Assessment of kinetic conditions of quartz geothermometer application: Experiment and modeling

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A quartz geothermometer (QG) allows you to determine the temperature of a geothermal reservoir (GR) located at depth by the concentration of SiO2 (m) in a solution that ascends from this reservoir to the surface. An error was made in the initial modeling of QG, which underestimated the quartz deposition rate and thus expanded the scope of application of QG. Another disadvantage of early modeling was that it ignored the possibility of precipitation of metastable modifications of silica. To eliminate these shortcomings, a new mathematical modeling using the finite difference method was performed using new kinetic data. The reliability of the data was assessed by using them in modeling the slow cooling of the quartz–water system and comparing the simulation results with the experimental results of this process. The best agreement between experiments and calculations was obtained when two-stage SiO2 deposition was used in calculations, when different kinetic constants were used above and below the solubility of amorphous silica (AS), which described the deposition of AS and other metastable modifications of silica, respectively. The results of the new QG simulation using new kinetic data were the same with the same ratio of the two initial parameters that characterize the deposition surface area normalized to the mass of water (S/M) and the rate of solution rise (v). The real boundary values of this ratio, S/M and v, are determined, at which the model predicts the correct readings of QG for different temperatures of the solution in GR and at the surface. The kinetic equations used in the simulation do not take into account many features of the silica deposition reaction mechanism. An experimental study of these features will make it possible to perform a more realistic simulation of QG, close to real natural processes.

About the authors

V. A. Alekseyev

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry

Author for correspondence.
Email: alekseyev-v@geokhi.ru
Kosygin Str., 19, Moscow, 119991 Russia

