地热学-chp6

地热学Geothermometry成都理工大学MaoLifeng2010年11月27日Chp6地温测量•6.1确定地温的方法–6.1.1地热化学温标–6.1.2钻孔测量地温•6.2地温测量仪器•6.3地温测量的工作方法•6.4地温测量资料的整理和图示（4节）6.1确定地温的方法•测量地球温度场的空间分布和随时间的变化，是研究地壳内热源体的要素,可以调查地热、油气和矿产资源，以及解决其它地质问题,是解决一定的地质问题的一种地球物理勘探方法。•测温主要有直接测温、热测井和热流值测定等。按测量位置，测温可分为空中测量、地表测量、钻孔测量和海底测量。•间接的地球物理测温方法有红外测量、重力、电法、大地电磁法、利用居里点连线作为等温线的方法、地震等方法。6.1确定地温的方法•在过去数十年中，确定地球内部岩石物理量的地球物理测量技术和解释技术日臻完善。依靠这些技术，以及对某些物理参数与温度相关性的认识，有助于建立起地球的温度场。例如，重力测量方法提供了多种密度分布模型，其中包括了可能与温度相关的不均一的模型。沉积岩和结晶岩石的电导率均与温度相关，所以用地电及大地电磁学方法定出的视电阻率分布，可提供有关温度异常的信息。当温度达到居里点时，岩石的剩余磁化强度消退，岩石的这种物理性质可用来估计地球内部的温度。最后，由于熔融开始或者固态相交，地震波减小到这样一种程度，即所能辨认出的地震波速度梯度的变化，可解释为温度效应。•单独使用上述间接测温方法时，将难以确切地定出地球内部的温度分布。大多数物理参数与物质的性质密切相关，温度对物理参数的影响只起次要作用。只有研究多种测温方法得到的结果，才能够了解温度对物理参数的影响。6.1.1地热化学温标•温度是热力学中特有的一个物理量，它表示物体的冷热程度。为了定量地进行温度的测量。必须确定温标，即温度的数值表示方法。以下我们介绍比较常用的地球化学温标,所谓的地球化学温标是指与地下热储温度相关的热水化学组分浓度或浓度比值。地球化学温标是在一系列先决条件下建立起来的，其计算结果的准确性取决于实际情况能在多大程度上满足这一系列先决条件，而不同的地球化学温标对这一系列条件的敏感性又很不一样。因此，同一个水热区用不同的地球化学温标计算的结果会有相当大的差异。如果对实际情况加以适当分析，则有可能判断出计算结果的可信程度，也可能找出适当方法缩小这种差异。此外，水热系统不同部位的温度可能不一致，所以不同的化学温标也有可能反映同一水热系统中的不同部位的温度。6.1.1地热化学温标•热储温度是划分地热系统的成因类型和评价地热资源潜力所不可缺少的重要参数。而地球化学温标方法（特别是勘探初期）是提供这一参数的经济而有效的手段。目前，不同作者提供的温标方法有几十种，各自所依据的理论原理与实际资料均不相同，故而应用条件各异；加上使用者往往对这些条件不甚了解，容易简单地套用现成公式，因而给结果的解释带来一定的困难。因此对各类温标方法及其应用条件有一个比较全面的了解尤为重要。6.1.1地热化学温标•地热流体种溶解物的浓度是热储温度的函数。从理论上讲，受温度控制的化学反应中的组分都可以用来作地热温标。但是，作为温标方法，还须满足以下基本条件：1.反应物必须充足；2.水－岩之间必须达到平衡；3.水（气）向取样点运移的过程中没有发生再平衡。•对于存在混合作用的热储温度的计算则需要采用专门的混合模型。•热水化学成分的研究及地球化学温标方法的应用为分析实际地热系统深部热储的温度提供了依据。工作的关键是热水化学成分基本条件的确认和地球化学基本条件的确认和地球化学温标方法及其计算模型的选取。6.1.1地热化学温标目前经常见到的地球化学温标有以下几种。1.二氧化硅地热温标这是一种常用的地球化学地热温标。地热流体中二氧化硅主要取决于不同温度、压力条件下石英在水中的溶解度。根据实验可知，二氧化硅矿物的溶解度是温度的函数，因此可以根据热泉水的二氧化硅含量估算地下温度。