姜寶良, 李志超, 余 晨

1. 華北水利水電大學(xué), 河南 鄭州 450046; 2. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 河南 鄭州 450003

0 引言

地?zé)豳Y源作為新能源中唯一集熱、 礦、 水為一體的潔凈可再生的礦產(chǎn)資源, 具有儲量大、 使用方便、成本低廉、 易開采、 用途廣泛等特點[1-2], 是構(gòu)建“資源節(jié)約型、 環(huán)境友好型” 社會提倡的礦產(chǎn)資源。開發(fā)利用地?zé)豳Y源在改善生態(tài)環(huán)境, 提高人們健康水平, 促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展, 擴大就業(yè)等方面發(fā)揮了重要作用, 對實現(xiàn)“碳達(dá)峰” “碳中和” 具有重大意義。

深部熱儲溫度是評價地?zé)豳Y源不可或缺的參數(shù),確定熱儲溫度有直接測量法和間接法(地?zé)釡貥?biāo)法)兩種。 直接法是測量鉆井(孔) 溫度, 其精度高, 但耗時長、 費用大, 深度有限。 多數(shù)情況是采用地?zé)釡貥?biāo)估算深部熱儲溫度[3]。 Fournier 和Truesdell 通過陽離子地?zé)釡貥?biāo)法估算熱儲溫度, 并對其適用條件做了詳細(xì)的闡述[4], 其成果不斷被引用和完善。 Z.Mohammadi 等基于多種地?zé)釡貥?biāo)估算了伊朗扎格羅斯地區(qū)Changal 溫泉的熱儲溫度[5]。 孫紅麗等利用陽離子地?zé)釡貥?biāo)和SiO2溫標(biāo)估算出西藏地?zé)崽锷畈繜醿囟葹?34 ℃～256 ℃[6]。 朱炳球提出利用SiO2、 Na/K、Ca、 HCO3、 Mg、 Mg/Ca、 Na/Ca、 Cl/HCO3、 Cl/F 等與水溫的關(guān)系可以定性的判定地?zé)嵯到y(tǒng)中是否存在高溫[7]。 地?zé)崃黧w與礦物在一定溫度、 壓力條件下達(dá)到平衡, 深部高溫地?zé)崃黧w上涌到地表淺部溫度降低,這種平衡仍然存在[8]。 通過測定溫泉或地?zé)峋責(zé)崃黧w的化學(xué)組分濃度或濃度比值, 可以推測深部熱儲溫度, 預(yù)測地?zé)崽餄摿Α?/p>

河南省濟源市五龍口地?zé)岙惓^(qū)(簡稱五龍口地?zé)崽? 自1984 年發(fā)現(xiàn)以來, 有多家勘察研究單位在此進(jìn)行了地?zé)豳Y源的勘察研究工作[9-11], 采集了不同時間、 不同水溫、 不同井深或含水層 (熱儲)的水樣70 余組, 進(jìn)行了飲用水或飲用天然礦泉水水質(zhì)全分析[9,12], 為利用地?zé)釡貥?biāo)計算熱儲溫度提供了條 件。 本 文 利 用SiO2、 Na/K、 Ca、 HCO3、 Mg、Mg/Ca、 Na/Ca、 Cl/HCO3、 Cl/F、 Cl 等 定 性 溫 標(biāo),確定五龍口地?zé)崽锸菧囟容^高的重要的地?zé)崽? 用二氧化硅溫標(biāo)、 鉀-鎂溫標(biāo)和鈉-鉀溫標(biāo)分別進(jìn)行定量計算, 確定鈉鉀地?zé)釡貥?biāo)最適用本地?zé)崽餆醿囟阮A(yù)測。

