楊 超，屈文崗，方嘉偉，扈志勇

（1.寧夏國(guó)土資源調(diào)查監(jiān)測(cè)院，寧夏 銀川 750002；2.長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；3.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；4.寧夏煤炭勘察工程有限公司，寧夏 銀川 750000）

地?zé)崮芘c其他可再生能源相比，具有儲(chǔ)量大、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、應(yīng)對(duì)氣候變化、治理大氣污染中，地?zé)崮軐?huì)發(fā)揮更加積極的作用。寧夏境內(nèi)深層地?zé)豳Y源以中低溫地?zé)釣橹鳎責(zé)岬目碧?、開發(fā)和科學(xué)研究程度較低。當(dāng)前在銀川盆地范圍內(nèi)企業(yè)及個(gè)人對(duì)地?zé)豳Y源開發(fā)利用的熱情有上升趨勢(shì)。為了能高效利用地?zé)豳Y源就必須對(duì)其賦存條件進(jìn)行研究，熱儲(chǔ)層溫度的劃分對(duì)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)、開發(fā)利用具有重要的意義。研究人員通過(guò)淺部地溫監(jiān)測(cè)、物探測(cè)井等資料對(duì)銀川盆地內(nèi)地溫梯度進(jìn)行了相關(guān)研究。如：嚴(yán)烈宏等[1]通過(guò)2 眼地?zé)峋你@探及物探測(cè)井資料對(duì)銀川盆地?zé)醿?chǔ)特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，銀川盆地為中低溫地?zé)崽?。何欣等[2]、范高功等[3]通過(guò)有限的鉆探、物探資料對(duì)銀川盆地?zé)醿?chǔ)層巖性、蓋層特征進(jìn)行了分析[2-3]。近年來(lái)，在銀川盆地范圍內(nèi)陸續(xù)打成的地?zé)峋延?5 眼，地?zé)峋疁囟染胁町悺１疚姆治隽算y川盆地部分地?zé)峋械責(zé)崴畼悠返乃瘜W(xué)特征，實(shí)測(cè)了地?zé)峋诘臏囟?，采用礦物平衡圖解法及地?zé)釡貥?biāo)法對(duì)熱儲(chǔ)層溫度進(jìn)行估算，并獲得地下熱儲(chǔ)層溫度的范圍，為銀川盆地地?zé)豳Y源的開發(fā)利用提供重要依據(jù)。

1 銀川盆地區(qū)域地質(zhì)概況

銀川盆地位于寧夏北部，平均海拔在1 100～1 200 m，地形整體呈東西高、中間低、南高、北低。根據(jù)以往地?zé)峥碧劫Y料及已有地?zé)峋删Y料，銀川盆地?zé)醿?chǔ)層可劃分為新近系干河溝組熱儲(chǔ)層、新近系彰恩堡組熱儲(chǔ)層、古近系清水營(yíng)組熱儲(chǔ)層、奧陶系—寒武系基巖熱儲(chǔ)層[1，4]。

2 地溫場(chǎng)特征及水化學(xué)特征

2.1 地溫場(chǎng)特征

銀川盆地Y1，Y3，NSR-1，NSR-2，NHR-1，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9，Y10 地?zé)峋鏊疁囟确謩e為67.5，55，68，65，60，56，62，51，35，59，47，52 ℃。由地?zé)峋疁y(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可知，12 眼地?zé)峋牡販靥荻人阈g(shù)平均值分別為2.19，1.92，2.25，2.46，2.45，2.19，2.03，3.36，1.96，2.13，1.94，1.72 ℃/100 m。地溫垂向特征表現(xiàn)為：隨深度增大而升高，地表以下100 m 以內(nèi)地溫波動(dòng)較大，隨著深度增加地溫波動(dòng)變小。深層地溫梯度變化較為穩(wěn)定，在3 000 m 左右地溫可達(dá)80 ℃以上。

2.2 水化學(xué)特征

本文在銀川盆地內(nèi)有條件采集地?zé)崴畼悠返?眼地?zé)峋羞M(jìn)行樣品采集，取樣點(diǎn)如圖1 所示。表1為銀川盆地地?zé)崴瘜W(xué)分析結(jié)果。由表1 可知：地?zé)崴畃H 為7.28～8.86，平均值為7.74，為偏弱堿性水；陽(yáng)離子平均質(zhì)量濃度由高到低依次為Na+，Ca2+，Mg2+，K+，陰離子平均質(zhì)量濃度由高到低為Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-。地?zé)崴側(cè)芙庑怨腆w物質(zhì)（TDS）變化范圍較小，為4 650～13 821 mg/L，平均值為9 116.43 mg/L，以高礦化度地?zé)崴疄橹鱗5]。

