上是在實驗室進行的。但土壤一類鬆散物質可以採用就地測量方 法。實驗室測量方法有穩態法和瞬態法。穩態法比較精確，但比瞬態法需要更多的時間。在我國，常用的儀器是穩定平板熱導儀，也可以用導熱探棒在現場直接測量熱導率。
就地測量方法的優點在於能夠測量岩石在原始狀態的特性；另一優點是速度快。為了 測量深海沉積物、土壤、砂、黏土、雪和冰等一類鬆散物質的熱導率，有各種就地測量技 術，其結果都只能反映測量探頭周圍的瞬時熱狀態。近幾年已採用一種兩用探頭在鑽孔內 同時測量地溫梯度和熱導率值。
（二）地熱測量的工作方法
地熱測量在地熱調查中具有十分重要的意義，由於地熱異常區的熱量可以通過傳導而不斷地向地表擴散，測量地下一定深度的溫度和天然熱流量，便可以圈定地熱異常區，並 大致推斷地下水的分布范圍。
地熱測量可在一定間隔的點、線組成的測網上進行。測線方向一般應垂直於地熱異常 的長軸或儲熱、導熱構造的方向。測網密度應根據地熱異常形態、規模等確定，如控制地 下熱水的構造不清，熱異常形態復雜，則測網密度應加大；若覆蓋層較厚，地熱異常不明 顯，測網密度可適當放稀，而擴大測量面積。
地熱測量的深度應根據儲熱構造的埋深、溫度及當地的水文地質、氣候條件而定。在埋深較小的高溫地熱區，由於地表地熱異常明顯，可採用淺部測溫。淺部測溫包括地表溫 度調查和淺孔地溫調查兩類。
地表溫度調查是測量土壤的溫度和溫度梯度，由於1m深處的地溫已不受氣溫瞬息 變化的影響，所以可採用1m深度的測量，即米測溫法，也可在深2～30m的淺孔中用 溫度計進行測量。由於近地表地熱異常的延伸范圍一般較小，故點距應小於50m，大 多在10～30m之間。
淺孔地溫測量的孔深一般在50～200m之間，鑽孔間距取決於地熱異常的范圍。其優 點在於不受地表氣候變化的影響，但鑽進費用較土壤溫度測量高。
深孔地溫測量的孔深較深，一般在1000m左右，主要了解深層熱狀態。
在覆蓋層較厚的地熱區，地表沒有地熱異常顯示或顯示微弱的情況下，多採用鑽孔測 溫方法。由於鑽孔中的原始岩體溫度已受到鑽探、井液或空氣循環等技術活動的破壞，因 此，為使測得的地溫梯度盡量接近於原始地溫梯度，一般要求在終孔後相當一段時間（一 般為數天至半月），待孔中氣溫和井壁岩層溫度達到穩定平衡以後，再進行地溫梯度測量。測量時，將半導體熱敏電阻溫度計通過電纜放入鑽孔中，逐點測量地溫的垂向變化。
（三）地熱測量資料的整理和圖示
地熱測量取得的數據是極其重要的第一手資料。為了獲得有關地熱異常空間分布及其規模的正確結論，必須對所收集的與地熱場有關的原始資料和原始測溫數據進行全面分析，分類評價。
在綜合資料之前，需要了解鑽孔溫度是否已經恢復平衡。長期靜止的鑽井、基井、生 產井、水位變化不大的水文觀測孔以及終孔後穩定3～5天以上的鑽孔測溫數據可作為基礎數據。鑽進過程中的井底溫度、關井測靜壓時的井溫以及礦井平巷淺孔（通常要超過5m）的溫度可作為同類數據的對比和參考數據。徑流影響強烈的自流井和乾井內的溫度 曲線不能作為地溫資料處理。如果目的在於確定熱流密度，則應選擇當地最深、又無地下水運動影響的鑽孔溫度資料。
