一种基于流体中含碳纳米颗粒寻找地热的方法

1.本发明属于地热资源技术领域，具体涉及一种基于流体中含碳纳米颗粒寻找地热的方法。


背景技术：

2.目前对于地热地下水来源和水循环演化过程的研究方法主要为水动力学、水化学和同位素等方法实现。水动力学的特点为以渗流理论为基础，通过数值模拟技术进行研究，但该方法对资料的要求比较高，需要包括地面及含水层高程、含水层结构、水文地质参数和水位监测数据等大量资料，否则很难获得正确的模拟结果；水化学方法利用化学组分的含量及其比值可以很好的查明水体所处环境及水动力条件，甚至可以查明水体混合比例，但该方法计算复杂且不易验证。
3.而对与地热地下水来源和水循环演化过程的研究方法最常用的为同为素法，依据统计学方法，分析不同来源样品同位素组成的统计规律的异同点，可以达到判断水体间水力联系的目的，也是同位素水文学方法确定水体间转化关系的基本原理。鉴于稳定同位素一般不随时间变化，可以很好的保持母体的特征，因此也是最常用到的同位素。d、
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o稳定同位素是水的直接组成部分，具有化学稳定性，可以代表水体的循环过程，因此，d、
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o成为研究大气降水、地下水与地表水转换关系的最理想和最常用的示踪剂。根据crig等人的研究成果(craig，1961)，大气降水中的d、
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o稳定同位素呈明显的线性关系，接受其补给的地表水和地下水受到蒸发作用影响而富集重同位素，但仍呈线性相关并接近于大气降水的平均同位素组成。地区和时间不同，所形成的大气降水的同位素组成存在较大差异，也导致它所形成的地下水和地表水的同位素组成不同，从而可以用于确定地下水与地表水的来源及其分别所占的比例。但是当样品数量少或取样时间相差较大时，可能导致水体同位素组成缺乏代表性，由于对水文地质条件的认识程度不够，仅凭同位素数据可能会出现偏离正确结果的规律，甚至出现错误结果。利用水体稳定同位素组成的差异可以很好的判别水体来源，但在不同水体同位素组成一致的情况下，该方法便会失去作用。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，提供一种基于流体中含碳纳米颗粒寻找地热的方法，通过流体中颗粒来源于地质体，能直接反映地质体的信息，具有较强的可靠性。
5.本发明的目的是提供一种基于流体中含碳纳米颗粒寻找地热的方法，包括如下步骤：
6.s1、采样：利用地表参照物和定位系统确定流体采样的位置，动态法通过采集装置对流体进行采样；
7.s2、预处理及特征分析：将s1得到的流体样品进行预处理使含碳纳米颗粒沉积在tem网格上，对含碳纳米颗粒进行选区电子衍射分析，通过eds分析含碳纳米颗粒的元素含量，确定颗粒之间的聚合关系，确定流体样品中含碳纳米颗粒的性能特征；
8.s3、含碳纳米颗粒的识别：对流体样品中含碳纳米颗粒特征的进行区别分析，识别地热流与地热资源的对应关系及与地热水-岩作用确定地热资源的地下水来源和水循环演化过程。
9.优选的，s1中，采样前，对样品盒及采样用的器械先用去离子水洗干净，然后用高纯水清洗，采样及存储过程中需保持流体样品洁净。
10.优选的，s1中，采集装置为蠕动泵通过硅胶管连接采样瓶。
11.优选的，s1中，所述动态法为将采集装置放入地热流体中水面3m以下的深度，以10ml/min的速度抽取水样，直到出水稳定后进行采样
12.优选的，s2中，样品进行预处理的方式为通过移液器将流体样品转移到tem网格上之前，重复摇晃样品盒以消除纳米粒子在流体中的不均匀分散。
