地?zé)釡貥?biāo)在濟(jì)源五龍口地?zé)崽锏膽?yīng)用

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(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)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(chǔ)量大、 使用方便、成本低廉、 易開采、 用途廣泛等特點(diǎn)[1-2], 是構(gòu)建“資源節(jié)約型、 環(huán)境友好型” 社會(huì)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(jì)發(fā)展, 擴(kuò)大就業(yè)等方面發(fā)揮了重要作用, 對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰” “碳中和” 具有重大意義。

深部熱儲(chǔ)溫度是評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源不可或缺的參數(shù),確定熱儲(chǔ)溫度有直接測(cè)量法和間接法(地?zé)釡貥?biāo)法)兩種。 直接法是測(cè)量鉆井(孔) 溫度, 其精度高, 但耗時(shí)長(zhǎng)、 費(fèi)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(chǔ)溫度[3]。 Fournier 和Truesdell 通過(guò)陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)法估算熱儲(chǔ)溫度, 并對(duì)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(chǔ)溫度[5]。 孫紅麗等利用陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)和SiO2溫標(biāo)估算出西藏地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)溫度為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(guò)測(cè)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(cè)深部熱儲(chǔ)溫度, 預(yù)測(cè)地?zé)崽餄摿Α?/p>

河南省濟(jì)源市五龍口地?zé)岙惓^(qū)(簡(jiǎn)稱五龍口地?zé)崽? 自1984 年發(fā)現(xiàn)以來(lái), 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(shí)間、 不同水溫、 不同井深或含水層 (熱儲(chǔ))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(jì)算熱儲(chǔ)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(jì)算, 確定鈉鉀地?zé)釡貥?biāo)最適用本地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度預(yù)測(cè)。

1 五龍口地?zé)岢梢蚋攀?/h2>

五龍口地?zé)崽锸堑湫偷膶?duì)流型地?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(kù)) 地表水通過(guò)近東西向的盤古寺斷裂裂隙垂直入滲至地下深處, 經(jīng)過(guò)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。 寒武系底部頁(yè)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(duì)隔水地層的阻隔, 深部(太古界裂隙熱儲(chǔ)) 高溫地?zé)崃黧w在上涌過(guò)程中與上部寒武-奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶熱儲(chǔ)或第四系孔隙熱儲(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[9]。 五龍口地?zé)崽锏姆植己统梢蛞?jiàn)圖1、 圖2。

1-實(shí)測(cè)斷層及推測(cè)斷層(Measured fault and inferred fault); 2-已探明地?zé)釁^(qū)范圍和推測(cè)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?hào)(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(jiàn)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(qiáng)。

(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(cè)熱儲(chǔ)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(duì)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(shuō)明五龍口地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)溫度高。

(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(shuō)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(shuō)明深部熱儲(chǔ)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(duì)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(shuō)明五龍口地?zé)崽锷畈看嬖诟邷責(zé)醿?chǔ)。

(8) Cl

熱礦水中氯的來(lái)源可以通過(guò)rNa/rCl 的比值來(lái)判斷。 五龍口地?zé)崴膔Na/rCl 多數(shù)大于1, 說(shuō)明地?zé)崴某梢蚺c海相沉積無(wú)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(lái)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(qiáng)。

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(shuō)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(jì)算出地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)溫度, 對(duì)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)和開發(fā)利用等具有重要意義。 通過(guò)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(shí)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(jì)算熱儲(chǔ)溫度, 常用公式(1)、 公式(2)。

(1) 熱流運(yùn)移過(guò)程中沒(méi)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(yùn)移過(guò)程中已發(fā)生沸騰閃蒸損失, 則二氧化硅溫標(biāo)公式為:

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

根據(jù)五龍口地?zé)釁^(qū)地?zé)崴某梢蚩芍? 地?zé)崴畞?lái)源于地殼深部太古界變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ), 在上涌過(guò)程中與淺部第四系孔隙熱儲(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(huì)造成地?zé)崃黧w中二氧化硅的聚合或沉淀, 導(dǎo)致熱儲(chǔ)計(jì)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(lái)源不只是石英或玉髓中二氧化硅的溶解, 而主要是長(zhǎng)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(jì)算出來(lái)的結(jié)果通常偏低, 不能真實(shí)反映深部熱儲(chǔ)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(guò)統(tǒng)計(jì)分析, 方便快捷的計(jì)算出深部熱儲(chǔ)的溫度為151.95℃,SiO2含量為135.34 mg/L, 較真實(shí)反映深部熱儲(chǔ)溫度(另文: 對(duì)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(chǔ)溫度計(jì)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(shí)鎂保留為固相, 因此來(lái)自深部熱儲(chǔ)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(chǔ)溫度較低時(shí), 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(chǔ)層的熱動(dòng)力平衡條件, 適用于中低溫地?zé)崽颷4,8], 其計(jì)算式為:

3.3 鈉—鉀地?zé)釡貥?biāo)

在具備鈉、 鉀長(zhǎng)石平衡環(huán)境[Na-feldspar (鈉長(zhǎng)石) +K+=K-feldspar (鉀長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果較好, 小于8 計(jì)算結(jié)果偏高, 大于20計(jì)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?chǔ)溫度預(yù)測(cè)。

根據(jù)水巖平衡和熱動(dòng)力方程推導(dǎo)的熱儲(chǔ)溫度計(jì)算式為:

在具備鈉長(zhǎng)石與鉀長(zhǎng)石平衡且溫度高于150℃ 條件下, 熱儲(chǔ)度計(jì)算式為:

或

當(dāng)25℃＜t＜250℃時(shí):

當(dāng)250℃≤t＜350℃時(shí):

式中:

T—預(yù)測(cè)熱儲(chǔ)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(gè)地?zé)釡貥?biāo)公式計(jì)算熱儲(chǔ)溫度, 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。 由圖5 可知, 石英溫標(biāo)和鉀鎂溫標(biāo)預(yù)測(cè)深部熱儲(chǔ)的溫度較低, 在100℃左右,這與本地?zé)釁^(qū)的實(shí)測(cè)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?chǔ)溫度的預(yù)測(cè)。 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(jì)算出深部熱儲(chǔ)的溫度為151.95℃。 利用鈉鉀溫標(biāo)5 個(gè)公式預(yù)測(cè)熱儲(chǔ)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?chǔ)溫度。

4 結(jié)論

(1) 五龍口地?zé)崽锏責(zé)崃黧w主要來(lái)自深部太古界變質(zhì)巖裂隙熱儲(chǔ), 在高溫高壓條件下溶解了長(zhǎng)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(guò)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(guò)二氧化硅、 鉀-鎂、 鈉-鉀等地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算和分析, 確定鈉-鉀地?zé)釡貥?biāo)適合本地?zé)崽餆醿?chǔ)溫度預(yù)測(cè)。

(4) 預(yù)測(cè)結(jié)果表明, 五龍口地?zé)崽锷畈繜醿?chǔ)溫度超過(guò)150℃, 深部熱儲(chǔ)的高溫地?zé)崃黧w在上涌過(guò)程中與淺部熱儲(chǔ)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。