水化学方法在地热资源勘查中的应用综述

2020-06-04李皓婷

农业与技术 2020年10期

李皓婷

摘要：地热资源作为一种清洁可再生的能源，资源量极大且可以被广泛应用于各行各业，对于我国的能源结构调整具有重要意义。通过水化学方法可以了解地热流体的补径排条件，进而分析地热流体水化学演变规律及成因模式，为地热流体的可持续开发利用提供科学依据。本文通过总结、分析水化学方法、工具以及其在国内外地热资源勘查中的实际应用情况，旨在为今后合理开发利用区域地热资源提供科学依据。

关键词：水化学;地球化学;地热资源;地热勘查

中图分类号：S-1 文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200530048

水化学方法是研究地热系统地热流体时采用最为广泛的方法之一，下面介绍这种方法的国内外现状及发展趋势。

1 国外研究现状

White提出了经典的水热系统的模型，从热源、水源、热储层及盖层4方面进行了概述[1]。水化学数据常用来估算地热系统深部的热储温度，常用的地球化学温度计有二氧化硅地球化学温度计、阳离子地热温度计等。20世纪80年代，Fournier等建立了地热温度计计算公式，用于估算地热系统的热储层温度[2]。Nieva等提出利用Na、K、Ca、Mg 4种离子来计算热储温度的阳离子组合温度计[3]。1988—1992年，Giggenbach建立了Na-K-Mg、Cl-SO4-HCO3等一系列的三角图，这些也成为之后研究地热系统形成机制的重要工具[4]。Arnórsson等对地热资源勘探开发和利用中的水化学技术在实际中的应用进行了相关论述[5]。2008年，Verma等对已有的地球化学温度计计算公式进行归纳总结，开发了SolGeo软件，随后Pandarinath将该软件用于Mexico地热田，取得了较好的结果[6]。

2 国内研究现状

赵平基于冰岛部分地热田的实际资料，选择不同温度的典型地热田，应用CO2、H2S、H2、CO2/H2和H2S/H2气体地热温度计计算热储温度，深入探讨了影响温度计准确性的各种因素，并提出CO2和H2S温度计具有良好的实用价值[7]。1995年，陈墨香等对我国地热研究历程进行了总结，认为我国地下热水水化学方法的发展过程分为2個阶段，20世纪70年代以前，焦点主要放在中、低温地热水资源上，研究地热水主要的特征组分，并且将其作为寻找地下热水的主要标志，利用特征组分的分散晕，发现和圈定地热水异常范围，判定地热水的可能通道;20世纪70年代以后，开始对高温地热田开展水文地球化学研究，除了寻找地热水并圈定地热水异常范围和判定地热水的可能通道外，还用于判定地热水的类型和热储性质[8]。西藏作为我国地热活动最为强烈的地区，自然也成为众多学者研究最多的典型地区。1981年，佟伟等将中国科学院组织的青藏高原科学考察地热专题部分资料进行总结、分析并于《西藏地热》中进行论述，为初步认识西藏地区地热资源提供了基础资料。随后众多学者在羊八井、谷露、那曲等典型高温地热田进行了大量的勘查工作，在各区域形成了较为完善的地热系统成因机制[9-11]。于湲通过水化学三角图和Piper图，玉髓地球化学温度计，硅-焓曲线结合散点图以及Schoellor图的混合模型，阐明北京城区热田的地下热水的化学特性及成因[12]。在关中盆地，覃兰丽运用水化学方法结合其特殊的地质背景推测出该盆地地下热水形成机制[13]。宋凯在西藏沃卡温泉，结合区域地热地质条件及地球化学特征，探讨了泉的成因模式及热害对隧道工程的影响[14]。孙红丽等利用阴阳离子三角图，氟离子与水样高程、水温、pH的关系图结合聚类分析、主因子分析的方法对西藏高温地热显示区内12个典型地热田的水化学特征及氟元素的相关性进行了研究，得出了西藏高温地热显示区氟的富集特征[15]。王鹏等采用多种地球化学温度计估算区内众多温泉点的热储温度情况，揭示了西藏地区地热异常的空间分布规律[16]。许鹏等通过对西藏南部特提斯喜马拉雅地热带10处代表性温泉的热储温度、水化学类型及水体中溶解的典型稀有分散性元素浓度分析，讨论了水体中异常富集元素的物源机制[17]。严克涛等运用PHREEQC对间歇性喷泉搭格架高温热泉中的砷形态进行模拟，指出砷元素的存在形态及控制因素[18]。马月花等对地热流体中各种主要离子进行图解分析，揭示了青海共和盆地地热流体地球化学特征及热储水-岩相互作用过程[19]。

