对流型地热区二氧化硅地热温标的应用研究

姜宝良，段洛煜，潘 登，张友安，张晓偲

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.河南省自然资源监测院，河南 郑州 450016；3.河南省资源环境调查一院，河南 郑州 450000)

地热温标是确定地下深部热储温度的一种简单实用的方法。常用的地热温标有二氧化硅地热温标、Na-K温标、Na-K-Ca温标、Na-Mg温标等。二氧化硅地热温标是应用最早也是最常用的地热温标，其应用的前提是地热流体在上行冷却过程中不发生混合(稀释)和沉淀[1-2]，但对流型地热区深部高温地热流体在上涌过程中不同程度地与浅部冷水进行混合或稀释，所采水样是不同程度稀释的热冷混合水，采用二氧化硅地热温标公式计算出来的结果通常偏低，不能真正代表深部热储的温度，必须进行修正。常用的修正方法为硅—焓函数方程法和硅—焓模型图解法，因计算过程繁琐，操作性和代表性差。本文采用统计分析，方便快捷地计算深部热储温度和冷热水混合比的方法。大多数重要的地热区均积累了大量的水质分析资料，为利用该方法创造了条件。

FOURNIER[3]提出使用石英溶解度曲线计算深部热储温度及二氧化硅含量。GIGGENBACH[4]提出使用Na-K-Mg三角图对地热流体平衡状态进行评价。郑西来[5]提出选取地热温标计算时应先判断地热流体的平衡状态。孙红丽等[6]对23组水样使用石英温标、玉髓温标计算了西藏中部12个主要地热田组成的高温地热带热储温度，估算深部温度偏低，计算结果较为保守，部分地热田计算温度与实际取样温度一致，其代表性差。郎旭娟[7]使用石英、玉髓温标计算贵德盆地温泉热储温度，低于钻孔测井温度。王瑞娟[8]对青海省共和盆地恰卜恰地区热储进行估算，二氧化硅温标计算结果较低，不能真实反映热储情况。刘成龙等[9]以云南巧家硫磺洞温泉1组水样为研究对象使用二氧化硅温标、Na/K温标，计算结果偏低且代表性差。这些研究中因地热流体上涌过程中出现冷热水混合或稀释，计算结果偏低，只能对深部温度进行保守估计，且水样较少，代表性较差。

河南省济源市五龙口地热异常区(简称五龙口地热区)是典型的受区域构造影响而形成的对流型地热区。本文通过对五龙口地热区69组水样进行二氧化硅和水温的统计分析，得到了一种方便快捷的深部热储温度的修正和热冷水混合比的计算方法，可供类似地热区热储温度预测参考。

1 五龙口地热区概述

五龙口地热区是典型的对流型地热区[10-15]。五龙口地热区北部，寒武—奥陶系碳酸盐岩裸露，受区域深大断裂(盘古寺断裂带)影响，断裂构造复杂，裂隙岩溶发育。大气降水或沁河(河口村水库)地表水通过近东西向的盘古寺断裂裂隙垂直入渗至地下深处，经过曲折复杂的远距运移和深循环加热，在深部高温高压条件下与围岩(太古界变质岩)中的矿物发生溶滤作用，形成含特殊化学成分的高温地热流体，沿F25断裂及断裂破碎带由北向南径流，在五龙口断裂带(F17)与F25断裂带的交汇部位，岩石破碎，次级张性羽状构造裂隙发育，地应力相对减小，为深部地热流体的对流上涌和富集提供了良好条件。受F17与F25断层上盘二叠系和古近系等相对隔水地层的阻隔，沿断层破碎带上升至地表浅部，形成五龙口地热异常区。深部高温地热流体来源于地壳深部太古界变质岩构造裂隙热储，在上涌到地壳浅部过程中与第四系孔隙热储或寒武奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶热储中的冷水混合并稀释，形成温度不同、化学特征各异的地热流体。五龙口地热区的分布和成因如图1、图2所示。

