不同热源类型地热系统的地球化学对比

【摘要】：进入二十一世纪以来,随着全球经济的快速发展和人民生活水平的大大提高,对石油、煤和天然气等常规能源的需求与日俱增,可利用资源量日趋短缺。地热作为一种新型能源,可以被人们直接利用,高温热水汽可以用来发电,中低温热水可用于洗浴、温室养殖和供暖,不同水质的热水具有不同的医疗保健效果。所以,地下热水是真正意义上的低成本、高效益、污染小的能源。我国地热资源分布广泛,资源种类繁多,资源量较为丰富,几乎遍布全国各省市自治区。共和盆地是青海赋存地热资源较丰富的地区之一,热源主要为热岩。热海地热田是腾冲水热活动最强烈的地热田,地热资源直接来源于尚未完全冷凝的岩浆体。两个地区地热能储量极其丰富,在发电、医疗、科研、旅游、工业、农业等各个方面有巨大的开发潜能。针对青海共和地热区和云南热海地热田不同的热源类型,本文将这两个典型地热系统进行对比分析,在对研究区地质及水文地质条件分析的基础上,系统地对比了共和地热区和热海地热田地热水化学特征、地热水同位素特征,并利用地球化学温标分析深部热分布特征,提出两个地热系统成因机制的概念模型,最终为地下热水资源的开采提供基础资料和科学依据。论文主要研究内容及部分成果分为以下几部分：1.地热水化学特征(1)共和地热水水化学类型主要为Na-Cl、Na-Cl-HCO3和Na-SO4-Cl型,热海酸性热泉水的水化学类型主要为H-Na-SO4-Cl和H-SO4型,热海中性热泉水水化学类型主要为Na-HCO3-Cl和Na-Cl-HCO3型。由于热储类型、热储深度、水-岩相互作用的程度及热泉的形成机制不同,导致水化学类型差异较大。(2)对比分析共和地热水和热海地热水水化学组分,大致存在如下规律：宏量组分中,共和地热水Na+、Cl-、HCO3浓度与热海中性地热水相差不大,比热海酸性地热水高得多,SO42-含量高于热海中性地热水,比热海酸性地热水低得多,Ca2+Mg2+含量整体而言较热海地热水高；特征组分中,共和地热水F、B浓度低于热海中性地热水,略高于热海酸性地热水,Li、Rb、Cs含量与热海中性地热水相差不大,高于热海酸性地热水,SiO2含量与热海地热水相当。(3)热海中性地热水中Na、B、 F, SiO2、Li、Rb、Cs与Cl-显示了极好的线性关系,表明热海地热田深部存在一个统一的母地热流体。共和地热水和热海酸性地热水中各组分与Cl均没有显示明显的线性关系,原因是由它们不同的水化学组分来源导致的。2.同位素地球化学特征(1)研究区地热水中氢氧同位素特征显示,共和地热水来源于大气降水入渗补给,补给区主要位于盆地边山断裂带。热海地热水除了大气降水来源以外,还有少量岩浆水的补给,中性地热水补给区为高黎贡山群变质岩区,酸性地热水主要是由当地大气降水入渗补给。(2)共和地热水碳问位素值大部分位于地壳来源区域,少量样品位于大气或土壤CO2补给区域,说明共和地热水中的碳主要是地壳来源,可能与碳酸盐矿物的溶解稀释有关,另外可能会有少量大气或土壤CO2的混合。热海中性地热水样品全都投影到深部来源区域,说明热海水热区存在着某些来源于深部地幔的物质。热海酸性地热水中的碳主要来源于深部幔源CO2和浅层土壤CO2的混合,各个泉点混合比例的不同造成酸性地热水中碳同位素值的分散。(3)研究区地热水硫同位素值大部分都位于海相蒸发岩和污染大气降水区域,表明海相蒸发岩(石膏、硬石膏)的溶解和人为污染大气降水的补给是研究区地热水中硫的主要来源。地热水的Ca2+:SO42散点图表明除了海相蒸发岩(石膏、硬秆膏)溶解之外,地热水中S042-含量可能同时受到其他地球化学过程的影响,如岩石介质中黄铁矿的氧化和生物硫的来源等。热海与共和地热水相比较而言,更加远离1：1等摩尔线,说明其他来源的硫所占比例更大,如岩浆挥发组分(SO2、H2S)的补给。(4)研究区热化学硫酸盐还原过程(TSR)可分为三组：热海三个酸性泉表现出无TSR过程,这与酸性泉的形成机理是吻合的,热海中性泉和共和、贵德中性泉样品显示出弱TSR过程,兴海两个样品表现出强TSR过程,热海中性泉TSR过程分馏程度较共和与贵德中性泉略强。3.深部热分布特征(1)共和地热水和热海酸性地热水都未达到水-岩平衡状态,适合用石英温标计算热储温度,而共和地热区泉口温度都在100℃以下,用石英(无蒸汽散失)温标更准确,热海酸性泉泉口温度较高,沸腾的泉口用石英(最大蒸汽散失)温标比较合适,未沸腾的用石英(无蒸汽散失)温标。热海中性泉达到水-岩平衡状态或局部水-岩平衡状态,对于深部热储适合用Na-K温标,对于浅部热储适合用K-Mg温标。(2)共和地热区地热水的循环深度范围介于1849.2-6072.8m之间,变化范围较大,而热海地热田地热水的循环深度为1533.8。1635.9m。由此可见,共和地热系统热源较深,地热水循环到较大深度才能被加热,而热海地热系统热源埋藏较浅,地热水循环到一定深度就能被加热,返回地表。4.地热系统成因机制综合以上地热水化学特征、同位素地球化学特征及深部热分布特征,断定共和地热区为非岩浆热源地热系统,热海地热田为岩浆热源地热系统,结合地热区的热源与水源、热储与盖层、热传导通道,提出了共和地热系统和热海地热系统的概念模型。