CN113281285A - 碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法及工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法及工具，涉及水文地球化学技术领域，包括S1：在待判定的目标地区取样，获取每一样品的离子数据；确定取样地区的岩性类型；S2：根据目标地区的岩性类型，将离子数据投点在Ca‑Mg‑Na三角图和/或K‑Ca‑Mg三角图和/或K‑Na‑Ca三角图和/或Na‑K‑Mg三角图上；S3：根据离子数据在Ca‑Mg‑Na三角图和/或K‑Ca‑Mg三角图和/或K‑Na‑Ca三角图和/或Na‑K‑Mg三角图上的投点位置与完全平衡曲线的关系，确定所述目标地区的离子体系平衡状态。本发明适用于以碳酸盐岩为主的富Ca2+地区的化学平衡，为地热资源的评估提供可靠的参考数据。
Description
技术领域
本发明涉及水文地球化学技术领域，特别涉及碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法及工具。
背景技术
地热资源是一种绿色低碳、可循环利用的可再生资源，在大力开发地热资源的过程中，对深部热储温度的评价是评价地热资源不可或缺的一步。目前，用于确定热储温度的方法有直接测量法和计算法两种。其中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，但是成本较高、耗时较长，实际应用中不太可取。因此，在大多数情况下，采用计算法(地热温标法)估算深部热储温度。
然而，运用计算法(地热温标法)估算深部温度的前提是评价热水达到水-岩平衡状态，此外，地下水离子平衡的判定对水-岩作用过程及地下水迁移和转换等基础研究也有重要的意义。但是在离子平衡的判定过程中，由于不同体系中由于矿物所含成分不同，会导致水-岩作用过程也不同，所以导致了平衡的判定方法的不唯一性。现有的判定离子平衡的研究中，以Na-K-Mg三角图的应用较为常见，但是在以碳酸盐岩为主的富Ca2+地区的化学平衡运用此Na-K-Mg三角图则无法准确判定，所以Na-K-Mg三角图在对离子平衡的判定中具有局限性。
发明内容
本申请的目的是针对现有的Na-K-Mg三角图难以用于含碳酸盐岩地层地区中水热系统平衡的问题，提供碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法及工具，适用于含碳酸盐岩的富Ca2+地区的化学平衡，为地热资源的评估提供可靠的参考数据。
为了实现上述发明目的，本申请提供了以下技术方案：一种碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，包括以下步骤：
S1：在待判定的目标地区取若干样品，并获取所述目标地区的每一样品的离子数据；
确定所述目标地区的岩性类型；
S2：根据所述目标地区的岩性类型，将所述离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和/或K-Ca-Mg三角图和/或K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上；
S3：根据所述离子数据在Ca-Mg-Na三角图和/或K-Ca-Mg三角图和/或K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上的投点位置与完全平衡曲线的关系，确定所述目标地区的离子体系平衡状态。
进一步地，在所述S1中，所述目标地区的岩性类型包括：碳酸盐岩、硅酸盐岩或碳酸盐岩与硅酸盐岩形成的复杂岩性。
所述目标地区的岩性类型通过所述目标地区的地质资料和/或野外调查确定。
进一步地，当所述目标地区的岩性类型为碳酸岩岩区时，将所述目标地区的离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和K-Ca-Mg三角图上，判断所述目标地区的碳酸盐离子体系是否达到平衡；
当所述目标地区的岩性类型为硅酸盐岩区时，将所述目标地区的离子数据投点在K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上，判断所述目标地区的硅酸盐离子体系是否达到平衡；
当所述目标地区的岩性类型为碳酸盐和硅酸盐的复杂岩层时，先将所述目标地区的离子数据投点在K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上，判断所述目标地区中的硅酸盐离子是否达到平衡；若所述目标地区中的硅酸盐离子体系达到平衡，则所述目标地区的碳酸盐离子体系达到平衡；若所述目标地区中的硅酸盐离子体系未达到平衡，则再将所述目标地区的离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和K-Ca-Mg三角图上，判断所述目标地区中的碳酸盐离子体系是否达到平衡。