References

  1. Алексеев В.А. (1997) Кинетические особенности действия Na/K геотермометра. Геохимия (11), 1128–1138.
  2. Alekseyev V.A. (1997) Kinetic characteristics of the Na/K geothermometer operation. Geochem. Int. 35 (11), 997–1006.
  3. Алексеев В.А. Кинетика и механизмы реакций полевых шпатов с водными растворами. М.: Геос, 2002. 256 с.
  4. Алексеев В.А., Медведева Л.С., Старшинова Н.П. (2009) Кинетика осаждения кремнезема на затравки кварца при 200–300 °C. Геохимия (7), 775–779.
  5. Alekseyev V.A., Medvedeva L.S., Starshinova N.P. (2009) Kinetics of silica precipitation on quartz seeds at 200–300 °C. Geochem. Int. 47 (7), 731–735.
  6. Алексеев В.А., Бурмистров А.А., Громяк И.Н. (2021) Превращение кварца в опал у границы вода-пар. Геохимия 66 (4), 329–340.
  7. Alekseyev V.A., Burmistrov A.A., Gromiak I.N. (2021) Quartz transformation into opal at the water-vapor interface. Geochem. Int. 59 (4), 377–387.
  8. Вольдек А.И. (1978) Электрические машины. Л.: Энергия, 832 с.
  9. Шестакова А.В., Гусева Н.В. (2018) Применение геотермометров для оценки глубинных температур циркуляции термальных вод на примере Восточной Тувы. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов 329 (1), 25–36.
  10. Чудаев О.В. (2003) Состав и условия образования современных гидротермальных систем Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 216 с.
  11. Abdelali A., Nezli I.E., Kechiched R., Attalah S., Benhamida S.A., Pang Z. (2020) Geothermometry and geochemistry of groundwater in the Continental Intercalaire aquifer, southeastern Algeria: Insights from cations, silica and SO4–H2O isotope geothermometers. Appl. Geochem. 113, art. No 104492.
  12. Arnórsson S. (1970) Underground temperatures in hydrothermal areas in Iceland as deduced from the silica content of the thermal water. Geothermics 2 (Part 1), 536–541.
  13. Bird G., Boon J., Stone T. (1986) Silica transport during steam injection into oil sands. 1. Dissolution and precipitation kinetics of quartz: new results and review of existing data. Chem. Geol. 54 (1/2), 69–80.
  14. Bohlmann E.G., Mesmer R.E., Berlinski P. (1980) Kinetics of silica deposition from simulated geothermal brines. Soc. Petrol. Eng. J. 20 (04), 239–248.
  15. Carroll S., Mroczek E., Alai M., Ebert M. (1998) Amorphous silica precipitation (60 to 120 °C): Comparison of laboratory and field rates. Geochim. Cosmochim. Acta 62 (8), 1379–1396.
  16. Faimon J. (2005) Total dynamics of quartz-water system at ambient conditions. Aquatic Geochemistry 11, 139–172.
  17. Faimon J., Blecha M. (2008). Interaction of freshly precipitated silica gel with aqueous silicic acid solutions under ambient and near neutral pH-conditions: A detailed analysis of linear rate law. Aquat. Geochem. 14 (1), 1–40.
  18. Fournier R.O. (1977) Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems. Geothermics 5 (1–4), 41–50.
  19. Fournier R.O., Potter R.W. (1982) A revised and expanded silica (quartz) geothermometer. Geotherm. Resour. Council. Bull. 11, 3–12.
  20. Fournier R.O., Truesdell A.H. (1970) Chemical indicators of subsurface temperature applied to hot spring waters of Yellowstone National Park, Wyoming, U.S.A. Geothermics 2 (PART 1), 529–535.
  21. Ganor J., Huston T., Walter L. (2005) Quartz precipitation kinetics at 180 °C in NaCl solutions–Implications for the usability of the principle of detailed balancing. Geochim. Cosmochim. Acta 69 (8), 2043–2056.
  22. Gíslason S.R., Heaney P.J., Veblen D.R., Livi K.J.T. (1993) The difference between the solubility of quartz and chalcedony: the cause? Chem. Geol. 107 (3–4), 363–366.
  23. Gunnarsson I., Arnόrsson S. (2000) Amorphous silica solubility and the thermodynamic properties of H4 in the range of 0 ° to 350 ° at Psat. Geochim. Cosmochim. Acta 64, 2295–2307.
  24. Herdianita N.R., Browne P.R.L., Rodgers K.A., Campbell K.A. (2000) Mineralogical and textural changes accompanying ageing of silica sinter. Mineral. Deposita 35, 48–62.
  25. Icenhower J.P., Dove P.M. (2000). The dissolution kinetics of amorphous silica into sodium chloride solutions: Effects of temperature and ionic strength. Geochim. Cosmochim. Acta 64 (24), 4193–4203.
  26. Juhri S., Yonezu K., Harijoko A., Nurpratama M., Yokoyama T. (2023). Diverse scale deposition in response to the change in chemical properties of geothermal water at the Dieng geothermal power plant, Indonesia. Geothermics 111, 102717.
  27. Kai B., Xiaojun N., Weimin W., Xiaojun W., Yu P., Panchal B. (2020) Application of geothermal thermometric scale in the study of deep reservoir temperature. Energy Explor. Exploit. 38 (6), 2618–2630.
  28. Lasaga A.C. (1981) Rate laws of chemical reactions. Rev. Miner. 8, 1–68.
  29. Lynne B.Y., Campbell K.A., Moore J.N., Browne P.R.L. (2005) Diagenesis of 1900-year-old siliceous sinter (opal-A to quartz) at Opal Mound, Roosevelt Hot Springs, Utah, USA. Sediment. Geol. 179, 249–278.
  30. Mroczek E.K., White S.P., Graham D.J. (2000) Deposition of amorphous silica in porous packed beds predicting the lifetime of reinjection aquifers. Geothermics 29 (6), 737–757.
  31. Okamoto A., Tsuchiya N. (2009) Velocity of vertical fluid ascent within vein-forming fractures. Geology 37 (6), 563–566.
  32. Okamoto A., Saishu H., Hirano N., Tsuchiya N. (2010) Mineralogical and textural variation of silica minerals in hydrothermal flow-through experiments: Implications for quartz vein formation. Geochim. Cosmochim. Acta 74 (13), 3692–3706.
  33. Oliver N., Rubenach M., Fu B., Baker T., Blenkinsop T., Cleverley J., Marshall L., Ridd P. (2006) Granite-related overpressure and volatile release in the mid crust: Fluidized breccias from the Cloncurry District, Australia. Geofluids 6, 346–358.
  34. Plyasunov A.V. (2012) Thermodynamics of Si(OH)4 in the vapor phase of water: Henry’s and vapor–liquid distribution constants, fugacity and cross virial coefficients. Geochim. Cosmochim. Acta 77, 215–231.
  35. Rezaei A., Rezaeian M., Porkhial S. (2019) The hydrogeochemistry and geothermometry of the thermal waters in the Mouil Graben, Sabalan volcano, NW Iran. Geothermics 78, 9–27.
  36. Rimstidt J.D., Barnes H.L. (1980) The kinetics of silica-water reactions. Geochim. Cosmochim. Acta 44 (11), 1683–1699.
  37. Tester J.W., Worley W.G., Robinson B.A., Grigsby C.O., Feerer J.L. (1994) Correlating quartz dissolution kinetics in pure water from 25 to 625 °C. Geochim. Cosmochim. Acta 58 (11), 2407–2420.
  38. Tobler D.J., Benning L.G. (2013) In situ and time resolved nucleation and growth of silica nanoparticles forming under simulated geothermal conditions. Geochim. Cosmochim. Acta 114, 156–168.
  39. van den Heuvel D.B., Gunnlaugsson E., Gunnarsson I., Stawski T., Peacock C.L., Benning L.G. (2018) Understanding amorphous silica scaling under well-constrained conditions inside geothermal pipelines. Geothermics 76, 231–241.
  40. Verma M.P. (2000) Chemical thermodynamics of silica: A critique on its geothermometer. Geothermics 29 (3), 323–346.
  41. Williams L.A., Crerar D.A. (1985) Silica diagenesis, II. General mechanisms. J. Sedimentary Petrology 55 (3), 312–321.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».