13.优选的，s2中，纳米颗粒沉积在tem网格前，对tem空白网格进行测试，检查是否为空白的面网。
14.优选的，s2中，测试的电压为200kv，点分辨率为0.20nm，线性分辨率为0.102nm。
15.优选的，s2中，所述含碳纳米颗粒的粒径为在50-200nm。
16.与现有技术相比其有益效果在于：
17.1、本发明热流体中含碳纳米颗粒的异常包括颗粒的种类、大小、形貌、结构、聚合状态、结晶状态、元素含量和比值等，通过多方面异常的相互印证可以使分析的结果更加全面、科学，使得分析结果表现的更加直观。并且地热流体中含碳纳米颗粒样品是流体经过地质体时带上来的与地质体直接相关的颗粒，这些颗粒来源于地质体，能直接反映地质体的信息，具有较强的可靠性。
18.2、本发明收集的颗粒被污染的概率低，收集装置操作简单。同时，该方法受地表沉积物、岩石类型、湿度、温度的影响小，在传统勘探方法无法使用的沙漠、戈壁、森林等特殊地区都可以使用。
19.3、地热本身是纳米级物质迁移的动力之一，地热梯度大的地区会形成更强烈的物质迁移，地质体与地表的温差越大，地质体中物质迁出的速度越快。因此，利用热流体中的纳米颗粒对地热资源的地下水来源和水循环演化过程进行研究具有天然优势。
附图说明
20.图1为本发明的含碳酸盐含水层的温泉中收集的不规则含碳纳米颗粒透射电镜、选区电子衍射图和能量色散光谱；
21.图2为本发明的含碳酸盐含水层的温泉中采集的球形含碳纳米颗粒透射电镜及选区电子衍射图和能量色散光谱；
22.图3为本发明的含沙含水层的温泉收集的不规则含碳纳米颗粒透射电镜及选区电子衍射图和能量色散光谱。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
施例，都属于本发明保护的范围。
24.需要说明的是，本发明中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围，除非另有特别说明，本发明以下各实施例中用到的各种原料、试剂、仪器和设备均可通过市场购买得到或者通过现有方法制备得到。
25.实施例
26.淄博地热田位于山东鲁中盆地与鲁北平原的交接地带，基底是前震旦系古老变质岩系，盖层有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、及第四系地层。该地区断裂构造发育，主要有淄河断裂带、齐河-广饶断裂带、禹王山断裂带。淄博地热资源热源为地壳深部的传导热流，局部存在沿深大断裂的对流型热源。该地区的地温梯度平均为2.5℃/100m，最高可达4.0℃/100m。淄博地热资源分布以齐广断裂为界，其南的热储层为奥陶纪灰岩，其北的热储层为新近纪馆陶组和古近纪东营组碎屑岩。淄博地热田现已有多眼地热井被开发利用，单井出水量最大2246m3/d，最高温度达74℃。早期的勘查的结果表明该地区奥陶纪马家沟组灰岩含水层岩溶裂隙发育，富水性好，渗透率较差，是该地区主要的热储类型。然而该地区地热资源的地下水来源和水循环演化过程认识还不清楚，进而制约着对该地区地热资源的高效利用。此外，早期的研究表明淄博地热流体中发育有大量的含碳纳米颗粒，这些颗粒含有丰富的地热资源信息，是研究地下水来源和水循环演化过程理想的对象。
27.一种基于流体中含碳纳米颗粒寻找地热的方法，包括如下步骤：
28.s1、采样：利用地表参照物和定位系统确定流体采样的位置，从而确定地热资源的地下水来源和水循环演化过程进行研究的位置，在采样前和采样过程中严格保证采样装置的清洁，避免人为因素的污染，采样使用的样品盒及采样用的器械先用去离子水洗干净，然后用高纯水清洗三次；采样前，对tem空白网格进行进行测试，检查是否为空白的面网，采样装置在放置过程中、样品在包装、保管和分析过程严格确保洁净；将收集装置放于潜水面之上，防止地下水对样品的污染，对采集装置进行排气后通过动态法对流体进行采样，将硅胶管尽可能放入地热流体中水面3m以下的深度，用蠕动泵采样，以10ml/min的速度抽取水样，当出水稳定后进行采样，样品通过硅胶管流入采样瓶内，进行密封保存；
