Na-K-Mg三角图修正与Na-K温标选取_王欣.pdf

第 47 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.2 2019 年 4 月 COAL GEOLOGY water-rock equilibrium state; Na-K geothermometer equations; temperature of geothermal reservoirs 在地热系统研究中，深部热储温度是评价地热 资源不可或缺的参数。确定热储温度有直接测量法 和计算法 2 种方法。直接法是直接测量钻井所揭露 或穿透的热储层顶、底板温度，取其平均值作为热 储温度。这种方法相对精确，但成本高、耗时长， 在实际应用中不太可取，因此大多数情况下，采用 计算法地热温标法估算深部热储温度[1]。 地热温标法，是指利用地下热水中的某些化学组 分含量与温度的关系，估算深部热储温度的方法[2-3]。 其原理在于深部热储中矿物与水达到平衡，在热水 ChaoXing 122 煤田地质与勘探 第 47 卷 上升至地表的过程中，温度下降，但化学组分含量 几乎不变，可以用来估算反应的平衡温度，也就是 深部热储的温度。理论上，受温度控制的化学反应 中的组分都可以用来作为地热温标，但必须满足以 下 5 个基本假设深部发生的反应只与温度相关； 反应物充足；在热储温度下水–岩间的反应达到平 衡；当水从热储流向地表时，在较低的温度下，组 分间不发生再平衡，或者变化很小；来自系统深部 的热水没有和浅部地下冷水相混合[4]。目前，国内 外研究中比较常见的是阳离子温标、硅温标、同位 素温标和气体温标[5]。 阳离子温标，是基于热水与固相物质间的 K、 Na、Ca、Mg 等阳离子的交换与温度的关系建立起 来的。 所有阳离子温标方法都是经验性的近似方法， 被广泛的用于热储温度评价中[6-7]。常用的有 Na-K 温标、K-Mg 温标等。Na-K 温标是以热矿水中钠、 钾离子与钠、钾长石的离子交换平衡受控于温度的 原理建立起来的，在具备钠、钾长石平衡环境的天 然水中，Na、K 的含量比值是温度的函数，适合的 温度是 25250℃[6]。K-Mg 温标是基于钾长石转变 为白云母和斜绿石的离子交换反应，其对于温度的 变化反应非常迅速， 在溶液中达到平衡也最为快速， 因此，它适用于低温热水系统[8]。 地热化学温标法是一种行之有效的计算方法， 而各种温标公式都是在水溶液和矿物达到平衡状态 下建立的，常采用 Na-K-Mg 三角图来初步判断水– 岩平衡状态[9]。因此，本文选取不同 Na-K 温标公式 修正的 Na-K-Mg 三角图，判断水–岩平衡状态，并 提出 Na-K 温标公式的使用条件，以期为划分地热 系统成因类型和开发利用地热资源提供参考。 1 Na-K-Mg 三角图修正 Na-K-Mg 三角图是由 Giggenbach 于 1988 年提 出的，以 Na/1 000、K/100 和Mg为 3 个顶点，划 分为完全平衡、部分平衡的地下热水和未成熟的水 即处于岩石溶解、淋滤过程中的水，常被用来判 断水–岩平衡状态和区分水样类型。 Giggenbach 采用 他 1983 年发表的 Na-K 温标公式和略作修改的 K- Mg 温标公式构筑该图[10]。 但是，Na-K-Mg 三角图中的“完全平衡曲线”具 有不确定性，因选用的 Na-K 温标公式、K-Mg 温标 公式低温情况下影响最严重以及与热水相接触的 矿物类型甚至结构的改变而改变[10]。本文重点讨 论不同 Na-K 温标公式建立的修正后 Na-K-Mg 三角 图，故选取 Giggenbach1988 年改进的 K-Mg 温标公 式和 5 组不同的 Na-K 温标公式构筑三角图。 K-Mg 温标公式[10-11]表达式如式1，Na-K 温标 公式[12]如表 1 所示。     