王彩會(huì)，左麗瓊，荊 慧，劉志平

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

0 引言

地?zé)豳Y源是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中各種自然因素綜合作用的結(jié)果，在地?zé)豳Y源研究和開(kāi)發(fā)利用中，熱儲(chǔ)溫度是劃分地?zé)嵯到y(tǒng)的成因類(lèi)型和評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源潛力所不可缺少的重要參數(shù)，地?zé)釡貥?biāo)方法是提供這一參數(shù)的經(jīng)濟(jì)有效的手段。目前常用的地?zé)釡貥?biāo)方法有：硅溫標(biāo)、陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)、同位素地?zé)釡貥?biāo)和氣體溫標(biāo)。國(guó)內(nèi)外研究較多的是硅溫標(biāo)和陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)，而對(duì)于同位素地?zé)釡貥?biāo)和氣體溫標(biāo)的研究，國(guó)外始于20世紀(jì)60年代末期(王瑩等，2007)，國(guó)內(nèi)尚未有研究實(shí)例。以東海溫泉為例，在闡述各種溫標(biāo)的原理和應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析其地質(zhì)背景條件及溫泉的水化學(xué)特征，選取Na－K－Mg三角圖法、硅溫標(biāo)混合模型方法計(jì)算熱儲(chǔ)溫度，有助于研究東海溫泉地下熱水系統(tǒng)溫度場(chǎng)和評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源量。

1 地質(zhì)背景與水化學(xué)特征

1.1 地質(zhì)背景條件

東?？h位于江蘇省東北部，鄰接山東省，縣城西部的湯廟溫泉被譽(yù)為“華東第一溫泉”。溫泉區(qū)位于蘇魯造山帶南緣超高壓變質(zhì)帶，第四系僅發(fā)育晚更新世及全新世地層，厚度較小，基巖主要為一套以片麻巖為主的高壓超高壓變質(zhì)巖和中生代侵入巖(圖1)。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，侏羅紀(jì)以前以韌性剪切構(gòu)造發(fā)育為特征，中生代以來(lái)以脆性斷裂為主(潘明寶等，2002)。區(qū)內(nèi)共發(fā)育北東、北西西向2組斷裂，穿越溫泉區(qū)的斷裂為北東向的西曉莊—竹墩斷裂，斷裂東側(cè)為燕山期二長(zhǎng)花崗巖，西側(cè)為片麻巖。該斷裂近直立，張性，切割深度大，形成時(shí)間為燕山期，喜山期仍在活動(dòng)，是一條活動(dòng)性斷裂，在溫泉區(qū)，穿過(guò)脆性的二長(zhǎng)花崗巖巖體，形成一定寬度的斷裂破碎帶，該斷裂破碎帶在淺部與北西向斷裂相互交匯，與地表勾通，熱水上涌成泉(王彩會(huì)等，2008)。

1.2 溫泉水化學(xué)特征

東海溫泉區(qū)目前共分布有地?zé)峋@孔9眼(圖2)，現(xiàn)有 4 眼為開(kāi)采井，分別為熱 1、Dg16、TR11、DR3，其中自流井有2眼，水溫33～74℃不等。TR11、熱1、Dg16、DR3 的 pH 值為8.20 ～8.28;礦化度為616～1 638 mg/L;可溶性SiO2質(zhì)量濃度為54.8～80 mg/L;熱水中F質(zhì)量濃度普遍較高，介于4.76～6.11 mg/L之間。

圖1 溫泉區(qū)附近地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.1 Sketch showing geological structures near the hot spring area

圖2 溫泉區(qū)地?zé)崴疁氐戎稻€(xiàn)圖Fig.2 Contours of water temperature for geothermal well in the hot spring area

圖3 地?zé)崴€(xiàn)圖Fig.3 Trilinear chats of geothermal water

TR11、熱1、Dg16、DR3 的水化學(xué)類(lèi)型見(jiàn)圖 3。4個(gè)水樣點(diǎn)基本位于1條直線(xiàn)，表明該區(qū)地?zé)崴峭吹?，熱水在上升過(guò)程中與淺部冷水混合，隨著混入冷水的增多，水化學(xué)類(lèi)型由 Cl－Na型轉(zhuǎn)變?yōu)镃l·HCO3－ Na型。

2 主要地?zé)釡貥?biāo)方法

地球化學(xué)溫標(biāo)法是指利用地下熱水的化學(xué)組分質(zhì)量濃度或質(zhì)量濃度比計(jì)算地下熱儲(chǔ)溫度的方法。其原理在于深部熱儲(chǔ)中礦物與水達(dá)到平衡，在熱水上升至地表的過(guò)程中，溫度下降，但化學(xué)組分質(zhì)量濃度幾乎不變，可用來(lái)估算深部熱儲(chǔ)的溫度。目前實(shí)際運(yùn)用較多的地?zé)釡貥?biāo)方法主要是陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)與硅溫標(biāo)。

