【摘要】：長(zhǎng)白山地?zé)嵯到y(tǒng)的形成主要受控于太平洋板塊向歐亞大陸板塊的俯沖作用。研究區(qū)地?zé)豳Y源豐富,發(fā)育噴氣孔(最高105℃)、冒氣地面(40-60℃)、溫泉(20-82℃)和水熱蝕變。前期研究認(rèn)為的液相地?zé)嵯到y(tǒng)成因模式難以解釋D和~(18)O異常的形成機(jī)制以及地?zé)崃黧w的補(bǔ)給來源,同時(shí)這也致使了后期地?zé)徙@探的失敗。高溫噴氣孔是汽-液兩相地?zé)嵯到y(tǒng)發(fā)育的主要標(biāo)志,結(jié)合最近新鉆遇的高Cl地?zé)崃黧w,通過和國內(nèi)外發(fā)育汽-液兩相地?zé)嵯到y(tǒng)的典型地?zé)崽镞M(jìn)行對(duì)比認(rèn)為長(zhǎng)白山下部存在汽-液兩相地?zé)嵯到y(tǒng)。因此論文通過構(gòu)造演化、遙感反演、地球物理、地球化學(xué)和同位素化學(xué)分析,研究了長(zhǎng)白山地區(qū)汽-液兩相地?zé)豳Y源的形成機(jī)理及內(nèi)部流體循環(huán)特征,建立了不同地質(zhì)格架下的地?zé)岢梢蚰Ｊ�。長(zhǎng)白山地?zé)嵯到y(tǒng)發(fā)育有6個(gè)著名的溫泉群,分別為錦江溫泉群、聚龍溫泉群、湖濱溫泉群、十八道溝溫泉群、仙人橋溫泉群和老三隊(duì)溫泉群,并且具有多個(gè)地?zé)衢_采井,地?zé)崃黧w以HCO_3-Mg·Ca、HCO_3·Cl-Na、HCO_3·SO_4-Na和HCO_3-Na型為主,出口溫度在25-82℃之間,同時(shí)來源于幔源的氣體中不含可溶性組分,如HF、HCl和SO_2等。已知溫泉點(diǎn)主要分布在居里面深度小于14km處,通過遙感地表溫度反演可以清晰識(shí)別出地表熱異常。不同水熱蝕變礦物(高嶺土、絹云母、綠泥石等)光譜曲線差異的提取發(fā)現(xiàn)漫江六道溝天池、漫江和圖們江、四公里果松和漫江、紅旗和四公里果松這四個(gè)交匯點(diǎn)的斷裂蝕變現(xiàn)象較明顯,且斷裂帶兩側(cè)具有明顯的溫度差,高溫主要分布在面向火山口一側(cè)。野外地質(zhì)實(shí)測(cè)和可控源反演剖面指示研究區(qū)發(fā)育3類地質(zhì)結(jié)構(gòu):火山區(qū)、沉積盆地區(qū)和基巖出露區(qū),它們的地?zé)崞ヅ湟?熱源、熱儲(chǔ)、蓋層和水源)具有明顯差異�；鶐r出露區(qū)熱源為上地幔傳導(dǎo)熱和高溫巖漿氣體,熱儲(chǔ)為大理巖破碎帶,受巖溶水補(bǔ)給;沉積盆地區(qū)為上地幔傳導(dǎo)熱和放射性生熱,熱儲(chǔ)為古生代灰?guī)r和中生代碎屑巖,受古海水和大氣降水補(bǔ)給;火山區(qū)熱源主要為巖漿囊余熱和高溫巖漿氣體,熱儲(chǔ)則為新生代玄武巖,受大氣降水和深部汽-液分離形成的蒸汽補(bǔ)給。水化學(xué)、氣化學(xué)和和B-Sr同位素分析認(rèn)為基巖出露區(qū)為液相地?zé)嵯到y(tǒng),而沉積盆地區(qū)和火山區(qū)則為汽-液兩相地?zé)嵯到y(tǒng)。依據(jù)B-Sr同位素計(jì)算模型認(rèn)為:火山區(qū)是高溫冷凝水和大氣降水在玄武巖熱儲(chǔ)中混合形成,受高溫巖漿氣體加熱發(fā)生了二次汽-液分離;沉積盆地區(qū)則是高溫冷凝水與大氣降水在砂巖熱儲(chǔ)中混合形成,深部碳酸鹽熱儲(chǔ)發(fā)生了強(qiáng)烈的汽-液分離作用,其中已有75%-87.5%的古海水蒸發(fā)掉;基巖出露區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)則是高溫巖漿氣體加熱側(cè)向運(yùn)移的卡斯特水在大理巖破碎帶中形成。另外,基于B同位素分餾計(jì)算發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)白山下部巖漿囊中具有新的來源于太平洋板塊的熔融體混入。通過目前地?zé)崃黧w開采特征分析發(fā)現(xiàn)深部熱儲(chǔ)缺乏額外的流體補(bǔ)給,或者是由于蒸汽外擴(kuò)形成的次生礦物堵塞了孔隙進(jìn)而阻止了水源向深部熱儲(chǔ)的補(bǔ)給。結(jié)合國內(nèi)外典型地?zé)嵯到y(tǒng)發(fā)育特征,如,美國的Geyeser和我國的漳州地?zé)崽?認(rèn)為隨著長(zhǎng)白山巖漿囊深度的變淺,下部水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)正逐漸向干熱型地?zé)嵯到y(tǒng)轉(zhuǎn)變,深部的干熱巖和超臨界流體地?zé)豳Y源正逐漸變淺,同時(shí)這也意味著下次火山噴發(fā)的臨近。
【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
【分類號(hào)】：P314
【圖文】：