图1 五龙口地热区分布Fig.1 Distribution map of Wulongkou geothermal area

图2 五龙口地热区成因示意Fig.2 Genetic diagram of Wulongkou geothermal area

2 采样和分析

五龙口地热区自1984年发现以来，1989年河南省地质矿产厅地质二队进行了《河南省济源市省庄地热普查》、2008年河南省地质环境监测院完成了《河南省济源五龙口温泉度假有限公司1号井医疗热矿水评价》，河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队完成了《河南省济源市城区—五龙口地热资源普查》等。华北水利水电大学2013年至今在五龙口地热区进行地热资源综合勘察研究工作。上述勘察研究中，由专业技术人员按水样的采集、保存与送检要求，采集了不同水温、不同井深或含水层(热储)的水样共69组，其中作者采集水样37组。水样采集时均进行水温测量。分别由河南省地质环境监测院实验测试中心、河南省地矿局第一水文地质工程地质队实验室、河南省岩石矿物测试中心、国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心等专业测试单位，按照饮用天然矿泉水全分析或饮用水全分析要求完成测试，试验结果可靠。

3 二氧化硅地热温标计算

3.1 温标计算

二氧化硅地热温标是应用最早也是最常用的地热温标，其理论依据是地热流体中二氧化硅的含量主要取决于不同温度、压力下石英在水中的溶解度。试验表明，水中二氧化硅的析出量与温度呈函数关系[3]。

在使用二氧化硅地热温标估算热储温度时要考虑全面，尤其是考察热矿水二氧化硅的某些部分是否和玉髓达到平衡状态[16]。本文选择无蒸汽散失石英温标和玉髓地热温标[17]。

(1)无蒸汽散失的石英地热温标：

(1)

(2)玉髓地热温标：

(2)

式中，T为热储温度；ρSiO2为水中可溶性SiO2的浓度。

无蒸汽散失的石英地热温标计算热储温度在60～130 ℃；采用玉髓地热温标计算出的热储温度在27～104 ℃。

3.2 平衡状态判别

从五龙口地热区的Na-K-Mg三角图(图3)可知，地热区无论冷水、温水、温热水，还是热水均为未成熟水，五龙口地热区所取水样均受浅部冷水的混合或稀释。受混合或稀释的地热水采用二氧化硅地热温标计算出来的结果通常偏低且变化较大，不能真实反映深部热储的温度[17-19]。

图3 五龙口地热区Na-K-Mg三角图Fig.3 Na-K-Mg diagram of Wulongkou geothermal area

4 地热井测温

ZK3、ZK03、ZK32利用1988年河南省地质矿产厅地质二队地热普查钻孔测温资料，测温间距2 m；B4、TY1地热井利用ZDKJ-A型高精度深井测温仪，精度0.1 ℃，测温点间距2 m。每个测温点测温时间6 min左右，温度达到稳定。

4.1 ZK32、B4地热井

由地热区ZK32、B4地热井的测温结果(图4)可知，最深410 m(280 m以下为太古界变质岩；以上为寒武系灰岩、泥灰岩、页岩等)，测温结果显示的最高温度已超过100 ℃。虽2019年地热井温度较1988年有所下降，但深部太古界变质岩裂隙热储的温度仍有94 ℃。因B4地热井仅取用375 m以下太古界变质岩裂隙热储中的地热水，上部采取了严格的封堵和止水措施，其抽水试验温度达92 ℃。

图4 ZK32、B4测温曲线Fig.4 Geotemperature curves of ZK32、B4

4.2 TY1、ZK3、ZK03地热井

由TY1、ZK3、ZK03地热井的测温结果可知(图5)，2020年和1988年测温曲线基本重合，即经30多年开发利用，水温基本没有变化。在此区域250 m以上为寒武系碳酸盐岩为主的地层，250 m以下为太古界变质岩，ZK03在300 m以下水温已超过100 ℃。由五龙口地热区地热井测温结果可知，深度300 m左右的太古界变质岩裂隙热储的温度已超过100 ℃。由Na-K-Mg三角图和五龙口地热井测温结果可知，所采水样均发生了不同程度的混合或稀释，利用二氧化硅温标计算结果与实测温度相比偏低。

