地热温标在济源五龙口地热田的应用

姜宝良, 李志超, 余 晨

1. 华北水利水电大学, 河南 郑州 450046; 2. 黄河勘测规划设计研究院有限公司, 河南 郑州 450003

0 引言

地热资源作为新能源中唯一集热、 矿、 水为一体的洁净可再生的矿产资源, 具有储量大、 使用方便、成本低廉、 易开采、 用途广泛等特点[1-2], 是构建“资源节约型、 环境友好型” 社会提倡的矿产资源。开发利用地热资源在改善生态环境, 提高人们健康水平, 促进相关产业经济发展, 扩大就业等方面发挥了重要作用, 对实现“碳达峰” “碳中和” 具有重大意义。

深部热储温度是评价地热资源不可或缺的参数,确定热储温度有直接测量法和间接法(地热温标法)两种。 直接法是测量钻井(孔) 温度, 其精度高, 但耗时长、 费用大, 深度有限。 多数情况是采用地热温标估算深部热储温度[3]。 Fournier 和Truesdell 通过阳离子地热温标法估算热储温度, 并对其适用条件做了详细的阐述[4], 其成果不断被引用和完善。 Z.Mohammadi 等基于多种地热温标估算了伊朗扎格罗斯地区Changal 温泉的热储温度[5]。 孙红丽等利用阳离子地热温标和SiO2温标估算出西藏地热田深部热储温度为134 ℃～256 ℃[6]。 朱炳球提出利用SiO2、 Na/K、Ca、 HCO3、 Mg、 Mg/Ca、 Na/Ca、 Cl/HCO3、 Cl/F 等与水温的关系可以定性的判定地热系统中是否存在高温[7]。 地热流体与矿物在一定温度、 压力条件下达到平衡, 深部高温地热流体上涌到地表浅部温度降低,这种平衡仍然存在[8]。 通过测定温泉或地热井地热流体的化学组分浓度或浓度比值, 可以推测深部热储温度, 预测地热田潜力。

河南省济源市五龙口地热异常区(简称五龙口地热田) 自1984 年发现以来, 有多家勘察研究单位在此进行了地热资源的勘察研究工作[9-11], 采集了不同时间、 不同水温、 不同井深或含水层 (热储)的水样70 余组, 进行了饮用水或饮用天然矿泉水水质全分析[9,12], 为利用地热温标计算热储温度提供了条 件。 本 文 利 用SiO2、 Na/K、 Ca、 HCO3、 Mg、Mg/Ca、 Na/Ca、 Cl/HCO3、 Cl/F、 Cl 等 定 性 温 标,确定五龙口地热田是温度较高的重要的地热田, 用二氧化硅温标、 钾-镁温标和钠-钾温标分别进行定量计算, 确定钠钾地热温标最适用本地热田热储温度预测。

1 五龙口地热成因概述

五龙口地热田是典型的对流型地热田[9-11], 位于山区和平原的交接地带。 北部为太行山(中低山),出露寒武—奥陶系碳酸盐岩地层, 受区域深大断裂—盘古寺断层的影响, 断裂构造复杂, 裂隙岩溶发育;南部为沁河冲洪积平原或山区冲洪积倾斜平原, 为砂卵石、 粉土、 粉质粘土等第四系松散堆积物。 大气降水或沁河(河口村水库) 地表水通过近东西向的盘古寺断裂裂隙垂直入渗至地下深处, 经过曲折复杂的远距运移和深循环加热, 在深部高温高压条件下与围岩(太古界变质岩) 中的矿物发生溶滤作用, 形成含特殊化学成分的高温地热流体, 沿F25断裂及断裂破碎带由北向南径流, 在五龙口断裂带(F17) 与F25断裂带的交汇部位, 岩石破碎, 次级张性羽状构造裂隙发育, 地应力相对减小, 为深部地热流体的对流上涌和富集提供了良好条件。 寒武系底部页岩、 第四系粘土、 二叠系和古近系的砂泥岩为隔水隔热层。 由于F17与F25断层上盘二叠系和古近系等相对隔水地层的阻隔, 深部(太古界裂隙热储) 高温地热流体在上涌过程中与上部寒武-奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶热储或第四系孔隙热储中的冷水混合并稀释, 形成温度不同、 化学特征各异的地热流体[9]。 五龙口地热田的分布和成因见图1、 图2。