进一步地，在所述S1中，所述样品的取样方法为采用取样器在所述目标地区的热水出露口取样，并进行密封处理，被用来检测阳离子含量的热水在取样时需加入酸溶液作为保护剂；
每一所述样品的离子数据通过任一种液体中离子密度测定方法测量获得，其实际可以采用原子吸收分光光度法和/或化学滴定法获得。
进一步地，所述Ca-Mg-Na三角图、K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图通过以下步骤建立：
步骤一：根据原有的Na-K-Mg三角图温度范围，确定另外三个三角图温度范围并按照温度范围分为若干组，根据Na-K温标公式、K-Mg温标公式、Na-K-Ga温标公式得到钙离子、镁离子、钾离子和钠离子的在每一温度下的离子关系式；
步骤二：选择钙离子、镁离子、钾离子和钠离子四种阳离子中的钙离子、镁离子、钠离子，并根据三角图温度范围建立离子平衡三角图；
步骤三：根据钙离子、镁离子和钠离子在每一温度下的离子关系式，从钙离子、镁离子和钠离子中选出一种，并用其他两种离子表示选出的离子，并代入步骤二的离子平衡三角图的坐标计算式中，得到钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式；
步骤四：将步骤三中得到的钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式带入所述离子平衡三角图中，绘出三种离子的完全平衡曲线，得到Ca-Mg-Na三角图；
步骤五：更换选择的三种离子，重复步骤二～步骤四，分别得到K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图。
进一步地，所述Na-K温标公式为：
所述K-Mg温标公式为：
所述Na-K-Ca温标公式为：
其中，
分别代表水中钠离子、钾离子、钙离子和镁离子的平衡质量浓度，mg/L；T为温度，℃。
进一步地，所述钙离子、镁离子和钠离子对应的离子平衡三角图的坐标计算式为：
所述钙离子、镁离子和钾离子对应的离子平衡三角图的坐标计算式为：
所述钙离子、钠离子和钾离子对应的离子平衡三角图的坐标计算式为：
所述镁离子、钠离子和钾离子对应的离子平衡三角图的坐标计算式为：
进一步地，所述钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式为：
所述钙离子、镁离子和钾离子的坐标表达式为：·
所述钙离子、钠离子和钾离子的坐标表达式为：
进一步地，所述Na-K-Mg三角图采用现有的Na-K-Mg三角图。
进一步地，所述三角图温度范围为25～250℃。
本发明还公开了一种上述碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法采用的判定工具，包括Ca-Mg-Na三角图、K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图。
该判定工具采用步骤一～步骤五所述的方法获得。
与现有技术相比，本发明的具有以下有益效果：本发明公开的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，将碳酸盐岩地区水中含有的离子Ca2+考虑进了三角图中作为判定的依据，所得到的三角图也更加的准确客观，最终能够更加准确的对碳酸盐岩地区的离子体系的平衡状态作出判定。同时，在判定过程中，还根据地区的岩性类型采用不同的三角图进行水热系统平衡判定，使判定结果更加符合实际岩层实际情况。
附图说明
图1为本发明实施例提供的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法的流程示意图；
图2为本发明的一些实施例中Ca-Mg-Na三角图及此条件下的完全平衡曲线；
图3为本发明的一些实施例中K-Ca-Mg三角图及此条件下的完全平衡曲线；
图4为本发明的一些实施例中K-Ca-Mg三角图及其温度范围图；
图5为本发明的一些实施例中K-Na-Ca三角图及此条件下的完全平衡曲线；
图6为本发明的一些实施例中K-Na-Ca三角图及其温度范围图；
图7为本发明实施例碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定工具的制作流程示意图；
图8为金沙江地区采样点在Ca-Mg-Na三角图上的投点图；
图9为金沙江地区采样点在K-Ca-Mg三角图上的投点图；
图10为金沙江地区采样点在K-Na-Ca三角图上的投点图；
图11为金沙江地区采样点在Na-K-Mg三角图上的投点图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
现有的判定离子平衡的研究中，以Na-K-Mg三角图的应用较为常见，但是在以碳酸盐岩为主的富Ca2+地区的化学平衡运用此Na-K-Mg三角图则无法准确判定，所以Na-K-Mg三角图在对离子平衡的判定中具有局限性。
