【摘要】：2015-2017年課題組連續(xù)三年對(duì)青海共和-貴德盆地進(jìn)行了野外地質(zhì)調(diào)查,在對(duì)地表熱顯示的現(xiàn)場(chǎng)采樣中發(fā)現(xiàn)貴德地?zé)崽锍雎稛崛虚g歇噴涌現(xiàn)象(間歇泉)且在地表出露大量帶有烘烤痕跡的方解石巖脈,共和地?zé)崽锏臒崛蓸訙囟群碗妼?dǎo)率值顯示出明顯的熱儲(chǔ)分層特征。這些地?zé)岬刭|(zhì)現(xiàn)象是深部地?zé)峄顒?dòng)在地表的直接表現(xiàn),那么能否根據(jù)出露的流體、氣體和蝕變礦物的化學(xué)及同位素分析來(lái)推測(cè)深部的地?zé)醿?chǔ)層特征成為本文的研究目標(biāo)。以往對(duì)地?zé)醿?chǔ)層特征的研究多集中在鉆探、物化探和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,這些研究獲取了熱儲(chǔ)的大量關(guān)鍵參數(shù)及定性和定量認(rèn)識(shí)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,力圖改進(jìn)深部流體的淺層響應(yīng)方法,并利用流體滲流-化學(xué)(同位素)耦合模擬方法對(duì)地?zé)醿?chǔ)層的溫度、礦物自封閉區(qū)域及補(bǔ)給過(guò)程等特征進(jìn)行定量化研究。本次研究的成果在多種類(lèi)型熱儲(chǔ)溫度預(yù)測(cè)方面可降低地?zé)峥碧匠杀?水-熱-化學(xué)(同位素)場(chǎng)地級(jí)數(shù)值模擬方法可為經(jīng)濟(jì)地確定熱儲(chǔ)層特征提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。隨著全球范圍內(nèi)能源和環(huán)境危機(jī)日益加重,尋找環(huán)境友好的新能源成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。地?zé)崮苡捎谄滟Y源量大、可再生、開(kāi)采穩(wěn)定和清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為一種大規(guī)模推廣的新能源。我國(guó)進(jìn)入“十三五”以來(lái)(2016-2020年),在治理霧霾和節(jié)能減排的雙重壓力下,地?zé)崮苡瓉?lái)了重要的發(fā)展機(jī)遇。地?zé)豳Y源有效開(kāi)發(fā)的前提是充分了解地?zé)醿?chǔ)層特征,包括熱儲(chǔ)層的溫度及其分布規(guī)律、地?zé)崃黧w的來(lái)源及其流動(dòng)過(guò)程、儲(chǔ)層中的水-巖相互作用等。然而,對(duì)地?zé)醿?chǔ)層特征的分析目前仍面臨諸多挑戰(zhàn):鉆探方法直接有效但經(jīng)濟(jì)投入高;地球物理勘探存在多解性問(wèn)題;實(shí)驗(yàn)室研究難以直接仿真場(chǎng)地級(jí)地?zé)崃黧w運(yùn)動(dòng)過(guò)程。而基于野外地質(zhì)調(diào)查中對(duì)出露熱泉和巖石的水化學(xué)、同位素、巖石物性等參數(shù)的獲取,建立流體滲流-化學(xué)(同位素)耦合模型將是認(rèn)識(shí)地?zé)醿?chǔ)層特征有效且經(jīng)濟(jì)的方法。本文將以我國(guó)典型地?zé)崽餅槔?青海共和-貴德盆地,云南騰沖地?zé)崽?,對(duì)地?zé)醿?chǔ)層特征進(jìn)行以下三個(gè)方面的研究:(1)基于野外采集的淺表水化學(xué)數(shù)據(jù),改進(jìn)地?zé)釡囟扔?jì)以確定地溫場(chǎng)分布;(2)建立水-熱-化學(xué)場(chǎng)地級(jí)數(shù)值模型,研究地?zé)崃黧w在熱儲(chǔ)中的循環(huán)過(guò)程及水化學(xué)演化規(guī)律,確定礦物自封閉區(qū)域;(3)建立穩(wěn)定同位素天然模型以分析D和18O同位素在地?zé)嵯到y(tǒng)中的運(yùn)移規(guī)律,并研究在深部流體補(bǔ)給存在的條件下儲(chǔ)層溫度場(chǎng)和穩(wěn)定同位素場(chǎng)的變化關(guān)系。在改進(jìn)地?zé)釡囟扔?jì)方面以火山型、沉積盆地型和斷裂帶型等三種類(lèi)型的地?zé)嵯到y(tǒng)做實(shí)例,來(lái)闡述集成的礦物組合地溫計(jì)方法在預(yù)測(cè)熱儲(chǔ)溫度方面的應(yīng)用,以及在處理不同類(lèi)型地?zé)崴牡乇砘瘜W(xué)響應(yīng)的新思路和修復(fù)策略。在火山型地?zé)嵯到y(tǒng)-騰沖熱海地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度預(yù)測(cè)中,為了增加預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性本文重建了深部流體水化學(xué)組分,引入集成的礦物組合地溫計(jì)(Integrated Multicomponent Geothermometry,IMG)并將其與傳統(tǒng)地溫計(jì)進(jìn)行了比較。應(yīng)用IMG方法預(yù)測(cè)了騰沖熱海地?zé)崽锏膬?chǔ)層溫度。結(jié)果顯示使用石英溫度計(jì)計(jì)算的儲(chǔ)層溫度最接近于使用IMG方法估算的儲(chǔ)層溫度。Al和Mg濃度以及所選化學(xué)平衡礦物是成功應(yīng)用IMG方法的關(guān)鍵。