黃珣，李曉，余中友，陶廣斌

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059)

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖

熱儲(chǔ)是對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)的重要組成部分，熱儲(chǔ)溫度是評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源開發(fā)潛力的重要依據(jù)，地?zé)崃黧w在上升過程中，壓力、溫度、滯留時(shí)間、淺層冷水的混合都是影響熱儲(chǔ)溫度計(jì)算的重要因素。Fournier和Truesdell通過研究地?zé)崃黧w中SiO2、陽離子溶解平衡與溫度、壓力之間的關(guān)系，提出了采用SiO2溫標(biāo)與陽離子溫標(biāo)計(jì)算深部熱儲(chǔ)的方法，這也是目前最常用的兩種計(jì)算熱儲(chǔ)溫度的方法。Giggenbach隨后創(chuàng)立了Na-K-Mg等一系列三角圖，以此判斷地?zé)崃黧w的物質(zhì)來源。Reed等在此基礎(chǔ)上提出了采用多礦物平衡法計(jì)算熱儲(chǔ)溫度的觀點(diǎn)。龐忠和等針對(duì)Al在水化學(xué)數(shù)據(jù)中經(jīng)常缺失和檢測(cè)出錯(cuò)等情況，引入了Fix-Al方法修正Q/K圖，使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際情況。Truesdell，F(xiàn)ournier等人基于SiO2溶解度與熱水焓值的關(guān)系，提出了熱水混合模型，該模型不僅能計(jì)算冷水的混合比例，還能估算熱儲(chǔ)溫度，對(duì)研究熱水形成、熱儲(chǔ)溫度有重要意義。

了解中谷水熱活動(dòng)區(qū)的熱儲(chǔ)特征及熱儲(chǔ)溫度對(duì)于合理開發(fā)利用鮮水河斷裂帶的地?zé)豳Y源具有重要意義。趙慶生等(1984)利用混合模型計(jì)算了康定至道孚的水熱活動(dòng)區(qū)熱儲(chǔ)溫度，并認(rèn)為存在上下兩層相對(duì)封閉熱儲(chǔ)，康定榆林地區(qū)屬于上層熱儲(chǔ)；此外龐忠和等(2017)通過Fix-Al方法計(jì)算了康定中谷及榆林河地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度，并認(rèn)為榆林河地?zé)崽锏拈_發(fā)潛力大過康定中谷地區(qū)。卞躍躍等(2018)采用SiO2溫標(biāo)計(jì)算出康定榆林地區(qū)熱儲(chǔ)溫度為192 ℃～288 ℃。

然而在實(shí)際運(yùn)用中，計(jì)算溫度與實(shí)際溫度經(jīng)常存在偏差，這與實(shí)際的地質(zhì)背景、水文地質(zhì)條件以及不同地?zé)釡貥?biāo)的適用范圍有關(guān)。本次研究利用康定中谷地?zé)峄顒?dòng)區(qū)地?zé)徙@孔資料、地?zé)峋皽厝乃瘜W(xué)數(shù)據(jù)，分析了中谷水熱活動(dòng)區(qū)的熱儲(chǔ)特征，并采用不同方法對(duì)中谷水熱活動(dòng)區(qū)熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行了計(jì)算并做出對(duì)比分析。

1 研究區(qū)概況

中谷水熱活動(dòng)區(qū)位于康定市以北約20 km的雅拉鄉(xiāng)中谷村境內(nèi)，由棲木沱向北，沿瓦廠上、中谷村、大蓋-直延伸至大龍布溝。由雅拉雪山發(fā)源而來的雅拉河為區(qū)內(nèi)的主要水系，雅拉河?xùn)|岸坡面較為平緩，其支流主要發(fā)育于東岸，西岸山勢(shì)較為陡峭，僅發(fā)育有較小的溪流。

