關(guān)中盆地地下熱水熱儲(chǔ)溫度研究

關(guān)中盆地地下熱水熱儲(chǔ)溫度研究

0城市土地供熱利用過程中地下熱水補(bǔ)給溫度及估算熱儲(chǔ)層溫度關(guān)中盆地地下水的補(bǔ)充一直是專家和科學(xué)家的中心問題。地下熱水資源的可持續(xù)使用關(guān)系到地下熱水資源的可持續(xù)使用。地下加熱的提供可能提供重要信息。筆者以關(guān)中盆地為研究區(qū),以地下熱水為研究對(duì)象,以同位素為主要研究手段并結(jié)合地?zé)釡貥?biāo)方法,研究關(guān)中盆地地下熱水補(bǔ)給溫度及估算熱儲(chǔ)層溫度,為關(guān)中盆地地下熱水的合理開發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)。地下熱水現(xiàn)已成為關(guān)中盆地地區(qū)的一種重要的經(jīng)濟(jì)資源,其合理開發(fā)與利用越來(lái)越被社會(huì)各界重視。1總體特征模型關(guān)中盆地位于陜西省中部,西起寶雞,東至潼關(guān),南依秦嶺,北抵北山,位于東經(jīng)107°30′~35°50′、北緯33°39′~35°50′之間,總體似半個(gè)彎月橫亙于陜西省中部,是陜西省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。該盆地地處不同構(gòu)造單元的交接過渡部位,構(gòu)造格局十分復(fù)雜,南北邊緣以發(fā)育強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造為顯著特征,受基底巖相和伸展斷裂系的控制,盆地蓋層具有明顯的斷塊結(jié)構(gòu)。2關(guān)中盆地地下熱水的制備溫度2.1地下熱水補(bǔ)徑排放系統(tǒng)地下熱水的起源和補(bǔ)給一直是諸多專家學(xué)者及相關(guān)政府部門關(guān)注的熱點(diǎn)。關(guān)于關(guān)中盆地地下熱水的補(bǔ)給來(lái)源,各路專家眾說(shuō)紛紜,本次同位素研究提供了利用地下熱水接受補(bǔ)給時(shí)的溫度反推地下熱水補(bǔ)給來(lái)源的方法。圖1為關(guān)中盆地地下熱水δ18O-δD關(guān)系圖,沿大氣降水線,δD=8δ18O+10展布的關(guān)中盆地諸熱水點(diǎn)基本沿橫貫盆地東西的秦嶺山前斷裂、渭河斷裂及北西西向、北西向、北東向斷裂帶及斷裂交匯部位展布,其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和地表水。關(guān)中盆地深部如西安、咸陽(yáng)、長(zhǎng)安、渭南、華陰等處熱水井點(diǎn)明顯偏離大氣降水線,發(fā)生18O漂移,漂移線與大氣降水交點(diǎn)處為漂移前同位素組成。2.2熱水補(bǔ)給trt研究區(qū)150余樣品點(diǎn)的溫度及δ值數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系表明,研究區(qū)大氣降水的同位素組成與當(dāng)?shù)氐臍鉁仃P(guān)系密切,且呈正相關(guān)變化,這種相關(guān)變化在不同地區(qū)相差很大。根據(jù)陜西省水文一隊(duì)數(shù)據(jù),研究區(qū)大氣降水氫氧同位素組成與當(dāng)年平均溫度的相關(guān)關(guān)系式為δ18O=0.47T?12.24r=0.976δD=3.5T?82.90r=0.958δ18Ο=0.47Τ-12.24r=0.976δD=3.5Τ-82.90r=0.958該關(guān)系式表明,年平均溫度每下降1℃,大氣年降水平均δ18O和δD值分別降低3.5×10-3和0.47×10-3。對(duì)上式進(jìn)行變換,得ΔT1=δ18O1?δ18O20.47(1)ΔT2=δD1?δD23.5(2)ΔΤ1=δ18Ο1-δ18Ο20.47(1)ΔΤ2=δD1-δD23.5(2)式中:ΔT為溫度差;δ18O1-δD1、δ18O2-δD2分別為地下熱水—現(xiàn)代大氣降水中的δ18O和δD值。根據(jù)現(xiàn)有的關(guān)中地區(qū)大氣降水?dāng)?shù)據(jù)求得關(guān)中地區(qū)δ18O和δD的平均值為-7.38×10-3和-45×10-3,由式(1)、(2)和現(xiàn)代關(guān)中地區(qū)的年平均大氣溫度可以計(jì)算出關(guān)中地區(qū)地下熱水補(bǔ)給時(shí)的水體溫度——大氣年均溫度,并做出其等值線(圖2、3)。由圖2、3的溫度等值線可以看出,關(guān)中盆地地下熱水補(bǔ)給時(shí)西安的溫度(0.5℃)最低,咸陽(yáng)(3.5℃)次之,寶雞(5℃)高于咸陽(yáng),渭南(6.5℃)最高。根據(jù)同位素補(bǔ)給高程公式計(jì)算,秦嶺北麓高度梯度K為0.75×10-3/100m,北山高度梯度K為0.32×10-3/100m,由此計(jì)算得出咸陽(yáng)地?zé)崴a(bǔ)給高程為700~1023m,主要源自盆地北部及西部高地補(bǔ)給,西安熱水補(bǔ)給高程為2010~2812m,主要源自秦嶺古代山區(qū)降水補(bǔ)給。