长白山地热系统汽-液两相循环机理及成因模式

发布时间：2020-08-24 12:13

【摘要】：长白山地热系统的形成主要受控于太平洋板块向欧亚大陆板块的俯冲作用。研究区地热资源丰富,发育喷气孔(最高105℃)、冒气地面(40-60℃)、温泉(20-82℃)和水热蚀变。前期研究认为的液相地热系统成因模式难以解释D和~(18)O异常的形成机制以及地热流体的补给来源,同时这也致使了后期地热钻探的失败。高温喷气孔是汽-液两相地热系统发育的主要标志,结合最近新钻遇的高Cl地热流体,通过和国内外发育汽-液两相地热系统的典型地热田进行对比认为长白山下部存在汽-液两相地热系统。因此论文通过构造演化、遥感反演、地球物理、地球化学和同位素化学分析,研究了长白山地区汽-液两相地热资源的形成机理及内部流体循环特征,建立了不同地质格架下的地热成因模式。长白山地热系统发育有6个著名的温泉群,分别为锦江温泉群、聚龙温泉群、湖滨温泉群、十八道沟温泉群、仙人桥温泉群和老三队温泉群,并且具有多个地热开采井,地热流体以HCO_3-Mg·Ca、HCO_3·Cl-Na、HCO_3·SO_4-Na和HCO_3-Na型为主,出口温度在25-82℃之间,同时来源于幔源的气体中不含可溶性组分,如HF、HCl和SO_2等。已知温泉点主要分布在居里面深度小于14km处,通过遥感地表温度反演可以清晰识别出地表热异常。不同水热蚀变矿物(高岭土、绢云母、绿泥石等)光谱曲线差异的提取发现漫江六道沟天池、漫江和图们江、四公里果松和漫江、红旗和四公里果松这四个交汇点的断裂蚀变现象较明显,且断裂带两侧具有明显的温度差,高温主要分布在面向火山口一侧。野外地质实测和可控源反演剖面指示研究区发育3类地质结构:火山区、沉积盆地区和基岩出露区,它们的地热匹配要素(热源、热储、盖层和水源)具有明显差异。基岩出露区热源为上地幔传导热和高温岩浆气体,热储为大理岩破碎带,受岩溶水补给;沉积盆地区为上地幔传导热和放射性生热,热储为古生代灰岩和中生代碎屑岩,受古海水和大气降水补给;火山区热源主要为岩浆囊余热和高温岩浆气体,热储则为新生代玄武岩,受大气降水和深部汽-液分离形成的蒸汽补给。水化学、气化学和和B-Sr同位素分析认为基岩出露区为液相地热系统,而沉积盆地区和火山区则为汽-液两相地热系统。依据B-Sr同位素计算模型认为:火山区是高温冷凝水和大气降水在玄武岩热储中混合形成,受高温岩浆气体加热发生了二次汽-液分离;沉积盆地区则是高温冷凝水与大气降水在砂岩热储中混合形成,深部碳酸盐热储发生了强烈的汽-液分离作用,其中已有75%-87.5%的古海水蒸发掉;基岩出露区地热系统则是高温岩浆气体加热侧向运移的卡斯特水在大理岩破碎带中形成。另外,基于B同位素分馏计算发现长白山下部岩浆囊中具有新的来源于太平洋板块的熔融体混入。通过目前地热流体开采特征分析发现深部热储缺乏额外的流体补给,或者是由于蒸汽外扩形成的次生矿物堵塞了孔隙进而阻止了水源向深部热储的补给。结合国内外典型地热系统发育特征,如,美国的Geyeser和我国的漳州地热田,认为随着长白山岩浆囊深度的变浅,下部水热型地热系统正逐渐向干热型地热系统转变,深部的干热岩和超临界流体地热资源正逐渐变浅,同时这也意味着下次火山喷发的临近。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P314
【图文】：

地热资源,常规,温泉

锦江温泉、湖滨温泉、仙人桥温泉、十八道沟温泉和老三队温泉）（图 1.2），地表水温最高温度可达 82℃（林元武等，1999；上官志冠等，2006；张希友等，2006），地热资源量可达 1.15×1014kj，换算成热能约为 2300MW（许万清等，2009），但是地热资源研究（调查阶段）和开发程度均较低。目前项目组在长白山地区刚完成 19000km2的地热调查项目，重点调查了地热形成的地热地质结构特征，并在漫江地区新钻了 3 口地热井。但单井的出水量（1.1-5t/h）和水温（28-31℃，井口温度）均相对较低，同时在该次钻井中取得了高氯水（2632mg/L），因此先前提出的地热单一水相循环成因模式（闫佰忠，2016）需进一步研究。通过和国内外已开发火山型地热系统对比，发现长白山地热系统具有汽-液两相特征。因此，这里提出了“长白山地热系统汽-液两相循环机理及成因模式”这一课题，旨在探讨内部流体循环机理，建立合理的火山区地热成因模式，为全国火山区水热型地热资源勘探和开发提供理论依据与借鉴意义。

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图 1.2 汽-水分离模式及 P-T 关系（据 Ingebritsen,et al.,1988）水热型地热系统可分为液相、蒸汽相和汽-液两相地热系统（White et al.，1971；廖志杰，1990），三者内在具有一定的成因联系，汽-液两相一般由高温液相地热转变而来，再逐渐演变为纯蒸汽相地热系统（White et al.，1971；Ingebritsen， et al.，1988）。汽-液两相地热系统研究起步较早，White 博士在 1971年研究美国Geysers地热田时第一个提出了其成因特征，认为在高温地热系统下，当排出量大于补给量时，两相系统将会形成，特别是在具有稳定热源和低孔渗地区。汽-液两相的形成与热储层的 P-T 变化密切相关，Ingebritsen（1988）在White（1971）模式的基础，通过汽-液分离实验进一步提出了完善的汽-水分离模式（图 1.2）。火山区汽-液两相系统最终将形成 3 种主要类型水资源：重碳酸型水、硫酸型水和氯化钠型水（White et al.，1971；Arnórsson et al.，2007；Stefánssonet al.， 2017）。在沸腾作用形成下，易挥发分（如 SO2、CO2等）随着高温蒸汽在浮力的作用下沿着孔隙或者裂缝向上运移，在近地表加热地表水/冷凝（高海

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图 1.3 长白山汽-液两相地热系统研究技术路线1.5.3 创新点1. 应用 B-Sr 同位素组合研究方法刻画了汽-液分离过程及其后期循环特征。基于地球化学和同位素化学理论，依据 B 同位素不同温度下分馏机理，定量研究汽-液分离过程及分离阶段；依据 Sr 同位素的稳定性和岩石进行对比来示踪循环路径；最终在火山地层学和地球探测数据控制下，建立火山区地热系统汽-液两相流体循环模式。2. 在长白山地区提出并建立了汽-液两相地热成因模式。长白山地热系统研究目前一直以液相系统为主，但是该模式在解释地热水来源和其低2H、18O 时始终存在争议。汽-液两相系统在世界范围内的火山型地热系统中普遍存在，高温喷气孔是其存在的主要识别特征。因此，这里提出汽-液两相系统在长白山地区的应用，同时该模式可以很好的解决上述矛盾。

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