长白山玄武岩区盆地型地热水特征及成因模式.docx

长白山玄武岩区盆地型地热水特征及成因模式闫佰忠;肖长来;梁秀娟;江海洋【摘 要】利用长白山玄武岩区地热井水化学、同位素数据以及地球物理勘探和地 热井钻探资料,对研究区盆地型地热水资源特征及成因模式进行了研究.研究结果表 明:研究区盆地型地热水属于低温地热水,漫江地热井和松江河地热井水温分别为 31.2°C和29.5°C,化学组分阳离子以Na+为主依次为Ca2+朋离子以HCO-3和Cl-为主,水化学类型为HCO3・C—Na・Ca;微量组分偏硅酸含量最大,其次为锶和硼 酸盐•氚年龄均大于60a;漫江地热井热储层温度平均值为101.91C,松江河地热井 热储层温度平均值为99.71C；漫江地热井热储循环深度为3.23km,松江河地热井 热储循环深度为3.16km；地热成因模式为:热源为上地幔传导热;盖层为下更新统军 舰山组(Qp1 j)、中生代侏罗系果松组J2-3g)、林子头组J3I)和三叠系长白组(T3c), 厚度约2300m;热储层为古生界奥陶系马家沟组(O1 m)、冶里组(O1 y),亮甲山组 (O1 I),张夏组(2 z)和古元古界老岭群珍珠门组(Pt1 z),厚度在400m以上;地热水接 受大气降水和少量封存水补给，经深部循环(3.15 ~ 3.30km),受大地热流传导热的加 热,在浅部发生冷热水的混合,沿断裂通道向上运移.【期刊名称】《地质论评》【年(卷),期】2018(064)005【总页数】16页(P1201-1216)关键词】 地热水特征;同位素组分;成因模式;长白山玄武岩区作 者】 闫佰忠;肖长来;梁秀娟;江海洋【作者单位】河北地质大学水资源与环境学院,石家庄,050031;河北省水资源可持 续利用与开发重点实验室,石家庄,050031;河北省水资源可持续利用与产业结构化 协同创新中心,石家庄,050031;吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,长 春,130021;吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,长春,130021;吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室,长春,130021;山东省第一地质矿产勘查院,济 南,250014【正文语种】中文 地热资源由于其储集的丰富性、资源的可再生性、利用的可靠性、环境的可接受性， 已成为世界各国重点研究开发的可再生清洁能源。

地热水化学组分是评价地热流体 的重要指标其能够间接反映地热能的形成演化过程、地热流体与围岩间的相互作 用以及地热流体的循环条件，对于地热流体的结垢和腐蚀作用、地热流体的热储层 温度评价和地热流体的用途等问题的研究具有至关重要的作用很多学者对地热水 中化学组分来源、环境影响及溶解平衡等方面进行了研究(Armienta et al., 2014;Grassi et al.，2014;Niwa et al.，2015;Zhang Yanfei et al.，2016)热水 的化学数据常用来估算热储的温度，常用的地球化学温度计包括二氧化硅温度计 (Fournier，1973)、阳离子温度计(Fournier and Truesdell，1973)、气体化学温 度计(赵平，1993)和同位素温度计(Proskurowski et al.，2006)地热水资源的形成一般需要四个必备条件，包括热源、热储层、导热通道和盖层， 这四个基本要素构成了地热水系统现阶段地热水系统成因模式的研究是国内外地 热研究中的热点，而地热水系统模型研究是地热水资源成因模式研究的重要手段 目前，地热水系统模型主要包括概念模型、简单解析模型、集中参数模型和分布参 数模型。