共和地热系统热源是强烈构造活动生热的结果,通过热传导加热上覆印支期的花岗岩基底,使得该地区大地热流值较高,地温梯度异常,盆地内部,由于上覆岩层厚度较大,主要形成的是盆地传导型地热系统,而边山断裂带的兴海和贵德地区,上覆岩层厚度较薄,断裂构造发育,主要形成的是断裂对流型地热系统。热海热田下部存在一尚未完全冷却的岩浆囊,入渗的大气降水被岩浆囊上方岩体的传导热加热,与围岩进行水-岩反应,并吸收由岩浆囊挥发出的蒸汽组分形成母地热流体,母地热流体是热海地热田的基本水体,其温度和物质成分直接决定了地表出露热泉的温度和水质特征,并且母地热流体以Cl、Na、K、 B、F、As和Li、Rb、Cs作为特征组分,以绝热冷却、传导冷却或与冷地下水混合等冷却方式通过各种不同的断裂通道上升到地表,形成热海地热田各种不同特征的温泉群。 【关键词】：共和 热海 地球化学 同位素 成因机制
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P314
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-10
• ABSTRACT10-15
• 第一章 绪论15-22
• §1.1 选题依据和研究意义15-17
• 1.1.1 选题来源15
• 1.1.2 选题依据15-16
• 1.1.3 研究意义16-17
• §1.2 国内外研究现状17-19
• 1.2.1 地质构造对地热水形成的控制17
• 1.2.2 地热流体地球化学研究17-18
• 1.2.3 共和地热区和热海热田地热资源的研究程度18-19
• 1.2.4 存在的主要问题19
• §1.3 研究内容、技术路线及创新点19-22
• 1.3.1 研究目标19
• 1.3.2 研究内容19-20
• 1.3.3 技术路线20
• 1.3.4 论文的创新点20-22
• 第二章 研究区概况22-27
• §2.1 自然地理概况22-23
• 2.1.1 地理位置22
• 2.1.2 地形地貌22-23
• 2.1.3 气象水文23
• §2.2 区域水文地质特征23-24
• 2.2.1 地下水类型23-24
• 2.2.2 地下水的补给、径流和排泄24
• §2.3 地热地质特征24-27
• 2.3.1 地热地质背景24-25
• 2.3.2 地热显示及分布规律25-27
• 第三章 地热水水文地球化学特征27-50
• §3.1 样品采集和测试27-30
• 3.1.1 样品的采集27-28
• 3.1.2 样品的测试28-30
• §3.2 地热水化学特征30-45
• 3.2.1 酸碱性30-31
• 3.2.2 水化学类型31-36
• 3.2.3 宏量组分36-38
• 3.2.4 特征组分38-41
• 3.2.5 地热流体地球化学组成的地质统计41-45
• §3.3 水岩相互作用45-48
• 3.3.1 水岩相互作用程度45
• 3.3.2 各离子形成的水文地球化学过程45-48
• §3.4 本章小结48-50
• 第四章 地热水同位素特征50-65
• §4.0 氢氧同位素50-53
• 4.0.1 研究区地热水氧氧同位素特征50-51
• 4.0.2 氢氧同位素的指示意义51-52
• 4.0.3 地热水的补给来源分析52-53
• §4.1 碳间位素53-56
• 4.1.1 研究区地热水碳同位素特征54-55
• 4.1.2 研究区地热水中碳的来源55-56
• §4.2 硫同位素56-63
• 4.2.1 研究区地热水硫同位素特征57-58
• 4.2.2 研究区地热水中硫的来源58-59
• 4.2.3 研究区地热水中硫的演化59-63
• §4.3 本章小结63-65
• 第五章 利用地球化学温标分析深部热分布特征65-70
• §5.1 地球化学温标65-66
• §5.2 热储温度计算与适用性分析66-68
• §5.3 地下热水循环深度68-69
• §5.4 本章小结69-70
• 第六章 地热系统成因机制分析70-78
• §6.1 地热系统成因综述70-71
• 6.1.1 地热资源的分类70
• 6.1.2 地热资源的应用领域70
• 6.1.3 地热田成因70-71
• §6.2 地热水的形成条件71-75
• 6.2.1 热源和水源71-74
• 6.2.2 热储与盖层74
• 6.2.3 热传导通道74-75
• §6.3 地热系统形成的概念模型75-77
• 6.3.1 共和地热系统的概念模型75-76
• 6.3.2 热海地热系统的概念模型76-77
• §6.4 本章小结77-78
• 第七章 结论与展望78-81
• §7.1 结论78-80
• §7.2 研究工作展望80-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-87

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