研究區(qū)的溫泉主要分布于瓦廠上至龍布溝之間約8 km的雅拉河谷地中，泉眼多出露于河漫灘與階地上。瓦廠上出露的溫泉分布于雅拉河?xùn)|岸，其中部分泉眼被開發(fā)利用，中谷村溫泉分布較為密集，雅拉河?xùn)|西兩岸均有分布，西岸分布有若干泉群，每個(gè)泉群有若干泉眼；大蓋、龍布的溫泉多分布于雅拉河西岸，雅拉藥泉位于雅拉河與其支流的交匯處，有較濃的H2S氣味。

2 研究方法

2.1 采樣分析

本次研究區(qū)的水樣采集于2017年5月，共采集熱水水樣9組，樣品采集嚴(yán)格按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615-2010)，同時(shí)搜集了中谷水熱活動(dòng)區(qū)部分典型地?zé)徙@孔及溫泉水化學(xué)數(shù)據(jù)(表1)。其中ZGC01為河水水樣，ZGQ01～12為溫泉水樣，ZGJ01～04為地?zé)徙@孔水樣，ZGJ01～03為淺層鉆孔水樣，ZGJ04為1 847 m深的地?zé)徙@孔水樣，鉆孔井口出水溫度為115 ℃，井底溫度為130 ℃。

表1 水化學(xué)數(shù)據(jù)表

2.2 數(shù)據(jù)處理

(1) SiO2與陽離子溫標(biāo)

本次研究采用的SiO2溫標(biāo)為無蒸汽損失SiO2溫標(biāo)、最大蒸汽損失在100 ℃SiO2溫標(biāo)、無蒸汽損失玉髓溫標(biāo)，陽離子溫標(biāo)主要采用Na-K、Na-K-Ca、K-Mg溫標(biāo)。

(2) 多礦物平衡溫標(biāo)

通過水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，計(jì)算多種礦物在不同溫度下的飽和指數(shù)，多種礦物所收斂的溫度即為熱儲(chǔ)溫度。本次選擇文石、方解石、石英、玉髓、白云石、螢石、鈉長石、鈣長石、綠泥石等15種礦物，采用PhreeQC3.39對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果做出Log(Q/K)-T曲線。由于缺少Al的數(shù)據(jù)，因此采用FixAl法進(jìn)行平衡重建。

(3) 混合模型

Truesdell，F(xiàn)ournier等(1977)提出了硅-焓混合模型，該模型不僅能定量研究地?zé)崴c淺層冷水的混合比例，還能定量計(jì)算地?zé)崴某跏紲囟?。目前常使用?焓圖解法與混合模型法，其中硅焓圖解法是利用石英溶解度曲線及熱水焓值曲線計(jì)算混合比例與熱儲(chǔ)溫度；混合模型法是通過混合水中的硅含量來反演混合前處于平衡態(tài)的深部熱水端元的初始條件，進(jìn)而通過混合模型得出各熱水中X1、X2的值來求解混合比例，具體計(jì)算公式如下：

式中，Sh為深部熱水初始焓值；Ss為熱水最終焓值；Sc為冷水焓值；SiO2h為深部熱水的SiO2初始含量；SiO2h為熱水SiO2的最終含量；SiO2h為冷水SiO2含量。

硅-焓圖解法首先需作出石英溶解度曲線，通過冷水的硅焓點(diǎn)與熱水的硅焓點(diǎn)做延長線，求得與石英溶解度曲線的交點(diǎn)，以此計(jì)算得出熱水的混合比例。當(dāng)交點(diǎn)出現(xiàn)異?；驘o交點(diǎn)時(shí)，需考慮蒸汽損失的情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)特征分析