表1 銀川盆地地?zé)崴瘜W(xué)分析結(jié)果

圖1 地?zé)峋狱c(diǎn)分布圖

圖2 為銀川盆地地?zé)崴甈iper 圖。由圖2 同樣可以看出，該地區(qū)水的主要陽(yáng)離子為Na+，其次為Ca2+和Mg2+，陰離子主要以Cl-為主，其次是SO42-。其水化學(xué)類型主要為Na-Cl-SO4型，亦有Na-Cl 型。

圖2 銀川盆地地?zé)崴甈iper圖

3 多礦物平衡法

3.1 分析方法

礦物在水中的溶解與沉淀取決于水溶液相對(duì)礦物的飽和狀態(tài)，通常使用飽和指數(shù)來(lái)衡量水溶液相對(duì)礦物的飽和狀態(tài)[6]：

式中：SI為水溶液相對(duì)礦物的飽和指數(shù)；LAP為礦物溶解反應(yīng)中相關(guān)離子的活度積，mol/L；K為礦物在地?zé)崴械娜芙舛?，mol/L。若SI<0，表示未達(dá)到飽和狀態(tài)；SI>0，表示過(guò)飽和狀態(tài)；SI=0，表示水溶液與礦物處于平衡狀態(tài)[7-10]。

地?zé)崴跓醿?chǔ)中的運(yùn)移較為緩慢，地?zé)崴械牡V物通常與熱儲(chǔ)中的礦物處于平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)可通過(guò)地?zé)崴幕瘜W(xué)成分來(lái)判斷。首先，根據(jù)地?zé)崴乃|(zhì)分析結(jié)果，計(jì)算水中礦物的飽和指數(shù)，繪制地?zé)崴卸喾N礦物的飽和指數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系圖。其次，若在某一特定溫度下一組礦物同時(shí)接近平衡，則可判斷地?zé)崴c熱儲(chǔ)礦物達(dá)到了平衡狀態(tài)，平衡時(shí)的溫度即為熱儲(chǔ)層溫度。由此可確定熱儲(chǔ)的平衡礦物及熱儲(chǔ)層溫度。

3.2 結(jié)果與分析

本文利用多礦物平衡法對(duì)7 個(gè)地?zé)峋S溫度變化的水溶液相對(duì)礦物飽和指數(shù)進(jìn)行計(jì)算（溫度范圍為0～200 ℃，溫度間隔為10 ℃），并作圖分析了各地?zé)峋钠胶獾V物及平衡溫度范圍。圖3～圖6 是各地?zé)峋V物飽和指數(shù)與溫度的變化關(guān)系圖，表2 為各地?zé)峋胶獾V物一覽表。需要說(shuō)明的是，在水質(zhì)分析結(jié)果中，大部分水樣SI的值小于分析方法的下限值，故在計(jì)算中直接使用了該下限值，這將使涉及這些組分的礦物飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果偏大。

表2 各地?zé)峋胶獾V物一覽表

圖3 DRT-04，DRT-05地?zé)峋V物飽和指數(shù)與溫度的變化關(guān)系圖

圖4 NHR，NSR-2地?zé)峋V物飽和指數(shù)與溫度的變化關(guān)系圖

圖5 Y8，Y9地?zé)峋V物飽和指數(shù)與溫度的變化關(guān)系圖

圖6 Y10地?zé)峋V物飽和指數(shù)與溫度的變化關(guān)系圖

由圖3～圖6 可知，DRT-04 井的低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是鋁礬石和硬石膏，DRT-05井的低溫（10 ℃）平衡礦物和高溫（110 ℃）平衡礦物分別是鋁礬石和硬石膏，NHR 井低溫（10 ℃）平衡礦物和高溫（140 ℃）平衡礦物分別是白云石和石膏，NSR-2 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是云母和方解石，Y8 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是方解石和硬石膏，Y9 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是方解石和硬石膏，Y10 井低溫平衡礦物和高溫平衡礦物分別是方解石和石膏。