2 2 2 2 KMg KMg KMg KMg 2330 273.15lg1.25 7.35lg 1077 273.15lg1.25 4.03lg CC CC T CC CC              1 表 1 Na-K 温标公式选取表 Table 1 Selection of Na-K geothermometer equations Na-K 温标公式 来源  NaK 1390 273.15 lg1.75 T CC   W. F. Giggenbach1988[11]   NaK NaK 993 273.1525250 lg0.933 1319 73.15250350 lg1.699 T CC T T CC            ℃℃ ℃℃ S. Arnorsson1983[13-14]  NaK 883 273.15 lg0.780 T CC   F. B. Tonani1980[15]  NaK 1217 273.15 lg1.483 T CC  R. O. Fournier1979[16]  NaK 885.6 273.15 lg0.857 3 T CC  A. H. Truesdell1976根据文献[17] ChaoXing 第 2 期 王欣等 Na-K-Mg 三角图修正与 Na-K 温标选取 123 式中 Na C、 K C和 2 Mg C分别代表水中钠、钾和镁 离子的质量浓度，mg/L；T 为温度，℃。 利用上述温标公式，取温度为 75、100、125、 150、175、200、225、250、275、300、325 和 350℃， 计算 2 KMg CC和 NaK CC值。 三角图中坐标计算公式[18]如下 2 22 NaKMg NaNa KK MgMg 1 000100 1 000 100 S CCC CCS CCS CCS 根据 2 KMg CC和 NaK CC值，将 Na C和 2 Mg C用 K C表示，并代入三角图坐标计算公式 中，得到 Na C、 K C和 2 Mg C值。将得到的 坐标数据， 利用 origin 软件中 Ternary 作出修正后的 Na-K-Mg 三角图图 1。 修正后的 Na-K-Mg 三角图中共有 6 条曲线， 一条“未成熟曲线”，5 条基于不同 Na-K 温标公式 的“完全平衡曲线”。三角图被两类曲线分为“完全 平衡”、“部分平衡”和“未成熟”3 个区域。图中部 分平衡的水是由于热水溶液在向上运移的过程中 会因沸腾、蒸汽逃逸改变热流体化学组分含量， 或者深部热储层的热水与浅层冷水的稀释混合会 使原有的高温平衡环境遭到破坏。完全平衡区域 和部分平衡区域因 Na-K 温标公式不同而产生差 异，即三角图中任意一点，对某种温标公式确定 的曲线处于平衡状态，对另一温标公式确定的曲 线则有可能处于部分平衡状态；且温度越低，这 种现象越显著。 图 1 修正后的 Na-K-Mg 三角图 Fig.1 Modified Na-K-Mg triangular diagram 温度为 75200℃，“Giggenbach 完全平衡曲线” 位于平衡区域最上端，属于最贫 Mg 上边界； “Truesdell 完全平衡曲线”位于平衡区域最下端，属 于最富 Mg 下边界。其中温度为 75125℃时，采用 Fournier、Arnorsson 和 Tonani 完全平衡曲线从上至 下依次介于最贫 Mg 上边界和最富 Mg 下边界之间； 温度为 150200℃时，中间区域的完全平衡曲线从 上至下依次为 Arnorsson、Fournier 和 Tonani Na-K 温标公式所确定的。 当温度为 225250℃，“Arnorsson 完全平衡曲 线”为最贫 Mg 上边界；“Truesdell 完全平衡曲线”为 最富 Mg 下边界。 其中温度为 225℃时， Giggenbach、 Tonani 和 Fournier 完全平衡曲线从上至下依次位于 最贫 Mg 上边界和最富 Mg 下边界之间；温度为 250℃时， 中间区域的完全平衡曲线从上至下依次为 Tonani、Giggenbach 和 FournierNa-K 温标公式所确 定的。 在温度为 275350℃的情况下，各温标公式所 确定的完全平衡曲线基本重合，差异甚小。 综上所述，最贫 Mg 上边界和最富 Mg 下边界 ChaoXing 124 煤田地质与勘探 第 47 卷 是由不同的温标公式确定的，随温度具有明显的分 段性。 中间不确定区域各温标公式确定的“完全平衡 曲线”，在不同温度区间呈现不同的位置关系，图中 每个交点处，都是“完全平衡曲线”位置关系发生变 化处。 2 Na-K 温标公式选取 为了分析各 Na-K 温标公式计算热储温度的差 异性，并确定温标公式的适用性，作 T–lgNa/K曲 线图图 2。 