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廣東沿海地?zé)嵯到y(tǒng)水文地球化學(xué)研究

發(fā)布時(shí)間:2016-10-22 14:34

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《中國地質(zhì)大學(xué)》 2013年

廣東沿海地?zé)嵯到y(tǒng)水文地球化學(xué)研究

袁建飛  

【摘要】:中國是世界上地?zé)豳Y源十分豐富的國家,高、中低溫地?zé)峋蟹植肌O鄬?duì)于高溫地?zé)豳Y源來說,中低溫地?zé)豳Y源具有分布廣,面積大,開發(fā)和利用條件較好的特點(diǎn)。近年來,隨著我國傳統(tǒng)能源的日益短缺和對(duì)清潔能源需求量的增加,中低溫地?zé)豳Y源的開發(fā)和利用受到越來越多的重視。而開展中-低溫地下熱水組分含量和分布特點(diǎn),演化特征和熱水-圍巖相互作用等基礎(chǔ)研究,對(duì)該類型地?zé)嵯到y(tǒng)的成因和地?zé)豳Y源的開發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)意義。 自1958年以來,廣東省地?zé)峥辈榻?jīng)歷了熱礦泉普查、重點(diǎn)地?zé)釁^(qū)勘察、隱伏地?zé)崽锟辈椤⑸虡I(yè)地?zé)峥辈樗膫€(gè)階段。廣東省地質(zhì)局曾于1981年編寫和出版了《廣東地下熱水水文地質(zhì)特征及勘查方法》一書,系統(tǒng)地總結(jié)了廣東省熱礦水的形成條件、分布規(guī)律、熱儲(chǔ)特征及其勘查技術(shù)方法。在1983年,廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)部水文工程地質(zhì)二大隊(duì)編制了《廣東省1:100萬熱礦水圖及說明書》。然而,前期的工作主要集中在廣東省地?zé)岬刭|(zhì)、地?zé)豳Y源量評(píng)估和勘查方法等方面,而末對(duì)區(qū)內(nèi)地下熱水的形成機(jī)理進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。到目前為止,對(duì)廣東省地下熱水,尤其是沿海地區(qū)地下熱水的組分含量和分布特征,組分演化過程和咸熱水成因的研究程度較低,部分內(nèi)容處于空白階段。 本研究對(duì)廣東沿海地區(qū)地下熱水進(jìn)行了全面的調(diào)查,系統(tǒng)性地采集和測試了區(qū)內(nèi)地下冷水、地下熱水、河流和海水樣品,并深入分析了區(qū)內(nèi)地下熱水的水文地球化學(xué)特征。論文通過對(duì)廣東沿海區(qū)域地質(zhì)、構(gòu)造、水文地質(zhì)和地?zé)岬刭|(zhì)資料的分析,總結(jié)了研究區(qū)地下熱水的出露和分布規(guī)律;根據(jù)地下熱水的水化學(xué)組分和同位素分析測試結(jié)果,分別闡述了粵東和粵西地區(qū)地下熱水的水文地球化學(xué)特征和同位素地球化學(xué)特征,評(píng)估了地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)溫度,并對(duì)咸熱水水化學(xué)過程及其形成原因做了探討和分析;論文最后選定新洲地?zé)嵯到y(tǒng)為典型區(qū),從“點(diǎn)”的角度深入分析了地下熱水補(bǔ)給特征、水-巖作用、海-淡水混合作用,并給出了相應(yīng)的概念性模型。 1.廣東沿海地區(qū)地下熱水的水文地球化學(xué)特征 對(duì)廣東沿海地區(qū)不同熱泉和地?zé)徙@孔出露點(diǎn),分4次共采集了地下冷水、地下熱水、河水、大氣降水和海水在內(nèi)的水樣147組和巖石樣品8組,進(jìn)行了樣品中常規(guī)元素、微量元素(包括稀土元素)、溶解性氣體組分等指標(biāo)的測定。