地熱地球化學

指地熱勘查中的地球化學方法。在地熱田的最初調查階段,對地表冷水、熱泉水、噴氣孔和冒汽地面的水汽樣進行分析能夠廉價地得到有關該地區地熱田特徵的許多信息。它有助於評價熱田的能量、地下溫度、地熱系統的類型、流體的來源、深部地質學和礦物學情況,將來開發時的腐蝕和結垢,是否存在垂向滲透帶等諸多問題。

基本介紹

• 中文名：地熱地球化學
• 外文名：geothermal geochemistry
• 學科：地球化學

溫標計算

溫標計算可推斷深部熱儲溫度，明確地熱資源進一步開發利用的區域及價值等。常用的有SiO₂溫標、同位素溫標、鉀鈉鈣溫標、鉀鈉溫標、鉀鎂溫標等。

SiO2溫標

SiO2溫標是通過SiO2熱傳導溶解平衡推算熱儲深度和溫度。SiO₂溫標可說明研究區地熱水曾達到的最高溫度，其溫度的計算是由水溶液中Si的濃度是由水－岩相互作用時的溫度下Si的溶解性決定的。

同位素溫標

同位素分僧平衡是溫度的函式，若熱儲中氣體組分達到分餾平衡，氣體在上升到地表的過程中其同位素組分不變，利用某種元素在一對組分同位素組成上的差異即可算出熱儲溫度。但由於同位素平衡需較長地質歷史時期或較高溫度才能達到，該溫度計只適用少數熱田。

鉀鈉鈣溫標

鉀鈉鈣溫標是假設存在溫度大於100°C的交換反應，利用地表水中這些成分的相對濃度及熱儲溫度間的經驗公式進行計算。

鉀鈉溫標

鉀鈉溫標基於理論熱動力學，給出了在經歷長時間上升期的地熱水熱歷史的額外線索。相對於SiO₂溫標，該溫標對溫度的變化反應較緩慢。

鉀鎂溫標

鉀鎂溫標是從熱動力平衡推導出的公式，適用低溫地熱水。該方法測出的溫度一般高於熱水井出水溫度。

同位素地球化學的套用

除上述溫標計算外，還可套用同位素地球化學確定地熱水年齡、來源、成因等。

測定地熱水年齡

常用的地熱水測年同位素是³H和¹⁴C，前者要求地下水補給必須是近期補給（50年內），後者要求地下水溶解無機碳有多種來源、水文地球化學條件複雜及年齡上限為40ka。可通過地熱水年齡與礦物或岩石年齡對比，確定地熱水流經介質及相互關係。

研究地熱水水源與成因

主要利用氫氧同位素研究地熱流體補給水源、成因等。通過地熱水穩定同位素δD和δ¹⁸O相關關係確定地熱水來源。

隨著同位素技術的發展，同位素研究還可解決地熱水埋藏、水質水量變化等地熱水形成的動態理論問題，並可判斷地熱水各補給來源的比例、流向、流速等。

圈定地熱異常區

離子等值線圈定地熱異常區

除出露的溫泉是肉眼可見的局部熱異常表現外，可套用地熱水中常規離子和特徵離子含量確定地熱異常區。該方法是一種非常有效的地熱勘查手段，套用離子等值線圈定的熱異常區及展布方向常與地溫測量的結果一致。

土壤測量圈定地熱異常區

測量土壤汞量圈定地熱異常區，該方法有時可圈出物探圈不出的異常。此外，由於構造對熱水分布起重要作用，通過汞異常的展布方向可揭示熱田的主構造方向。還可通過土壤測溫圈定地溫異常區，一般地表有地熱顯示的地區土壤溫度高，反之土壤溫度低。

地熱系統的放射性

放射性元素衰變可提供熱能，因此地熱系統的放射性也是圈定地熱異常的有效手段。如康定熱水塘地區，區域內岩漿岩發育，岩漿岩中放射性元素衰變為高溫地熱能的形成提供部分熱源。

地熱流體質量評價

地熱流體質量評價指通過地熱流體全分析確定地熱水硬度、礦化度、pH、水化學類型、溶解性總固體含量、腐蝕性等，為地熱能開發及有效利用等提供指導。地熱水化學特徵是地熱形成過程中漫長地質作用的產物，通過地熱水化學特徵研究了解其成因並推測其發展潛力。

氣體分析

氣體分析可判定CO₂、H₂、H₂S、CH₄等主要氣體含量及少量微量氣體、惰性氣體含量，通過氣體組分變化可掌握深部熱儲動態變化。

Barnes等發現某些區域地表CO₂釋放量與地震活動密切相關，進而提出CO₂與現代構造活動有關的觀點。康定熱水塘地區位於鮮水河大斷裂附近，該斷裂是四川省境內最為活躍的一條地震帶，該區地熱氣體CO₂含量較高，這暗示高異常CO₂的一種成因，因CO₂可源於石英、方解石等礦物的熱液反應。此外，在高溫地熱系統中，水－岩作用產生的CO₂不足以維持地熱流體中CO₂高異常量，岩漿作用或變質作用是熱儲CO₂的外源，研究區岩漿岩發育，也佐證了岩漿作用導致熱儲CO₂的增加。