由图 2 可知， 温度 T 与 lgNa/K呈幂函数关系， 且负相关。钠、钾离子组分比例相同的情况下，各 Na-K 温标公式得到的热储温度不同， 且温度大小关 系有多个变化点。因此，对曲线交点区域图 2 中阴 影区域进行局部放大，见右上角局部放大图。 局部放大图中共有 8 个交点，交点处 Na、K 含 量相同，且温度相同。相同钠、钾比例下，各 Na-K 温标公式确定的热储温度大小关系见表 2。在温度 为 100300℃范围内，各温标公式确定的热储温度 差异相对较小，其他温度下差异较大。 图 2 各 Na-K 温标 T–lgNa/K曲线图 Fig.2 T–lgNa/K curves of different Na-K geothermometers 表 2 Na-K 温标计算温度比较表 Table 2 Comparison of temperature calculated by different Na-K geothermometers 点号 温度最高公式 温度较高公式 温度中等公式 温度最低公式 A Giggenbach1988 Arnorsson1983 Fournier1979 Tonani1980 Truesdell1976 B Arnorsson1983 Giggenbach1988 Fournier1979 Tonani1980 Truesdell1976 C Arnorsson1983 Giggenbach1988 Tonani1980 Fournier1979 Truesdell1976 D Tonani1980 Giggenbach1988 Fournier1979 Arnorsson1983 Truesdell1976 E Tonani1980 Giggenbach1988 Fournier1979 Truesdell1976 Arnorsson1983 F Tonani1980 Giggenbach1988 Truesdell1976 Fournier1979 Arnorsson1983 G Tonani1980 Truesdell1976 Giggenbach1988 Fournier1979 Arnorsson1983 H Tonani1980 Truesdell1976 Fournier1979 Giggenbach1988 Arnorsson1983 ChaoXing 第 2 期 王欣等 Na-K-Mg 三角图修正与 Na-K 温标选取 125 通过表格对比发现，各坐标点 lgNa/K相同， 温度却有所差异。在 lgNa/K0.86 时，Fournier 计 算的温度最低； lgNa/K 1.11 时，Giggenbach 温度最高；在 0.97lgNa/K 1.11 时， Arnorsson 温度最高； 在 0.91lgNa/K0.97 时，Giggenbach 温度最高；在 lgNa/K0.91 时， Tonani 温度最高。 为了进一步研究各点的基于不同完全平衡曲线 的平衡状态，从而选择合适的温标公式，需要绘制 各点基于各“完全平衡曲线”的 Na-K-Mg 三角图。将 图 2 中各坐标点对应 lgNa/K值代入各温标公式计 算得 T 值，将 T 代入 K-Mg 温标公式中，求出钾、 镁比例。已知钠、钾、镁比例，故可以求出各点基 于不同完全平衡曲线的 Na-K-Mg 三角图坐标 Na C、 K C和 2 Mg C值，并将各点对应在三 角图中图 3。 图 3 中 A 点，仅基于 Giggenbach Na-K 温标公 式处于部分平衡状态，其余温标公式均处于完全平 衡状态。假如采用 Giggenbach 公式，则认为在图 3 中 A1点达到初始平衡状态， 此时热储温度为 153.86℃， 然后脱离热储继续进行水–岩石相互作用， 获得更多 的 Mg，温度变低，处于部分平衡状，故采用该温标 公式计算热储温度不合理。采用 Arnorsson 和 Fournier 公式，则认为在图中 A 点达到完全平衡状 态，此时热储温度为 134.12℃。采用 Tonani 和 Truesdell 公式，则认为在图中 A 点达到初始平衡状 态，离开热储后继续进行水–岩石相互作用，获得更 多的 Mg，达到最终平衡状态图中 A3、A4点，此 时温度分别为 113.25℃和 101.71℃，故该温标公式 计算仍不合理。