29.s2、预处理及特征分析：将s1得到的流体样品进行预处理，通过移液器将流体样品转移到tem网格上之前，重复摇晃样品盒以消除纳米粒子在流体中的不均匀分散，预处理后使含碳纳米颗粒沉积在tem网格上，置于配备有能量色散光谱仪(eds)的tem设备(tecnai g2f20)的tem样品台进行测试，在200kv下进行测试，点分辨率为0.20nm，线性分辨率为0.102nm。tem和stem的最大放大倍数分别为100万倍和230万倍，观察明场像和暗场像，对含碳纳米颗粒进行选区电子衍射分析，在砂质含水层和碳酸盐含水层的温泉中都发现了含碳纳米颗粒，通过eds分析含碳纳米颗粒的元素含量，观察颗粒之间的聚合关系，确定流体样品中含碳纳米颗粒的种类、形貌、聚合状态、颗粒的元素组成以及元素含量比值性能特征；
30.如图1所示，图1a为含碳纳米颗粒的透射电子显微镜(tem)图像，b选区电子衍射(saed)图像和c能量色散光谱(eds)图像，tem和saed图分别显示该颗粒具有不规则的形态和非晶态。eds结果表明，颗粒主要含有c、n、o、si、s、cl和fe。
31.如图2所示，图2a为含碳纳米颗粒的透射电子显微镜(tem)图像，b选区电子衍射(saed)图像和c能量色散光谱(eds)图像，tem和saed显示颗粒分别为球形和无定形。eds表
明该颗粒主要含有c、n、o、mg、si、s、cl和fe。
32.如图3所示，图3a为含碳纳米颗粒的透射电子显微镜(tem)图像，b选区电子衍射(saed)图像和c能量色散光谱(eds)图像，该颗粒形貌不规则，分别为无定形。x射线能谱分析结果表明，该颗粒主要含有c、n、o、mg、si、s、cl和fe。
33.从图1、2和3可知，含碳纳米粒子的尺寸为50-150nm，形状各异，包括球形和不规则形貌，成分比较简单，如图2所示，tem和saed图分别显示该颗粒具有不规则的形态和非晶态，含碳纳米粒子主要含有c、n、o和fe；c含量高达77.6wt.％。这些纳米粒子的saed(选择区域电子衍射)结果(图2b、3b、4b)表明这些纳米粒子是无定形的，相比之下，碳酸盐含水层温泉采集的纳米颗粒中的c和n含量高于砂质含水层温泉采集的纳米颗粒。然而，碳酸盐含水层温泉采集的纳米颗粒中的si和fe含量低于砂质含水层温泉采集的纳米颗粒。
34.s3、含碳纳米颗粒的识别：含碳纳米颗粒的识别：将流体样品中含碳纳米颗粒特征与采样区流体中含碳纳米颗粒特征的区别分析，识别地热流体中与地热资源有关含碳纳米颗粒，利用碳纳米颗粒性能特征分析与地热资源的对应关系及与地热水-岩作用及储、盖、通、源的对应关系。
35.显微镜检查结果表明，天然含碳纳米颗粒的粒径为在50-200nm，并且它们呈球形且形态不规则，含c的纳米颗粒主要包含c，n，o，mg，si，s，cl和fe，并且这些纳米颗粒的晶体形式主要是基于hrtem的无定形。根据组成和形态，温泉中的含碳纳米颗粒是通过化学风化和生物发生形成的。对含碳纳米颗粒的鉴定表明，它们在温泉中广泛存在，并且可能是在温泉生态系统中碳的重要运输形式，基于与温泉含水层的密切关系，含碳纳米颗粒可用于地球深处的地热资源勘探。
36.需要说明的是，本发明中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选的实施例。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
37.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。