應(yīng)用地?zé)釡貥?biāo)估算濟(jì)南市平陰縣大孫莊氡溫泉熱儲溫度

盧兆群 宋會軍 程洪柱

中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250013

地下熱水是蘊(yùn)藏在地層與巖石中的流體熱能資源，合理開發(fā)利用必須以地?zé)岬刭|(zhì)條件的深入研究為基礎(chǔ)[1]。在地下熱水研究和開發(fā)利用中，熱儲溫度是劃分地?zé)嵯到y(tǒng)的成因類型和評價地?zé)豳Y源潛力所不可缺少的重要參數(shù)，在通常情況下難以直接測量，熱儲溫度的確定對于有效利用地?zé)豳Y源具有非常重要的意義。地?zé)釡貥?biāo)方法是確定地下深部熱儲溫度的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段[2]。濟(jì)南市平陰縣大孫莊氡溫泉是 1977年在該地區(qū)進(jìn)行鐵礦普查時發(fā)現(xiàn)的，其熱儲層為新太古代泰山巖群變質(zhì)巖系，巖性主要為片麻狀黑云角閃二長花崗巖及斜長角閃巖。大孫莊氡溫泉出水水溫28.3℃，屬低溫地?zé)豳Y源，水中氡、鍶、氟等元素含量均達(dá)到了理療熱礦水國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的命名礦水濃度，可以命名為氡鍶氟復(fù)合型理療熱礦水，尤其是其氡含量之高，在全國罕見，具有很高的理療價值[3]。本文通過對比各種溫標(biāo)的原理和應(yīng)用條件，選取合適的溫標(biāo)離子對大孫莊氡溫泉的熱儲溫度進(jìn)行估算，獲得地下熱儲溫度的估算結(jié)果和相關(guān)認(rèn)識，有助于研究該地區(qū)地下熱水系統(tǒng)溫度場特征和評價地?zé)豳Y源潛力。

1 常用地?zé)釡貥?biāo)方法及應(yīng)用條件

地?zé)釡貥?biāo)方法主要有二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)、陽離子地?zé)釡貥?biāo)、同位素地?zé)釡貥?biāo)和氣體溫標(biāo)4大類。目前國內(nèi)外研究較多的地?zé)釡貥?biāo)有二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)和陽離子地?zé)釡貥?biāo)，同位素地?zé)釡貥?biāo)和氣體溫標(biāo)國內(nèi)外研究較少[4]。主要對比二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)和陽離子地?zé)釡貥?biāo)的原理及應(yīng)用條件，進(jìn)而選取合適的溫標(biāo)離子進(jìn)行熱儲溫度估算。

1.1 二氧化硅溫標(biāo)

二氧化硅溫標(biāo)是應(yīng)用最早也是最常用的地?zé)釡貥?biāo)，其理論基礎(chǔ)是地?zé)崃黧w中二氧化硅的含量取決于不同溫度、壓力下石英在水中的溶解度[5]。二氧化硅溶解度隨溫度升高而增加，天然水中溶解的二氧化硅一般不受其它離子的影響，也不受絡(luò)合物的形成和揮發(fā)散失的影響，并且沉淀速率隨溫度降低而減慢，因此在地表水中二氧化硅的濃度能很好地指示地下熱儲的溫度[6]。研究表明，溫度小于 110℃時，通常是玉髓控制著溶液中的二氧化硅含量；溫度大于 180℃時，通常是石英控制著溶液中的二氧化硅含量；在 180～110℃間，石英和玉髓都可以和溶液達(dá)到平衡[7]。石英溫標(biāo)要考慮熱水中蒸汽的分離效應(yīng)和二氧化硅的聚合或沉淀[6]。

常用的二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)溫度相關(guān)性公式如下。石英地?zé)釡貥?biāo)（無蒸汽損失）計(jì)算公式：

玉髓地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算公式：

式中，t為熱儲溫度，℃；c1為熱水中溶解的H4SiO4形式的SiO2含量，mg/L。

1.2 陽離子溫標(biāo)

