對(duì)流型地?zé)釁^(qū)二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)的應(yīng)用研究

姜寶良，段洛煜，潘 登，張友安，張曉偲

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.河南省自然資源監(jiān)測(cè)院，河南 鄭州 450016；3.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院，河南 鄭州 450000)

地?zé)釡貥?biāo)是確定地下深部熱儲(chǔ)溫度的一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。常用的地?zé)釡貥?biāo)有二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)、Na-K溫標(biāo)、Na-K-Ca溫標(biāo)、Na-Mg溫標(biāo)等。二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)是應(yīng)用最早也是最常用的地?zé)釡貥?biāo)，其應(yīng)用的前提是地?zé)崃黧w在上行冷卻過程中不發(fā)生混合(稀釋)和沉淀[1-2]，但對(duì)流型地?zé)釁^(qū)深部高溫地?zé)崃黧w在上涌過程中不同程度地與淺部冷水進(jìn)行混合或稀釋，所采水樣是不同程度稀釋的熱冷混合水，采用二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)公式計(jì)算出來的結(jié)果通常偏低，不能真正代表深部熱儲(chǔ)的溫度，必須進(jìn)行修正。常用的修正方法為硅—焓函數(shù)方程法和硅—焓模型圖解法，因計(jì)算過程繁瑣，操作性和代表性差。本文采用統(tǒng)計(jì)分析，方便快捷地計(jì)算深部熱儲(chǔ)溫度和冷熱水混合比的方法。大多數(shù)重要的地?zé)釁^(qū)均積累了大量的水質(zhì)分析資料，為利用該方法創(chuàng)造了條件。

FOURNIER[3]提出使用石英溶解度曲線計(jì)算深部熱儲(chǔ)溫度及二氧化硅含量。GIGGENBACH[4]提出使用Na-K-Mg三角圖對(duì)地?zé)崃黧w平衡狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。鄭西來[5]提出選取地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算時(shí)應(yīng)先判斷地?zé)崃黧w的平衡狀態(tài)。孫紅麗等[6]對(duì)23組水樣使用石英溫標(biāo)、玉髓溫標(biāo)計(jì)算了西藏中部12個(gè)主要地?zé)崽锝M成的高溫地?zé)釒醿?chǔ)溫度，估算深部溫度偏低，計(jì)算結(jié)果較為保守，部分地?zé)崽镉?jì)算溫度與實(shí)際取樣溫度一致，其代表性差。郎旭娟[7]使用石英、玉髓溫標(biāo)計(jì)算貴德盆地溫泉熱儲(chǔ)溫度，低于鉆孔測(cè)井溫度。王瑞娟[8]對(duì)青海省共和盆地恰卜恰地區(qū)熱儲(chǔ)進(jìn)行估算，二氧化硅溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果較低，不能真實(shí)反映熱儲(chǔ)情況。劉成龍等[9]以云南巧家硫磺洞溫泉1組水樣為研究對(duì)象使用二氧化硅溫標(biāo)、Na/K溫標(biāo)，計(jì)算結(jié)果偏低且代表性差。這些研究中因地?zé)崃黧w上涌過程中出現(xiàn)冷熱水混合或稀釋，計(jì)算結(jié)果偏低，只能對(duì)深部溫度進(jìn)行保守估計(jì)，且水樣較少，代表性較差。

河南省濟(jì)源市五龍口地?zé)岙惓^(qū)(簡(jiǎn)稱五龍口地?zé)釁^(qū))是典型的受區(qū)域構(gòu)造影響而形成的對(duì)流型地?zé)釁^(qū)。本文通過對(duì)五龍口地?zé)釁^(qū)69組水樣進(jìn)行二氧化硅和水溫的統(tǒng)計(jì)分析，得到了一種方便快捷的深部熱儲(chǔ)溫度的修正和熱冷水混合比的計(jì)算方法，可供類似地?zé)釁^(qū)熱儲(chǔ)溫度預(yù)測(cè)參考。