根據全區內各鑽孔的溫度曲線，可以分別求得鑽孔內各岩層的地溫梯度及全區各岩層的平均地溫梯度，然後按照式（6-3），利用岩心標本測得的岩石熱導率κ，求得鑽孔中 各岩層的熱流密度，並進而求得全區各岩層的平均熱流密度值。
對於淺孔測溫數據特別是米測溫數據，由於它受溫度周期變化，不同地表狀況的干擾，地下水活動，高程和山的陰坡、陽坡及人為干擾等影響，所以應作溫度校正。
1.溫度周期變化對米測溫的影響與校正
太陽熱輻射的周期性變化引起的近地表氣溫的周期性變化，由於熱交換，勢必影響到 地溫場的分布。
年變的校正要根據工作區的大小、工作時間的長短、工區條件分別採取不同的方法，若工作時間不長，且地形較平坦、岩性較均一、地表狀況不復雜，可採用測量相對地溫方 法。這種方法是將所測各點的溫度值分別減當天基點溫度值，就可得到各測點的相對溫度 值。當基點溫度變化較大時（大於0.3℃），用內插方法進行改正，最後將測區各測點相對地溫值換算為以工作期內某一時間為準的地溫值，並以此溫度值繪圖進行解釋。如果能在氣溫變化平緩的月份開展淺層測溫工作，年變影響將大大減弱。
當工區較大、工作時間較長、地表狀況也較復雜時，由於所選基點與野外實測孔的年 變往往不能同步，因而採用不同基點進行分別校正。當其工作量大且不易取得較好效果 時，可利用熱擴散系數值計算某深度相對地表溫度變化延遲量的方法進行年變校正。
2.不同地表狀況的干擾與校正
地表狀況不同是指土壤性質、岩性分布、覆蓋條件、植被等地表狀況的不同。即使地 球內部向外部傳遞的熱量不發生變化，由於岩石的熱力學性質不同，也會引起地下溫度的 變化，影響溫度分布的熱力學參數主要是熱導率、熱擴散率及放熱系數。地表狀況校正可 採用剖面校正法、統計校正法、熱擴散系數校正法及放熱系數校正法。
剖面校正法是在背景場上選擇同時穿過幾種不同地況的剖面，利用增設感溫元件或重復觀測的方法，對地表狀況不同的地段進行反復測量，按不同地表狀況分界處的溫度跨度確定校正值。
統計校正法是在野外施工之前，根據踏勘對測區進行分類，在分布較廣的不同地表狀 況的地方，分別選擇分布均勻且易保存的若干測點。施工期間，根據不同月份定期觀測，每次每個測孔重復觀測3～4次，經過總基點校正，將每孔平均值作為該孔溫度值，再求出某地表狀況平均值作為該地溫值。
熱擴散系數校正法是按地表狀況類型分別選取若干測點，按一定時間間隔（或每月）測定各點的土壤熱擴散系數值，按年變校正方法，計算各種類型地表狀況的校正系數。
放熱系數校正法是以測區內地表狀況不同、放熱系數不同為依據，通過測量1m深處 的溫度與溫度梯度，然後求出放熱系數值，根據不同地表狀況下的平均放熱系數差值進行校正。
3.地下水活動的影響
地下水是活躍的地質因素，在地表淺部尤其是在地表附近分布廣泛，且易流動。地下 水具有較高的熱導率和較大的熱容量，以傳導和對流兩種方式傳遞熱量。淺層地下水的活 動會影響區域地溫場的分布，從而成為淺層測溫的干擾因素。
在開啟性泄流盆地，地下水起著冷卻和降溫作用，在封閉性滯流盆地，地下水相對停 滯，水溫和圍岩溫度趨於一致，地下水對地溫場影響不大。在半開啟性滯流盆地，盆地中 心無泄水區存在，地下水相對停滯，而在盆地邊部，由於大氣降水滲入對地下水也會有相 當大的影響。