国内外学者对世界典型地热水系统的成因模式进行了研究Mannington 等(2004)建立了新西兰Wairakei—Tauhara地热水系统的概念模型，Wairakei— Tauhara地热水系统盖层覆盖全区，热储层温度260 ~300°C,热水通过NE— SW方向的断裂上涌至地表Purnomo和Pichler(2004)研究了印尼爪哇岛地热 水系统，该地热水系统位于第四系火山带中，接受浅部岩浆热流，为典型火山型地 热水系统Handel等(2013)在二维地下水流模型的基础上，利用FEFLOW软件 建立了 Leibnitzer地热水系统的热传导模型，并考虑了不饱和带的影响地表水 和地下水的混合会导致地热水系统温度的改变，进而限制地热田的利用Saeid等 (2013)建立了深部低焓地热水系统的瞬态水热有限元模型，考虑热流体的密度和 粘度，热液的传递概化为饱和的非线性传导——对流方式Wisian和 Balckwell(2004)建立了美国西部盆地区地热水系统模型，包括结构、热输入、渗 透性能该地热水主要是深部循环水，而不是通过冷却围岩形成，主要的输水通道 为裂隙构造综上所述，地热水化学特征及成因模式的研究，常结合地热水水化学 同位素、地球物理勘探、钻探和数值模拟等综合手段来进行研究。

长白山地区是我国著名的现代火山活动区，区内蕴藏着丰富的地热水资源目前， 当地能源结构主要依靠传统的薪柴和煤炭资源，对生态环境有较大的影响并且地 热水资源的开发仅限于以温泉洗浴为代表的旅游事业初级阶段，对长白山区的地热 水资源的前景和潜力缺少系统的评价，特别是对长白山玄武岩区盆地型地热水资源 的特征和成因模式尚未有系统的研究其严重影响和制约了长白山地区地热水资源 开发利用的总体规划和当地的能源结构调整本文通过采集玄武岩区沉积盆地型地 热水化学和同位素等数据，并结合地球物理勘探和地热井钻探等资料，对沉积盆地 型地热水特征及成因模式进行了研究该成果能够为后期的钻探工作及资源开发提 供有力的理论支撑，同时可以完善沉积盆地型地热水系统的成因机制，进而对当地 经济的发展、能源的总体规划、结构调整和生态环境保护，以及我国地热水的使用 推广具有极其重要的理论和现实指导意义1 研究区概况 研究区位于吉林省东部，行政区划包括靖宇县、抚松县、长白县、临江市和安图市玄武岩区范围位于12645'~12900',北纬4120'~ 4250',面积约19000 km2研究区属于温带大陆性季风气候，全年盛行西风，受季风影响强烈，除具 有山地特有的气候特点外，还具有空间垂直方向的变化。

降水随高度的增加而递增， 长白山天池气象站年降水量平均1332.6 mm，多年平均水面蒸发量为1180 mm 区内地层发育齐全，地表大面积出露新生界下更新统军舰山组的玄武岩，在研究区 的西部出露中生界侏罗系、奥陶系和三叠系地层，岩性为砂岩、砾岩、薄层灰岩、 竹叶状灰岩和豹皮状灰岩（图1a）研究区基岩特征表现为:在抚松县一仙人桥一松 江河一带，地层出露较为齐全，组成了抚松向斜盆地，盆地的核部为果松组J2 - 3 g）地层，向斜两翼地层分别有石炭系、奥陶系、寒武系和震旦系，局部有侏罗系花 岗岩侵入体出露在漫江镇—天池以北区域，地层较为简单，新生界军舰山组玄 武岩下部为大面积的珍珠门组（Pt1z）地层;在漫江镇一天池以南区域，地层也较为 简单，新生界军舰山组玄武岩下部有大面积的长白组（T3c）地层，在望天鹅附近有 早白垩系碱长花岗岩（YKK1）出露在闹枝镇一长白县沿国境线一带，属于长白沉 积盆地，出露地层包括第四系、古近系—新近系、侏罗系、三叠系、石炭系、奥 陶系、寒武系和震旦系地层，并有早白垩系和古元古代花岗岩侵入体出露在二道 白河地区，属于松江盆地，地层较为简单，地表均由新生界军舰山组玄武岩覆盖， 下部为古元古界珍珠门组（Pt1z）地层（图1b）。