陽離子地?zé)釡貥?biāo)是基于熱水與固相物質(zhì)間的K、Na、Ca、Mg等陽離子的交換與溫度的關(guān)系建立起來的。所有陽離子溫標(biāo)方法都是經(jīng)驗(yàn)性的近似方法[2]，廣泛用于熱儲溫度的評價。常用的有Na-K溫標(biāo)、Na-K-Ca溫標(biāo)和K-Mg溫標(biāo)等。

（1）Na-K溫標(biāo)僅應(yīng)用于150℃以上的熱水，尤其是鉆孔中的熱水[2]。低溫條件下水溶Na+/K+一般不受共生堿性長石之間陽離子交換反應(yīng)的控制，其優(yōu)點(diǎn)是受稀釋和蒸汽分離的影響很小[6]。

Na-K溫標(biāo)計(jì)算公式：

（2）Na-K-Ca溫標(biāo)是專門用來處理富鈣熱水的。沸騰會使估算值偏高；在許多富Mg2+的中低溫?zé)崴?，Na-K-Ca溫標(biāo)估算得到的結(jié)果也明顯偏高，因此需要進(jìn)行Mg2+校正[6]。

Na-K-Ca溫標(biāo)計(jì)算公式：

（3）Giggenbach于1988年建立了K-Mg溫標(biāo)[8]。該溫標(biāo)適用于低溫地下熱水，估算溫度一般高于熱水井的出水溫度，被認(rèn)為是繼續(xù)向深部鉆進(jìn)有可能達(dá)到的溫度[9]。

K-Mg溫標(biāo)計(jì)算公式：

式中，t為熱儲溫度，℃；

當(dāng) t＜100℃時，β=4/3；當(dāng) t＞100℃時，β=1/3；

c2為水中鈉的濃度，mg/L；

c3為水中鉀的濃度，mg/L；

c4為水中鈣的濃度，mg/L；

c5為水中鎂的濃度，mg/L。

除了以上陽離子地?zé)釡貥?biāo)，還有Mg-Li溫標(biāo)、K-Li溫標(biāo)、Na-Li溫標(biāo)、Na-Ca溫標(biāo)和K-Ca溫標(biāo)等，各有不同的應(yīng)用條件[6]。

2 地?zé)釡貥?biāo)的選取和計(jì)算

2.1 水化學(xué)特征

根據(jù)大孫莊氡溫泉井1992年11月～2016年5月期間的6次水化學(xué)組分分析數(shù)據(jù)（表1），大孫莊氡溫泉水pH值7.30～7.86（平均7.52），呈弱堿性；礦化度 6411.00～6828.00mg/L（平均6580.09mg/L），總體表現(xiàn)為3g/L≤礦化度≤10 g/L的高礦化度咸水；鍶11.88～14.45mg/L、氟2.07～3.00mg/L、氡 253.23～644.9Bq/L，；水化學(xué)類型均為 Cl·SO4-Na·Ca型（舒卡列夫分類）?？梢钥闯觯髮O莊氡溫泉水中各離子成分及微量元素含量多年來變化不大，水質(zhì)動態(tài)較穩(wěn)定。

表1 大孫莊氡溫泉水不同時期水樣水化學(xué)組分分析結(jié)果表Table 1 Analysis results of hydrochemical composition of Dasunzhuang radon geothermal spring water samples in different periods

2.2 礦物-流體平衡判斷

地?zé)崃黧w中溶解物的濃度是熱儲溫度的函數(shù)，使用地?zé)釡貥?biāo)方法的基本前提是作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲中礦物達(dá)到了平衡狀態(tài)，因此，必須研究地?zé)崴偷V物的平衡狀態(tài)以檢驗(yàn)地?zé)釡貥?biāo)方法的可靠性[10]。