圖2 Piper圖

圖3 中谷地區(qū)Na-K-Mg三角圖

3.2 溫標(biāo)法計(jì)算結(jié)果

表2為各溫標(biāo)計(jì)算出的熱儲(chǔ)溫度，由《西藏地?zé)帷芬粫兴o出的地?zé)嵯到y(tǒng)判定條件，研究區(qū)所有點(diǎn)均屬于中溫地?zé)嵯到y(tǒng)。兩種石英(無蒸汽損失與最大蒸汽損失)溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果相近，分別為113.44 ℃～152.49 ℃，112.55 ℃～145.51 ℃；玉髓溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果為84.43 ℃～127.57 ℃，小于石英溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。Log(SiO2)-Log(K2-Mg)對(duì)比圖(圖4)可以較好的反應(yīng)SiO2的形態(tài)，以此來判斷采用何種SiO2溫標(biāo)更為適合。由圖4可知，ZGQ02、ZGQ05落在石英、玉髓指示線之間，ZGQ03落在玉髓指示附近，其余點(diǎn)均在玉髓指示線以上。玉髓比石英具有更大的表面能，180℃以下主要由玉髓控制SiO2的溶解；而在180℃以上時(shí)，SiO2的濃度主要由石英控制。另一方面，以ZGJ04井底溫度作為參照，計(jì)算SiO2溫標(biāo)與實(shí)測(cè)溫度的相對(duì)誤差，玉髓溫標(biāo)、無蒸汽損失SiO2溫標(biāo)、最大蒸汽損失SiO2溫標(biāo)的相對(duì)誤差分別為1.87%、17.30%、11.93%。

圖4 Log(SiO2)-Log(K2-Mg)對(duì)比圖

通過分析陽離子溫標(biāo)與SiO2溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，不同溫標(biāo)計(jì)算出的熱儲(chǔ)溫度結(jié)果差別較大。雖然Na-K溫標(biāo)受混合作用影響較小，然而Na-K溫標(biāo)是在熱水與長石類礦物間離子交換平衡基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，而在中、低溫系統(tǒng)中，長石類礦物都難以達(dá)到平衡，因此Na-K溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果往往會(huì)高于實(shí)際溫度。Na-K溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果為199.96 ℃～265.43 ℃，明顯高于SiO2溫標(biāo)；K-Mg溫標(biāo)對(duì)于淺層熱儲(chǔ)層的溫度具有較好的指示意義，隨深度的增加，計(jì)算結(jié)果往往會(huì)低于實(shí)際溫度，此次K-Mg溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果為74.74 ℃～114.17 ℃，明顯偏低。Fournier等(1977)引入Ca校正因子，以此來解釋Na-K溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果過高的結(jié)果。然而以ZGJ04井底溫度與Na-K-Ca溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的相對(duì)誤差仍高達(dá)55.31%。

表2 SiO2與陽離子溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果

1.石英溫標(biāo)(無蒸汽損失)，F(xiàn)ournier，1977；2.石英溫標(biāo)，Verma and Santoyo,1997;3.石英溫標(biāo)(最大蒸汽損失)，F(xiàn)ournier，1977;4.玉髓溫標(biāo)，Arnorsson et al.，1983；5. Na-K溫標(biāo)，Giggenbach, 1988;6.Na-K-Ca溫標(biāo)，F(xiàn)ournier and Truesdell, 1973;7.K-Mg溫標(biāo)，Giggenbach, 1988

3.3 多礦物平衡溫標(biāo)

地?zé)崃黧w中的某種礦物是否達(dá)到平衡狀態(tài)是判斷采用何種溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)之一。在地?zé)崃黧w上升的過程中，伴隨著溫壓的變化，CO2會(huì)從熱水中散逸出來，熱水的pH值也會(huì)因?yàn)镃O2的散逸而升高。硅酸鹽類礦物的重新平衡會(huì)使部分SiO2沉淀析出；方解石等碳酸鹽巖礦物、石膏類礦物的沉淀也會(huì)影響熱水中Na、Ca離子的比值。若在此過程中達(dá)到新的平衡，則地?zé)釡貥?biāo)給出的溫度是新平衡后的溫度，如未達(dá)到平衡，直接使用地?zé)釡貥?biāo)，SiO2與陽離子溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果將出現(xiàn)偏差。

通過計(jì)算溫度條件下各水樣的礦物飽和指數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，方解石、文石、白云石的飽和指數(shù)均大于0，處于過飽和狀態(tài)，而ZGJ04方解石及文石飽和指數(shù)近似于0，接近平衡狀態(tài)，說明碳酸鹽及硅酸鹽類礦物出現(xiàn)有沉淀的現(xiàn)象；石英、玉髓飽和指數(shù)均小于0，ZGQ08玉髓接近飽和狀態(tài)。螢石能否達(dá)到平衡狀態(tài)，主要取決于熱水中的電導(dǎo)率，研究區(qū)螢石飽和指數(shù)處于-1.06～0.1之間，極有可能與冷水的混合有關(guān)。