1 五龍口地?zé)釁^(qū)概述

五龍口地?zé)釁^(qū)是典型的對(duì)流型地?zé)釁^(qū)[10-15]。五龍口地?zé)釁^(qū)北部，寒武—奧陶系碳酸鹽巖裸露，受區(qū)域深大斷裂(盤古寺斷裂帶)影響，斷裂構(gòu)造復(fù)雜，裂隙巖溶發(fā)育。大氣降水或沁河(河口村水庫(kù))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(yùn)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(jí)張性羽狀構(gòu)造裂隙發(fā)育，地應(yīng)力相對(duì)減小，為深部地?zé)崃黧w的對(duì)流上涌和富集提供了良好條件。受F17與F25斷層上盤二疊系和古近系等相對(duì)隔水地層的阻隔，沿?cái)鄬悠扑閹仙恋乇頊\部，形成五龍口地?zé)岙惓^(qū)。深部高溫地?zé)崃黧w來源于地殼深部太古界變質(zhì)巖構(gòu)造裂隙熱儲(chǔ)，在上涌到地殼淺部過程中與第四系孔隙熱儲(chǔ)或寒武奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)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。五龍口地?zé)釁^(qū)的分布和成因如圖1、圖2所示。

圖1 五龍口地?zé)釁^(qū)分布Fig.1 Distribution map of Wulongkou geothermal area

圖2 五龍口地?zé)釁^(qū)成因示意Fig.2 Genetic diagram of Wulongkou geothermal area

2 采樣和分析

五龍口地?zé)釁^(qū)自1984年發(fā)現(xiàn)以來，1989年河南省地質(zhì)礦產(chǎn)廳地質(zhì)二隊(duì)進(jìn)行了《河南省濟(jì)源市省莊地?zé)崞詹椤贰?008年河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院完成了《河南省濟(jì)源五龍口溫泉度假有限公司1號(hào)井醫(yī)療熱礦水評(píng)價(jià)》，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)完成了《河南省濟(jì)源市城區(qū)—五龍口地?zé)豳Y源普查》等。華北水利水電大學(xué)2013年至今在五龍口地?zé)釁^(qū)進(jìn)行地?zé)豳Y源綜合勘察研究工作。上述勘察研究中，由專業(yè)技術(shù)人員按水樣的采集、保存與送檢要求，采集了不同水溫、不同井深或含水層(熱儲(chǔ))的水樣共69組，其中作者采集水樣37組。水樣采集時(shí)均進(jìn)行水溫測(cè)量。分別由河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心、河南省地礦局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室、河南省巖石礦物測(cè)試中心、國(guó)土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心等專業(yè)測(cè)試單位，按照飲用天然礦泉水全分析或飲用水全分析要求完成測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

3 二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算

3.1 溫標(biāo)計(jì)算

二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)是應(yīng)用最早也是最常用的地?zé)釡貥?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。試驗(yàn)表明，水中二氧化硅的析出量與溫度呈函數(shù)關(guān)系[3]。

在使用二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲(chǔ)溫度時(shí)要考慮全面，尤其是考察熱礦水二氧化硅的某些部分是否和玉髓達(dá)到平衡狀態(tài)[16]。本文選擇無蒸汽散失石英溫標(biāo)和玉髓地?zé)釡貥?biāo)[17]。

(1)無蒸汽散失的石英地?zé)釡貥?biāo)：

(1)

(2)玉髓地?zé)釡貥?biāo)：

(2)

式中，T為熱儲(chǔ)溫度；ρSiO2為水中可溶性SiO2的濃度。

無蒸汽散失的石英地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算熱儲(chǔ)溫度在60～130 ℃；采用玉髓地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算出的熱儲(chǔ)溫度在27～104 ℃。

3.2 平衡狀態(tài)判別

從五龍口地?zé)釁^(qū)的Na-K-Mg三角圖(圖3)可知，地?zé)釁^(qū)無論冷水、溫水、溫?zé)崴€是熱水均為未成熟水，五龍口地?zé)釁^(qū)所取水樣均受淺部冷水的混合或稀釋。受混合或稀釋的地?zé)崴捎枚趸璧責(zé)釡貥?biāo)計(jì)算出來的結(jié)果通常偏低且變化較大，不能真實(shí)反映深部熱儲(chǔ)的溫度[17-19]。

