川西高原康定高温地热系统流体地球化学成因

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高温地热资源蕴含巨大发电潜力,是应对气候变化,保障能源安全与可持续发展,实现能源转型的有效途径。川西康定地区位于地中海—喜马拉雅全球地热带东段,印度板块与欧亚板块碰撞带上,强烈的构造运动导致了高热背景。康定所处的压扭性应力场和构造背景与西藏羊八井高温热田所处的拉张性背景具有显著差异,研究其成因对于完善地热系统成因理论,加快高温地热资源勘查评价以及地热发电利用具有重要的理论意义和实际应用价值。  本研究以康定高温地热系统的流体为研究对象,在康定县城南部的榆林宫乡和北部的雅拉乡两个地热异常区,基于地质构造特征,开展流体元素地球化学、同位素地球化学的综合研究、对比,探讨了流体形成与地球化学演化规律,结合地热背景信息,提出了康定高温地热系统流体成因的概念模式。本研究实物工作量包括在康定南北两区域采集的地热水样品18组,河水及兴伊措湖水样品15组,地热气体样品10组,分析的项目涵盖了宏量组分,微量组分,稀土组分(REEs)以及同位素组成(18O,2H,87Sr/86Sr,13CDIC,13CCO2,13CCH4,3He/4He,4Ne/20Ne)。  基于气体同位素分析,地壳放射性生热、构造变形热和上地幔热对地表热流的贡献比例分别为60%、20%和20%,大地热流形成机制表现为壳源热占主导。南部存在两层热储,即深层的黑云母花岗岩热储,浅层的二叠系变质砂板岩热储。北部为三叠系变质砂板岩热储。依据Sr同位素推测,深部均可能存在海相碳酸盐岩储层。水化学横向对比发现,南部地热水为Na-HCO3-Cl型,北部地热水为Na-Ca-HCO3型。南部地热水温度、pH、TDS、Li和其他微量元素及REEs含量较高。垂向对比发现,深层水温度、pH、TDS、Na、K、Cl、Li、REEs含量等较高,Ca、Mg、HCO3、Sr含量较低。依据18O、2H同位素,南部地热水由冰雪融水(高程约为5330m a.s.l.)与岩浆水(约20%)混合补给,在上升的过程中,与浅部冷水(约40%)发生混合,形成中温泉水;北部深层地热水为冰雪融水单一补给(高程约为4600ma.s.l.),在浅部与冷水发生混合,形成低温泉水。由于地热水循环较快,滞留时间短,地热水无“氧漂移”现象。地热气体以CO2为主,其含量大于95vol.%,依据13CCO2和13CDIC同位素,CO2来源为海相碳酸盐岩高温变质(约90%)和岩浆挥发组分(约10%)。依据CO2-CH4同位素温度计,CO2脱气温度约为380℃~540℃,该温度大于海相碳酸盐岩变质温度,接近壳内岩浆流形成温度。CO2溶解是地热水HCO3含量较高的主要原因。但随着地热水向上流动,减压作用导致CO2脱气。依据地球化学热力学模拟结果,CO2脱气量约为0.4~0.8mol·L-1,pH由6升高到9,约36%的SiO2发生重沉淀。依据气体He同位素,南部和北部幔源He比例分别为30%和20%,表明南部气体运移通道连通性较好。依据热储温度结果,南部热储温度高于北部。南部热储温度约为240~260℃;北部热储温度约为200~220℃。对比南部与北部流体地球化学发现,存在两点相同,三点不同。相同点:深部热储中海相碳酸盐岩变质和岩浆来源的CO2向流体中溶解产生高含量HCO3,在浅部从流体中脱出在地表形成泉华;地热水在浅部普遍存在冷水混合作用。不同点:南部深部存在花岗岩热储;地热水补给高程大,流体运移通道连通好,循环深度大,热储温度高;地热水存在壳内岩浆挥发分的贡献。  康定盆地是压扭性应力背景下在局部形成的拉分盆地,南北向主断裂构成阻水断裂,东西向共轭断裂构成导水通道,储层岩性由花岗岩和变质岩构成。盆地周边的大雪山,贡嘎山等高山冰雪融水入渗地下经深循环加温,与沿断裂通道上升的岩浆挥发组分及海相碳酸盐岩变质组分混合,形成深层热储,水—岩相互作用以硅酸盐溶解为主。地热水沿断裂向上流动,减压作用导致CO2脱气,地热水由酸性变为碱性,硅酸盐和碳酸盐矿物发生沉淀,上升的地热水在浅部与本地降水起源的冷水发生混合,使其化学组分被稀释导致溶质浓度下降,温度降低,最终在地表沿鲜水河断裂带以热泉形式出露,并伴有大量CO2气体释放,泉华较发育。
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