因此，应采用 Arnorsson 和 Fournier 温标公式计算该点热储温度。 图 3 基于各“完全平衡曲线的”Na-K-Mg 三角图 Fig.3 Na-K-Mg triangular diagram based on all “fully equilibrated curves” 图 3 中 B 点， 基于全部 Na-K 温标公式均处于 完全平衡状态。 假如采用 Arnorsson 和 Giggenbach 公式，则认为在图中 B 点达到完全平衡状态，此 时热储温度为 212.78℃。采用 Fournier、Tonani 和 Truesdell 公式，则认为在图中 B 点达到初始平 衡状态，离开热储后继续进行水–岩石相互作用， 获得更多的 Mg，达到最终平衡状态图中 B2、B3、 B4点，此时温度分别为 196.10℃、193.92℃和 176.90℃，故采用该温标公式计算不合理。因此， 应采用 Arnorsson 和 Giggenbach 温标公式计算该 点热储温度。 图 3 中 C 点， 基于 Tonani、 Fournier 和 Truesdell Na-K 温标公式处于完全平衡状态。采用 Arnorsson 和 Giggenbach 公式，则认为在图中 C1、C2点达到 初始平衡状态，此时热储温度分别为 220.51℃和 218.28℃，然后脱离热储继续进行水–岩石相互作 ChaoXing 126 煤田地质与勘探 第 47 卷 用， 获得更多的 Mg， 温度变低， 处于部分平衡状态， 故采用该温标公式计算热储温度不合理。采用 Tonani 和 Fournier 公式，则认为在图中 C 点达到完 全平衡状态，此时热储温度为 201.96℃。采用 Truesdell 公式，则认为在图中 C 点达到初始平衡状 态，离开热储后与浅层冷水进行稀释混合作用，获 得更多的 Mg，达到最终平衡状态图中 C4点，此 时温度为 184.34℃，故该温标公式计算仍不合理。 因此，应采用 Tonani 和 Fournier 温标公式计算该点 热储温度。 根据图 3 中 A、B、C 三点的平衡状态和热储温 度分析比较得出，计算某热储即已知 Na、K、Mg 含量温度时，应该先利用 Na-K-Mg 三角图判断其 基于何种“完全平衡曲线”平衡，处于平衡状态即可 利用该曲线对应的温标公式计算热储温度，且应该 选择该点最靠近的“完全平衡曲线”对应的温标公式 计算更为合理。 由于地热资源的热储层一般为岩浆岩，通过对 常见岩浆岩及其对应 Na、K、Mg 含量的分析得出， 判定平衡时 Na-K-Mg三角图“完全平衡曲线”的选择 和计算热储温度时温标公式的选择与热储层的地层 岩性有很大关系，具体选择方法如下 a. 超基性岩中侵入岩以橄榄岩为主，喷出岩以 苦橄岩为主，矿物成分以橄榄石、辉石为主，角闪 石、黑云母其次，长石很少，不含石英，故 Na、K 含量低，Mg 含量高，位于三角图的右下角，选择 “Truesdell 完全平衡曲线”判定平衡状态比较合理， 且采用该温标公式计算。 b. 基性岩中侵入岩以辉长岩为主， 喷出岩以玄 武岩为主，矿物成分以辉石为主，橄榄石、角闪石、 黑云母其次，斜长石增多，石英很少，故 Na、K 含 量较低，Mg 含量较高，位于三角图的中间部位，选 择 Arnorsson、 Fournier 和 Tonani 完全平衡曲线判定 平衡状态都有可能，要具体分析，且采用对应温标 公式计算。 c. 中性岩中侵入岩以闪长岩为主，喷出岩以安 山岩为主，矿物成分以斜长石、钾长石为主，石英 其次，暗色矿物减少，故 Na、K 含量较高，Mg 含 量较低，位于三角图的右上方，选择“Giggenbach 完全平衡曲线”判定平衡状态比较合理， 且采用该温 标公式计算。 d. 酸性岩中侵入岩以花岗岩为主， 喷出岩以 流纹岩、英安岩为主，石英、碱性钾长石和酸性 斜长石增多， 暗色矿物很少， 故 Na、 K 含量很高， Mg 含量很低，位于三角图的左上方，选择各温 标公式对应的完全平衡曲线判定平衡状态都比 较合理，且温标公式计算也无严格要求，只要对 应即可。 3 西藏盐井地区热储温度计算 研究区位于西藏自治区康芒县盐井乡境内，地 处青藏高原东南部，与云贵高原接壤，地势北高南 低，水系发达，澜沧江、怒江自北向南纵贯全区域。 