由於地下水的普遍存在，給米測溫工作帶來較大的困難。勘查地下熱水所得到的地溫異 常受地下水活動的影響，往往使異常幅度大大降低，地溫異常形態發生變化，使地溫異常的 最大值從熱水導水斷裂的正上方發生偏移。各個工區的地下水活動有其本身的特點，目前尚 無適當的方法對地下水的干擾進行有效地校正。實踐表明，即使地下潛水位變化較大，地下 水垂向和橫向活動劇烈的地區，米測溫雖然很難指明高溫異常的確切位置，但仍然可以反映 地熱異常區的大致范圍。由此，不能簡單地從觀測到的溫度最大值推斷熱儲的地下位置，應 盡力收集有關的水文地質、構造地質資料，以求對測溫結果作出正確的解釋。
4.高程和山的陰坡、陽坡及人為干擾的影響及校正
地形的起伏或測點位於山坡的陰坡、陽坡，使測點接受日照量存在明顯差異。實際工 作中，地溫場與相應的地形剖面線位置密切相關。地形斜度不大於5～7℃時，1m深處的溫度不受地形起伏的影響。在地形起伏較大的測區內，應參考年平均溫度和高程的關系。簡單的校正辦法是地形每上升或下降1m時，溫度增或減0.01℃，在山前地帶、山區及地形被強烈切割的地區，還應考慮地表傾角不同時的校正值。
距離陽坡越近的測點溫度越高，反之，測點位於長期避陽處溫度較低。在野外記錄中考慮了這種影響因素，通過簡單的對比實驗即可求出校正值。
地表水及明顯的地物會影響測溫的質量。這些因素可使近距離內溫度發生大幅度畸 變，但其影響范圍有限，且沿平面衰減迅速，為此干擾可通過踏勘剔除。
為了便於成果解釋，測點應盡量避開地形突變的邊坡、沖溝、河漫灘、湖岸、沼澤 地、涌水處及樹木、高大建築物的長期背陰處，盡量選擇地表狀況大致相同的地段安放感溫元件進行溫度測量。
5.地溫測量的幾種主要成果圖件
（1）鑽孔地溫剖面圖
該圖是根據鑽孔內不同深度上的溫度值繪制而成。通常將此曲線附在鑽孔水文地質柱狀圖上，以便與鑽孔的水位、流量及地層結構等進行對比分析。對於淺孔測量沒有此圖。
（2）等溫線斷面圖
該圖是研究地熱變化的重要圖件。圖中除了應將各鑽孔的地溫數據標在圖上並勾繪等溫線外，還應將地層岩性、斷裂、裂隙、熱岩溶蝕以及鑽孔的涌水、漏水、水位等資料表示在圖上，以便進行分析對比。
（3）等溫線平面圖
這種圖通常是以地形地質圖為底圖，根據各測點同一深度的地溫數據繪制而成。該圖對於了解地熱異常區的平面形態，尋找和圈定高溫中心具有重要意義（田鋼等，2005）。
B. 主要監測內容
1.水位(壓力)
理論上熱儲層的壓力變化應在儲層中測試。但在熱儲層中測試經濟成本高、時間較長,在現實中往往很困難。通過測量地熱井井筒液面的動態變化,可以推算出熱儲層中的壓力變化,所以,實際工作中人們往往採用該方法求取熱儲層壓力。由於地熱井筒中的液面動態不僅受儲層壓力影響,而且與上下液柱不同溫度有很大關大禪系,所以,地熱動態水位(壓力)監測項目包括地熱井水位(或水位埋深)、溫度(靜水位、動水位時的液面溫度)。
天津地區地熱井主要用於供暖,開采量比較大,從多年地熱開采井穩定溫度曲線圖(圖6-1)可以看出,井口溫度在開采量大小影響下僅有微小變化,表明在多年開采情況下,熱儲層溫度恆定。
圖6-1 天津地區地熱開采井多年穩定井口溫度曲線圖
地熱井液面溫度在不開採的情況下與對應的地層溫度保持平衡;在動態開采情況下,通常穩定井口溫度可近似代表儲層溫度(實際差別可見表4-1),停采10小時後液面與地層保持溫差小於1℃的平衡(近似看做靜水位)。因此,地熱井液面溫度通常取兩個,一個是靜態的,一個是動態的。