1 五龍口地?zé)岢梢蚋攀?/h2>

五龍口地?zé)崽锸堑湫偷膶α餍偷責(zé)崽颷9-11], 位于山區(qū)和平原的交接地帶。 北部為太行山(中低山),出露寒武—奧陶系碳酸鹽巖地層, 受區(qū)域深大斷裂—盤古寺斷層的影響, 斷裂構(gòu)造復(fù)雜, 裂隙巖溶發(fā)育;南部為沁河沖洪積平原或山區(qū)沖洪積傾斜平原, 為砂卵石、 粉土、 粉質(zhì)粘土等第四系松散堆積物。 大氣降水或沁河(河口村水庫) 地表水通過近東西向的盤古寺斷裂裂隙垂直入滲至地下深處, 經(jīng)過曲折復(fù)雜的遠(yuǎn)距運移和深循環(huán)加熱, 在深部高溫高壓條件下與圍巖(太古界變質(zhì)巖) 中的礦物發(fā)生溶濾作用, 形成含特殊化學(xué)成分的高溫地?zé)崃黧w, 沿F25斷裂及斷裂破碎帶由北向南徑流, 在五龍口斷裂帶(F17) 與F25斷裂帶的交匯部位, 巖石破碎, 次級張性羽狀構(gòu)造裂隙發(fā)育, 地應(yīng)力相對減小, 為深部地?zé)崃黧w的對流上涌和富集提供了良好條件。 寒武系底部頁巖、 第四系粘土、 二疊系和古近系的砂泥巖為隔水隔熱層。 由于F17與F25斷層上盤二疊系和古近系等相對隔水地層的阻隔, 深部(太古界裂隙熱儲) 高溫地?zé)崃黧w在上涌過程中與上部寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲或第四系孔隙熱儲中的冷水混合并稀釋, 形成溫度不同、 化學(xué)特征各異的地?zé)崃黧w[9]。 五龍口地?zé)崽锏姆植己统梢蛞妶D1、 圖2。

1-實測斷層及推測斷層(Measured fault and inferred fault); 2-已探明地?zé)釁^(qū)范圍和推測范圍(Mroved geothermal area and inferred range); 3-奧陶系+寒武系(Ordovician + Cambrian); 4-第四系(Quaternary); 5-地?zé)峋熬幪?Geothermal Wells and numbers); 6-地貌及地質(zhì)分區(qū)界限(Geomorphic and geological zoning boundaries); 7-太行山侵蝕剝蝕中低山區(qū)(Erosion and denudation of the Taihang Mountains ); 8-侵蝕剝蝕低山區(qū)(Erosion denudates low mountainous areas); 9-山前沖洪積平原(Piedmont alluvial plain); 11-沖積平原區(qū)(Alluvial plain)

圖2 五龍口地?zé)岢梢蚴疽鈭DFig.2 Schematic diagram of geothermal genesis in Wulongkou

2 定性地?zé)釡貥?biāo)

地?zé)崃黧w是大氣降水循環(huán)到地下深處形成的, 熱水溫度不同, 從圍巖中溶解的化學(xué)成分也隨之發(fā)生變化, 因此地?zé)崃黧w某些組分的濃度或濃度比值可作為熱水系統(tǒng)的定性指標(biāo), 見表1。

(1) SiO2

SiO2是地?zé)嵯到y(tǒng)的最好指示劑, 溫度高, SiO2溶解度大。 五龍口地?zé)釁^(qū)SiO2含量隨水溫的升高而增加(圖3a), 呈線性正相關(guān), 相關(guān)指數(shù)達(dá)0.978 9 (圖4), 相關(guān)性極強。

(2) Na/K

由表1 和圖3b 可知, 五龍口地?zé)崴械腘a/K 比值絕大多數(shù)在8 ～20 之間, 可判斷為重要的地?zé)崽?適合利用鈉鉀溫標(biāo)預(yù)測熱儲溫度[7]。

表1 五龍口地?zé)釁^(qū)熱水系統(tǒng)溫度的定性指標(biāo)Table 1 Qualitative index of hot water system temperature in geothermal area of Wulongkou

(3) Ca、 HCO3

Ca2+、 HCO3-對于中性水有定性意義, 且CaCO3溶解度隨溫度升高而降低。 地?zé)釁^(qū)地?zé)崴腜H 值7.1～8.0, 接近中性, 水溫越高, Ca2+、 HCO3-含量越低(圖3c), 由此說明五龍口地?zé)崽锷畈繜醿囟雀摺?/p>

(4) Mg、 Mg/Ca

低值表示高溫, 由圖3d 和圖3e 可知, Mg、 Mg/Ca 隨水溫升高而減少, 水溫越高其值越低, 說明五龍口地?zé)崽锎嬖诟邷厮?/p>

(5) Na/Ca

五龍口地?zé)崽颪a/Ca 隨水溫升高而增大(圖3f)知, 呈線性正相關(guān)。 高值表示高溫, 說明深部熱儲溫度更高。

(6) Cl/HCO3

Cl/HCO3比值高指示地下溫度高[7-8]。 五龍口地?zé)崽顲l/HCO3比值隨水溫升高而增加, 與水溫呈對數(shù)相關(guān)(圖3g)。

(7) Cl/F

Cl/F 比值高可能指示高溫。 五龍口地?zé)崽顲l/F普遍較高(圖3h), 大部分大于40, 最高120 ～150。說明五龍口地?zé)崽锷畈看嬖诟邷責(zé)醿Α?/p>

