1.3　岩石与地质年代

地热资源与地质构造关系密切，开发利用地热必定会遇到有关地质方面的知识，其中地层单位、地质年代和岩石方面的知识，在勘探和钻井时是时常遇到的。因此了解一些地质方面的基础知识是十分必要的。

1.3.1　地层单位与地质时代

全国第一届地层会议制定的地层规范草案（1960年），将各个地层单位和地质时代的单位做了统一的划分与说明，见表1-4。地质年代的划分见表1-5。

界（代）：是国际通用的最大的地层单位，是地壳演化过程中最大的地史阶段。界与界之间往往在整个生物界面貌上有显著的不同。相当于整个界的时间单位称为“代”，它是地质年代中最大的单位。如古生界相应的地质年代单位为古生代等。

系（纪）：系是界的一部分，代表一个纪的时间内所形成的地层；纪是代的一部分，代表形成一个系的地层所占据的时间，例如，寒武系（纪）、侏罗系（纪）、第三系（纪）等。

统（世）：一个系分为3个或2个统，统是系的一部分，代表一个世的时间内所形成的地层。相当于形成一个统的地层所占据的时间称为世。

阶（期）：为区域性地层的最大单位。在一定的生物地理区内，它组成统的一部分。阶的名称由发育该阶标准地层的地理名称命名。期与阶的名称相符合。

带（时）：带是阶的一部分，代表一个和几个标准生物种属生存期间所形成的地层。

群：是最大的地方性地层单位，其范围通常相当于一个统以至一个系或更大些。

组：是地方性的、最基本的地层单位，一般相当于阶或略小于阶。

段：是地方性地层单位中小于组的单位，是组的进一步划分，借助于说明某一段特殊岩性的地（矿）层。

1.3.2　岩石的分类

岩石的种类很多，按其成因可将地壳中的岩石分为三大类：岩浆岩（火成岩）、沉积岩（水成岩）和变质岩。

三大类岩石在地壳中的分布各不相同：沉积岩分布在地壳的最外层，是厚薄不均地不连续分布；岩浆岩主要分布在地壳深处；变质岩则分布在地壳强烈变动的地区或岩浆岩周围。

由于岩石组成地球的岩石圈，所以研究地球结构和历史的大多数地质学科都涉及岩石。同时研究岩石还能很好地弄清矿产形成和分布规律，从而指导找矿与勘探。从事工程地质和水文地质工作，包括寻找地下热水，同样也离不开对岩石的研究。

（1）岩浆岩

在地壳运动过程中，处于高温高压的岩浆常沿着地壳的软弱带或破裂带等压力降低的部位上升，侵入地壳中甚至喷出地表形成火山。随着温度、压力的降低，岩浆最后在地壳中或地表冷却凝固，形成各种岩浆岩。它的物质组成主要是硅酸盐类矿物。岩浆岩是地壳中分布最广的岩石，约占地壳体积的95%，它又可按产状分为深成岩、喷出岩和浅成岩（脉岩）三类。深成岩的结晶颗粒粗大而均匀，孔隙极小，本身不透水。这类岩石又可分为超基性岩（橄榄岩）、基性岩（辉长岩）、中性岩（闪长岩）、酸性岩（花岗岩）、半碱性岩（正长岩）五类。喷出岩孔隙往往较大，裂隙发育，这就降低了它的力学强度，增大了透水性。喷出岩又可分为基性（玄武岩）、中性（安山岩）、酸性（流纹岩）、半碱性（粗面岩）、火山玻璃质岩五类，其中基性喷出岩（玄武岩）分布很广，富含气孔，岩性具有很大的透水性，有时也可成为地下水储藏的地方。浅成岩（脉岩）往往呈斑状结构，裂隙发育，透水性好，分布规模较小。

（2）沉积岩

沉积岩是在地表或接近地表的条件下，由母岩破坏而成的疏松沉积物，经搬运、沉积及成岩作用而形成的岩石。所以沉积岩是由沉积物于常温常压下在地表或地下深处形成的沉积层，后经成岩作用而形成的岩石。沉积岩在地表分布极广，但随深度增加沉积岩愈来愈少，而岩浆岩则逐渐占优势。在沉积岩中分布最广泛的为页岩、砂岩和石灰岩。