由于缺少Al的數(shù)據(jù)，在使用多礦物平衡溫標(biāo)時(shí)，無法對(duì)部分長石類礦物進(jìn)行模擬(圖5)，從而影響本文研究結(jié)果的可靠性。故本文采用FixAl法，通過選取鈣長石的平衡，以減輕水化學(xué)數(shù)據(jù)中Al數(shù)據(jù)缺失帶來的影響，同時(shí)考慮CO2溢出的情況，重建研究區(qū)熱水的平衡狀態(tài)。

由圖5可知，修正前，研究區(qū)熱水中文石、方解石、白云石均處于過飽和狀態(tài)，白云石隨溫度升高，有向非飽和區(qū)過渡的趨勢(shì)，石英及玉髓均處于非飽和狀態(tài)；修正后，研究區(qū)熱水中礦物收斂于一個(gè)較小的范圍內(nèi)，由圖可知，ZGJ02收斂于121.6 ℃～137.7 ℃的溫度區(qū)間，ZGJ04收斂于165.4 ℃～183.6 ℃的溫度區(qū)間。

3.4 混合模型計(jì)算結(jié)果

Na-K-Mg圖顯示研究區(qū)熱水均落在右下角未成熟水的區(qū)域，這表明研究區(qū)的熱水受到淺層冷水的混合。研究區(qū)冷水的溫度取12.8 ℃，冷水SiO2取12.8 mg/l。根據(jù)公式(1)、(2)將研究區(qū)各水樣點(diǎn)中冷水的混入比例進(jìn)行分析，圖6顯示了ZGJ04與ZGQ05的初始熱水溫度與冷水混入比例的關(guān)系，初始溫度分別為182.36 ℃、197.09 ℃；冷水混入比例分別為39.47%、80.86%，且冷水混入比例相差較大。

表3 礦物飽和指數(shù)

圖5 部分Log(IPA/K)圖及修正Log(IPA/K)圖

將研究區(qū)溫泉與冷水的硅焓值投影至硅-焓曲線中，其中A點(diǎn)為冷水投影，B點(diǎn)為水樣點(diǎn)投影，作A、B延長線至C，即可求出初始溫度及熱水比例(AB/AC)。當(dāng)延長線與石英溶解度曲線沒有交點(diǎn)時(shí)，需考慮蒸汽損失情況。圖7中ZGQ10的AB延長線與石英溶解度曲線明顯無交點(diǎn)，即存在蒸汽損失的情況，由圖顯示，ZGQ10中熱水比例為36.35%，初始溫度為176.38 ℃。

由表4可知，硅-焓方程法計(jì)算得出的熱儲(chǔ)溫度為182.36 ℃～274.58 ℃，冷水混合比例為39.47%～85.88%；硅-焓圖解法計(jì)算的結(jié)果為172.58 ℃～258.23 ℃，冷水混入比例為39.19%～86.46%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)由混合模型計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度與Na-K溫標(biāo)計(jì)算的溫度較為接近，與其他溫標(biāo)及實(shí)測(cè)情況偏離較大。