2.2.1 Na-K-Mg三角圖解法

1988年，Giggenbach首先提出了 Na-K-Mg三角圖的方法來計(jì)算地?zé)釡貥?biāo)，在圖中分為完全平衡水、部分平衡水和未成熟水3個區(qū)域，常被用來評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣，并利用該圖來判斷熱水是否適合Na-K-Mg溫標(biāo)。其應(yīng)用原理是，鈉、鉀的平衡調(diào)整較緩慢，但鉀、鎂含量的平衡調(diào)整的很快，即使在溫度較低時亦如此，因此對中低溫?zé)崽餆醿囟鹊挠?jì)算較為有利。它取決于以下2個依賴于溫度的反應(yīng)[10]：

其中，三角圖中的坐標(biāo)計(jì)算：

在Na-K-Mg三角圖中，從每個三角點(diǎn)到其對邊，相應(yīng)組分含量（mg/L）的百分?jǐn)?shù)由 100%變化到0%，則按Na、K和Mg計(jì)算的百分?jǐn)?shù)作平行于其對邊的兩直線，交點(diǎn)則為各水樣在此圖中位置[10]。

按照上述方法將大孫莊氡溫泉水不同時期的6次水化學(xué)組分分析數(shù)據(jù)的Na、K、Mg含量經(jīng)線性轉(zhuǎn)換后投至Na-K-Mg平衡圖解上（圖1）。

圖1 大孫莊氡溫泉水Na-K-Mg平衡圖解Fig.1 Na-K-Mg equilibrium diagram of Dasunzhuang radon geothermal spring water

從圖1中可以看出，大孫莊氡溫泉水不同時期的6次水化學(xué)組分分析數(shù)據(jù)均屬于“部分平衡水”，說明大孫莊氡溫泉水水-巖反應(yīng)的平衡溫度偏低，水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進(jìn)行，或是熱水由深部向地表上升的過程中受到了淺層冷水的混合稀釋作用，從而使熱水中元素的含量變低。

因此，陽離子地?zé)釡貥?biāo)不會計(jì)算出合理的平衡溫度值，大孫莊氡溫泉水不適合用陽離子地?zé)釡貥?biāo)來估算熱儲溫度。

2.2.2 飽和指數(shù)法

飽和指數(shù)是表示地下水對某特定礦物的飽和程度，常用SI表示，它可以用來判斷地下水與某特定礦物的反應(yīng)狀態(tài)。SI＞0，表示地下水相對某特定礦物是過飽和的，該礦物將從地下水中沉淀出來。SI=0，表示地下水對某特定礦物是平衡的。SI＜0，表示地下水對指定礦物是欠飽和的，地下水有繼續(xù)溶解該礦物的能力[11]。

利用PHREEQC軟件對大孫莊氡溫泉水6次水化學(xué)組分分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了水文地球化學(xué)模擬，對地下水中幾種常見礦物組分存在形式及礦物飽和指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算（表2）。

表2 各礦物飽和指數(shù)Table 2 Saturation index of minerals

從表2中計(jì)算結(jié)果看，各水樣的幾種常見礦物組分的飽和指數(shù)均不等于0；飽和指數(shù)大于0，礦物處于過飽和狀態(tài)，該礦物決定的溫標(biāo)將估算出過高的溫度；飽和指數(shù)小于 0，礦物處于非飽和狀態(tài)，估算結(jié)果偏低。方解石、玉髓、白云石、螢石、石英的飽和指數(shù)大于 0，表明這些礦物處于過飽和狀態(tài)，在適當(dāng)條件下將會產(chǎn)生沉淀；硬石膏、石膏的飽和指數(shù)小于 0，說明這些礦物處于非飽和狀態(tài)，不產(chǎn)生沉淀，還會繼續(xù)溶解。

在這幾種礦物中，玉髓和石英的飽和指數(shù)均大于 0，但石英的飽和指數(shù)明顯大于玉髓的，因此，相比較而言，玉髓更接近平衡狀態(tài)，表明玉髓與水反應(yīng)在多數(shù)情況下要比石英與水反應(yīng)更接近平衡。

