郴州地热田地热温标的选取和热储温度估算

孙杨艳， 刘声凯， 景营利

(湖南省地质矿产勘查开发局四一六队， 湖南 株洲 412000)

目前确定地热田热储层温度常用的地热温标方法有很多，主要为阳离子温标、SiO2温标、同位素温标和化学热力学温标。其基本原理是，深部热储中的流体与矿物之间达到化学平衡状态后，在热水上升的过程中，虽然温度下降，但热水的化学成分含量几乎未发生变化，故可用化学反应平衡温度来估算地热储的温度。然而在大部分情况下，地下热水在上升过程中与浅部冷水很有可能发生混合作用或可能的化学反应，一些作为地热温标的化学成分的含量发生了改变，并不是热储层中的平衡状态[1]。因此，有必要先研究热水和矿物的平衡状态，然后选择合适的温标计算方法。

1 郴州地热田地热概述

郴州地热田位于湖南省郴州市区北部，区内构造复杂，地热资源丰富。该地热田在区域位于华南褶皱系赣湘桂粤褶皱带的鸾头岭—烟岗岭复式背斜北段，以北东向规模最大，北北东向次之。全区褶皱、断裂构造相当发育，在密集区每200～300 m就有一条断层发育。

郴州地热田北东部的许家洞地热块段出露的热水温度为49.8～52.0 ℃，揭露热水含水层顶板埋深在279.25～311.13 m，标高+32.06～+54.78 m，水位埋深146.75～158.17 m；南西部下湄桥地热块段出露温度为34.6～35.6 ℃，揭露含水层顶板埋深在248.75～404.36 m，标高-327.76～-79.83 m，水位埋深2.41～5.08 m。两个地热块段之间相距约5 km(见图1)[2]。本文通过研究几种地热温标法的适宜性并选择合适的地热温标公式计算郴州地热田的热储温度，为该区域地热资源潜力研究和开发利用规划提供依据。

图1 郴州地热田区域构造图

2 常用地热温标方法及应用条件

本研究对《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615—2010)中的几种常用地热温标方法作初步分析研究和适用选取[3]。

2.1 SiO2地热温标(无蒸汽损失的石英温标)

热水中的SiO2是由热水溶解石英所形成,热水在其达到取样点(泉口或井口)时没有沸腾：

热储温度t=1 309/(5.19-lgCSiO2C1)- 273.15

(1)

式(1)中：CSiO2为水中溶解的SiO2质量浓度，mg/L。

2.2 K-Mg地热温标

热储温度t=4 410/(13.95-lg(CK/CMg))- 273.15

(2)

式(2)中：CK、CMg分别为水中钾、镁离子的质量浓度，mg/L。

2.3 K-Na地热温标

热储温度t=933/(lg(CNa/CK)+ 0.933)-273.15

(3)

式(3)中：CNa、CK分别为水中钠、钾离子的质量浓度，mg/L。

3 地热温标的选取和计算

3.1 不同地热温标方法计算

对郴州许家洞—下湄桥地区地热钻孔的热水水样均进行了水质测试，其化学成分分析结果见表1。

表1 郴州地热田热水水样化学成分表

利用上述的各种地热温标法估算郴州地热田的热储温度，估算结果见表2。

表2 不同地热温标法对郴州地热田热储温度的估算表(℃)

由表2可以看出，用不同温标方法计算的热储温度差别很大。其中用K-Mg地热温标法估算的许家洞、下湄桥地热块段深部热储温度分别为34.70～41.06 ℃和22.98～25.98 ℃，均低于热水出露温度；用K-Na地热温标法估算的两处地热块段热储温度分别为609.08～617.86 ℃和235.00～854.27 ℃，比实际热水出露温度高10倍甚至20倍以上，也很不合理，可靠性低。这是因为任何一种地热温标法计算热储温度的前提条件是假设溶液中的矿物已达到平衡状态。然而某些情况下，由于热储温度低、地下热水与浅部冷水混合或可能的化学反应，一些作为地热温标的化学成分含量已发生改变，并不是热储中已经达到的平衡状态。因此，在估算热储温度时，必须先研究热水中矿物的平衡状态，从而选取合适的地热温标方法，确定热储层的温度范围。

3.2 矿物-流体化学的平衡判断

本文主要采用Na-K-Mg三角图解法对地热系统中矿物-流体化学平衡进行定性判断。

Na-K-Mg三角图法常用于评价水岩平衡状态和区分不同类型的水样，在三角图中分为完全平衡、部分平衡和未成熟水3个区域。该方法对判断中低温地热田流体平衡状态较为有利，为估算热储温度时温标方法的选取提供依据[4]。

三角图中的坐标可以计算如下：

S=CNa/1000+CK/100+CMg

CNa%=CNa/10S

CK%=CK/S

式中CNa、CK、CMg代表水中钠、钾和镁离子的质量浓度，mg/L。

计算结果见表3。

表3 矿物-流体化学平衡判断表

图2 郴州地热田热水水样Na-K-Mg三角图

3.3 热储温度的确定

根据上述Na-K-Mg三角图解法的计算结果，用可溶SiO2地热温标法估算郴州地热田深部热储温度是适宜的。许家洞地热块段和下湄桥地热块段深部热储温度分别为81.36～85.39 ℃和64.71～64.78 ℃，同一块段内计算结果相近，同时许家洞地热块段计算的热储温度与其北部约200 m处的711矿矿井内的最高纪录温度67 ℃比较接近，计算结果可靠性高。同时结合K-Mg、K-Na地热温标法计算的结果也验证了以上矿物-流体化学的平衡判断的合理性。

4 结论

(1)地热温标法广泛应用于地热勘查开发中。本文根据郴州地热田的水样测试结果估算热储温度，不同地热温标方法计算的结果差别非常大，说明不同地热温标在使用前必须对热水的矿物-流体化学平衡进行判断，不可直接使用。

(2)根据Na-K-Mg三角图，郴州地热田出露的热水的水-岩作用均未达到平衡状态，或者是热水上升过程中受到了浅部冷水的混合，不能用阳离子地热温标来估算热储温度，用SiO2地热温标法估算热储温度可靠程度较高。

(3)Na-K-Mg三角图解法只是判断矿物-流体化学平衡状态的一种方法，在实际工作中，还可利用多种方法同时判断水-岩平衡状态，以此来互相比对，互相验证，最终选择最合适的地热温标计算方法。