2.1 陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)

利用熱水成分中陽(yáng)離子之間的比值與溫度的關(guān)系建立起來(lái)的溫標(biāo)方法，其理論基礎(chǔ)是陽(yáng)離子的交換反應(yīng)(王瑩等，2007)。陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)包括Na－K溫標(biāo)、Na－K－Ca溫標(biāo)、K－Mg溫標(biāo)等。

Na－K溫標(biāo)僅應(yīng)用于150℃以上的熱水，尤其是鉆孔中的熱水，但不適用于pH值遠(yuǎn)小于7的酸性水、富鈣的熱水及發(fā)生了混合的熱水。Na－KCa溫標(biāo)專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理富鈣熱水;在許多富Mg的中低溫?zé)崴校琋a－K－Ca溫標(biāo)估算得到的結(jié)果也明顯偏高，需要進(jìn)行Mg校正(Rybach et al，1986)。K－Mg溫標(biāo)適用于低溫地下熱水，估算溫度一般高于熱水井的出水溫度，被認(rèn)為是繼續(xù)向深部鉆進(jìn)有可能達(dá)到的溫度(于湲，2006)。

2.2 硅溫標(biāo)

利用泉口或井孔地?zé)崃黧w的二氧化硅飽和質(zhì)量濃度，計(jì)算出地下熱流體平衡帶的溫度。其理論基礎(chǔ)是硅礦物在熱流體中的溶解－沉淀平衡理論，SiO2溶解度隨溫度升高而增加。簡(jiǎn)而言之，就是利用熱水中的SiO2溶解度與溫度的關(guān)系估算地下熱儲(chǔ)溫度(汪集旸等，1993)。許多研究者提出不同的硅溫標(biāo)函數(shù)，常用公式如下，其中ρ(SiO2)代表SiO2的質(zhì)量濃度，mg/L。

無(wú)蒸汽散失的石英溫標(biāo)：

100℃下蒸汽足量散失的石英溫標(biāo)：

玉髓溫標(biāo):

α－方英石溫標(biāo)：

β－方英石溫標(biāo)：

無(wú)定形SiO2溫標(biāo)：

3 熱儲(chǔ)溫度計(jì)算

3.1 水樣選取

計(jì)算共選取8個(gè)水樣(表1)，除2008年的4個(gè)熱水樣以外，增加了1984年地?zé)峥碧娇椎牟糠炙畼樱硗膺€包括1個(gè)冷水樣(WS02)，水樣溫度的變化范圍為16～74℃，采樣涵蓋溫泉區(qū)所有地?zé)犷?lèi)型，平均溫度值為49.4℃。

表1 水樣水化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Hydrochemical analysis of water samples

3.2 熱儲(chǔ)溫度計(jì)算

地?zé)釡貥?biāo)的使用有一個(gè)基本前提，即作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲(chǔ)中的礦物達(dá)到了平衡狀態(tài)。

3.2.1 Na－K－Mg三角圖解法 該方法常用來(lái)評(píng)價(jià)水－巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類(lèi)型的水樣(Giggenbach，1988)。圖中分為完全平衡、部分平衡和未成熟水3個(gè)區(qū)域，根據(jù)圖中的水樣點(diǎn)位可以判斷熱水中的礦物是否達(dá)到平衡。

三角圖中水樣點(diǎn)位置的計(jì)算公式如下(ρ的單位是 mg/L，Na、K、Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為%)。

應(yīng)用8個(gè)水樣點(diǎn)數(shù)據(jù)生成Na－K－Mg三角圖(圖4)?？梢钥闯觯核械?zé)崴催_(dá)到平衡狀態(tài)，溫度相對(duì)較低的水樣點(diǎn)均落在未成熟水一側(cè)，溫度較高的Dg16、TR11、熱1地?zé)崴捎诨烊氲睦渌鄬?duì)較少，處于部分平衡狀態(tài)。因此，不能用Na－K溫標(biāo)、Na－K－Ca溫標(biāo)、K－Mg溫標(biāo)等陽(yáng)離子溫標(biāo)方法來(lái)估算東海溫泉地下熱儲(chǔ)溫度。