14C測(cè)年結(jié)果證實(shí),西安、咸陽(yáng)地下熱水平均年齡在10000年以上,支持了上述結(jié)論。3熱儲(chǔ)存層的溫度估算3.1井、井分布及分布特點(diǎn)關(guān)中地?zé)崴裆畹淖兓秶鷱?00~3500m,淺井主要分布于秦嶺山前和合陽(yáng)蒲城地區(qū),深井則主要分布于長(zhǎng)安、西安、咸陽(yáng)以及武功和楊凌一帶(圖4)。地?zé)崴臏囟扰c地?zé)峋钣嘘P(guān),一般井越深,地?zé)崴乃疁卦礁?圖5)。3.2熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算關(guān)中盆地西安、咸陽(yáng)地區(qū)SiO2與井口水溫的線性方程為T=42.78+0.77[SiO2],相關(guān)系數(shù)r=0.96,故可利用SiO2溫標(biāo)計(jì)算熱儲(chǔ)溫度。此外,Na、K、Ca離子對(duì)熱儲(chǔ)溫度也有較好的指示。所用水化學(xué)溫標(biāo)公式如下TSiO2=1309/[5.19-log(SiO2)]-273.15(℃)TNa/K1=1390/[log(Na/K)+1.750]-273.15(Giggendach)TNa/K2=933/[log(Na/K)+0.993]-273.15(Arnorsson)計(jì)算結(jié)果見圖6。圖6中所有水化學(xué)溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果均與地?zé)崴木跍囟纫?guī)律一致,其中Giggendach的Na-K溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果最為理想。其中計(jì)算的Na-K溫度在170℃以上的熱水樣點(diǎn)有3個(gè),最高溫度可達(dá)178℃。ArnorssonNa-K溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果不甚理想,所計(jì)算溫度大多低于井口溫度。盡管如此,最高溫度也可達(dá)183℃。SiO2溫標(biāo)所計(jì)算的溫度變化較大,部分樣點(diǎn)的計(jì)算溫度高于井口溫度,部分樣點(diǎn)的計(jì)算溫度低于井口溫度,部分樣點(diǎn)的計(jì)算溫度與井口溫度重合。究其原因,山前與渭北部分樣點(diǎn)是淺部冷水與熱水發(fā)生混合后的水樣,混合后的SiO2含量顯然未達(dá)到計(jì)算公式要求的水巖平衡,導(dǎo)致部分計(jì)算結(jié)果有誤。上述水化學(xué)溫標(biāo)的計(jì)算結(jié)果及分析表明,準(zhǔn)確估算地?zé)釡貥?biāo)的關(guān)鍵在于判斷地?zé)崴械南嚓P(guān)化學(xué)組分是否與圍巖礦物達(dá)到化學(xué)平衡,Na-K-Mg三角圖是目前國(guó)內(nèi)外用以判斷水巖平衡樣點(diǎn)的有效方法。在地?zé)嵯到y(tǒng)特別是中高溫地?zé)嵯到y(tǒng)中,水溶液和礦物趨于平衡狀態(tài),利用這個(gè)特性可以預(yù)測(cè)關(guān)中盆地深部熱儲(chǔ)的溫度,即所謂的地?zé)釡貥?biāo)方法。應(yīng)用地?zé)釡貥?biāo)的條件是作為地?zé)釡貥?biāo)的某種溶質(zhì)或氣體和熱儲(chǔ)中礦物達(dá)到平衡狀態(tài)。這里用Na-K-Mg三角圖(圖7)來(lái)研究水-巖平衡狀態(tài),以選取適合的水樣。Na-K-Mg三角圖可以反映出水化學(xué)平衡狀況和平衡溫度,水樣點(diǎn)位于完全平衡曲線上則說(shuō)明地?zé)崴呀?jīng)達(dá)到或近于平衡,其水化學(xué)成分適合估算地下水儲(chǔ)層溫度。咸陽(yáng)熱水有4個(gè)樣點(diǎn)位于Na-K-Mg三角圖的完全平衡線上,代表可用于估算熱儲(chǔ)溫度的合理水樣。咸陽(yáng)熱水礦化度較高,鈣鎂組分較低,熱儲(chǔ)與現(xiàn)代水聯(lián)系較差,故有較高的熱儲(chǔ)溫度,對(duì)應(yīng)的石英溫度可達(dá)146℃;東西湯峪、渭北西部熱水點(diǎn)位于Na-K-Mg三角圖的未成熟區(qū)域,估算的熱儲(chǔ)溫度屬于不合理水樣。其礦化度較低,鈣鎂組分較高,對(duì)應(yīng)石英溫度不超過30℃,反映出盆地腹部與盆緣熱水在化學(xué)組分上的差異。西安、長(zhǎng)安介于兩者之間,其樣點(diǎn)落在部分平衡或混合區(qū)域內(nèi),指示水巖平衡程度不高或有局部冷水混入,其計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度僅作參考。應(yīng)用Na-K-Mg三角圖溫度法計(jì)算在平衡條件下關(guān)中盆地最大熱儲(chǔ)溫度為118℃(圖7)。4地下熱水接補(bǔ)時(shí)的溫度(1)關(guān)中地區(qū)地下熱水補(bǔ)給關(guān)系大致為,咸陽(yáng)的地下熱水由盆地北部及西部高地補(bǔ)給,而西安的地下熱水補(bǔ)給主要來(lái)自秦嶺古代山區(qū)降水,