区内地质构造复杂，性质各异的褶皱、断裂为地热 发育提供条件。在区内选取 18 组盐泉地下热水、5 组温泉以及 4 组地表水进行水化学分析测试，结果 见表 3。 利用修正后的 Na-K-Mg 三角图， 分析区内水样 平衡状态，结果见图 4。由图可知，部分盐泉处于 完全平衡状态，温泉和地表水却全部属于未成熟的 水，可能是由于温泉取样深度较浅，有浅层水混入 而破坏了平衡状态，地表水本身即为未成熟的水。 其中， 盐泉 7 基于“Fournier 完全平衡曲线”平衡，利 用该温标公式计算得热储温度为 167.74℃；盐泉 1、 2、3、6、9、10 基于“Tonani 完全平衡曲线”平衡， 利用该温标公式计算得热储温度分别为 163.97、 150.08、166.99、171.70、150.63、150.51℃。由此 可见，修正后的 Na-K-Mg 三角图更有利于 Na-K 温 标公式的选取，计算结果更加可靠。 4 结 论 选 取 基 于 不 同 Na-K 温 标 公 式 修 正 后 的 Na-K-Mg 三角图以及 T–lgNa/K曲线图为研究对 象，来判断水–岩平衡状态，并进一步研究各 Na-K 温标公式的适用性，得出以下几点结论。 a. Na-K-Mg 三角图中任意一点，对某种温标公 式确定的曲线处于平衡状态，对另一温标公式确定 的曲线则有可能处于部分平衡状态；且温度越低， 这种现象越显著。最贫 Mg 上边界和最富 Mg 下边 界是由不同的温标公式确定的，随温度具有明显的 分段性。 b. 计算某热储即已知 Na、K、Mg 含量的 温度时， 应该先利用 Na-K-Mg 三角图判断其基于 何种“完全平衡曲线”平衡，处于平衡状态即可利 用该曲线对应的温标公式计算热储温度，且应该 选择该点最靠近的“完全平衡曲线”对应的温标公 式计算更为合理。Na-K-Mg 三角图“完全平衡曲 线”和 Na-K温标公式的选择与热储层的地层岩性 有很大关系，针对常见岩浆岩类型提出具体选择 方法。 ChaoXing 第 2 期 王欣等 Na-K-Mg 三角图修正与 Na-K 温标选取 127 表 3 盐井地区水样水化学成分表 Table 3 Hydrochemical composition of water samples in Yanjing area 取样位置 水样类型 水样编号 Na/mg∙L-1 K/mg∙L-1 Mg/mg∙L-1 1 25 200 1 450 185 2 24 700 1 220 183 3 23 400 1 390 159 4 29 000 2 740 234 5 13 700 854 151 6 32 700 2 040 248 7 30 300 1 600 227 8 1 830 234 38.4 9 33 400 1 660 264 澜沧江左岸， 盐井峡谷 盐泉热水 10 27 400 1 360 278 11 11 000 676 176 12 12 400 761 195 13 11 200 682 181 14 13 100 775 205 15 7 980 511 164 16 4 160 241 46.4 17 5 090 316 139 澜沧江右岸， 加大峡谷 盐泉热水 18 11 500 1 730 186 曲孜卡乡 19 108 4.5 0.5 曲孜卡乡 20 54.3 2.6 1.2 勒布贡 21 102 5.2 20.9 西鲁峡谷 22 587 24.4 42.4 日达峡谷 温泉 23 306 21.1 66.4 加大峡谷 24 5.7 0.4 3.9 盐井 25 19.8 2.3 44.8 澜沧江 26 31.2 1.7 14.3 日达峡谷 地表水 27 9.5 3.3 29.1 图 4 盐井地区水样 Na-K-Mg 三角图 Fig.4 Na-K-Mg triangular diagram of water samples inYanjing area ChaoXing 128 煤田地质与勘探 第 47 卷 参考文献 [1] 柳春晖. 白庙温泉、 赤城温泉及塘子庙温泉的水化学及同位素 研究[D]. 北京中国地质大学北京，2006. 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