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广东沿海典型深大断裂带地热水系统形成条件及水文地球化学特征

汪啸  
【摘要】:广东省地处欧亚大陆的东南边缘,境内断裂构造发育,岩浆侵入、火山喷发、地震、新构造活动剧烈,特别是在深大断裂反复活动、岩浆多期次侵入(喷发)的背景下,为广东中低温地热资源的形成与赋存、温泉出露创造了有利的地质环境。本研究选择广东沿海典型深大断裂地热田—新洲地热田为研究区,对区内地下冷、热水进行了全面的调查,深入分析了新洲地下热水系统的形成条件及成因机制,为后期该类地热水资源的勘探及合理开发利用具有重要的指导意义。论文首先分析了研究区地壳热结构及深部地温场特征,借助物探、热红外遥感、钻探测温等技术,将地表温度异常分布特征、布格重力场特征及航磁异常特征作为属性判别因子,完成了对地热异常分布区范围的圈划。研究发现:(1)地热水异常区分布规律明显受到北东向深大断裂的控制;(2)地热点出露与岩浆岩侵入活动密切相关,且大部分出露于岩浆岩体边缘、后期入侵岩脉或岩体与其他地层的接触带上;(3)沉积厚度大的中、新生代沉积盆地,往往蕴藏丰富的沉积盆地传导型地热区。在充分总结热水形成条件的“四要素”组合模式的基础上,利用各种地球化学温标、多矿物平衡模拟以及Fix Al法估算了热储温度和循环深度,并剖析深部水热动力条件,从而构建了新洲地下热水成因模式概念模型。深大断裂是地下热水形成的关键;深大断裂迫使区域地下水流向深处径流,在基底热流作用下不断加热;北东向、东西向深大断裂互相切割带产生汇水汇热效应,成为地热水上升的主要通道。深部地下热水高温高压是水热上涌的重要驱动力。基于上述热水成因模式概念模型,通过提取一系列地球化学信息系统分析了热水形成的水文地球化学演化过程及径流循环特征。地热水由区域地下水经深循环形成,以高Na+、Cl-离子,TDS,贫氢氧同位素和长滞留时间为特征,来源于晚更新世末期至全新世早期温度较低的古大气降水入渗补给,补给区位于东北部紫罗山高海拔地区。地下热水的水化学特征具有明显分带性,地下水水化学类型由HCO3→HCO3-SO4→SO4-Cl→Cl顺序依次转换,矿化度逐渐升高,Na+,K+,Ca2+,SO42-,Cl-含量逐渐增大,HCO3-,Mg2+含量减小;随热水温度升高,Sr、Li、Rb、Cs和F等微量元素含量不断增大。通过分析不同水样的水化学组与温度、离子比及δ18O、δD、Sr、C、B同位素变化关系,反映了水-岩相互作用的不同程度和与海水的明显混合趋势,地下热水在其形成过程中经历了两次主要的混合过程:深循环地热水与埋藏很深或亦经过深循环海水的第一次混合,以及由深部上涌的热咸水与浅部含水层冷水的第二次混合。混合比例在热田不同地段各不相同,在热田相对高温中心为深部上来的高温、高矿化度热咸水,在热田外围则为温度不同的较中-低温热水。通过地下热水的动态特征,分析了深部地下水动力条件及水力联系,来间接反映深大断裂的导水性能和深层地下热水的状态,并对深大断裂带控制的水动力场和温度场进行了水-热耦合模拟,揭示了深大断裂带地下热水运移特征。深大断裂带及紧邻围边形成了一个高温、低压、密度低的柱状带,从而使得断裂带四周地下水流下沉并往热源方向流动,这种深大断裂的区域效应使得侵入内陆的海水深循环进入地下深部;北东向和北西向断裂一起构成了研究区热异常分布的主要控制构造,断裂交汇区存在强烈的垂直热对流作用。在北东向断裂区存在两个高温热柱刺穿基岩顶部形成高温中心,而在高温热柱带外围是衍生的相对低温区域;盆地热流值由热田中心区向周围迅速降低。


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