长白山地热系统汽-液两相循环机理及成因模式

论文摘要

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18O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HCO3-Mg·Ca、HCO3·Cl-Na、HCO3·SO4-Na和HCO3-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SO2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。

论文目录

• 中文摘要
• abstract
• 第1章 前言
•   1.1 选题目的及意义
•   1.2 国内外研究现状与进展
•     1.2.1 汽-液两相系统成因机理
•     1.2.2 火山区地热成因模式及研究方法
•   1.3 长白山地热资源研究现状
•   1.4 存在主要问题
•   1.5 研究内容、思路及创新点
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 研究思路
•     1.5.3 创新点
• 第2章 区域地质
•   2.1 自然地理概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 气候特征和水系特征
•     2.1.3 地形地貌
•   2.2 构造背景
•     2.2.1 华北盆地北缘中生代前构造演化
•     2.2.2 长白山地区中生代以来构造演化
•   2.3 地层特征
•   2.4 区域水文地质
• 第3章 长白山地热资源
•   3.1 样品采集及测试方法
•     3.1.1 流体、气体和岩石样品采集与测试
•     3.1.2 地球物理数据获得方法
•   3.2 地表地热资源
•     3.2.1 喷气孔和主要温泉分布
•     3.2.2 温泉区地表岩性
•   3.3 地热资源地球化学属性
•     3.3.1 气化学概况
•     3.3.2 水化学概况
•   3.4 地热资源地球物理属性
•     3.4.1 航磁异常
•     3.4.2 重力异常
•     3.4.3 基底起伏异常
•   3.5 地热异常区识别
•     3.5.1 地表背景环境温度估算
•     3.5.2 温度反演和地表温度异常提取
•     3.5.3 水热识别异常
• 第4章 长白山地热系统要素
•   4.1 热源特征分析
•     4.1.1 热源基本类型
•     4.1.2 新生代火山活动对热源的控制作用
•     4.1.3 断裂体系对热源的控制作用
•     4.1.4 长白山地温场分布特征
•   4.2 热储特征分析
•     4.2.1 典型温泉区地热储层特征
•     4.2.2 地质结构分区
•     4.2.3 基岩出露区地热储层
•     4.2.4 沉积盆地区地热储层
•     4.2.5 火山区地热储层
•   4.3 盖层特征分析
•   4.4 地热流体特征分析
•     4.4.1 水化学特征
•     4.4.2 热储温度估算
•     4.4.4 地热水补给机制
•   4.5 地热系统要素空间匹配
• 第5章 汽-液两相分离过程及成因模式
•   5.1 汽-液分离地热系统特征
•     5.1.1 地热系统基本特征
•     5.1.2 热能传递
•     5.1.3 流体地球化学
•   5.2 长白山汽-液两相系统存在证据
•     5.2.1 气-水化学组成初步识别
•     5.2.2 B-Cl比指示
• 11B同位素指示'>    5.2.3¹¹B同位素指示
•   5.3 汽-液两相分离系统研究定量研究
•     5.3.1 末端单元水化学限制
• 11B定量评价两相系统分离阶段'>    5.3.2 B-¹¹B定量评价两相系统分离阶段
•     5.3.3 水-岩反应影响
•     5.3.4 岩浆气体混入影响
•   5.4 双相地热流体循环研究
• 87Sr/⁸⁶Sr比约束储层岩性'>    5.4.1 Ca/Sr和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比约束储层岩性
• 87Sr/⁸⁶Sr比影响因素分析'>    5.4.2⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比影响因素分析
•     5.4.3 B-Sr同位素模型约束循环路径
• 第6章 地热成因模式及演化
•   6.1 地热成因模式建立
•     6.1.1 基岩出露区地热成因模式
•     6.1.2 沉积盆地区地热成因模式
•     6.1.3 火山区地热成因模式
•   6.2 太平洋板块俯冲对长白山地热演化的影响
• 第7章 结论及建议
•   7.1 结论
•   7.2 建议
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵容生

导师: 单玄龙

关键词: 长白山,地热系统,汽液分离,同位素,成因模式

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 吉林大学

分类号: P314

总页数: 146

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