地球科学|叶建桥,毛绪美:高温水热系统中相变时温度和驱动力的变化

学术   科学   2025-01-08 17:00   湖北  

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基于重力驱动的地下水流系统理论是描述地下水系统渗流特征的主要工具,由水头差产生的重力势是地下水运移的主要驱动力.但在水热系统中,存在除大地增温以外的深部热源,会给地下水系统提供额外的能量,产生新的驱动力.对流型水热系统中,地下水在补给段温度较低而在排泄段温度较高,排泄段的高温地下水会产生密度、盐度、粘度等变化,导致地热水的压力水头发生变化,形成地热驱动力.在高温水热系统中,排泄段地下水的温度更高,可能存在液态水转变为气态水的相变过程,使地下水温度发生突变,从而引起地热驱动力的改变.以西藏羊八井地热田为例,利用SiO2地温计评估发现,热储层与地热井同一深度位置的水温存在较大差异,通过对比饱和蒸发线确定在距井口43.9 m处发生了引起温度骤降的相变过程.结合热力学第一定律,计算得出相变前后的温差约为23.6 ℃,由此造成的地热驱动力的变化值为-1.02 m.结果表明,水热系统中的地热驱动力仅存在于排泄段,排泄段地热水发生相变会引起地热驱动力的变化.本文得出以下结论:
(1)羊八井地热田有两个不同深度的热储层,使用二氧化硅(最大蒸汽损失)地温计对其进行估算,得出浅热储层的平均深度为230.0 m,平均温度为158.6 ℃;深热储层的平均深度为1 400 m,温度为236.7 ℃.这一结果与附近深度实测的温度存在10~18 ℃的温差,可能是地温计的使用带来的误差,也可能是某一深度位置处的液态地热水发生了相变,通过绝热冷却使液态地热水的温度降低,以达到新的相态平衡.
(2)通过地热井井底处的水温和压强,结合饱和水蒸发线,找到羊八井地热田地底43.9 m处存在相变.相变前液态地热水的温度为151.5 ℃,相变后液态地热水的温度为127.9 ℃,相变造成的温度降低值约为23.6 ℃,由此造成的地下水水头变化即地热驱动力的改变值为-1.02 m. 
(3)高温水热系统中确实存在由于相变导致地热水温度突变的情况.地热驱动力的存在能够帮助大家更好地刻画水热系统中地热流体的温度分布和流速分布.地下水从补给区进入水热系统,沿着断裂和裂隙形成的通道流向热交换位置的同时不断被加热,在热交换位置温度达到最大值,然后通过排泄段溢出地表.值得注意的是,因为地下水是从补给区向排泄区流动的,补给段的地下水增温并不会很明显,只有在靠近热交换位置时地下水才开始被加热,所以在热交换位置和排泄段的地下水温度会非常高.因此,不管是相变还是密度、盐度或者粘度变化产生的地热驱动力,它们都只存在于水热系统的排泄段.也就是说,地热驱动力仅出现并作用于地热系统的排泄段,加速了地热水的运移,并保持了排泄段地热水的高温. 
图1 羊八井地热田水文地质简图及采样位置
图2 液体蒸发线与井底温度-绝对压强曲线
图3 地质剖面图





文章刊登在《地球科学》第49卷第10期

叶建桥, 毛绪美, 2024. 高温水热系统中相变时温度和驱动力的变化. 地球科学, 49(10): 3773-3783. doi: 10.3799/dqkx.2023.126

Ye Jianqiao, Mao Xumei, 2024. Changes of Temperature and Driving Force during Phase Change in High Temperature Hydrothermal System. Earth Science, 49(10): 3773-3783. doi: 10.3799/dqkx.2023.126

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