河北沧县台拱带深部岩溶地热系统研究及开发利用分析

1.地热温标

地热流体中化学组分、 微量元素、 气体成分等化学常量指标数据， 携带了有关深部地质环境丰富的信息。 国内外学者对不同区域地热流体的水文地球化学特征问题开展了大量的研究工作， 如:

1967 年， Bowers 等通过大量的研究实验， 建立了600 余种相应的地质相图；White 从热源、 水源、 热储层及盖层四方面论述了经典的水热系统模型。

人们常用地球化学温度计来推测深部地热储层的温度， 其中常用的有SiO2温度计、 阳离子温度计等； 1973 年， Fournier 和Truesdell 提出了Na -K -Ca 温度计， Fournier 随后于1977 年建立了SiO2 地热温度计公式， 用于估算地热系统的热储层温度； 1987 年， Nieva 提出了组合温度计， 即通过K、 Na、 Ca、 Mg 离子来估算相应热储的温度。 1988 年， Giggenbach 研究了岩浆流体运移过程中同围岩发生水岩相互作用等一系列的溶质平衡反应过程。

本次研究的对象为4 km 以深的岩溶含水层， 通过深部钻探取得水样数据，将应用温标公式估算的结果与钻孔热储层温度实测值进行对比分析验证， 并找出适合本区内热储评价的温标方法， 加以推广使用。 沧县台拱带位于河北省中部平原， 属于地热异常区， 区内岩溶热储较为发育； 物探钻探资料显示研究区不同深度区段地温梯度不同， 差异较大。 本书将利用地热温标估算沧县台拱带深部热储温度， 应用PHREEQCI 软件以及Na-K -Mg 平衡图来研究矿物—流体的平衡状态， 为区内地热温标的选取以及在实际工程中的应用提供实例。 Na -K -Mg 经典三角图解可以研究地热流体的起源和形成机理。

2002 年， 刘久荣等通过地热水化学特征等对北京某地热田进行了研究；2003 年， 王广才等利用同位素方法研究了延怀地热流体的化学特征， 总结了研究区的地热成因模式； 2014 年， Spycher 改进多组分溶质地温计， 使热储温度能够得到精细测量。

在华北典型的中低温地热田研究过程中， 陈墨香于1988 年主编出版了《华北地热》 一书， 详细地阐述了华北地区地热的分布情况和热储特征； 国内许多专家学者从不同的角度对华北不同地热异常区论证阐明了地热田的具体情况， 主要包括地层地温、 水化学特征、 地温梯度、 成因机制、 地温场特征、 地热分布特征、 资源利用前景等。

2.同位素水文学方法(www.xing528.com)

20 世纪初， Nier 等提出同位素水文学方法。 同位素水文学方法在地热学中的研究和应用相对较早， 早在1953 年， Craig 就通过同位素水文学方法研究表明地热系统中热水主要为大气降水； Sakai 在2003 年研究了热储中的硫同位素的运移和指示特征； 2014 年Tan 等以西藏高温热储地热水的氢氧稳定同位素数据分析了其地热系统的循环过程， 认为研究区地热水受到流体快速循环和岩浆水升流的作用。

同位素技术也可用于判断地热水的来源及其组成。 比如可以应用氚和14C 判断地热水的年龄， 利用氢氧同位素技术推测地热流体的补给源， 利用氦同位素可以判断幔源物质的混入比例。

3.水—岩反应

2003 年， Valentino 对Phlegraean 地热田的水化学元素进行了研究， 认为该地热田主要是因为海水在较高温度下发生了水—岩反应； 2008 年， 马致远利用同位素法对关中盆地地热水进行了研究， 认为其水岩反应以碳酸盐溶解为主； 2013年， Göb 研究德国西南部热水主微量组分， 认为该区地热水的水化学类型是由于长期的水—岩作用形成的。

本书主要利用同位素和水文地球化学特征结合的研究方法， 深入分析地热流体的补给来源和相邻热储含水层之间的水力联系。

4.水文地球化学特征

1983 年， Chepelle 通过研究马里兰地热水利用组分分布模型将其分为未饱和区、 饱和区和过饱和区； 1997 年， Parkhurst 提出了摩尔—平衡公式； 1998 年，王焰新应用软件Netpath2.0 分析了泉域地表水和岩溶地下水的混合比例； 2001年， Xu 和Pruess 建立了多相流理论和方法； 2004 年， El Naqa 等应用软件Phreeqc 分析了Tannur 大坝内水流的水文地球化学过程； 2008 年， Sekhar 研究了Nsimi 实验地的水文地球化学反应； 2018 年， 李常锁使用Pipper 三线图等方法对济南北部地热系统水化学特征和形成机理进行了研究。