基于上述技术问题的考虑，参阅图1，本申请公开了碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法及工具。其中，碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定工具包括Ca-Mg-Na三角图、K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图，其通过以下步骤获得：
步骤一：根据原有的Na-K-Mg三角图温度范围，确定另外三个三角图温度范围并按照温度范围分为若干组，根据Na-K、K-Mg、Na-K-Ga温标公式得到钙离子、镁离子、钾离子和钠离子的在每一温度下的离子关系式；
步骤二：选择钙离子、镁离子、钾离子和钠离子中的钙离子、镁离子和钠离子，并根据三角图温度范围建立离子平衡三角图；
步骤三：根据钙离子、镁离子和钠离子在每一温度下的离子关系式，用其他两种离子表示步骤二中选出的第三种离子，并代入步骤二的离子平衡三角图的坐标计算式中，得到钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式；
步骤四：将步骤三中得到的钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式带入所述离子平衡三角图中，绘出三种离子的完全平衡曲线，得到Ca-Mg-Na三角图；
步骤五：更换选择的三种离子，重复步骤二～步骤四，分别得到K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图。
其中所述Na-K温标公式为：
所述K-Mg温标公式为：
所述Na-K-Ca温标公式为：
其中，
分别代表水中钠离子、钾离子、钙离子和镁离子的平衡质量浓度，mg/L；T为温度，℃。
当0℃＜T<100℃时，β＝4/3；250℃＞T>100℃时，β＝l/3，适用温度0℃～250℃。
根据K-Mg温标公式，将
分别带入公式(2)(3)，得出温度分别为108.8℃和114.3℃。即温度小于110℃时用公式(3)，温度大于110℃时用公式(2)。
以下以温度范围为25～250℃、每25℃为一组，共分为10组温度为例，利用上述温标公式，温度取25、50、75、100、125、150、175、200、225、250(℃)，计算
的值，利用得到的
的值与
的值相乘，从而得到
的值。
然后依据每个温度下的离子关系式，将其他离子用其中一个离子表示，然后代入Ca-Mg-Na三角图中的坐标计算公式。
具体的操作步骤包括：
根据
和
的值，将
和
用
表示，带入Ca-Mg-Na三角坐标公式计算。
Ca-Mg-Na三角图中坐标计算公式如下：
然后，使用origin软件中的Ternary做出Ca-Mg-Na三角图。
具体的操作步骤如下：
如图2所示，上面得到的
利用origin中的Ternary将
投点在Ca-Mg-Na三角图上，从而得到完全平衡曲线，最终做出Ca-Mg-Na三角图。
同理的，K-Ca-Mg三角图具体的操作步骤如下：
依据Na-K温标公式：
K-Mg温标公式：
Na-K-Ca温标公式：
利用上述温标公式，温度取25、50、75、100、125、150、175、200、225、250(℃)，计算
的值，利用得到的
的值与
相乘，从而得到
的值。
根据
和
的值，将
和
用
表示，带入K-Ca-Mg三角坐标公式计算。
K-Ca-Mg三角图中坐标计算公式如下：
如图3所示，上面得到的
利用origin中的Ternary将
投点在K-Ca-Mg三角图上，从而得到完全平衡曲线，最终做出K-Ca-Mg三角图，在K-Ca-Mg三角图的基础上又可以得到其温度范围，如图4所示。
同理的，K-Na-Ca三角图具体的操作步骤如下：
依据Na-K温标公式：
Na-K-Ca温标公式：
利用上述温标公式，温度取25、50、75、100、125、150、175、200、225、250(℃)，计算
的值。
将
和
用
表示，带入K-Na-Ca三角坐标公式计算。
K-Na-Ca三角图中坐标计算公式如下：
如图5所示，上面得到的
利用origin中的Ternary做将
投点在K-Na-Ca三角图上，从而得到完全平衡曲线，最终做出K-Na-Ca三角图，在K-Na-Ca三角图的基础上又可以得到其温度范围，如图6所示。三角图的制作流程参阅图7。
需要说明的是，由于现有技术中通常就采用Na-K-Mg三角图来进行离子体系平衡的判断，本申请中采用的Na-K-Mg三角图即为现有的Na-K-Mg三角图。
根据上述获得的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定工具，即可进行碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡，其具体包括以下步骤：
S1：在待判定的目标地区取若干样品，并获取所述目标地区的每一样品的离子数据；
确定所述目标地区的岩性类型；