(8) Cl

熱礦水中氯的來源可以通過rNa/rCl 的比值來判斷。 五龍口地?zé)崴膔Na/rCl 多數(shù)大于1, 說明地?zé)崴某梢蚺c海相沉積無關(guān), 也不受巖鹽地層的影響。 在自然界的水-巖系統(tǒng)中, 由于氯既不形成難溶礦物也不被膠體吸附, 水-巖作用也難以影響其在水中的存在狀態(tài), 因此氯常用于示蹤地下熱水及系統(tǒng)中與其較好相關(guān)性的其他物質(zhì)的來源[6]。 溫度越高氯離子的含量越大, 五龍口地?zé)崴入x子與水溫呈正線性相關(guān)(圖3i), 其相關(guān)系數(shù)為0.92, 相關(guān)性極強。

根據(jù)表1 所列指標(biāo)及五龍口地?zé)崃黧w各指標(biāo)與溫度的關(guān)系(圖3), 說明五龍口地?zé)崽锸菧囟容^高的重要地?zé)崽铩?/p>

圖3 定性地?zé)釡貥?biāo)與水溫關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between qualitative geothermal temperature scale and water temperature

3 定量地?zé)釡貥?biāo)

地?zé)釡貥?biāo)能計算出地?zé)崽锷畈繜醿囟? 對地?zé)豳Y源評價和開發(fā)利用等具有重要意義。 通過各種化學(xué)組分、 氣體成分、 同位素組成而建立的地?zé)釡貥?biāo)類型較多, 常用的有二氧化硅溫標(biāo)(SiO2)、 鉀-鎂溫標(biāo)(K-Mg)、 鈉-鉀溫標(biāo)(Na-K) 等[13]。 由于不同的地?zé)釡貥?biāo)適用于不同的地?zé)崽镱愋? 所以在選用時應(yīng)根據(jù)具體的地?zé)崽飾l件確定。

3.1 二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)

二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)是應(yīng)用最早也是最常用的地球化學(xué)溫標(biāo), 其理論依據(jù)是地?zé)崃黧w中二氧化硅的含量主要取決于不同溫度、 壓力下石英在水中的溶解度。利用二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)公式可以計算熱儲溫度, 常用公式(1)、 公式(2)。

(1) 熱流運移過程中沒有蒸汽損失, 僅傳導(dǎo)冷卻, 則二氧化硅溫標(biāo)公式為:

(2) 熱流運移過程中已發(fā)生沸騰閃蒸損失, 則二氧化硅溫標(biāo)公式為:

計算結(jié)果見圖5。

根據(jù)五龍口地?zé)釁^(qū)地?zé)崴某梢蚩芍? 地?zé)崴畞碓从诘貧ど畈刻沤缱冑|(zhì)巖裂隙熱儲, 在上涌過程中與淺部第四系孔隙熱儲或寒武奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲中低溫水混合并稀釋, 形成不同溫度、 不同化學(xué)特征的熱水, 地?zé)崃黧w-礦物平衡、 冷水-熱水混合、 傳導(dǎo)或隔熱冷卻會造成地?zé)崃黧w中二氧化硅的聚合或沉淀, 導(dǎo)致熱儲計算溫度偏低, 再由于五龍口地?zé)釁^(qū)地?zé)崃黧w中二氧化硅的來源不只是石英或玉髓中二氧化硅的溶解, 而主要是長石、 云母、 角閃石等硅酸鹽礦物的溶解。 由于所取水樣發(fā)生了不同程度的稀釋(混合) 作用, 采用SiO2地?zé)釡貥?biāo)計算出來的結(jié)果通常偏低, 不能真實反映深部熱儲溫度, 必須進(jìn)行修正[14]。 作者根據(jù)五龍口地?zé)釁^(qū)70 余組水樣的水溫和SiO2含量及石英溶解度曲線(圖4), 通過統(tǒng)計分析, 方便快捷的計算出深部熱儲的溫度為151.95℃,SiO2含量為135.34 mg/L, 較真實反映深部熱儲溫度(另文: 對流型地?zé)釁^(qū)二氧化硅溫標(biāo)的應(yīng)用, 擬在《地質(zhì)與資源》 雜志發(fā)表)。

圖4 SiO2含量與水溫及石英溶解度曲線圖Fig.4 Curve of SiO2content with water temperature and quartz solubility

圖5 石英、 鉀鎂、 鈉鉀溫標(biāo)熱儲溫度計算結(jié)果凹凸箱型圖Fig.5 Concave-convex box diagram of calculation results of thermal storage temperature of silica, potassium magnesium and sodium-potassium temperature scales

3.2 鉀—鎂地?zé)釡貥?biāo)