羊八井地熱田

羊八井淺層地熱以熱水為主，鑽孔揭露的地下熱水，約在40～100m的深度內，一部分熱水擴容為蒸汽，熱水中的氣體則由於壓力的降低而游離出來。因此，井口的流體是處於飽和狀態的、以熱水為主的蒸汽和不凝氣體的混合物。

熱流體的水化學特徵

氯化物鈉質水是羊八井地下熱水的主要化學類型。礦化度1．5～2g/L之間。熱流體的pH值，當熱流體汽化、減壓上升到地表，並失去蒸汽及CO₂、H₂S等酸性氣體後，水的pH值增高呈現鹼性。pH值一般為7.7～8.9之間。

地熱田內還出現硫酸鹽鈉質水或氯化物一硫酸鹽鈉質水，pH值3～4，有強烈的H₂S氣味，總含硫量達5．1lmg/L，不含HCO₃^-；和CO₃^2-，礦化度達2．2g/L，經微生物分離培養和鑑定，發現水中存在氧化硫硫桿菌和排硫桿菌。因此可以肯定，該酸性水是在表生條件下，在上述兩種細菌的作用下，硫化氫被氧化而形成的。

地下熱水普遍含有鋰、鍶、鉛、鋅、砷、銫、總硼(B₂O₃)等多種元素和化合物。地下熱水中汞含量很低，可能是由於地下熱水中含有硫，汞和硫作用生成HgS沉澱所致。

地下熱水中的微量元素和一些化學組分的含量與地下熱水溫度有一定的相關性，其中Cl^-、Na⁺、Si0₂、B³⁺、F和Li⁺等與溫度呈正相關關係，相關程度依次是Cl-、Na+、SiO2、B3+、F-和Li+等與溫度呈正相關關係，相關程度依次是Cl^->F->Na⁺>SiO₂>Li⁺>B³⁺熱水中還含有放射性元素鐳、鈾和氡。

地下熱水的氣體成分

地下熱水的氣體成分主要是CO₂，其含量最高達99．8%，其次含有少量N₂、O₂、H₂S、B₂H₆、H₂、Ar、He和Ne等。研究表明，N₂/O₂值介於0．14～74，與空氣的N₂/O₂值相近似，這說明N₂/O₂來源於大氣。而CO₂來自深部。

同位素特徵

穩定同位素對於確定熱田的熱補給性質和地熱流體的來源等問題有較好的效果，因此研究地熱田的同位素具有重要意義。

根據自然硫和硫酸鹽硫的同位素組成，羊八井地熱田自然硫的δ³⁴S值在一5．6‰～0．0‰，中國科學院科學考察隊的測定資料為一0．4‰～3．4‰，故具有深源硫的特點，表明地熱田內硫化物的硫源應來自地殼深部。從11個地下熱水和熱泉水硫酸鹽硫的同位素組成看，δ³⁴S值在一1．5‰～10．6‰之間，大多數樣品的δ³⁴S值在5．9%o～10．6‰之間。楚茲德爾等人指出，根據地下熱水中硫酸鹽的硫同位素組成，可以區別深成硫酸鹽和地表稀釋的硫酸鹽。他們認為，Cl/SO₄值高的地下熱水，其硫酸鹽(深部硫酸鹽)具有高的δ³⁴S值，而在Cl/SO₄值低的地下熱水中，其δ³⁴S值也低。從整個地熱田地下熱水硫酸鹽的硫同位素組成來看，大多數樣品都具有深部硫酸鹽的性質。這與自然硫的硫同位素所反映的硫源性質是一致的。

利用氫氧穩定同位素研究地下水的成因等獲得了重大進展。世界許多學者在地下熱水方面進行了許多研究。

羊八井地熱田地下熱水的氫氧同位素組成具有明顯的高度效應。地下熱水的δ¹⁸O值與大氣降水的δ¹⁸O值十分接近。地表水點與地下熱水點都落在克雷格大氣雨水線附近，δ¹⁸O值相對於大氣降水有正向漂移，這與克雷格的研究結果一致。由此表明，地下熱水主要是由大氣降水補給。δ¹⁸O值的漂移是由於大氣降水在其深循環過程中與岩石發生氧同位素交換的結果。其補給源主要是西北部含δ¹⁸O低的高山冰雪水。這些冰雪地表水通過念青唐古拉南緣大斷裂帶滲入地下，經深循環加熱而成為地下熱水。

羊八井地下熱水的補給來源，除了地表水外，還可能有一定數量的深部熱水的補給。