温泉水文化学特征分析文献综述

温泉水文化学特征分析文献综述摘要：文章主要是通过对文献的查阅来分析温泉的水文化学特征，主要从两个方面来说明温泉的地下水循环的规律及分析温泉地下水化学的成因。第一、对八大阴阳离子（钾、钙、钠、镁、碳酸根离子、碳酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子）的成分及浓度的测定说明地下水的的形成时间，来源，补给，水质分析等。第二、根据对温泉水化学成分与二氧化硅的分析估算出温泉地下热储温度从而计算出温泉的地下循环深度。关键词：温泉；水文化学；热储温度；循环深度引言 地热温泉是一种特殊的自然资源 , 因其分布范围广、储存量大、运营成本低、对环境的负面影响小且易于开发等优点，越来越受到人们的重视，现也被世界各国列为重点开发的新能源之一。我国地热资源丰富且储存条件较好，开发潜力占全球的7.9%，是世界上利用地热资源较早的国家之一，但是我国较大规模的开发利用地热资源是在二十世纪的七十年代。比美国晚10年，比日本晚4年吴振祥等，2002。目前除了西藏的羊八井地热用于发电以外，其他的地热温泉都用于直接使用，利用的方式主要有供热取暖、洗浴、医疗、温室种植等陶庆发等，2007。近年来，我国在地热资源开发利用上取得了很大的进步，但是我国在对温泉地热资源勘察评价程度还较低，以及对地热资源的开发和利用水平较低，从而造成了资源的严重浪费和过度开发引发的环境问题。 因此对温泉的地热资源作出评价变得越来越重要，主要分析温泉地下水的水文化学成因、补给来源、地层岩性、构造、热储温度、循环深度等。1.热储温度与循环深度 地下热储温泉是指赋存于地下的热储层中的地下热水的天然露头，循环深度是地下水到达地下最深处距地表的高度，研究这两者的特征对于了解温泉的开发潜力、地热矿产资源的利用等具有重要作用。目前计算地下热储温度的主要方法有地球化学温标法目前地热温标方法主要有4大类:SiO2地热温标、阳离子地热温标、同位素地热温标和气体温标（王莹等，2000，刘亚平等，2015）。其中最常用的方法是地球化学温标法，地球化学温标法是指利用地下热水的化学组分质量浓度或质量浓度比计算地下热储温度的方法。其原理在于深部热储中矿物与水达到平衡，在热水上升至代表过程中，温度下降，但化学组分的质量浓度几乎不变，可用来估算深部的热储温度。目前国内外主要运用的地热温标方法有四种硅温标、阳离子地热温标、同位素地热温标及气体温标，其中气体温标很少利用。通过对近几年的文章阅读总结出以下几种温标方法。1.1 二氧化硅地热温标 二氧化硅地热温标利用热水中的二氧化硅溶解度与温度的关系估算地下热储温度 , 许多情况下误差仅有 3 汪集旸等，2000年。 其理论基础是二氧化硅矿物在热水中的溶解-沉淀平衡理论, 二氧化硅溶解度随温度升高而增加。1977年Fournier提出了玉髓法温标估算公式Fournier, 1977:T= 1032 /4.69 Log(CSiO2) 273.15 式中: T为热储温度( ) ; CSiO2为泉水中二氧化硅的浓度( mg /L) 钟响等（2015）在“贵州思南温泉成因分析”一文中利用了二氧化硅地热温标的研究方法对思南温泉的热储温度与循环深度进行了估算，发现思南温泉较靠近玉髓曲线，故采用玉髓法来估算其热储温度。并且得出了与实际较为相符的结果。1.2 阳离子地热温标阳离子地热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，多用于热储温度的评价。常用的有Na-K温标、K-Mg温标等。王莹等（2006）在”利用地热温标估算地下热储温度”一文中对以下几种方法都分别在不同的钻井中采样得出了较为详细的说明。柴蕊（2010）在对平顶山八矿的热储温度的研究中也利用了阳离子地热温标法以平顶山八矿地热系统为例，讨论了地球化学温标的应用条件；通过Na-K-Mg 三角图及以WATCH 程序建立的多矿物平衡法在该矿的应用，证实玉髓地热温标最适合估算该矿区深部热水温度，该矿区深部热水温度约为50。1.2.1 Na-K温标Na-K地热温标是基于钠长石和钾长石在一定温度条件下达到平衡而建立的，即在具备钠、钾长石平衡环境的天然水中，Na、K质量浓度的比值是温度的函数，这一比值不受以后温度降低的影响。适合的温度是25250 （柳春晖 2006）。Na-K温标T, （GiggenbachW F. 1988）式中 、分别代表水中钠、钾离子的质量浓度，mg/L。1.2.2 K-Mg温标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，它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。K-Mg地热温T（GiggenbachW F. 1988）式中 代表水中镁离子的质量浓度，mg/L。1.2.3 Na-K-Ca温标Na-K-Ca地热温标的建立基于、 3 种离子的碱性长石的离子交换反应，它是中低温地热系统中常用的温标。适合的温度是0250 。Na-K-Ca温标：（GiggenbachW F. 1988）式中 当t100 时，=1/3。CCa代表水中钙离子的质量浓度，mg/L。1.3同位素地热温标 地下热水中保留了某些化学成分或同位素组分 , 用来指示深部热储在决定性反应到达平衡 时的温度。