圖6 ZGJ04與ZGQ05的硅焓方程法圖

圖7 ZGJ04與ZGQ10硅焓圖解法圖

表4 混合模型計(jì)算結(jié)果

3.5 中谷水熱活動(dòng)區(qū)熱儲(chǔ)概念模型

由地?zé)釡貥?biāo)、多礦物平衡溫標(biāo)及混合模型計(jì)算得出的熱儲(chǔ)溫度，除SiO2溫標(biāo)外，均在170 ℃以上，而ZGJ04井底實(shí)測(cè)溫度僅為130 ℃。上行熱水被冷水混合固然是一個(gè)重要原因，若混合后達(dá)到新的水巖反應(yīng)平衡，SiO2溫標(biāo)給出的即為最后平衡的溫度，否則將得出偏低的溫度。有資料顯示，鮮水河斷裂是一條深切上地幔的深大斷裂，但據(jù)ZGJ04鉆孔資料顯示，鉆孔在1 847 m處揭露的仍為三疊系的砂板巖地層，并未到達(dá)花崗巖地層。因此，本文通過分析認(rèn)為，地下熱水經(jīng)深循環(huán)后，自深部熱儲(chǔ)，沿雅拉溝斷裂上行。在此過程中，受構(gòu)造裂隙影響，地下熱水與冷水混合達(dá)到新的水巖平衡；在繼續(xù)上行的過程中，繼續(xù)與冷水混合，水巖平衡被破壞，在上升到近地表的次生熱儲(chǔ)中時(shí)，混合程度加深，水巖平衡進(jìn)一步被破壞，同時(shí)部分熱水受壓力變化，以蒸汽形式沿通道散逸(圖8)。通過野外踏勘發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卮迕翊蚓^程中，存在打出蒸汽孔的現(xiàn)象，同時(shí)據(jù)調(diào)查，在中谷水熱活動(dòng)區(qū)進(jìn)行的熱水鉆探中，一般20～30 m即可鉆遇溫泉，但一些井在70 m左右，穿越次生熱儲(chǔ)后，即無熱水了。

4 結(jié)論

(1) 通過對(duì)水化學(xué)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，中谷水熱活動(dòng)區(qū)熱水以HCO3-Na型水為主，淺部地?zé)峋c自然出露的溫泉具有相似的水化學(xué)特征，深部地?zé)峋甖GJ04與其余點(diǎn)存在明顯差別；由Na-K-Mg三角圖發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)水樣均處于未成熟水區(qū)域，并顯現(xiàn)出冷水混合的特征。

圖8 熱儲(chǔ)概念模式圖

(2) 通過地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算熱儲(chǔ)溫度并對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果存在較大差異，其中Na-K溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果明顯高于其他溫標(biāo)，并且研究區(qū)地?zé)崴嬖诨旌献饔?，因此陽離子溫標(biāo)適用性較差。通過Log(SiO2)-Log(K2-Mg)指示圖發(fā)現(xiàn)所有水點(diǎn)均在石英指示線以上，因此玉髓溫標(biāo)有較好的適用性，熱儲(chǔ)溫度為84.43 ℃～127.57 ℃。然而熱水在上升的過程中存在重新達(dá)到化學(xué)反應(yīng)平衡狀態(tài)的可能性，因此玉髓溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果存在偏低的可能。通過多礦物平衡溫標(biāo)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，礦物飽和指數(shù)收斂于121.6 ℃～183.6 ℃區(qū)間。

(3) 利用硅-焓方程法與硅-焓圖解法估算研究區(qū)地?zé)崴谢烊肜渌谋壤?，其中地?zé)峋欣渌烊氡壤秊?9.47%～70.19%，初始溫度為182.36 ℃～212.22 ℃，溫泉中冷水混入比例為63.33%～86.93%，初始溫度為172.58 ℃～258.23℃，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨地?zé)峋疃仍黾?，混入冷水比例大幅降低，但?jì)算的初始溫度較實(shí)際溫度仍然偏高。

(4) 結(jié)合地質(zhì)資料及鉆孔資料分析認(rèn)為，研究區(qū)熱儲(chǔ)主要為三疊系砂、板巖地層與第四系地層中的構(gòu)造裂隙及第四系的松散孔隙。地?zé)崴?jīng)深循環(huán)，自深部熱儲(chǔ)沿雅拉溝斷裂上行，在上行過程中受構(gòu)造裂隙影響，與冷水發(fā)生混合；上升至近地表后，在構(gòu)造破碎帶及第四系地層中形成次生熱儲(chǔ)。因此在進(jìn)行熱水鉆探及開發(fā)利用地?zé)豳Y源的過程中，需避免鉆孔打穿次生熱儲(chǔ)而出現(xiàn)沒無熱水的情況。