圖3 五龍口地?zé)釁^(qū)Na-K-Mg三角圖Fig.3 Na-K-Mg diagram of Wulongkou geothermal area

4 地?zé)峋疁y(cè)溫

ZK3、ZK03、ZK32利用1988年河南省地質(zhì)礦產(chǎn)廳地質(zhì)二隊(duì)地?zé)崞詹殂@孔測(cè)溫資料，測(cè)溫間距2 m；B4、TY1地?zé)峋肸DKJ-A型高精度深井測(cè)溫儀，精度0.1 ℃，測(cè)溫點(diǎn)間距2 m。每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)測(cè)溫時(shí)間6 min左右，溫度達(dá)到穩(wěn)定。

4.1 ZK32、B4地?zé)峋?/h3>

由地?zé)釁^(qū)ZK32、B4地?zé)峋臏y(cè)溫結(jié)果(圖4)可知，最深410 m(280 m以下為太古界變質(zhì)巖；以上為寒武系灰?guī)r、泥灰?guī)r、頁(yè)巖等)，測(cè)溫結(jié)果顯示的最高溫度已超過100 ℃。雖2019年地?zé)峋疁囟容^1988年有所下降，但深部太古界變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ)的溫度仍有94 ℃。因B4地?zé)峋畠H取用375 m以下太古界變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ)中的地?zé)崴喜坎扇×藝?yán)格的封堵和止水措施，其抽水試驗(yàn)溫度達(dá)92 ℃。

圖4 ZK32、B4測(cè)溫曲線Fig.4 Geotemperature curves of ZK32、B4

4.2 TY1、ZK3、ZK03地?zé)峋?/h3>

由TY1、ZK3、ZK03地?zé)峋臏y(cè)溫結(jié)果可知(圖5)，2020年和1988年測(cè)溫曲線基本重合，即經(jīng)30多年開發(fā)利用，水溫基本沒有變化。在此區(qū)域250 m以上為寒武系碳酸鹽巖為主的地層，250 m以下為太古界變質(zhì)巖，ZK03在300 m以下水溫已超過100 ℃。由五龍口地?zé)釁^(qū)地?zé)峋疁y(cè)溫結(jié)果可知，深度300 m左右的太古界變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ)的溫度已超過100 ℃。由Na-K-Mg三角圖和五龍口地?zé)峋疁y(cè)溫結(jié)果可知，所采水樣均發(fā)生了不同程度的混合或稀釋，利用二氧化硅溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)溫度相比偏低。

圖5 TY1、ZK3、ZK03測(cè)溫曲線Fig.5 Geotemperature curves of TY1、ZK3、ZK03

5 熱儲(chǔ)溫度修正

5.1 常用的修正方法

因?qū)α餍偷責(zé)釁^(qū)采用二氧化硅溫標(biāo)公式計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度較低，不能真實(shí)反映熱儲(chǔ)溫度，必須進(jìn)行修正。常用的修正方法為硅—焓函數(shù)方程法和硅—焓模型圖解法。用修正方法對(duì)單一樣品計(jì)算，其結(jié)果組合而成的區(qū)域熱儲(chǔ)溫度范圍易受異常值影響，不能反映區(qū)域真實(shí)情況，代表性不好。對(duì)于重要地?zé)釁^(qū)，水質(zhì)分析資料較多，采用修正方法逐一計(jì)算，過程繁瑣，較為復(fù)雜。根據(jù)對(duì)流型地?zé)釁^(qū)SiO2與溫度相關(guān)性好的特點(diǎn)，提出采用SiO2與溫度關(guān)系曲線代替單一樣品曲線的計(jì)算方法。