圖4 Na－K－Mg三角圖Fig.4 Triangular Na-K-Mg diagram

Na－K－Mg三角圖不僅可判斷熱水是否處于水－巖完全平衡狀態(tài)，是否發(fā)生稀釋(胡弘等，2003)，對(duì)于來(lái)源相同的1組熱水樣，還可以預(yù)測(cè)出地?zé)崴幕旌馅厔?shì)，從而預(yù)測(cè)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的熱儲(chǔ)溫度。

8個(gè)水樣點(diǎn)在三角圖中近直線(xiàn)分布，顯示出明顯的混合稀釋趨勢(shì)，延長(zhǎng)該趨勢(shì)線(xiàn)至平衡線(xiàn)，可以估算達(dá)到完全平衡狀態(tài)時(shí)的“純熱水”溫度約為170℃。

Fournier和Truesdell提出了硅溫標(biāo)混合模型計(jì)算熱儲(chǔ)溫度的方法(汪集旸等，1993)，該方法是在硅溫標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用回歸分析方法，考慮了混合作用的影響，適合東海溫泉的熱儲(chǔ)溫度計(jì)算。該模型假設(shè)：熱水在混合前沒(méi)有蒸汽損失和熱損耗，混合后也沒(méi)有發(fā)生熱損耗，深部熱水SiO2質(zhì)量濃度只受石英溶解度的控制，混合前后也沒(méi)有發(fā)生SiO2的溶解和沉淀。

圖5 Dg16號(hào)溫泉圖解Fig.5 Diagram offor the hot spring No.Dg16

將8個(gè)水樣的SiO2質(zhì)量濃度及水溫?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)標(biāo)示在SiO2與溫度關(guān)系圖上(圖6)，可見(jiàn)水樣點(diǎn)基本呈直線(xiàn)關(guān)系，求出SiO2與溫度的回歸分析曲線(xiàn)：t(℃)=1.639 3ρ(SiO2)－64.006，該直線(xiàn)與無(wú)蒸汽散失的石英溫標(biāo)曲線(xiàn)相交，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度為153℃。

圖6 SiO2與溫度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between SiO2and temperature

4 結(jié)論

(1)東海溫泉有相同的來(lái)源，北東向西曉莊—竹墩斷裂是溫泉的控制性斷裂，經(jīng)過(guò)深部循環(huán)的熱水沿?cái)嗔焉嫌?，在上升過(guò)程中發(fā)生傳導(dǎo)冷卻，在淺部有冷水混入，造成水溫不同，SiO2質(zhì)量濃度也不同。

(2)同一水樣采用不同溫標(biāo)方法，計(jì)算結(jié)果也有所差別，溫泉樣點(diǎn)在Na－K－Ca三角圖中近直線(xiàn)分布，顯示出明顯的混合稀釋趨勢(shì)，延長(zhǎng)該趨勢(shì)線(xiàn)至平衡線(xiàn)，估算溫泉達(dá)到完全平衡狀態(tài)時(shí)的熱儲(chǔ)溫度約為170℃。硅溫標(biāo)混合模型考慮了混合作用的影響，計(jì)算顯示溫泉混合前的熱儲(chǔ)溫度為153℃。2種方法估算的熱儲(chǔ)溫度相差不大，東海溫泉熱儲(chǔ)溫度為153～170℃。

胡弘，朱家玲，趙季初.2003.新西蘭Rotorua市Kuirau熱泉Na－K地球化學(xué)溫標(biāo)研究［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，13(4)：45－49.

潘明寶，陳軍，李向前，等.2002.1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告雙店幅、阿湖鎮(zhèn)幅［R］.江蘇南京：江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院.

RYBACH L，MUFLER L J P.1986.地?zé)嵯到y(tǒng)：原理和典型地?zé)嵯到y(tǒng)分析［M］.北京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系地?zé)嵫芯渴遥g.北京：地質(zhì)出版社.

汪集旸，熊亮萍，龐忠和.1993.中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社.

王瑩，周訓(xùn)，于湲，等.2007.應(yīng)用地?zé)釡貥?biāo)估算地下熱儲(chǔ)溫度［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，2l(4)：605－612.

王彩會(huì)，左麗瓊，季克其，等.2008.江蘇省東?？h西北部丘陵地區(qū)地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告［R］.江蘇南京：江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院.

于湲.2006.北京城區(qū)地?zé)崽锏叵聼崴乃瘜W(xué)及同位素研究［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué).

鄭西來(lái)，郭建青.1996.二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)及其相關(guān)問(wèn)題的處理方法［J］.地下水，18(2)：85－88.

GIGGENBACH W F.1988.Geothermal solute equilibria.Derivation of Na－K－Mg－Ca geoindicators［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，52(12)：2749－2765.