研究发现 ,经化学价态变化的低原子能的元素会表现出大量自然的相似的分馏。这些元素中研究最多的一直是氢，碳 、氧和硫。（ TruesdellAH, HulstonJR. 1980） 王莹等（2006）利用6省区49个热水样品的测试数据, 分4类方法估算热储温度,以天津地区为例, 讨论区域地质背景下热储温度的估算,并且对天津地区的8个地热井的热储温度进行估算在80-120C之间。 1.4循环深度计算 据计算的的热储温度由地温梯度公式：（GiggenbachW F. 1988）式中: 估算的热储深度（即温泉的循环深度）H(m), 地温梯度r/km) 一般为2545C /km 恒温带温度(C)恒温带深度h（m） 钟响（2015）对贵州思南温泉的成因分析中利用该公式计算出了思南温泉的循环深度为1500米左右。2.水文化学特征 通过阅读近几年的文章发现地下热水的水化学特征主要与地层岩性、水温、成因和水循环条件密切相关 ，局部地段人为因素也有影响 。根据水文化学特征可以判断温泉地下水的主要补给来源，冷热水的混合比例，水化学类型以及地下水的循环规律。大部分人在分析水化学特征过程中都主要对泉水中主要离子浓度的测定来分析地下水的类型，运移过程和循环规律。还通过对同位素的测定来分析地下水的补、径、排条件。2.1水化学类型 目前判断地下水化学类型的主要方法为测定水主要离子（即八大阴阳离子）的浓度，根据离子浓度来分析判断温泉地下水在从补给区域到排泄区域过程中地下水化学类型的变化情况，同时说明水在流经区域内发生的各种化学作用。表示方法有（神照理 等，1993）：1、根据水质分析资料，可以确定水化学类型：按离子含量25%者进行划分，阳离子在前，阴离子在后。2、水化学式（库尔洛夫式）是用毫克当量%表示的，水化学式中含量是由大到小排列。大于10%的就需要列在其中，大于25%参与分类。前面是微量元素、气体成分、矿化度，后面是温度。现在一般不用这种分类了，因为不再用当量表示含量。3、 测定的离子的浓度投影到三线图上，根据图中的点读出地下水的化学类型。2.2同位素特征 热水中的同位素成分，尤其是O、H、C、He等稳定同位素，对理解地热水的成因及其在深部地热储中出现、影响其上升到地表的各种作用起着十分重要的作用。 为研究地热地下水补、径、排条件，对河水和不同层位的泉采集了H、O同位素和测年样品送到相关单位进行测定，得出测试的结果根据由Dansgaard提出的氘过量参数()，通过对 d值和地下水的氚含量 （T）值的相关性分析，理定地下水的相对滞留时间与相对径流速度确定地下水的径流方向，了解深部地下水径流动力场的区域分布特点。3.小结总的来讲目前对温泉地下水的水文化学特征的分析为对八大阴阳离子（钾、钙、钠、镁、碳酸根离子、碳酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子）的成分及浓度的测定说明地下水的的形成时间，来源，补给，水质分析等。根据对温泉水化学成分与二氧化硅的分析估算出温泉地下热储温度从而计算出温泉的地下循环深度。根据阅读前人的工作总结，发现目前在这方面的研究还存在许多不足的地方。首先是对离子浓度的测定，国内可以精确的测定机构还很有限，花费时间较长。其次各个机构对资源数据共享的程度还明显不够。在以后的学习工作过程中尽量弥补不足，同时还可以增加对水中稀有气体的测定来更好的分析温泉地下水。4.参考文献 1 吴振祥，樊秀峰 我国地热能开发利用现状及远景分析 福建能源开发与利用 2002 2 陶庆发等 我国资源开发现状管理 地质出版社 20073陈崇希，林敏 地下水动力学M 武汉: 中国地质大学出版社，20034 杜毓超，等. 滇西潞西盆地温泉水文地球化学特征及其成因 地学通报 20125 钟响 等、 贵州思南温泉的成因分析 山东国土资源 2015 6 王莹 等 、 应用地热温标估算地下热储温度 中国地质大学（北京）20077 王彩会 等、 江苏东海温泉热储温度估算 地质学刊 20158 柴蕊 等 平顶山八矿地热温标的选取及热储温度估算 煤田地质与勘探 20109 于永婷 等 云南省龙陵地区温泉水化学特征及其成因分析 广东微量元素科学 2 00810 王多义 四川绵竹酿春池温泉地质成因分析 成都理工 2005 11 汪集旸 孙占学 神奇的地热 北京 清华大学出版社 2000 12 沈照理 朱宛华 水温地球化学基础 地质出版社（北京） 199313 FournierR O.Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems J .Geothermics, 1997 14 GiggenbachW F.Geothermalsoluteequilibria.DerivationofNa-K-Mg-Cageoindicators J .Geochim Cosmochim Acta, 198815 Yaping Liu. Hydrochemical characteristics and genesis analysis of the Jifei hot spring in Yunnan, southwestern China,201516 TruesdellAH, HulstonJR.Isotopic evidence of environments of geotherm