通過對(duì)測試結(jié)果的分析,得到: (1)廣東沿海地下熱水水化學(xué)分組明顯,粵東和粵西沿海地下水均分為四個(gè)組:其一是Na-HCO3型水;其二是Na-Cl和Na-Ca-Cl型水;其三是Ca-SO4型水;第四組為上述混合形成的水化學(xué)類型。從平面分布上講,廣東沿海地區(qū)地下熱水水化學(xué)類型具有有這樣的演化趨勢:靠近沿海地區(qū)地下熱水水化學(xué)類型以氯化物型熱水為主,向內(nèi)陸地區(qū)逐漸過渡為重碳酸鹽型熱水,陽春地帶發(fā)育有硫酸鹽型熱水,水化學(xué)類型在整體上分帶明顯。 (2)廣東沿海地區(qū)Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、SO42-、Cl-和EC組分的含量從內(nèi)陸到沿海地區(qū)呈變大的趨勢,說明海水對(duì)地下熱水主要離子組分具有重要的影響。而微量組分如鋰和鍶含量也表現(xiàn)出相似的變化趨勢,但內(nèi)陸地區(qū)熱水中氟含量普遍高于沿海地區(qū),且分別在粵西和粵東內(nèi)陸地區(qū)有高氟含量的區(qū)域。 (3)廣東沿海地區(qū)地下熱水中溶解性氣體以氮(N2)和氧(O2)為主,其中氮?dú)夤沤^對(duì)的優(yōu)勢,其百分含量值在地下冷水中介于78%-93%,在熱水中介于85%-94%之間,這說明區(qū)域地下水來源于大氣降水。一般來說,地下熱水中H2百分含量的高低能作為分析地?zé)嵯到y(tǒng)屬于高溫地?zé)嵯到y(tǒng)還是中-低溫地?zé)嵯到y(tǒng)的的標(biāo)志,廣東沿海地下熱水中H2百分含量幾乎為零,這也說明該區(qū)域可能不存在高溫地?zé)嵯到y(tǒng)。 2.熱水-圍巖相互作用 結(jié)合地下水(冷水和熱水)各組分含量與溫度關(guān)系、組分之間離子比值關(guān)系圖對(duì)地下熱水中離子組分的形成過程進(jìn)行了分析,獲得下列認(rèn)識(shí): (1)在Na-K-Mg三角圖中,粵西沿海地區(qū)地下冷水尚處于水巖作用的初級(jí)階段,而地下熱水絕大多數(shù)位于“半平衡區(qū)”;粵東沿海地區(qū)地下熱水樣點(diǎn)均位于“平衡線”以下,部分水樣位于“平衡線”和“半平衡線”之間的局部平衡區(qū)。對(duì)比粵西和粵東沿海地區(qū)地下熱水樣在Na-K-Mg三線圖中位置,推斷粵西沿海地區(qū)地下熱水與圍巖介質(zhì)的水巖作用強(qiáng)度要高于粵東地區(qū),或與“成熟度”更高的水溶液發(fā)生了混合作用。 (2)從TDS與Cl-/(Cl-+HCO3-)的關(guān)系圖,(Ca2++Mg2+)與(SO42-+HCO3-)關(guān)系圖,(Mg2+/Ca2+)與(Na+/Ca2+)關(guān)系圖和(Na++K+)與Cl-的關(guān)系圖分析了研究區(qū)內(nèi)地下熱水主要組分的來源。區(qū)內(nèi)硅酸巖、碳酸鹽和硫酸鹽礦物可能均發(fā)生了溶解,共同影響了地下熱水組分的形成。此外,海水對(duì)地下熱水的混合導(dǎo)致地下熱水中部分組分的海水來源。 (3)廣東沿海地下熱水中F組分受到地下水類型和pH的影響。重碳酸鈉型的地下熱水中F毫克當(dāng)最百分含量值最大,而當(dāng)?shù)叵聼崴蠸042-和Cl-的當(dāng)量百分值增加時(shí),F毫克當(dāng)量百分含量值較重碳酸鈉型的地下熱水有顯著的降低。堿性環(huán)境有利于F-的富集。 3.同位素地球化學(xué)特征 (1)氫氧同位素 ①廣東沿海地區(qū)地下冷水、地下熱水和地表水均落在全球大氣降水線附近,說明大氣降水是這些水體的主要補(bǔ)給來源。②粵西地區(qū)部分水體在818O-δD關(guān)系圖中較分散,有明顯的“分層”現(xiàn)象,即地下冷水、地表河水、巖溶型熱水和孔隙型熱水具有不同的氫氧同位素組成特征,這說明這些水體接受補(bǔ)給的時(shí)期,水體的流動(dòng)系統(tǒng)不同。③在δ18O和cl、EC關(guān)系圖中,粵西部分地下冷水、孔隙型熱水和裂隙型熱水與海水之間成一線,說明海水和地下冷水可能是熱水的兩個(gè)影響端元,存在了海水和地下冷水的混合,這與水化學(xué)分析結(jié)果一致。 (2)碳同位素 ①粵西沿海地區(qū)地下水中14C校正年齡介于933-11721年,平均為6528年;而粵東地區(qū)地下熱水年齡處于4937-8239的范圍內(nèi),平均為6635年。從14C等值線圖可以看出,粵西內(nèi)陸向沿海一帶地下熱水中14C含量值逐漸減小,地下水年齡增大。陽江和陽春地區(qū)存在低值封閉區(qū),反映了這些區(qū)域地下熱水屬局部徑流和排泄系統(tǒng),這與前面水化學(xué)和氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)分析結(jié)果相一致。②廣東沿海地區(qū)地下熱水中δ13C值介于-17.8‰~-1.7‰之間,平均值為-8.9‰,說明其碳的多種來源性。粵東地區(qū)地下熱水δ13C值介于-2.2‰~-3.8‰,接近于碳酸鹽變質(zhì)作用形成的δ13C值,說明該區(qū)域地下熱水中碳來源于碳酸鹽變質(zhì)作用。粵西地區(qū)不同類型的地下熱水其δ13C值含量不同,孔隙型熱水中δ13C值介于-10‰~-15‰之間,其碳的來源可能是生物成因或有機(jī)物成因的碳;裂隙型熱水中δ13C值范圍較寬,介于-1‰~-18‰之間,說明其碳來源的多重性。 (3)鍶同位素 廣東沿海地區(qū)地下水中87Sr/86Sr平均值接近砂、頁巖的87Sr/86Sr平均值,而低于花崗巖類巖石87Sr/86Sr平均值,這說明兩類巖石對(duì)地下水中鍶含量的影響。而熱水絕大多數(shù)出露于花崗巖和沉積巖的接觸帶上,熱水徑流過程中與上述圍巖的相互作用導(dǎo)致地下熱水呈現(xiàn)出與圍巖相似的87Sr/86Sr比值。 (4)硼同位素 ①粵西地區(qū)地下冷水和地下熱水中B含量和δ11B值分為四個(gè)區(qū):Ⅰ區(qū)中B0.1mg/L, δ11B10‰,這部分熱水有一個(gè)共同的特征就是熱水中總?cè)芙庑怨腆w含量值‘(TDS)大于4000mg/L;Ⅱ區(qū)為30.1mg/L,δ11B‰,這部分熱水屬于裂隙型熱水,其同位素介于-10-10‰之間,與美國黃石公園熱水具有相似的δ11B值;m區(qū)為30.1mg/L,δ11B10‰的地下冷水;Ⅳ區(qū)為30.1mg/L,δ11B‰的巖溶熱水、部分裂隙熱水和孔隙熱水。②在δ11B與Cl/B,Li/B和Sr/B的二變量關(guān)系圖中,粵西地下熱水和地下冷水分別位于不同位置,說明所采集的地下熱水與地下冷水之間不存在水力聯(lián)系,這可能是地下熱水與地下冷水采集區(qū)域不同,不屬于同一流動(dòng)系統(tǒng)。但TDS含量值大于4g/L的地下熱水其δ11B與Cl/B趨勢線的箭頭指向海水端元(δ1’B為39.5‰),這說明海水對(duì)熱水的混合作用。 4.咸熱水形成的原因 對(duì)廣東沿海地區(qū)TDS值介于1g/L至13g/L的地下熱水形成的原因進(jìn)行分析,通過對(duì)該類型熱水中離子組分比值、H、O、B同位素分析,得出如下認(rèn)識(shí): ①對(duì)比分析廣東沿海地下熱水與海水中Ca/Cl.Mg/Cl、Na/Cl.K/Cl.HC03/Cl、S04/Cl和Cl/Br比值,Ca-Cl.Na-Cl.Br-Cl的相關(guān)關(guān)系圖,說明存在海水對(duì)咸熱水組分的影響。②通過咸熱水和海水的δD、δ18O與Cl-含量分析,經(jīng)擬合計(jì)算獲得混合體系中淡水端元δD和δ180初始值:δD=-50.73‰和δ18O=-7.25‰。③從咸熱水和海水δ18O-δD擬合線與大氣降水線的交點(diǎn),準(zhǔn)確地求出端元組成數(shù)據(jù):δD=-51.86‰和δ180=-7.73‰。 5.地?zé)嵯到y(tǒng)溫標(biāo)估算和相對(duì)地?zé)崽荻? 