天津地區地熱資源動態監測靜態液面溫度一般取20℃,用於表徵地熱井目前靜水位埋深狀況,指導實際生產中的下泵深度;動態液面溫度根據不同儲層情況而定,用於表徵同一熱儲層平面壓力分布狀況,為地熱研究及資源評價提供基礎資料。圖6-2和圖6-3為天津地區2009年度館陶組40℃水位埋深和換算後的熱儲壓力等值線圖。
2.開采量
採用機械流量表、電磁流量表、渦輪磁電流量表等計量裝置對地熱開采井瞬時流量、累計開采量進行監測、記錄。受地熱流體溫度、壓力的影響,計量表的安裝要注意開采流量與管道直徑、表的最大計量單位的匹配,安裝質量符合安裝技術標准要求等,否滾悄塵則會出現計量偏差。
3.流體化學
流體化學監測主要定期對地熱流體進行全分析取樣檢測。天津地區一般在每年4月份、10月份統測期間取樣、測試。圖6-4為孔隙型館陶組地熱流體近幾年主要離子組分變化圖;圖6-5為裂隙型霧迷山組近幾年主要離子組分變化圖。可以看出,地熱流體主要離子組分近年並無明顯變化,其離子組分含量穩定,人為開采擾動並沒有對地熱流體化學組分造成明顯影響。
圖6-2 2009年度天津地區館陶組熱儲層水位埋深等值線圖(40℃水柱)
圖6-3 2009年度天津地區館陶組熱儲壓力等值線圖
圖6-4 天津地區西部WQ-05(左)和東部TG-16(右)館陶組地熱井主要離子組分變化圖
圖6-5 天津地區北部BD-02(左)和南部JH-02(右)霧迷山組地熱井主要離子組分變化圖
雖然地熱流體相對組分沒有明顯變化,但在天津地區時間尺度較長的多年動態監測中發現,地熱流體礦化度有下降趨勢。如XQ-07地熱井,1997年礦化度為2.5g/L,至2008年時降為2.0g/L。對其他不運敬同熱儲層56眼地熱井連續多年監測資料統計發現(表6-1),地熱流體礦化度有一定的下降趨勢。從霧迷山組地熱流體礦化度歷年曲線圖6-6也可以看出,部分地熱井有下降趨勢。
表6-1 天津地區地熱井礦化度連續4年變化趨勢統計表
注:3次間隔數據中有兩次下降的為下降趨勢井,其餘為波動或上升井。
進行地熱流體化學監測必要時可對地熱流體中特殊組分如硫,鐵單項,同位素,溶解、溢出氣體等按需要進行定期或不定期監測。
4.回灌系統
回灌系統回灌量(瞬時回灌量和回灌總量)、水溫和水位(或井口壓力)及水質監測內容基本同開采井。所不同的是回灌量監測比較困難,回灌流體對儲層溫度場影響還需進行專項監測。
(1)回灌量計量問題
回灌流量計量是地熱開採回灌動態信息監測工作中不可缺少的一部分,在近幾年地熱尾水回灌中有的回灌井回灌瞬時流量常出現許多問題(主要是基岩地熱回灌井)。如回灌瞬時流量忽大忽小;累計回灌量大於開采量;有的回灌過程中出現負壓,儀表顯示的瞬時回灌量高出實際回灌量一倍以上。致使監測過程中難以得到准確的回灌量數據。
圖6-6 霧迷山組地熱井礦化度歷年變化曲線圖
通過對天津市現有地熱供熱站回灌系統考察調研,回灌流量計量不準存在以下問題:
1)測量裝置安裝不規范。將電磁流量計安裝在室外、回灌管道最高處、地線未接地以及流量表半管或不足半管時計量。