將IMG方法與傳統(tǒng)地溫計(jì)結(jié)合使用可以顯著提高熱儲(chǔ)溫度估算的可信度,該方法對(duì)其它火山型地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度估算有借鑒意義。位于青藏高原東北緣的共和盆地被認(rèn)為是干熱巖(Hot Dry Rock,HDR)資源的潛在靶區(qū)。作為沉積盆地的共和盆地發(fā)育了典型的層狀地?zé)醿?chǔ)層,地溫梯度超過(guò)55℃/km,位于不同層位的地?zé)嵯到y(tǒng)通過(guò)隱伏斷層相連。為了研究層狀熱儲(chǔ)的溫度分布,首次提出一種新的方法處理深、淺水混合問(wèn)題,該方法基于Al(和Mg)濃度在深、淺熱儲(chǔ)中的顯著差異,利用同一個(gè)水樣中Al(和Mg)濃度的優(yōu)化值和實(shí)測(cè)值分別代表深、淺熱儲(chǔ)水化學(xué)特征重建了深、淺熱儲(chǔ)水化學(xué)組分,并分別給出了深、淺熱儲(chǔ)的預(yù)測(cè)溫度。該研究成功預(yù)測(cè)了在共和地?zé)崽锎嬖谌齻�(gè)不同深度的地?zé)醿?chǔ)層,并且準(zhǔn)確地估算了各個(gè)儲(chǔ)層的溫度。該方法可用于具有相似地質(zhì)和地?zé)釛l件的其它地?zé)崽?對(duì)地?zé)醿?chǔ)層特征研究具有理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。貴德扎倉(cāng)地?zé)崽飳儆跀嗔褞偷責(zé)嵯到y(tǒng),對(duì)其熱儲(chǔ)溫度的研究綜合利用了騰沖和共和工作中總結(jié)的方法。結(jié)果顯示貴德扎倉(cāng)地?zé)崽锏臒醿?chǔ)溫度范圍為144~161℃,平均溫度和標(biāo)準(zhǔn)差為153.6±7.4℃。得到的結(jié)果與研究區(qū)ZR1鉆孔底部的實(shí)測(cè)溫度(151.34℃)相近,從而判定鉆孔ZR1的深度(3050.7 m)即是該熱田深部流體的最大循環(huán)深度,該結(jié)論為后文中對(duì)貴德扎倉(cāng)地?zé)崽锼?熱-化學(xué)(同位素)模型的建立提供了邊界條件。溫度場(chǎng)的確定為研究地?zé)嵯到y(tǒng)中的化學(xué)變化創(chuàng)造了可能。地?zé)嵯到y(tǒng)中的水-巖相互作用可能導(dǎo)致導(dǎo)水通道的封閉,這會(huì)降低儲(chǔ)層的滲透性并影響地?zé)峋漠a(chǎn)熱效率。然而,基于有限數(shù)量的地?zé)徙@孔很難揭示深埋地下的地?zé)醿?chǔ)層的自封閉范圍。本文通過(guò)反應(yīng)溶質(zhì)運(yùn)移模型重建了斷裂帶型地?zé)嵯到y(tǒng)(貴德盆地扎倉(cāng)地?zé)崽?的自封閉過(guò)程�；贛INC(multiple interacting continua)方法對(duì)模型域進(jìn)行離散化,以解決斷裂裂隙中基質(zhì)與裂隙之間的非平衡熱傳輸過(guò)程。通過(guò)對(duì)比快速上升通道(ZR1)中溫度曲線的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值驗(yàn)證了水-熱場(chǎng),通過(guò)對(duì)比排泄水主要離子組分濃度的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值驗(yàn)證了化學(xué)場(chǎng),之后使用驗(yàn)證模型來(lái)確定儲(chǔ)層中水-熱-化學(xué)的耦合過(guò)程以及由此產(chǎn)生的自封閉范圍。結(jié)果表明,在補(bǔ)給水中含有較高濃度Ca2+和Mg2+的條件下,溶解的鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石導(dǎo)致了斷層F2中部和底部的鈣蒙脫石和伊利石沉淀。排泄區(qū)地表出露的大量方解石水熱蝕變巖脈是由于地表附近的水平流攜帶了大量的Ca2+和HCO-3而生成的。這些水熱蝕變活動(dòng)導(dǎo)致了地?zé)嵯到y(tǒng)排泄區(qū)的滲透率與初始值(100 mD)相比下降了15%。此外,在補(bǔ)給區(qū)、流體深循環(huán)上游區(qū)、流體深循環(huán)下游區(qū)的快速上升通道形成了另外三個(gè)礦物自封閉區(qū)域。自封閉效應(yīng)阻礙了地?zé)崃黧w的深循環(huán)和吸熱,這將使斷裂帶型地?zé)嵯到y(tǒng)逐漸閉合。穩(wěn)定同位素2~H和18~O能有效確定地下水補(bǔ)給的水源、速率和溫度。為了研究地?zé)醿?chǔ)層補(bǔ)給過(guò)程,本文基于貴德扎倉(cāng)地?zé)崽锝⒘怂?熱-同位素(D、18O)天然模型,對(duì)天然模型的分析理清了穩(wěn)定同位素在地?zé)嵯到y(tǒng)中的運(yùn)移規(guī)律。然后,以此為基礎(chǔ)探討了當(dāng)有深部流體補(bǔ)給條件下穩(wěn)定同位素的變化,并得到了同位素在排泄區(qū)的變化規(guī)律對(duì)預(yù)測(cè)深部水熱特征的地表響應(yīng)問(wèn)題的一些認(rèn)識(shí)。綜上所述,本次研究所建立的熱儲(chǔ)溫度預(yù)測(cè)方法、水熱化學(xué)(同位素)耦合模擬技術(shù)為根據(jù)淺部水化學(xué)數(shù)據(jù)分析深部高溫?zé)醿?chǔ)層溫度、孔滲、水源和熱源提供了新的途徑,可為地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：P314
【圖文】：