由表2 可知，NSR-2 地?zé)峋钠胶鉁囟葹?0～180 ℃，明顯高于其他地?zé)峋?，且其平衡礦物為硬石膏、文石、方解石、白云石、石膏和云母，種類明顯少于其他6 個(gè)地?zé)峋?。DRT-04，DRT-05，NHR，Y8，Y9，Y10 6 個(gè)地?zé)峋钠胶鉁囟仍?0～140 ℃，Y9 地?zé)峋钠胶獾V物最多，分別為鈉長(zhǎng)石、鋁礬石、硬石膏、文石、鈣蒙脫石、方解石、玉髓、綠泥石、白云石、菱鎂礦、伊利石、黃鉀鐵礬、鉀長(zhǎng)石、云母、高嶺石、石英和菱鐵礦。

結(jié)合地?zé)峋鏊疁囟龋瑒t可進(jìn)一步對(duì)熱儲(chǔ)層溫度進(jìn)行估計(jì)，得出更加可靠的熱儲(chǔ)層溫度區(qū)間。由此可得，DRT-04，DRT-05，NHR，NSR-2，Y8，Y9，Y10地?zé)峋疅醿?chǔ)層溫度分別是40～100 ℃，40～110 ℃，60～140 ℃，65～180 ℃，59～90 ℃，47～110 ℃，51～140 ℃。熱儲(chǔ)層溫度估算結(jié)果及實(shí)測(cè)井口溫度顯示，銀川盆地北部熱儲(chǔ)層溫度高于中部熱儲(chǔ)層溫度。

4 熱儲(chǔ)層溫度估算

在地?zé)豳Y源勘探過(guò)程中，深部熱儲(chǔ)層溫度是評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源不可缺少的重要參數(shù)，地球化學(xué)溫標(biāo)方法是獲得熱儲(chǔ)層溫度較為有效的手段。常用的地?zé)釡貥?biāo)法可分為兩類：一類是二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)法，有石英地?zé)釡貥?biāo)法和玉髓地?zé)釡貥?biāo)法等；另一類是陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)法，有Na-K-Ca 地?zé)釡貥?biāo)法，Na-K地?zé)釡貥?biāo)法等[11-15]。

4.1 二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)法

對(duì)熱儲(chǔ)層溫度估算的方法較多，二氧化硅地?zé)釡貥?biāo)法是最早被用于估算熱儲(chǔ)層溫度的一種方法，也是后來(lái)最常用的一種地?zé)釡貥?biāo)法，熱水中二氧化硅的質(zhì)量濃度主要取決于不同溫度下石英或玉髓在水中的溶解度，據(jù)此本文提出了基于熱水中二氧化硅質(zhì)量濃度的地?zé)釡貥?biāo)分別如下[9]。

石英地?zé)釡貥?biāo)（無(wú)蒸汽損失）為

石英地?zé)釡貥?biāo)（最大蒸汽損失）為

玉髓地?zé)釡貥?biāo)為

式中：c指水中可溶性二氧化硅的質(zhì)量濃度，mg/L。適用溫度范圍為0～250 ℃。

4.2 陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)法

陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)法是較為常見的估算熱儲(chǔ)層溫度的方法，該方法是根據(jù)熱水中陽(yáng)離子之間的比值與溫度之間的關(guān)系構(gòu)建起來(lái)的，陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)法是經(jīng)驗(yàn)性的近似方法。

Na-K 地?zé)釡貥?biāo)法是根據(jù)熱水中Na+，K+與鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石之間的反應(yīng)受控于溫度的原理建立起來(lái)的[16]，反應(yīng)式為

計(jì)算公式為

式中：ρ（Na+），ρ（K+）分別為Na+，K+的質(zhì)量濃度，mg/L。適用溫度范圍為0～250 ℃。

中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)常用Na-K-Ca 地?zé)釡貥?biāo)法，計(jì)算公式為[6]

式中：ρ（Na+），ρ（Ca+），ρ（K+）分別為Na+，Ca2+，K+的質(zhì)量濃度，mg/L。當(dāng)t<100 ℃時(shí)，β＝4/3；當(dāng)t>100 ℃時(shí)，β＝1/3。適用溫度范圍為0～300 ℃。