图5 TY1、ZK3、ZK03测温曲线Fig.5 Geotemperature curves of TY1、ZK3、ZK03

5 热储温度修正

5.1 常用的修正方法

因对流型地热区采用二氧化硅温标公式计算的热储温度较低，不能真实反映热储温度，必须进行修正。常用的修正方法为硅—焓函数方程法和硅—焓模型图解法。用修正方法对单一样品计算，其结果组合而成的区域热储温度范围易受异常值影响，不能反映区域真实情况，代表性不好。对于重要地热区，水质分析资料较多，采用修正方法逐一计算，过程繁琐，较为复杂。根据对流型地热区SiO2与温度相关性好的特点，提出采用SiO2与温度关系曲线代替单一样品曲线的计算方法。

5.2 热储温度修正的统计分析法

该方法利用常用的Office办公软件中的Excel表，可以轻松快捷地实现热储温度修正的统计分析。首先利用Excel表绘制出石英溶解度[7-8]和温度的散点图；再绘制地热区水样的水温和可溶性SiO2含量的散点图。分别得到其拟合曲线及拟合曲线相关方程和相关指数，确定拟合效果。两曲线的交点，即为地热区热储的温度和可溶性SiO2含量，通过联立方程可以快速求得。相比利用单个水质分析资料计算结果，其代表性要好。如：根据五龙口地热区所采水样的水温与可溶性SiO2含量，利用Excel绘制出其关系曲线(图6)。水中可溶性SiO2与水温呈线性正相关，相关方程：ρ(SiO2)=0.928t-5.704 9，相关系数R2=0.958 2，相关性好。石英溶解度曲线的相关方程：ρ(SiO2)=0.010 9t2-1.002t+35.898，相关系数R2=0.996 6，相关性更好。两曲线的交点C的坐标可以通过联立方程，求得C点的坐标为(151.95，135.34)，即热储的温度为151.95 ℃，其SiO2含量达135.34 mg/L。

图6 五龙口地热区水中SiO2含量与水温及石英溶解度曲线Fig.6 Relationship curve between water temperature，soluble SiO2 content and quartz solubility of Wulongkou geothermal area

6 热冷水混合比计算

五龙口不受地热区影响的水样的水温和可溶性SiO2含量的坐标为A(19，11.5)，计算出AC的长度为181.69。任一水样的水温和可溶性SiO2含量为坐标B，通过A、B坐标可以计算出任一AB的长度，热冷水混合比为AB/AC×100%。通过建立的Excel表可以快速计算出每个水样的热冷混合比，计算结果如图7所示。由图7可知，水温越低、SiO2含量越小其热冷水混合比越小，反之越大，五龙口地热区水样的水温、可溶性SiO2含量与热冷水混合比呈线性正相关，其相关系数R2均在0.96以上。

7 结论

(1)五龙口地热区是典型的受区域构造影响而形成的对流型地热区。深部高温地热流体在上涌过程中与浅部的冷水混合(稀释)，形成不同水温和SiO2含量的混合水。

(2)所采水样是热冷不同程度的混合水，利用二氧化硅温标公式计算的深部热储温度较低且变化较大，不能真正反映深部热储温度。

(3)本文利用地热区69组水样的水温和SiO2含量的统计分析及石英溶解度曲线计算得出五龙口地热区深部热储的温度为151.95 ℃，SiO2含量达135.34 mg/L，较真实反映深部热储温度。

(4)通过统计分析计算，得出所取69组水样的热冷水混合比与水温和SiO2含量的统计分析结果。水温、可溶性SiO2含量与热冷水混合比呈线性正相关，其相关系数R2均在0.96以上。

本文根据五龙口地热区69组水样的水温和SiO2含量，快捷地计算出可靠的深部热储温度和热冷水混合比，计算结果代表性好，可为类似对流型地热区深部热储温度预测及地热资源评价提供参考。