5.2 熱儲(chǔ)溫度修正的統(tǒng)計(jì)分析法

該方法利用常用的Office辦公軟件中的Excel表，可以輕松快捷地實(shí)現(xiàn)熱儲(chǔ)溫度修正的統(tǒng)計(jì)分析。首先利用Excel表繪制出石英溶解度[7-8]和溫度的散點(diǎn)圖；再繪制地?zé)釁^(qū)水樣的水溫和可溶性SiO2含量的散點(diǎn)圖。分別得到其擬合曲線及擬合曲線相關(guān)方程和相關(guān)指數(shù)，確定擬合效果。兩曲線的交點(diǎn)，即為地?zé)釁^(qū)熱儲(chǔ)的溫度和可溶性SiO2含量，通過聯(lián)立方程可以快速求得。相比利用單個(gè)水質(zhì)分析資料計(jì)算結(jié)果，其代表性要好。如：根據(jù)五龍口地?zé)釁^(qū)所采水樣的水溫與可溶性SiO2含量，利用Excel繪制出其關(guān)系曲線(圖6)。水中可溶性SiO2與水溫呈線性正相關(guān)，相關(guān)方程：ρ(SiO2)=0.928t-5.704 9，相關(guān)系數(shù)R2=0.958 2，相關(guān)性好。石英溶解度曲線的相關(guān)方程：ρ(SiO2)=0.010 9t2-1.002t+35.898，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 6，相關(guān)性更好。兩曲線的交點(diǎn)C的坐標(biāo)可以通過聯(lián)立方程，求得C點(diǎn)的坐標(biāo)為(151.95，135.34)，即熱儲(chǔ)的溫度為151.95 ℃，其SiO2含量達(dá)135.34 mg/L。

圖6 五龍口地?zé)釁^(qū)水中SiO2含量與水溫及石英溶解度曲線Fig.6 Relationship curve between water temperature，soluble SiO2 content and quartz solubility of Wulongkou geothermal area

6 熱冷水混合比計(jì)算

五龍口不受地?zé)釁^(qū)影響的水樣的水溫和可溶性SiO2含量的坐標(biāo)為A(19，11.5)，計(jì)算出AC的長(zhǎng)度為181.69。任一水樣的水溫和可溶性SiO2含量為坐標(biāo)B，通過A、B坐標(biāo)可以計(jì)算出任一AB的長(zhǎng)度，熱冷水混合比為AB/AC×100%。通過建立的Excel表可以快速計(jì)算出每個(gè)水樣的熱冷混合比，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，水溫越低、SiO2含量越小其熱冷水混合比越小，反之越大，五龍口地?zé)釁^(qū)水樣的水溫、可溶性SiO2含量與熱冷水混合比呈線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2均在0.96以上。

7 結(jié)論

(1)五龍口地?zé)釁^(qū)是典型的受區(qū)域構(gòu)造影響而形成的對(duì)流型地?zé)釁^(qū)。深部高溫地?zé)崃黧w在上涌過程中與淺部的冷水混合(稀釋)，形成不同水溫和SiO2含量的混合水。

(2)所采水樣是熱冷不同程度的混合水，利用二氧化硅溫標(biāo)公式計(jì)算的深部熱儲(chǔ)溫度較低且變化較大，不能真正反映深部熱儲(chǔ)溫度。

(3)本文利用地?zé)釁^(qū)69組水樣的水溫和SiO2含量的統(tǒng)計(jì)分析及石英溶解度曲線計(jì)算得出五龍口地?zé)釁^(qū)深部熱儲(chǔ)的溫度為151.95 ℃，SiO2含量達(dá)135.34 mg/L，較真實(shí)反映深部熱儲(chǔ)溫度。

(4)通過統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，得出所取69組水樣的熱冷水混合比與水溫和SiO2含量的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。水溫、可溶性SiO2含量與熱冷水混合比呈線性正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)R2均在0.96以上。

本文根據(jù)五龍口地?zé)釁^(qū)69組水樣的水溫和SiO2含量，快捷地計(jì)算出可靠的深部熱儲(chǔ)溫度和熱冷水混合比，計(jì)算結(jié)果代表性好，可為類似對(duì)流型地?zé)釁^(qū)深部熱儲(chǔ)溫度預(yù)測(cè)及地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)提供參考。