2)產生負壓。回灌方式不當造成回灌水流速加快,累計流量會高出開采量一倍或更多。
3)回灌系統沒有排氣裝置。使回灌管道中充有氣體(回灌井口帶入空氣、地熱流體溢出氣、水蒸氣等),流量計量偏小等。
為了解決這一問題,在天津興達地熱供熱站開展試驗研究工作。通過對原有回灌系統管道改造,選擇不同流量計、按不同安裝方式,開展多種方案的地熱水回灌瞬時流量試驗,找出回灌量計量不準的解決辦法,主要結論有:
1)無論電磁流量計、磁電流量計、機械流量表,安裝時過水斷面應為滿管。以電磁流量計為例,其安裝方式如圖6-7所示。當水平直管安裝不能滿足要求時,可採用直管、下凹或斜管安裝方式。
圖6-7 電磁流量計的幾種安裝方法
2)回灌管浸入液面下10m,能有效地減少負壓影響。試驗中發現,回灌管在液面上10m時,回灌井口負壓為0.4MPa,平均30～50s產生一次負壓;當回灌管侵入液面以下10m時,回灌井口負壓為0.01～0.02MPa,平均2min左右產生一次負壓(與回灌量有關)。
3)井口安裝排氣裝置,可有效減少正壓產生,如圖6-8所示。
4)每年回灌前,應回揚至水清、無色、無味,保證回灌通道暢通;每3～4年徹底洗井一次,恢復回灌井的回灌能力。
圖6-8 回灌系統安裝示意圖
(2)低溫回灌流體對熱儲層溫度場影響主要採用連續測溫方法進行監測
由於供暖結束後,地熱回灌井基本處於靜止狀態,按一定的時間間隔對回灌儲層溫度進行連續監測,可以基本掌握儲層的溫度變化情況。天津地區對多眼地熱回灌井進行了長年連續測溫,以河西區HX-25B回灌井為例,該回灌井地層岩性組合為1400m以上為第四系、新近系砂泥岩;1400m以下為薊縣系霧迷山組白雲岩。其回灌目的層為霧迷山組岩溶裂隙型儲層,每年回灌20×104～25×104m3、30～40℃的低溫地熱尾水。從圖6-9可以看出,1400m以上新生界鬆散層溫度變化趨勢較大(未有對流),而基岩熱儲層溫度3年平均只下降0.38～0.39℃/a,反映出井底熱儲只是低溫回灌流體的徑流通道,而不是儲存空間。
圖6-9 回灌井HX-25B多年測溫曲線圖
大量的低溫流體持續回灌入儲層而儲層溫度變化卻很小,分析與回灌流體的最終去向有關。劉傳虎在《潛山油氣藏概論》中,分析了單期次岩溶發育(圖6-10)和多期次岩溶發育(圖6-11)規律,其空間展布都具有垂向滲流帶和水平方向溶蝕帶,儲層具備垂向滲流、水平徑流的地質條件。北京在小湯山地區進行了多年的回灌試驗,分析認為,小湯山地區熱儲屬於白雲岩裂隙型,回灌冷水柱在井底形成的壓力水頭大於熱水柱造成的壓力水頭,冷水必然向下流動,熱水向上運動,二者形成對流,對流擴大了回灌流體的影響范圍。從天津地區裂隙型地熱流體礦化度與儲層埋深沒有相關關系(圖3 14)可間接證明,這種深部對流是客觀存在的。因此說,裂隙儲層的地質條件和回灌試驗測試、分析結果表明,回灌流體進入儲層後,不是聚集在回灌井周圍,而是徑流到了熱儲層深部,有利於水溫的恢復。
圖6-10 單期次岩溶孔洞發育特徵(據劉傳虎,2006)
圖6-11 多期次滲流帶岩溶孔洞發育特徵(據劉傳虎,2006)
低溫回灌流體的動態軌跡監測目前尚無較好辦法,有些大專院校採用回灌井周圍微重力監測,但目前處於小范圍的研究、試驗階段。