由于天然水溶解的二氧化硅一般不受其他离子的影响，也不受复合物的形成和挥发组分散失的影响，而且二氧化硅矿物广泛存在，丰度甚大，热水温度下降时二氧化硅沉淀过程缓慢，尤其是在180℃以下，温度越低沉淀速度越幔，二氧化硅的真溶液可以长期保持过饱和状态。上述特点使二氧化硅温标成为被用的最早和最普遍的一种地球化学温标。二氧化硅地热温标•二氧化硅温标有6种以上，其中石英二氧化硅温标的温度值最高。它是由美国福尼埃（Fournier1981）提出石英为固相的二氧化硅温标的两种表达公式。同时指出，应用二氧化硅温标计算之前，要仔细判断地热流体上行时是传导冷却还是绝热冷却。绝热冷却是指地热流体的热量损耗于蒸发（形成扩容蒸气），传导冷却则热量可能损失一部分于溶解态二氧化硅。•如果热水在上升到地面过程中没有蒸汽损失，或者说仅存在传导冷却，石英二氧化硅温标表达式为其中lg(SiO2)是SiO2含量，单位为mg/l。•如果热水上升到地面过程中具有某一温度下最大的蒸汽损失，或者说以绝热冷却为主，则温标表达式为15.273)iOlg(19.513092uSC）（273.15-)iOlg(75.515222uSC）（二氧化硅地热温标•其它的石英溶解度：1.玉髓溶解度2.a-方英石的溶解度3.b-方英石的溶解度15.273logS-4.691032C)(To15.273log78.41000C)T(oS15.273log51.4781C)T(oS二氧化硅地热温标•硅温标的应用条件。硅温标是根据硅矿物溶解度建立起来的方法。适用温度范围比较大，精度较高，但必须考虑具体的应用条件：1.上述公式即为硅温标计算中常用的公式，适用温度区间为20~250℃。在温度超过250℃的情况下，计算得到的结果偏离实际溶解度。2.温度一定，pH值增加，石英的溶解度也增加。当地下热水的高pH值对石英溶解度有显著影响时，应考虑按pH=7是的溶解度加以校算。如果热水上升到地表过程中仅因二氧化碳的损失而使pH值增高，则不必进行校算。地下深处热水的pH值很难直接测量，而是根据一定的资料算出地下热水的pH值。如果热水呈酸性，本标准无效。稀释效应是二氧化硅温标失效的又一重要原因。所以SiO2温标的一个假设条件是，热液中的SiO2应以硅酸（H4SiO4）形式存在。但是在有些情况下，比如有的花岗岩地区，热水的pH值较高，在pH8.5时，相对可观的SiO2可能以偏硅酸（H3SiO4-)的形式存在。这种情况下，必须弄清楚硅酸的浓度。地热流体的pH值（酸碱度）对石英的溶解度有影响。二氧化硅地热温标3.有关平衡矿物的种类。玉髓是颗粒极为细小的变种石英，它与普通石英相比具有更大的表面能，更容易溶解。由于完全溶解之后，表面能不再起作用，因此，大约在120～180℃以上，玉髓与水接触时不稳定。而且温度、时间、流体成分以及水－岩之间作用的历史（无定形SiO2的重结晶和石英的直接沉淀析出）等因素都影响石英颗粒的大小。因此在有些地区，特别是较老的地热系统中，结晶良好的石英，即使在100℃以下能控制溶解硅的浓度；在另一些地区，玉髓在高达180℃以上的温度下仍能控制溶解硅的溶解度，特别是对于较年轻的地热系统来说，更是如此。在冰岛，大于180℃的情况下，SiO2的浓度由石英控制；在110℃以下，由玉髓控制；在110～180℃的温度区间内，两者兼而有之。6.1.1地热化学温标2.钠-钾地热温标它也是地热常用的一种温标。根据实验把Na/K摩尔比的对数相对于绝对温度的倒数作图，再用图解法求出与泉水或井孔内流体的Na/K相对应的温度。下面仅列出怀特（White）等人提出的两个温标表达式：式中，代表地下温度，也是水热系统内部碱质交换达到平衡时的温度，Na、K代表热水中钠离子和钾离子的含量，以mg/L表示。15.2738573.0/alg6.855u）（）（KNC15.273483.1/alg1217u）（）（KNCu钠-钾地热温标•美国的怀特认为当钠-钾离子摩尔比在8～20之间时Na-K温标才普遍有效。