1-实测断层及推测断层(Measured fault and inferred fault); 2-已探明地热区范围和推测范围(Mroved geothermal area and inferred range); 3-奥陶系+寒武系(Ordovician + Cambrian); 4-第四系(Quaternary); 5-地热井及编号(Geothermal Wells and numbers); 6-地貌及地质分区界限(Geomorphic and geological zoning boundaries); 7-太行山侵蚀剥蚀中低山区(Erosion and denudation of the Taihang Mountains ); 8-侵蚀剥蚀低山区(Erosion denudates low mountainous areas); 9-山前冲洪积平原(Piedmont alluvial plain); 11-冲积平原区(Alluvial plain)

图2 五龙口地热成因示意图Fig.2 Schematic diagram of geothermal genesis in Wulongkou

2 定性地热温标

地热流体是大气降水循环到地下深处形成的, 热水温度不同, 从围岩中溶解的化学成分也随之发生变化, 因此地热流体某些组分的浓度或浓度比值可作为热水系统的定性指标, 见表1。

(1) SiO2

SiO2是地热系统的最好指示剂, 温度高, SiO2溶解度大。 五龙口地热区SiO2含量随水温的升高而增加(图3a), 呈线性正相关, 相关指数达0.978 9 (图4), 相关性极强。

(2) Na/K

由表1 和图3b 可知, 五龙口地热水中的Na/K 比值绝大多数在8 ～20 之间, 可判断为重要的地热田,适合利用钠钾温标预测热储温度[7]。

表1 五龙口地热区热水系统温度的定性指标Table 1 Qualitative index of hot water system temperature in geothermal area of Wulongkou

(3) Ca、 HCO3

Ca2+、 HCO3-对于中性水有定性意义, 且CaCO3溶解度随温度升高而降低。 地热区地热水的PH 值7.1～8.0, 接近中性, 水温越高, Ca2+、 HCO3-含量越低(图3c), 由此说明五龙口地热田深部热储温度高。

(4) Mg、 Mg/Ca

低值表示高温, 由图3d 和图3e 可知, Mg、 Mg/Ca 随水温升高而减少, 水温越高其值越低, 说明五龙口地热田存在高温水。

(5) Na/Ca

五龙口地热田Na/Ca 随水温升高而增大(图3f)知, 呈线性正相关。 高值表示高温, 说明深部热储温度更高。

(6) Cl/HCO3

Cl/HCO3比值高指示地下温度高[7-8]。 五龙口地热田Cl/HCO3比值随水温升高而增加, 与水温呈对数相关(图3g)。

(7) Cl/F

Cl/F 比值高可能指示高温。 五龙口地热田Cl/F普遍较高(图3h), 大部分大于40, 最高120 ～150。说明五龙口地热田深部存在高温热储。

(8) Cl

热矿水中氯的来源可以通过rNa/rCl 的比值来判断。 五龙口地热水的rNa/rCl 多数大于1, 说明地热水的成因与海相沉积无关, 也不受岩盐地层的影响。 在自然界的水-岩系统中, 由于氯既不形成难溶矿物也不被胶体吸附, 水-岩作用也难以影响其在水中的存在状态, 因此氯常用于示踪地下热水及系统中与其较好相关性的其他物质的来源[6]。 温度越高氯离子的含量越大, 五龙口地热水氯离子与水温呈正线性相关(图3i), 其相关系数为0.92, 相关性极强。

根据表1 所列指标及五龙口地热流体各指标与温度的关系(图3), 说明五龙口地热田是温度较高的重要地热田。

图3 定性地热温标与水温关系曲线图Fig.3 Relationship between qualitative geothermal temperature scale and water temperature

3 定量地热温标

地热温标能计算出地热田深部热储温度, 对地热资源评价和开发利用等具有重要意义。 通过各种化学组分、 气体成分、 同位素组成而建立的地热温标类型较多, 常用的有二氧化硅温标(SiO2)、 钾-镁温标(K-Mg)、 钠-钾温标(Na-K) 等[13]。 由于不同的地热温标适用于不同的地热田类型, 所以在选用时应根据具体的地热田条件确定。

3.1 二氧化硅地热温标

二氧化硅地热温标是应用最早也是最常用的地球化学温标, 其理论依据是地热流体中二氧化硅的含量主要取决于不同温度、 压力下石英在水中的溶解度。利用二氧化硅地热温标公式可以计算热储温度, 常用公式(1)、 公式(2)。

(1) 热流运移过程中没有蒸汽损失, 仅传导冷却, 则二氧化硅温标公式为:

(2) 热流运移过程中已发生沸腾闪蒸损失, 则二氧化硅温标公式为:

计算结果见图5。

根据五龙口地热区地热水的成因可知, 地热水来源于地壳深部太古界变质岩裂隙热储, 在上涌过程中与浅部第四系孔隙热储或寒武奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶热储中低温水混合并稀释, 形成不同温度、 不同化学特征的热水, 地热流体-矿物平衡、 冷水-热水混合、 传导或隔热冷却会造成地热流体中二氧化硅的聚合或沉淀, 导致热储计算温度偏低, 再由于五龙口地热区地热流体中二氧化硅的来源不只是石英或玉髓中二氧化硅的溶解, 而主要是长石、 云母、 角闪石等硅酸盐矿物的溶解。 由于所取水样发生了不同程度的稀释(混合) 作用, 采用SiO2地热温标计算出来的结果通常偏低, 不能真实反映深部热储温度, 必须进行修正[14]。 作者根据五龙口地热区70 余组水样的水温和SiO2含量及石英溶解度曲线(图4), 通过统计分析, 方便快捷的计算出深部热储的温度为151.95℃,SiO2含量为135.34 mg/L, 较真实反映深部热储温度(另文: 对流型地热区二氧化硅温标的应用, 拟在《地质与资源》 杂志发表)。

图4 SiO2含量与水温及石英溶解度曲线图Fig.4 Curve of SiO2content with water temperature and quartz solubility

图5 石英、 钾镁、 钠钾温标热储温度计算结果凹凸箱型图Fig.5 Concave-convex box diagram of calculation results of thermal storage temperature of silica, potassium magnesium and sodium-potassium temperature scales

3.2 钾—镁地热温标

高温时镁保留为固相, 因此来自深部热储的地热水镁含量一般极低, 随着温度的降低以及地下冷水的掺入, 水中镁含量逐渐增加; 同样, 热储温度较低时, 镁含量在热水中得以明显产出, 所以钾镁地热温标地表不了太深处热储层的热动力平衡条件, 适用于中低温地热田[4,8], 其计算式为:

3.3 钠—钾地热温标

在具备钠、 钾长石平衡环境[Na-feldspar (钠长石) +K+=K-feldspar (钾长石) +Na+] 的天然水中,Na/K 是温度的函数, 这一比值不受温度降低的影响,且受稀释或内蒸浓缩的影响很小[7]。 基于此, 建立钠钾地热温标, 其适合的温度是25℃～250℃[4,8]。

D. E. White 认为当Na/K 在8 ～20 之间使用Na-K 温标计算结果较好, 小于8 计算结果偏高, 大于20计算结果偏低[7]。 五龙口地热区所取水样的Na/K 除少量的冷水小于8 外, 温水、 温热水和热水的Na/K值均在8～20 之间(表1、 图3b), 因此Na-K 地热温标适合五龙口地热田深部热储温度预测。

根据水岩平衡和热动力方程推导的热储温度计算式为:

在具备钠长石与钾长石平衡且温度高于150℃ 条件下, 热储度计算式为:

或

当25℃＜t＜250℃时:

当250℃≤t＜350℃时:

式中:

T—预测热储温度, ℃;

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。

根据五龙口地热田温水、 温热水及热水36 组水样水质分析结果, 利用上述8 个地热温标公式计算热储温度, 计算结果见图5。 由图5 可知, 石英温标和钾镁温标预测深部热储的温度较低, 在100℃左右,这与本地热区的实测温度不符, 石英温标和钾镁地热温标不适应本地热田热储温度的预测。 作者根据五龙口地热田70 余组水样的水温和SiO2含量及石英溶解度曲线(图4), 方便快捷的计算出深部热储的温度为151.95℃。 利用钠钾温标5 个公式预测热储温度比较接近, 最低150℃, 最高259℃, 平均200℃, 因此钠-钾温标适用于估算五龙口地热田深部热储温度。

4 结论

(1) 五龙口地热田地热流体主要来自深部太古界变质岩裂隙热储, 在高温高压条件下溶解了长石、 石英、 云母等矿物, 形成了含有特殊化学组分的高温地热流体, 其在上涌过程中与浅部的低温水混合后, 形成温度不同化学成分各异的地热流体。

(2) 根据五龙口地热田地热流体的某些组分的浓度或浓度比值, 定性判断其为温度较高的重要地热田。

(3) 通过二氧化硅、 钾-镁、 钠-钾等地热温标计算和分析, 确定钠-钾地热温标适合本地热田热储温度预测。

(4) 预测结果表明, 五龙口地热田深部热储温度超过150℃, 深部热储的高温地热流体在上涌过程中与浅部热储中的低温水混合后, 形成不同温度不同化学特征的中、 低温地热资源, 可用于发电、 烘干、 采暖、 理疗、 洗浴、 温室、 养殖等[15], 具有广阔的开发利用前景。