(3)回灌流體化學場監測除常規分析外,還可對地熱回灌流體中懸浮物、微生物等進行定期或不定期檢測,必要時對回灌井回揚水質進行檢測,分析、研究回灌流體與儲層的相互作用,為實現持續、科學回灌奠定基礎。
C. 地下水污染的探測方法
地下水的污染檢測要比地表水復雜得多。若採取只從觀測井中取樣的常規采樣分析方法，無法了解深部和外部的滲漏情況，在深度和廣度上均有相當的局限性。必須配合相應的地下探測方法——環境地球物理方法。
該方法的基本原理均是通過檢測滲濾液滲漏後地下發生的物性變化來進一步分析判斷滲濾液的滲漏范圍和污染程度。當地下水受到污染後，視電阻率或電導率發生變化，由檢測到的異常特徵來確定地下水污染的范圍、污染通道及流向等。
受高濃度導電離子污染的地下水與未受污染的天然水電阻率差別較大，探測區分是比較容易的。對於微量金屬，非金屬污染或10-9級的有機物質污染地下水的探測並不那麼容易，探測方法還比較有限，是許多學者正在研究的問題。但也有許多成功範例。主要決定於污染物質種類、濃度和地質條件。
對於有機污染物，一般採用探地雷達方法，土壤氣體分析法、自然電場法和電阻率方法。
a.探地雷達是根據介質儲存電荷能力不同（即介電常數不同）來區分污染物質。滲入地下水的石油或有機化學物質，有時含量很少，但漂浮在地下水的上層，對探地雷達有較好的界面反應。當導電率低於10 mS/m，使用探地雷達效果最好。如果是粘土層，則比較不利。
b.揮發性土壤氣體探測法（VOC3）：石油和三氯乙烯、四氯化碳等都屬於揮發性氣體，在地溫、細菌或與其他地下水中物質作用下，進行轉化，或直接揮發成氣體，由土壤孔隙或地下裂隙向地表運移。用取樣器提取土壤氣體樣品，然後用氣相色譜分析儀測量氣體。其優點是可同時分析多種氣體，或使用特製的攜帶型探測儀，直接探測這類氣體。但往往一種儀器只能探測一種氣體，優點是快速，可以在現場了解污染分布范圍。探地雷達可以確定污染物的地下深度，而VOC3方法只能提供平面分布范圍。在條件有利的情況下，可以給出污染物的濃度。圖11.2.1是潛水面下三氯乙烯和油污染的VOC3方法探測結果的平面分布圖。
圖11.2.1 VOC3法探測潛水面下三氯乙烯
c.電阻率方法：相當多的有機污染物和部分無機污染物是不導電的，如石油中的烴類物質都是不導電的，如用電阻率方法探測就有一定難度，而瑞森（Renson）等在1997年用由直流（DC）電阻率方法派生出的偏移測量方法成功地探測石油烴類物質污染。對於這類不溶於水的污染物（油、四氯化碳等氯化物）在有利的地質條件下，使用激發極化法也能取得有效的成果。
對於地下水中無機污染物質，如金屬與氯離子等，由於它們的導電性能好，濃度越高導電性越好，越有利於利用電阻率方法進行探測。
圖11.2.2為某垃圾填埋場高密度電阻率檢測的實例剖面，它就像一張醫用CT片一樣，清晰地表現出剖面地下深部的滲濾液滲漏狀況。經現場對照核實，剖面圖中顯示出的7個等間距低阻異常，與其下部掩埋的7隻滲濾液匯集管道與總管的交匯點A、B、C、D、E、F、G一一對應。由於7個管道交匯點是由磚頭砌成的，滲漏液已通過磚縫向外向下滲透，污染了周圍的土壤。有的已向深部滲透，其中異常B、F兩點向深部浸透較重。
圖11.2.2 某垃圾填埋場高密度電阻率法檢測剖面圖