3 总结及展望

通过在国内外众多地热显示区的探索和研究，水化学方法在地热资源勘查中已经形成一套较为完整的体系。水文地球化学勘查技术的成本较低且在识别地热流体物源属性、估算深部热储情况、评价结垢及腐蚀趋势等方面都占据十分重要的作用，因此在地热资源勘查中被广泛运用。但其也存在一定的局限性，由于深部地热系统组分的复杂性，使得直接套用已知地热显示区的模式并不适用，影响因素多样就需采用多种方法进行综合考量，而各种方法本身的多解性也较强，很难得出各种方法相互支撑的统一结果。因此，此方法在实际运用中还有待进一步深化。

参考文献

[1] White D E. Some principles of geyser activity， mainly from Steamboat Springs， Nevada[J]. American Journal of Science， 1967， 265（8）： 641-684.

[2] Fournier RO. Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems[J]. Geothermics，1977， 5（1-4）： 41-50.

[3] Nieva D， Nieva R. Developments in geothermal energy in Mexico-part twelve. A cationic geothermometer for prospecting of geothermal resources[J]. Heat recovery systems and CHP， 1987， 7（3）： 243-258.

[4] Giggenbach W F. Geothermal solute equilibria. derivation of Na-K-Mg-Ca geoindicators[J]. Geochimica et cosmochimica acta， 1988， 52（12）： 2749-2765.

[5] Arnórsson S， DAmore F， Gerardo-Abaya J. Isotopic and chemical techniques in geothermal exploration， development and use[M]. International Atomic Energy Agency， 2000.

[6] Verma SP， Pandarinath K， Santoyo E. SolGeo： A new computer program for solute geothermometers and its application to Mexican geothermal fields[J]. Geothermics， 2008， 37（6）：597-621.

[7]赵平.常用氣体地热温度计的应用及效果评价[J].地质科学，1993（02）：167-176.

[8]陈墨香，汪集旸.中国地热研究的回顾与展望[J].地球物理学报，1994（S1）：19.

[9]多吉.典型高温地热系统——羊八井热田基本特征[J].中国工程科学，2003（01）：42-47.

[10]张萌，蔺文静，刘昭，等.西藏谷露高温地热系统水文地球化学特征及成因模式[J].成都理工大学学报（自然科学版），2014，41（03）：382-392.

[11]刘昭，蔺文静，张萌，等.西藏尼木—那曲地热流体成因及幔源流体贡献[J].地学前缘，2014，21（06）：356-371.

[12]于湲.北京城区地热田地下热水的水文地球化学及同位素研究[D].北京：中国地质大学，2006.

[13]覃兰丽.关中盆地地下热水水文地球化学特征及其形成机制研究[D].西安：长安大学，2008.

[14]宋凯.西藏沃卡温泉形成条件及对隧道工程影响研究[D].成都：成都理工大学，2011.

[15]孙红丽，马峰，刘昭，等.西藏高温地热显示区氟分布及富集特征[J].中国环境科学，2015，35（01）：251-259.

[16]王鹏，陈晓宏，沈立成，等.西藏地热异常区热储温度及其地质环境效应[J].中国地质，2016，43（04）：1429-1438.

[17]许鹏，谭红兵，张燕飞，等.特提斯喜马拉雅带地热水文地球化学特征与物源机制[J].中国地质，2018，45（06）：1142-1154.

[18]严克涛，郭清海，刘明亮.西藏搭格架高温热泉中砷的地球化学异常及其存在形态[J].吉林大学学报（地球科学版），2019，49（02）：548-558.