4.3 熱儲(chǔ)層溫度的估算結(jié)果及分析

對(duì)于銀川盆地內(nèi)的7 眼地?zé)峋?，本文使用上述地?zé)釡貥?biāo)法，對(duì)各地?zé)峋臒醿?chǔ)層溫度進(jìn)行了估算，表3 列出了各地?zé)釡貥?biāo)法的溫度估算結(jié)果及估算溫度相對(duì)于井口實(shí)測(cè)溫度的相對(duì)誤差。由表3 可知，對(duì)于不同的熱儲(chǔ)層，各地?zé)釡貥?biāo)溫度估算結(jié)果的差別很大。

表3 熱儲(chǔ)層溫度估算結(jié)果及其相對(duì)誤差表

對(duì)于Y8，Y9，Y10，NHR，NSR-2 地?zé)峋?，熱?chǔ)層主要為新近系地層，巖性主要為砂巖。石英（無(wú)蒸汽損失）、石英（最大蒸汽損失）、玉髓、Na-K 及Na-KCa 地?zé)釡貥?biāo)溫度估算結(jié)果相對(duì)誤差的平均值依次為13.5%，16.3%，-14.6%，-6.2%，16.3%，可見除Na-K 地?zé)釡貥?biāo)外，其他地?zé)釡貥?biāo)溫度估算結(jié)果的誤差都很大。Na-K 地?zé)釡貥?biāo)的最大誤差為-12.6%，而其他溫標(biāo)的最大誤差均在20%左右。因此，對(duì)于新近系砂巖帶下熱水推薦使用Na-K 地?zé)釡貥?biāo)。

對(duì)于DRT-04 和DRT-05 地?zé)峋?，熱?chǔ)層主要為奧陶系地層，巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r，局部為泥灰?guī)r及破碎帶。石英（無(wú)蒸汽損失）、石英（最大蒸汽損失）、玉髓、Na-K 及Na-K-Ca 地?zé)釡貥?biāo)溫度估算結(jié)果相對(duì)誤差的平均值依次為27.9%，30.8%，-1.2%，58.1%，57.7%，可見除玉髓地?zé)釡貥?biāo)能較好地估算地?zé)峋臒醿?chǔ)層溫度外，其他地?zé)釡貥?biāo)溫度估算結(jié)果的誤差都很大。玉髓地?zé)釡貥?biāo)的最大誤差僅為-2.3%，而其他溫標(biāo)的最大誤差值達(dá)到58.9%。因此，對(duì)于奧陶系灰?guī)r地?zé)崴扑]使用玉髓地?zé)釡貥?biāo)。

5 結(jié)論

（1）銀川盆地地?zé)崴疄槠鯄A性水，各離子變化范圍各不相同，陽(yáng)離子平均質(zhì)量濃度由高到低依次為Na+，Ca2+，Mg2+，K+，陰離子平均質(zhì)量濃度由高到低為Cl-，SO42-，HCO3-，CO32-。TDS 變化范圍較小，為4 650～13 821 mg/L，平均值為9 116.43 mg/L，地?zé)崴愿叩V化度地?zé)崴疄橹鳌?/p>

（2）盆地最北部NSR-2 地?zé)峋钠胶鉁囟葹?0～180 ℃，明顯高于其他地?zé)峋?，且其平衡礦物為硬石膏、文石、方解石、白云石、石膏和云母，種類明顯少于其他6 個(gè)地?zé)峋RT-04，DRT-05，NHR，NSR-2，Y8，Y9，Y10 地?zé)峋疅醿?chǔ)層溫度分別是40～100 ℃，40～110 ℃，60～140 ℃，65～180 ℃，59～90 ℃，47～110 ℃，51～140 ℃。熱儲(chǔ)層溫度估算結(jié)果及實(shí)測(cè)井口溫度顯示，銀川盆地北部熱儲(chǔ)層溫度高于中部熱儲(chǔ)層溫度。

（3）對(duì)于新近系熱儲(chǔ)層，Na-K 地?zé)釡貥?biāo)使用效果最好，估算的熱儲(chǔ)層溫度約為52.6 ℃。

（4）對(duì)于奧陶系熱儲(chǔ)層，玉髓地?zé)釡貥?biāo)的使用效果最好，可對(duì)熱儲(chǔ)層溫度進(jìn)行精確的估算，估算的熱儲(chǔ)層溫度約為39.1 ℃。