2 取样和研究方法2.1 地热水取样 为了查清研究区盆地型地热水的特征，分别对松江河地热井和漫江地热井（图1）进 行了取样测试，包括常量组分、微量组分和同位素组分其中常量组分和微量组分 包括 pH、K、Na、Ca、Mg、、Fe、总硬度、总碱度、TDS、Li、Sr、Zn、Se、Cu、Ba、Mn、Ni、Al、As、Hg、Cd、Cr、V 和硼酸盐;同位素组分包括稳定同 位素6D和61802.2 地球物理勘探 为了进一步查明抚松盆地的地质特征和地层岩性展布，在抚松地区进行了大地电磁 测深设计大地电磁测深测量剖面 2 条，测线沿北西方向，分布命名为 L1 和 L2点距约为1 km , L1和L2测点数各41个，测量总长度80 km(图1)本次大地电 磁测深(MT)采用的仪器是加拿大凤凰公司生产的V5-20002.3 地热井钻探和测井 2014年06月至2016年06月在研究区分别实施了漫江地热井和松江河地热井的 钻探和测井等工作其中漫江地热井位于长白山漫江镇的玄武岩台地北西向冲蚀谷 地中，实际井深2500 m，井位坐标41°56'31.3"N,127°35'22.0"E,地热井水温31 ~34°C,平均流量117.50 m3/d，静止水位埋深6 m左右;松江河地热井位于 长白山松江河镇，构造位置属于华北地台辽东台隆太子河—浑江褶皱带，实际井 深 2300 m，井位坐标 42°04'37"N,127°28'56"E,地热井水温 30~31°C,平均 流量 80 m3/d ，静止水位埋深为56.92 m。

3 结果与讨论3.1 地热水特征3.1.1 地热水化学组分漫江地热井和松江河地热井水温分别为31.2C和29.5C,属于低温地热水化学 组分中阳离子以Na+为主，依次为Ca2+，阴离子以和Cl -为主，含量较小，水 化学类型为HC03・CI-Na・Ca;微量组分中偏硅酸含量最大，分别为86.55 mg/L 和82.30 mg/L，其次为锶和硼酸盐，含量分别为0.8275 mg/L和0.7936 mg/L , 0.7968 mg/L 和 0.7633 mg/L3.1.2 地热水热储温度和循环深度（1）热储温度:分别利用二氧化硅温度计和玉髓温度计（公式1和2）计算漫江地热井和松江河地热井热储层温度（表2）其中漫江地热井热储层温度为89.37-114.46°C（平均值101.91°C）;松江河地热井热储层温度为87.11 ~112.31°C（平均值 为 99.71C）2）循环深度:地热水的循环深度可由地热增温级、地下热储层热水温度、多年平均 气温以及常温带深度确定（公式3）式中，H为热水循环深度，m;G为地热增温级，为地温梯度的倒数;t h为地下热储 层热水温度，°C;tO为研究区多年平均气温，考虑研究区气候、气象条件和气温随 地形地势的关系综合选取;H0为常温带深度，此处取30 m。

经过计算得出漫江地 热井热储循环深度为3.23 km;松江河地热井热储循环深度为3.16 km（表3）表1漫江地热井和松江河地热井化学组分特征Tablel Chemical compositions characteristics of Manjiang and Songjianghe geothermal wells?表2调查地热水热储层温度估算结果Table2 Results of heat reservoir temperature of investigation geothermal water?表3调查地热水热储层循环深度结果Table3 Heat reservoir cycle deep of investigation geothermal water?3.2 地热水补给来源和年龄利用稳定同位素（6D和S18 O）和放射性同位素（3H）分别来确定地热水的补给来源 和年龄王凤生等（1995）人对长白山地区的大气降水氢氧稳定同位素的线性关系 进行了研究，提出了长白山地区大气降水氢氧稳定同位素线性方程为文中采用王凤生等提出的长白山地区大气降水线作为本地降水线来进行分析研究 由图2可以得出，雪水和雨水水样点落在长白山区大气降水线上，说明检测结果 具有可靠性。

地热井水样点均落在长白山大气降水线下方，沿着全球大气降水线和 中国大气。