高溫時鎂保留為固相, 因此來自深部熱儲的地?zé)崴V含量一般極低, 隨著溫度的降低以及地下冷水的摻入, 水中鎂含量逐漸增加; 同樣, 熱儲溫度較低時, 鎂含量在熱水中得以明顯產(chǎn)出, 所以鉀鎂地?zé)釡貥?biāo)地表不了太深處熱儲層的熱動力平衡條件, 適用于中低溫地?zé)崽颷4,8], 其計算式為:

3.3 鈉—鉀地?zé)釡貥?biāo)

在具備鈉、 鉀長石平衡環(huán)境[Na-feldspar (鈉長石) +K+=K-feldspar (鉀長石) +Na+] 的天然水中,Na/K 是溫度的函數(shù), 這一比值不受溫度降低的影響,且受稀釋或內(nèi)蒸濃縮的影響很小[7]。 基于此, 建立鈉鉀地?zé)釡貥?biāo), 其適合的溫度是25℃～250℃[4,8]。

D. E. White 認(rèn)為當(dāng)Na/K 在8 ～20 之間使用Na-K 溫標(biāo)計算結(jié)果較好, 小于8 計算結(jié)果偏高, 大于20計算結(jié)果偏低[7]。 五龍口地?zé)釁^(qū)所取水樣的Na/K 除少量的冷水小于8 外, 溫水、 溫?zé)崴蜔崴腘a/K值均在8～20 之間(表1、 圖3b), 因此Na-K 地?zé)釡貥?biāo)適合五龍口地?zé)崽锷畈繜醿囟阮A(yù)測。

根據(jù)水巖平衡和熱動力方程推導(dǎo)的熱儲溫度計算式為:

在具備鈉長石與鉀長石平衡且溫度高于150℃ 條件下, 熱儲度計算式為:

或

當(dāng)25℃＜t＜250℃時:

當(dāng)250℃≤t＜350℃時:

式中:

T—預(yù)測熱儲溫度, ℃;

C1—水中可溶性SiO2的含量, mg/L;

C2—水中K 的含量, mg/L;

C3—水中Mg 的含量, mg/L;

C4—水中Na 的含量, mg/L。

根據(jù)五龍口地?zé)崽餃厮?溫?zé)崴盁崴?6 組水樣水質(zhì)分析結(jié)果, 利用上述8 個地?zé)釡貥?biāo)公式計算熱儲溫度, 計算結(jié)果見圖5。 由圖5 可知, 石英溫標(biāo)和鉀鎂溫標(biāo)預(yù)測深部熱儲的溫度較低, 在100℃左右,這與本地?zé)釁^(qū)的實測溫度不符, 石英溫標(biāo)和鉀鎂地?zé)釡貥?biāo)不適應(yīng)本地?zé)崽餆醿囟鹊念A(yù)測。 作者根據(jù)五龍口地?zé)崽?0 余組水樣的水溫和SiO2含量及石英溶解度曲線(圖4), 方便快捷的計算出深部熱儲的溫度為151.95℃。 利用鈉鉀溫標(biāo)5 個公式預(yù)測熱儲溫度比較接近, 最低150℃, 最高259℃, 平均200℃, 因此鈉-鉀溫標(biāo)適用于估算五龍口地?zé)崽锷畈繜醿囟取?/p>

4 結(jié)論

(1) 五龍口地?zé)崽锏責(zé)崃黧w主要來自深部太古界變質(zhì)巖裂隙熱儲, 在高溫高壓條件下溶解了長石、 石英、 云母等礦物, 形成了含有特殊化學(xué)組分的高溫地?zé)崃黧w, 其在上涌過程中與淺部的低溫水混合后, 形成溫度不同化學(xué)成分各異的地?zé)崃黧w。

(2) 根據(jù)五龍口地?zé)崽锏責(zé)崃黧w的某些組分的濃度或濃度比值, 定性判斷其為溫度較高的重要地?zé)崽铩?/p>

(3) 通過二氧化硅、 鉀-鎂、 鈉-鉀等地?zé)釡貥?biāo)計算和分析, 確定鈉-鉀地?zé)釡貥?biāo)適合本地?zé)崽餆醿囟阮A(yù)測。

(4) 預(yù)測結(jié)果表明, 五龍口地?zé)崽锷畈繜醿囟瘸^150℃, 深部熱儲的高溫地?zé)崃黧w在上涌過程中與淺部熱儲中的低溫水混合后, 形成不同溫度不同化學(xué)特征的中、 低溫地?zé)豳Y源, 可用于發(fā)電、 烘干、 采暖、 理療、 洗浴、 溫室、 養(yǎng)殖等[15], 具有廣闊的開發(fā)利用前景。