采用常用的二氧化硅和陽離子地球化學(xué)溫標(biāo)對(duì)研究區(qū)地下熱水系統(tǒng)熱儲(chǔ)層溫度進(jìn)行了估算和誤差分析,認(rèn)識(shí)到:①玉髓溫標(biāo)和Na-K-Ca溫標(biāo)所計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度與實(shí)際測試的溫度誤差較小,且玉髓溫標(biāo)計(jì)算值更接近實(shí)際測試的溫度;石英溫標(biāo)(無蒸汽損失和最大蒸汽損失)計(jì)算值誤差次之,其值介于Na-K溫標(biāo)和玉髓溫標(biāo)計(jì)算值之間;Na-K溫標(biāo)計(jì)算獲取的熱儲(chǔ)溫度與實(shí)際測試溫度之間的誤差最大,說明該溫標(biāo)不適合于研究區(qū)熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算。②廣東沿海地下熱水相對(duì)地?zé)崽荻仍诮R粠л^高,如陽西儒洞溫泉和陽東縣新洲沸泉地區(qū),其相對(duì)地?zé)崽荻戎到橛?0-86之間。總體來說,廣東沿海地區(qū)相對(duì)地?zé)崽荻戎稻陀?00,說明研究區(qū)熱流背景值不高,形成高溫地?zé)岬目赡苄圆淮�。③廣東沿海地區(qū)地下熱水的最大循環(huán)深度介于1013-5679m之間,最小循環(huán)深度介于566-3148m之間。不難推斷,在同一地質(zhì)構(gòu)造和地?zé)岬刭|(zhì)背景下,當(dāng)?shù)販靥荻仍礁邥r(shí),地下水加熱增溫至一定溫度所需要的循環(huán)深度就越小。 6.典型地?zé)岙惓^(qū)的水文地球化學(xué)演化 以廣東陽東縣新洲地?zé)嵯到y(tǒng)為典型地?zé)嵯到y(tǒng)開展了水文地球化學(xué)演化特征的詳細(xì)研究,主要認(rèn)識(shí)有: ①通過對(duì)離子組分和氫氧同位素的分析,得出新洲地?zé)嵯到y(tǒng)及其外圍熱水為當(dāng)?shù)氐叵吕渌c海水混合的結(jié)果,初步推斷新洲熱田熱水中海水的混入比例介于9.8-11.4%,而神灶熱泉中海水的混入比例為38%。②從δ11B與Cl/B的關(guān)系圖中可以看出,新洲地?zé)嵯到y(tǒng)混入的海水可能不是現(xiàn)代海水,而是由海水演化來的一種類似海水的端元(貧硼組分,而富δ11B),這可能是全新世海侵過程中殘存于巖石裂隙或斷裂帶中的海水。從新洲地?zé)嵯到y(tǒng)幾個(gè)鉆孔熱水碳同位素的校正年齡可以看出,地?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)熱水年齡介于3947-6528年之間,與全新世早期第二次海侵的事件相吻合,推測新洲熱田內(nèi)混入的海水端元就為該時(shí)期殘存海水。③新洲地?zé)嵯到y(tǒng)地下熱水的形成模式為:在偏異常的區(qū)域大地?zé)崃髦当尘跋?大氣降水沿深、大斷裂帶入滲,深循環(huán)加熱后與全新世海侵殘存的古海水混合,形成Na-Cl型水;混合后的地下熱水沿?cái)嗔褞Ю^續(xù)上升,隨后分兩個(gè)途徑到達(dá)淺部地表和出露,第一類途徑未經(jīng)第二次混合直接出露地表,如編號(hào)為YX-1的鉆孔熱水(實(shí)際鉆孔編號(hào)ZK-03),第二類途徑為經(jīng)歷第二次淺部混合的地下熱水,其TDS、 T和C1等組分有所降低,如編號(hào)為YX-41的鉆孔熱水(實(shí)際鉆孔編號(hào)ZK-05)。

【關(guān)鍵詞】:
【學(xué)位授予單位】:中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2013
【分類號(hào)】:P314;P641.3
【目錄】:

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  本文關(guān)鍵詞:廣東沿海地?zé)嵯到y(tǒng)水文地球化學(xué)研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。



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