地热系统探测与模拟方法

钻孔测温是借助于测量井液温度获得地下岩石的温度，是研究区域温度场最直接的方法。由于在钻探过程中，天然温度场受到破坏，只有在钻探终止，井液循环停止之后，才逐渐恢复。钻孔温度经过恢复与井液（围岩）温度达到平衡之后，所进行的测温称为稳态测温，能够反映实际的地温情况。我国钻孔测温的开展始于20世纪70年代。当时中国科学院地质研究所地热研究室研发了一系列钻孔测温和岩石热物性测试设备（沈显杰和陆秀文，1979)为测温提供了基础，并研究了测温孔的布置和测温方法（中国科学院地质研究所地热组，1976).其后熊亮萍和汪集旸（1992)等对钻孔测温的精度、测温数据的解释做了研究，提高了测温的精度。基于钻孔测温，陈墨香（1988)对华北地热成因机制做了研究。佟伟等（1978)、中国科学院地质研究所地热研究室（1981)对西藏地热区开展研究。基于大量钻孔测温数据与实例剖析，熊亮萍和高维安（1983)分析了隆起和拗陷的地温场特点，阐明了区域构造对地温场的控制作用，在此基础上，熊亮萍和张菊明（1984)总结提出了“热流折射”的概念。

溶质地温计方法利用地下热水中的某些化学组分的含量与温度的关系，估算深部热储温度。20世纪50~60年代，地温计研究领域只有少数先行者；70~80年代，资料和研究工作都有了很大进展；至80年代末，已逐步形成理论体系；90年代迄今，已有地温计理论得到了广泛的应用。目前常用的主要有阳离子，如Na-K地温计、Na-K-Ca地温计、K-Mg地温计、Mg-Li地温计、Na-Li地温计、Na-Ca地温计和K-Ca地温计等；硅地温计；气体地温计，如矿物－气体地温计、气体－气体地温计等；同位素地温计，如水溶硫酸盐氧同位素地温计、CO2-CH4气体对地温计、13C同位素地温计等，各有不同的应用条件。但是，都属于经验性方法。重要的进展之一可能要数地热系统水－岩－气全体系化学反应的热力学模拟理论方法及相应的化学地温计的建立（Reed and Spycher,1984;Pang and Reed,1998).读者可以参阅相关综述文章（庞忠和，1996;庞忠和等，2014).这些方法已经被广泛应用于热水化学成分形成过程重建、溶解物的沉淀与结垢预测、热储温度评价等方面。本章不再赘述。若深部地热水在上升过程中与浅部地下水发生混合，则可应用混合模型进行热储地温计算（庞忠和等，2013).对于蚀变矿物的研究，可以帮助判断地热系统成因、深部温度及其演化过程的信息。其应用多在高温地热系统。读者可以参阅相关文献，例如朱梅湘和徐勇（1989).

钻孔测温深度有限，且只能查明点上的地温状况。要预测深部地温，或获得面上或空间上的地温分布，数值模拟的方法必不可少。一维热传导方程适合于地层均质、水平层状展布的条件，如我国华北盆地地热资源（陈墨香，1988)、美国干热岩地热资源潜力的评价（Tester,et al.,2006)、韩国5km以浅地热资源评价（Lee et al.,2010)中即应用了该方法。显然，这种解析方法局限性较大，仅适用于大区域上的潜力估算或地质条件简单的地区。二维或三维热传导方程可考虑地层起伏和非均质性，模拟深部热流向地表传导过程中发生的热流折射现象，常采用数值法求解。如张菊明等（1982)采用有限元法编制了二维热传导模拟程序，对华北容城－牛驼镇、保定－岐口等地质剖面进行了模拟。二维模拟对于一些特定的简单地质条件可达到预想精度。天然地温场多为三维问题，且存在地下水对流的影响。张菊明和熊亮萍（1986)采用有限元法开发了三维热传导模拟程序，并耦合了对流方程。目前，水－热耦合的模拟已较为成熟，常用的软件有HST3D(Kipp,1997)、SWIFT(Reeves et al.,1986)、TOUGH2(Pruess,1991)等，已在地温场模拟、地热资源评价等领域中得到广泛应用。

前面谈到，对于地热系统成因分析，水源是个重要方面。得益于同位素技术的发展，它们在地热研究中也得到了广泛应用，读者可参见国际地热学杂志Geothermics的专辑文章（Pang and Truesdell,2005).热水的起源与补给源可以通过其8D、818O与大气降水之间的关系来判断。在高温地热系统中热水部分来源于岩浆挥发分中的水汽。典型的例子是岛弧型火山区地热系统中的安山水混入。据估算，安山水的比例在环太平洋地热带可以达到24%(Pang,2006).另一个更为人熟知的现象是地热水的“氧”漂移，即地热水中8180相对富集的现象。以往这种现象多见于高温地热系统。近年来在中低温地热系统中也有发现，比如关中盆地西安地热系统（Qin et al.,2005;Pang et al.,2010).同位素温标可用来计算热储的温度。比较常用的方法有硫酸盐中的18O地热温标（Pang,2005b).放射性同位素（3H、14C、36C1等）可以用来测定热水的年龄，了解其天然循环周

期并在开采条件下判断冷水的入侵影响等。