（3）变质岩

构成地壳的岩石，是不断地发生、发展和变化着的。原先已经形成的岩浆岩、沉积岩，由于构造运动，可能被挤压、破碎或下沉到地壳深处，还可能有经常伴随地壳运动发生的岩浆侵入活动，带来巨大的热能和具有化学活动性的气体液体直接和它们起作用。在这些新的物理、化学条件下，原先形成岩石的矿物成分、结构、构造以至化学成分将部分或全部改变。我们把这些由于地壳内力作用促使固体岩石发生质变的过程叫“变质作用”，其变质产物——新的岩石类型，叫“变质岩”。例如：碳酸盐岩在灼热岩浆烘烤下，方解石晶体变粗成大理岩；花岗岩在岩浆侵入及地壳运动广大面积受力的作用下成片麻岩；在地壳运动引起定向压力作用下，各种岩石被挤、压、揉、搓，构成不同程度的碎裂岩。

1.3.3　岩石的热物理性质

为研究热能在深部岩石中的传递规律及温度在地层内的分布，了解不同地区的温度梯度和大地热流值，必须研究岩石的热物理性质。岩石有以下主要热物理性质。

（1）岩石热导率（导热系数）λ

表示岩石导热能力的大小，它取决于岩石的成分、结构、湿度、温度和压力等条件，孔隙度也有较大的影响。

（2）岩石热阻率（热阻系数）ζ

是岩石导热率的倒数。当热流量不变时，地温梯度与热阻率成正比。在地热钻孔时，可利用热阻值的变化来划分地层及研究地质构造。

（3）岩石的比热容C

大部分岩石的比热容，变化范围都不大，一般为0.59～2.09kJ/（kg·℃）。随着岩石湿度增加，比热容也有所增加。

（4）岩石导温系数a

岩石导温系数或温度传导率，又称热扩散系数。它是一个综合性参数，在分析钻孔内温度平衡的形成条件和用人工热场方法研究钻孔剖面时具有重要意义。

岩石导温系数a主要反映岩石的热惯性特征，其表达式为

　　（1-2）

式中　λ——岩石热导率；

ρ——岩石容重；

Cp——岩石比定压热容。

1.3.4　岩石的渗透率和孔隙率

渗透率是衡量岩石在压力差作用下传输流体能力的标志。流体是在岩石孔隙以及裂隙和断层造成的孔洞之间流动的。孔隙率是指单位体积岩石内孔隙体积所占的百分比。虽然孔隙率和渗透率之间没有简单的关系，但是相互连接的孔隙为流体流动提供了通道，因而有了岩石的渗透率。

渗透率和孔隙率可先天与岩石同时形成，也可后天人工造成。沉积岩中的先天渗透率是因岩石颗粒间的孔隙所造成，而且由于挤压和粘结作用，渗透率常随深度增加而降低。在火成岩中，也存在着先天的孔隙率和渗透率。后天的渗透率通常是通过水力破碎形成。岩石的渗透率可以有12个以上的数量级。对太古无裂缝的结晶岩，其渗透率一般为10-6d（达西）或更小。但在现场测量中，可能会相差4～6个数量级，也可能遇到渗透率大于100md（毫达西）的地层，这种较高的渗透率是由于裂隙密度增加造成的。

多数导热系统都由构造控制。岩浆热源若在地壳结构薄弱处，那么渗透率可能因岩浆侵入产生的应力而有所提高。所以，对地质构造的了解不仅能为找到地下岩浆房提供佐证，还可推断出深部存在的高渗透率地层，这些地区正是地热开发的目标。对于开发水热地热系统，找到高渗透率区比找到高温区更为重要。裂隙只要有几毫米宽，就能因充分的破碎使一眼井高产，但要维持高产就必须使这些裂隙连通成网络。