福尔埃等人发现，一些富含钙热水运用Na-K温标得不到合理的温度数据，认为这主要是钙对碱质交换有影响，因此他们把Na-K温标发展为Na-K-Ca温标，根据经验的和试验的资料总结出与温度之间的关系，这个温标的经验式如下：式中，为热水系统的地下温度；Na、K、Ca为热水中3组分的含量，以mol/L表示；当或者为正值，以及100℃时，当或者为负值，以及当按前述条件计算出的温度值100℃时，则273.15-2.24a/alga/Klg1647u）（）（）（NCNC）（a/alg)/lg(NCKNau1a/aNC）（a/algNCu341a/aNC）（a/algNC31钠-钾地热温标•用上述的Na-K和Na-K-Ca温标曾对西藏的热水进行过估算，其结果经统计处理后用直方图形式绘出•从图上可以看出，西藏大多数样品的Na-K-Ca温标温度要比Na-K温标小。可是通过温标的计算结果中却有30处比泉口实测温度低，甚至有许多温度出现负值。因此，这种温标也有它的局限性。Na-K-Ca温标对不同水型的有效性并不一致，对于氯化钠型号重碳酸盐-氯化钠型的水比较适用，其他类型的水使用本温标时就要特别谨慎。如果钙的浓度很高，钠的浓度较低，或者说的比值很大，就会出现负值，因此对于富含钙的水运用这一温标时也要特别谨慎。图西藏水热区Na－K和Na－K－Ca温标温度分布频率6.1.1地热化学温标其它的地质温度计：1.同位素比值温度计2.盐和矿石中的微量元素3.石榴石－辉石温度计4.白云石－方解石温度计5.沉积层中有机夹杂物的碳化程度复习•什么是地热化学温标？–地球化学温标是指与地下热储温度相关的热水化学组分浓度或浓度比值，并作为分析地下热储的温度的工具。•应用地热化学温标的关键是什么？–（1）热水化学成分基本条件的确认；（2）地球化学基本条件的确认；（3）地球化学温标方法及其计算模型的选取。•经常见到的地球化学温标有几种？1.SiO2温标2.钠-钾地热温标和Na-K-Ca温标3.同位素比值温度计4.盐和矿石中的微量元素5.石榴石－辉石温度计6.白云石－方解石温度计7.沉积层中有机夹杂物的碳化程度6.1.2钻孔测量地温•温度计只能用作地壳最上部可及深度范围内的稳定测量装置。根据所研究的问题可选用水银温度计、热电偶、热敏电阻或最高温度计。对那些直接测温不可及的区域，只好使用间接的测温方法，为了获得这类温度，可利用岩石物理性质，如密度、热导率或声的传播速度与温度间的关系。精确地测量地球内部这些物理量及其在横向和垂向上的变化，可得到有关地球热状态的间接信息。•实际生产多采用直接的地表土壤测温和浅孔直接测量方法以及较深一些的钻孔直接或间接测温法，而将其它地球物理方法如地震、电法、电磁法、重力等地球物理方法用于测量地温的方法还处在研究阶段，但一般来说，它们还不能单独作为确定温度的方法，只能是确定地热温度场分布的一种间接手段。6.1.2钻孔测量地温6.1.2.1地表浅层的地温测量•浅层测温按深度可分为土壤测温和浅孔测温两种，测量深度为200米以内的温度或温度梯度。土壤测温深度可浅至1m，一般2～5m，它能指示冒汽地面和浅层热流体运动的范围。几米深的温度测量往往还能够确定热流体上升通道的断裂和裂隙的位置。土壤测温多采用直接测温方法。•测量土壤温度时，必须使用测温探头记录温度随时间的变化，以便对温度作适当的校正。如果可以忽略年温度变化的影响(即如果在数天时间内测量土壤温度)，或者仅需确定温度差，那么只要采用能测量出从地面到约z＝25cm深处温度日变化的探头谈足够了。利用校正过的日温度变化，编制出地表最上层数米深的土壤温度图，可找出温度异常，这对水文问题具有重要意义。例如，可根据土壤温度图来发现与热水垂向排泄有关的热异常和由深循环热水所形成的热异常。6.1.2.1地表浅层的地温测量•根据测温钻孔的深度一般把地温测量方法分为以下三类（1）米测温法（深0－3m）；（2）浅孔