2.3 地?zé)釡貥?biāo)的選取

準(zhǔn)確地估算熱儲溫度的關(guān)鍵在于判斷地?zé)崴邢嚓P(guān)化學(xué)組分是否與圍巖礦物達(dá)到化學(xué)平衡，Na-K-Mg三角圖解法是目前國內(nèi)外用以判斷水巖平衡樣點(diǎn)的有效方法。從圖1中各水樣坐標(biāo)落點(diǎn)來看，6組不同時期的氡溫泉水均處于部分平衡狀態(tài)，不能用陽離子地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲溫度。

飽和指數(shù)法可以用來判斷地下水與某特定礦物的反應(yīng)狀態(tài)。從表2中幾種礦物的飽和指數(shù)SI來看，方解石、玉髓、白云石、螢石、石英均處于過飽和狀態(tài)，因此可以使用二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算公式，但估算結(jié)果可能會較實(shí)際溫度偏高。

3 熱儲溫度的確定

根據(jù)大孫莊氡溫泉井6組不同時期水樣的水化學(xué)組分分析結(jié)果（表1），選用二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)對氡溫泉井熱儲溫度進(jìn)行估算，估算結(jié)果見表3。

表3 熱儲溫度估算結(jié)果Table 3 Estimated results of the temperature of geothermal reservoir

從表3中的估算結(jié)果看，采用石英溫標(biāo)估算的溫度明顯高于玉髓溫標(biāo)估算的溫度，這是因?yàn)槭⒌娘柡椭笖?shù)較玉髓的要大很多。由此可見，石英溫標(biāo)更適用于高溫地?zé)崽铩?/p>

通過玉髓溫標(biāo)估算的溫度為 45.7～52.2℃（平均47.8℃），比較接近井口出水水溫28.3℃，因此，利用該計(jì)算方法估算熱儲溫度較為合理，估算大孫莊氡溫泉井的熱儲平均溫度為47.8℃。

氡溫泉井目前深度為660m，若加大鉆孔深度，有望達(dá)到玉髓溫標(biāo)估算的溫度。因此，大孫莊地區(qū)具備獲得更高溫度地?zé)犭睖厝Y源的潛力。

4 結(jié)論

（1）地?zé)釡貥?biāo)方法是確定地下深部熱儲溫度的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段，但是任何溫標(biāo)在使用前都要進(jìn)行水-巖平衡判斷，不能直接應(yīng)用。

（2）通過Na-K-Mg三角圖解法，可以判斷大孫莊氡溫泉水屬于“部分平衡水”，未達(dá)到完全平衡狀態(tài)，說明大孫莊氡溫泉水水-巖反應(yīng)的平衡溫度偏低，水-巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，溶解作用仍在進(jìn)行，或是熱水由深部向地表上升的過程中受到了淺層冷水的混合稀釋作用，從而使熱水中元素的含量變低，因此不適合用陽離子地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲溫度。

（3）利用PHREEQC對大孫莊氡溫泉水不同時期的6次水化學(xué)組分分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了水文地球化學(xué)模擬，對地下水中幾種常見礦物組分存在形式及礦物飽和指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，玉髓和石英的飽和指數(shù)均大于 0，但相比較而言，玉髓更接近平衡狀態(tài)，表明玉髓與水反應(yīng)在多數(shù)情況下要比石英與水反應(yīng)更接近平衡。

（4）通過玉髓溫標(biāo)估算的溫度為45.7～52.2℃（平均47.8℃），比較接近井口出水水溫28.3℃，因此，利用玉髓溫標(biāo)估算大孫莊氡溫泉井的熱儲溫度較為合理，估算大孫莊氡溫泉井的熱儲平均溫度為47.8℃。

（5）氡溫泉井目前深度為660m，若加大鉆孔深度，有望達(dá)到玉髓溫標(biāo)估算的溫度，大孫莊地區(qū)具備獲得更高溫度地?zé)犭睖厝Y源的潛力。