錦江溫泉、湖濱溫泉、仙人橋溫泉、十八道溝溫泉和老三隊(duì)溫泉）（圖 1.2），地表水溫最高溫度可達(dá) 82℃（林元武等，1999；上官志冠等，2006；張希友等，2006），地?zé)豳Y源量可達(dá) 1.15×1014kj，換算成熱能約為 2300MW（許萬清等，2009），但是地?zé)豳Y源研究（調(diào)查階段）和開發(fā)程度均較低。目前項(xiàng)目組在長(zhǎng)白山地區(qū)剛完成 19000km2的地?zé)嵴{(diào)查項(xiàng)目，重點(diǎn)調(diào)查了地?zé)嵝纬傻牡責(zé)岬刭|(zhì)結(jié)構(gòu)特征，并在漫江地區(qū)新鉆了 3 口地?zé)峋�。但單井的出水量�?.1-5t/h）和水溫（28-31℃，井口溫度）均相對(duì)較低，同時(shí)在該次鉆井中取得了高氯水（2632mg/L），因此先前提出的地?zé)釂我凰嘌h(huán)成因模式（閆佰忠，2016）需進(jìn)一步研究。通過和國內(nèi)外已開發(fā)火山型地?zé)嵯到y(tǒng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)白山地?zé)嵯到y(tǒng)具有汽-液兩相特征。因此，這里提出了“長(zhǎng)白山地?zé)嵯到y(tǒng)汽-液兩相循環(huán)機(jī)理及成因模式”這一課題，旨在探討內(nèi)部流體循環(huán)機(jī)理，建立合理的火山區(qū)地?zé)岢梢蚰Ｊ�，為全國火山區(qū)水熱型地?zé)豳Y源勘探和開發(fā)提供理論依據(jù)與借鑒意義。

圖 1.2 汽-水分離模式及 P-T 關(guān)系（據(jù) Ingebritsen,et al.,1988）水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)可分為液相、蒸汽相和汽-液兩相地?zé)嵯到y(tǒng)（White et al.，1971；廖志杰，1990），三者內(nèi)在具有一定的成因聯(lián)系，汽-液兩相一般由高溫液相地?zé)徂D(zhuǎn)變而來，再逐漸演變?yōu)榧冋羝嗟責(zé)嵯到y(tǒng)（White et al.，1971；Ingebritsen， et al.，1988）。汽-液兩相地?zé)嵯到y(tǒng)研究起步較早，White 博士在 1971年研究美國Geysers地?zé)崽飼r(shí)第一個(gè)提出了其成因特征，認(rèn)為在高溫地?zé)嵯到y(tǒng)下，當(dāng)排出量大于補(bǔ)給量時(shí)，兩相系統(tǒng)將會(huì)形成，特別是在具有穩(wěn)定熱源和低孔滲地區(qū)。汽-液兩相的形成與熱儲(chǔ)層的 P-T 變化密切相關(guān)，Ingebritsen（1988）在White（1971）模式的基礎(chǔ)，通過汽-液分離實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提出了完善的汽-水分離模式（圖 1.2）�；鹕絽^(qū)汽-液兩相系統(tǒng)最終將形成 3 種主要類型水資源：重碳酸型水、硫酸型水和氯化鈉型水（White et al.，1971；Arnórsson et al.，2007；Stefánssonet al.， 2017）。在沸騰作用形成下，易揮發(fā)分（如 SO2、CO2等）隨著高溫蒸汽在浮力的作用下沿著孔隙或者裂縫向上運(yùn)移，在近地表加熱地表水/冷凝（高海

圖 1.3 長(zhǎng)白山汽-液兩相地?zé)嵯到y(tǒng)研究技術(shù)路線1.5.3 創(chuàng)新點(diǎn)1. 應(yīng)用 B-Sr 同位素組合研究方法刻畫了汽-液分離過程及其后期循環(huán)特征�；诘厍蚧瘜W(xué)和同位素化學(xué)理論，依據(jù) B 同位素不同溫度下分餾機(jī)理，定量研究汽-液分離過程及分離階段；依據(jù) Sr 同位素的穩(wěn)定性和巖石進(jìn)行對(duì)比來示蹤循環(huán)路徑；最終在火山地層學(xué)和地球探測(cè)數(shù)據(jù)控制下，建立火山區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)汽-液兩相流體循環(huán)模式。2. 在長(zhǎng)白山地區(qū)提出并建立了汽-液兩相地?zé)岢梢蚰Ｊ�。長(zhǎng)白山地?zé)嵯到y(tǒng)研究目前一直以液相系統(tǒng)為主，但是該模式在解釋地?zé)崴畞碓春推涞?H、18O 時(shí)始終存在爭(zhēng)議。汽-液兩相系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)的火山型地?zé)嵯到y(tǒng)中普遍存在，高溫噴氣孔是其存在的主要識(shí)別特征。因此，這里提出汽-液兩相系統(tǒng)在長(zhǎng)白山地區(qū)的應(yīng)用，同時(shí)該模式可以很好的解決上述矛盾。

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