郴州地熱田地熱溫標的選取和熱儲溫度估算

孫楊艷， 劉聲凱， 景營利

(湖南省地質礦產勘查開發局四一六隊， 湖南 株洲 412000)

目前確定地熱田熱儲層溫度常用的地熱溫標方法有很多，主要為陽離子溫標、SiO2溫標、同位素溫標和化學熱力學溫標。其基本原理是，深部熱儲中的流體與礦物之間達到化學平衡狀態后，在熱水上升的過程中，雖然溫度下降，但熱水的化學成分含量幾乎未發生變化，故可用化學反應平衡溫度來估算地熱儲的溫度。然而在大部分情況下，地下熱水在上升過程中與淺部冷水很有可能發生混合作用或可能的化學反應，一些作為地熱溫標的化學成分的含量發生了改變，并不是熱儲層中的平衡狀態[1]。因此，有必要先研究熱水和礦物的平衡狀態，然后選擇合適的溫標計算方法。

1 郴州地熱田地熱概述

郴州地熱田位于湖南省郴州市區北部，區內構造復雜，地熱資源豐富。該地熱田在區域位于華南褶皺系贛湘桂粵褶皺帶的鸞頭嶺—煙崗嶺復式背斜北段，以北東向規模最大，北北東向次之。全區褶皺、斷裂構造相當發育，在密集區每200～300 m就有一條斷層發育。

郴州地熱田北東部的許家洞地熱塊段出露的熱水溫度為49.8～52.0 ℃，揭露熱水含水層頂板埋深在279.25～311.13 m，標高+32.06～+54.78 m，水位埋深146.75～158.17 m；南西部下湄橋地熱塊段出露溫度為34.6～35.6 ℃，揭露含水層頂板埋深在248.75～404.36 m，標高-327.76～-79.83 m，水位埋深2.41～5.08 m。兩個地熱塊段之間相距約5 km(見圖1)[2]。本文通過研究幾種地熱溫標法的適宜性并選擇合適的地熱溫標公式計算郴州地熱田的熱儲溫度，為該區域地熱資源潛力研究和開發利用規劃提供依據。

圖1 郴州地熱田區域構造圖

2 常用地熱溫標方法及應用條件

本研究對《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 11615—2010)中的幾種常用地熱溫標方法作初步分析研究和適用選取[3]。

2.1 SiO2地熱溫標(無蒸汽損失的石英溫標)

熱水中的SiO2是由熱水溶解石英所形成,熱水在其達到取樣點(泉口或井口)時沒有沸騰：

熱儲溫度t=1 309/(5.19-lgCSiO2C1)- 273.15

(1)

式(1)中：CSiO2為水中溶解的SiO2質量濃度，mg/L。

2.2 K-Mg地熱溫標

熱儲溫度t=4 410/(13.95-lg(CK/CMg))- 273.15

(2)

式(2)中：CK、CMg分別為水中鉀、鎂離子的質量濃度，mg/L。

2.3 K-Na地熱溫標

熱儲溫度t=933/(lg(CNa/CK)+ 0.933)-273.15

(3)

式(3)中：CNa、CK分別為水中鈉、鉀離子的質量濃度，mg/L。

3 地熱溫標的選取和計算

3.1 不同地熱溫標方法計算

對郴州許家洞—下湄橋地區地熱鉆孔的熱水水樣均進行了水質測試，其化學成分分析結果見表1。

表1 郴州地熱田熱水水樣化學成分表

利用上述的各種地熱溫標法估算郴州地熱田的熱儲溫度，估算結果見表2。

表2 不同地熱溫標法對郴州地熱田熱儲溫度的估算表(℃)

由表2可以看出，用不同溫標方法計算的熱儲溫度差別很大。其中用K-Mg地熱溫標法估算的許家洞、下湄橋地熱塊段深部熱儲溫度分別為34.70～41.06 ℃和22.98～25.98 ℃，均低于熱水出露溫度；用K-Na地熱溫標法估算的兩處地熱塊段熱儲溫度分別為609.08～617.86 ℃和235.00～854.27 ℃，比實際熱水出露溫度高10倍甚至20倍以上，也很不合理，可靠性低。這是因為任何一種地熱溫標法計算熱儲溫度的前提條件是假設溶液中的礦物已達到平衡狀態。然而某些情況下，由于熱儲溫度低、地下熱水與淺部冷水混合或可能的化學反應，一些作為地熱溫標的化學成分含量已發生改變，并不是熱儲中已經達到的平衡狀態。因此，在估算熱儲溫度時，必須先研究熱水中礦物的平衡狀態，從而選取合適的地熱溫標方法，確定熱儲層的溫度范圍。

3.2 礦物-流體化學的平衡判斷

本文主要采用Na-K-Mg三角圖解法對地熱系統中礦物-流體化學平衡進行定性判斷。

Na-K-Mg三角圖法常用于評價水巖平衡狀態和區分不同類型的水樣，在三角圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個區域。該方法對判斷中低溫地熱田流體平衡狀態較為有利，為估算熱儲溫度時溫標方法的選取提供依據[4]。

三角圖中的坐標可以計算如下：

S=CNa/1000+CK/100+CMg

CNa%=CNa/10S

CK%=CK/S

式中CNa、CK、CMg代表水中鈉、鉀和鎂離子的質量濃度，mg/L。

計算結果見表3。

表3 礦物-流體化學平衡判斷表

圖2 郴州地熱田熱水水樣Na-K-Mg三角圖

3.3 熱儲溫度的確定

根據上述Na-K-Mg三角圖解法的計算結果，用可溶SiO2地熱溫標法估算郴州地熱田深部熱儲溫度是適宜的。許家洞地熱塊段和下湄橋地熱塊段深部熱儲溫度分別為81.36～85.39 ℃和64.71～64.78 ℃，同一塊段內計算結果相近，同時許家洞地熱塊段計算的熱儲溫度與其北部約200 m處的711礦礦井內的最高紀錄溫度67 ℃比較接近，計算結果可靠性高。同時結合K-Mg、K-Na地熱溫標法計算的結果也驗證了以上礦物-流體化學的平衡判斷的合理性。

4 結論

(1)地熱溫標法廣泛應用于地熱勘查開發中。本文根據郴州地熱田的水樣測試結果估算熱儲溫度，不同地熱溫標方法計算的結果差別非常大，說明不同地熱溫標在使用前必須對熱水的礦物-流體化學平衡進行判斷，不可直接使用。

(2)根據Na-K-Mg三角圖，郴州地熱田出露的熱水的水-巖作用均未達到平衡狀態，或者是熱水上升過程中受到了淺部冷水的混合，不能用陽離子地熱溫標來估算熱儲溫度，用SiO2地熱溫標法估算熱儲溫度可靠程度較高。

(3)Na-K-Mg三角圖解法只是判斷礦物-流體化學平衡狀態的一種方法，在實際工作中，還可利用多種方法同時判斷水-巖平衡狀態，以此來互相比對，互相驗證，最終選擇最合適的地熱溫標計算方法。