圖 1.1 礦物組合地溫計(jì)的計(jì)算示例物組合地溫計(jì)存在的一些缺點(diǎn)一直阻礙著該方法在地?zé)岵康責(zé)崃黧w上升到地表過(guò)程中可能會(huì)與淺層地下水混合，降可能會(huì)發(fā)生閃蒸氣損作用（脫氣作用），如何處理混合

圖 1.2 地?zé)崴?Cl-焓模式圖解（據(jù)王思琪，2017）[與 Cl-焓模式類(lèi)似，但其可以對(duì)未沸騰和沸騰的混合圖以焓值為 X 軸，SiO2濃度為 Y 軸。將各取樣點(diǎn)的數(shù)英溶解度曲線。再畫(huà)一條通過(guò)數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線（擬合

圖 1.3 地?zé)崴?Si-焓模式圖解（據(jù)劉昭，2014）[39]Si-碳酸模式是基于地?zé)崴?Si 和總碳酸含量之間的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)混合水元的溫度。該模式中假設(shè) Si 以硅酸的形式存在，碳酸以 CO2的形式存式還可用于分辨沸騰水和未沸騰水[40]。

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1 姚足金;;地殼熱量——21世紀(jì)的能源[J];科學(xué);1989年04期

2 王榮彥,劉連仲,史效群;鄭州市熱儲(chǔ)層的劃分及開(kāi)發(fā)利用研究[J];華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào);1999年02期

3 文慧儉;施尚明;孫小潔;;松遼盆地有效熱儲(chǔ)層的識(shí)別與劃分技術(shù)[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2011年06期

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5 王維逸;劉哲;郭帥;;北京市朝陽(yáng)區(qū)平房地區(qū)熱儲(chǔ)層研究[J];城市地質(zhì);2016年04期

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本文編號(hào)：2765368