S2：根据所述目标地区的岩性类型，将所述离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和/或K-Ca-Mg三角图和/或K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上；
S3：根据所述离子数据在Ca-Mg-Na三角图和/或K-Ca-Mg三角图和/或K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上的投点位置与完全平衡曲线的关系，确定所述目标地区的离子体系平衡状态。
需要说明的是，在所述S1中，所述目标地区的岩性类型包括：碳酸盐岩、硅酸盐岩或碳酸盐岩与硅酸盐岩形成的复杂岩性。
所述目标地区的岩性类型通过所述目标地区的地质资料和/或野外调查确定。即：根据目标地区的前期勘探地质资料，即可获得目标地区的岩性类型；也可以根据野外调查确定目标地区的岩性类型。本申请文件主要。适用于碳酸盐岩地区、硅酸盐岩和碳酸盐岩组成的复杂岩层。
需要说明的是，当所述目标地区的岩性类型为碳酸盐岩地区时，将所述目标地区的离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和K-Ca-Mg三角图上，判断所述目标地区的碳酸盐离子体系是否达到平衡；
当所述目标地区的岩性类型为硅酸盐岩区时，将所述目标地区的离子数据投点在Na-K-Mg三角图上，判断所述目标地区的硅酸盐离子体系是否达到平衡；
当所述目标地区的岩性类型为碳酸盐和硅酸盐的复杂岩层时，先将所述目标地区的离子数据投点在K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上，判断所述目标地区中的硅酸盐离子是否达到平衡；若所述目标地区中的硅酸盐离子体系达到平衡，则所述目标地区的碳酸盐离子体系达到平衡；若所述目标地区中的硅酸盐离子体系未达到平衡，则再将所述目标地区的离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和K-Ca-Mg三角图上，判断所述目标地区中的碳酸盐离子是否达到平衡。
进一步地，在所述S1中，采用取样器在所述目标地区的热水出露口取样，并进行密封处理，被用来检测阳离子含量的热水在取样时需加入酸溶液作为保护剂，所述酸溶液可以选择稀盐酸或者稀硝酸等与镁离子、钙离子形成可溶性盐的酸；每一所述样品的离子数据通过任一种液体中离子浓度测定方法测量获得。
每一所述样品的离子数据通过原子吸收分光光度法和/或化学滴定法获得。
以下以某区域的地区为例，在该地区以热水装入取样器在热水出露点将热水装满取样器以排除多余气泡，并对取样器做蜡封处理，被用来检测阳离子含量的热水在取样时需加入酸溶液作为保护剂。
取28份地层水作为样品，并采用原子吸收分光光度法测定钾离子、钠离子的离子浓度，通过化学滴定法测定样品中钙离子和镁离子的浓度，得到实际的离子浓度如表1所示。
查阅该地区的地质资料知道，该区域的地区为碳酸盐岩和硅酸盐岩组成的复杂岩区。因此根据前文所述的方法，先将获得的离子数据投点在K-Na-Ca三角图和Na-K-Mg三角图上，判断该地区中的硅酸盐离子是否达到平衡，参阅图10、11；从图10、11可以知道，该地区的离子数据均位于完全平衡曲线之下，因此该地区的硅酸盐岩处于一个不饱和状态，属于硅酸盐未成熟水。由于硅酸盐岩比碳酸盐岩更难达到平衡，因此在硅酸盐岩达到平衡时，碳酸盐岩通常都已经达到平衡了。在该实施例中，由于硅酸盐岩未达到平衡，因此需要对碳酸盐岩是否达到平衡进行判定：再将所述目标地区的离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和K-Ca-Mg三角图上，判断所述目标地区中的碳酸盐离子是否达到平衡，参阅图8、9。从图8、图9可以知道，该地区样品点均在完全平衡曲线之上，则该地区碳酸盐岩处于一个较好的平衡状态。由此可以知道，该地区的离子体系处于硅酸盐岩不平衡但碳酸盐岩平衡的状态，总体来说处于一个离子体系不平衡状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在待判定的目标地区取若干样品，并获取所述目标地区的每一样品的离子数据；
确定所述目标地区的岩性类型；
S2：根据所述目标地区的岩性类型，将所述离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和/或K-Ca-Mg三角图和/或K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上；
S3：根据所述离子数据在Ca-Mg-Na三角图和/或K-Ca-Mg三角图和/或K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上的投点位置与完全平衡曲线的关系，确定所述目标地区的离子体系平衡状态。
2.据权利要求1所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，在所述S1中，所述目标地区的岩性类型包括：碳酸盐岩、硅酸盐岩或碳酸盐岩与硅酸盐岩形成的复杂岩性中的任一种。
所述目标地区的岩性类型通过所述目标地区的地质资料和/或野外调查确定。
3.根据权利要求2所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，当所述目标地区的岩性类型为碳酸盐岩区时，将所述目标地区的离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和K-Ca-Mg三角图上，判断所述目标地区的碳酸盐离子体系是否达到平衡；
当所述目标地区的岩性类型为硅酸盐岩区时，将所述目标地区的离子数据投点在K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上，判断所述目标地区的硅酸盐离子体系是否达到平衡；
当所述目标地区的岩性类型为碳酸盐和硅酸盐的复杂岩层时，先将所述目标地区的离子数据投点在K-Na-Ca三角图和/或Na-K-Mg三角图上，判断所述目标地区中的硅酸盐离子是否达到平衡；若所述目标地区中的硅酸盐离子体系达到平衡，则所述目标地区的碳酸盐离子体系达到平衡；若所述目标地区中的硅酸盐离子体系未达到平衡，则再将所述目标地区的离子数据投点在Ca-Mg-Na三角图和K-Ca-Mg三角图上，判断所述目标地区中的碳酸盐离子是否达到平衡。
4.根据权利要求1所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，在所述S1中，所述样品的取样方法为：采用取样器在所述目标地区的热水出露口取样，并进行密封处理，被用来检测离子数据的热水在取样时需加入酸溶液作为保护剂；
每一所述样品的离子数据通过原子吸收分光光度法和/或化学滴定法获得。
5.根据权利要求1～4任一项所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，所述Ca-Mg-Na三角图、K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图通过以下步骤建立：
步骤一：将三角图温度范围分为若干组，根据Na-K温标公式、K-Mg温标公式、Na-K-Ga温标公式得到钙离子、镁离子、钾离子和钠离子在每一组温度下的离子关系式；
步骤二：选择钙离子、镁离子、钾离子和钠离子四种阳离子中的钙离子、镁离子、钠离子，并根据三角图温度范围建立离子平衡三角图；
步骤三：根据钙离子、镁离子和钠离子在每一组温度下的离子关系式，从钙离子、镁离子和钠离子中选出一种，并用其他两种离子表示选出的离子，并代入步骤二的离子平衡三角图的坐标计算式中，得到钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式；
步骤四：将步骤三中得到的钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式带入所述离子平衡三角图中，绘出三种离子的完全平衡曲线，得到Ca-Mg-Na三角图；
步骤五：更换选择的三种离子，重复步骤二～步骤四，分别得到K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图。
6.根据权利要求5所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，所述Na-K温标公式为：
所述K-Mg温标公式为：
所述Na-K-Ca温标公式为：
其中，
分别代表水中钠离子、钾离子、钙离子和镁离子的平衡浓度，mg/L；T为温度，℃；β与温度有关，当温度大于100℃，β＝1/3，当温度小于100℃时，β＝4/3。
7.根据权利要求5所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，所述钙离子、镁离子和钠离子对应的离子平衡三角图的坐标计算式为：
所述钙离子、镁离子和钾离子对应的离子平衡三角图的坐标计算式为：
所述钙离子、钠离子和钾离子对应的离子平衡三角图的坐标计算式为：
其中，
分别代表水中钠离子、钾离子、钙离子和镁离子的平衡浓度，mg/L；
表示水中的钙离子浓度，mg/L。
8.根据权利要求7所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，所述钙离子、镁离子和钠离子的坐标表达式为：
所述钙离子、镁离子和钾离子的坐标表达式为：
所述钙离子、钠离子和钾离子的坐标表达式为：
9.根据权利要求5所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法，其特征在于，所述三角图温度范围为25～250℃，并在步骤一中均匀分成若干组。
10.权利要求1～9所述的碳酸盐岩富Ca2+地区水热系统平衡判定方法采用的判定工具，其特征在于，包括Ca-Mg-Na三角图、K-Ca-Mg三角图、K-Na-Ca三角图、Na-K-Mg三角图。
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