川西阿坝州壤古温泉成因机制...球化学和地球物理勘探的证据_章旭.pdf
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1、章旭,张文,吕国森,等,2023.川西阿坝州壤古温泉成因机制研究:来自水文地球化学和地球物理勘探的证据J.沉积与特提斯地质,43(2):388403.doi:10.19826/ki.1009-3850.2023.04007ZHANG X,ZHANG W,L G S,et al.,2023.Geochemical,Geophysical Genesis of the Ranggu GeothermalSpring in Aba Prefecture,Western Sichuan:Evidence from Hydrogeochemical and Geophysical Exploration
2、J.Sed-imentary Geology and Tethyan Geology,43(2):388403.doi:10.19826/ki.1009-3850.2023.04007川西阿坝州壤古温泉成因机制研究:来自水文地球化学和地球物理勘探的证据章旭1,2,3,张文3,4*,吕国森5,余中友1,2,3,代倩1,2,3(1.四川省华地建设工程有限责任公司,四川成都610081;2.成都水文地质工程地质中心,四川成都610081;3.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心,四川成都611730;4.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734;5.西南交通大学,四川成都6117
3、56)摘要:地热资源是一种清洁低碳、储量丰富、安全优质的可再生能源,大力开发利用地热资源,对落实“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义。壤古温泉位于青藏高原东南缘川西阿坝州壤塘县,为松潘-甘孜褶皱带地热资源空白区钻获的优质地热资源,井口水温 39.5,自流流量 1 500 m3/d,属富含偏硅酸、偏硼酸、锶的氟、锂优质热矿水,具有极高的医疗价值。文章以壤古温泉为研究对象,通过水文地球化学、地球物理特征研究,探讨了地热形成机制。结果表明:壤古温泉 pH 值6.77.1,溶解性总固体 2 0502 760 mg/L,水化学类型为 HCO3-Na 型,水岩作用强烈。其氢氧同位素分布于全球大气降水方程
4、线附近,说明热水主要为大气降水补给。Na-K-Mg 平衡图表现为未成熟水,表明热水受裂隙潜水或地表冷水强烈混合作用。基于传统地热温标、硅焓混合模型、Cl校正估算热储温度为 138183.3,冷水混合比例为 77.984.3%。综合地球物理勘探、钻探揭露特征,本文构建了壤古温泉成因概念模型,可为壤古温泉的开发利用提供理论支撑。关键词:壤古温泉;水文地球化学;地球物理勘探;氢氧同位素;成因模式中图分类号:P314 文献标识码:AGeochemical,Geophysical Genesis of the Ranggu Geothermal Spring in AbaPrefecture,Weste
5、rn Sichuan:Evidence from Hydrogeochemical andGeophysical ExplorationZHANG Xu1,2,3,ZHANG Wen3,4*,L Guosen5,YU Zhongyou1,2,3,DAI Qian1,2,3(1.Sichuan Huadi Construction Engineering Co.Ltd.,Chengdu 610081,China;2.Chengdu Center of Hydrogeology&Engineering Geology,Chengdu 610081,China;3.Technology Innova
6、tion Center for Risk Prevention and Mitigation ofGeohazard,Ministry of Natural Resources,Chengdu 611730,China;4.Institute of Exploration Technology,Chinese Academy ofGeological Sciences,Chengdu 611734,China;5.Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)收稿日期:2023-01-12;改回日期:2023-03-03;责任编辑:曹华文
7、;科学编辑:唐渊作者简介:章旭(1987),男,工程师,主要从事水文地质、地热地质及环境地质调查研究工作。E-mail:通讯作者:张文(1985),男,高级工程师,主要从事水工环调查评价研究工作。E-mail:资助项目:国家自然科学基金(42072313,42102334),四川省科技厅项目(2022NSFSC1084,2022NSFSC0413,2023YFS0356),四川省自然资源厅科研项目经费资助(KJ-2023-36),西南交通大学培育项目(2682021ZTPY063,2682022ZTPY064)第 43 卷 第 2 期 Vol.43 No.22023 年 6 月沉 积 与 特
8、提 斯 地 质 Sedimentary Geology and Tethyan GeologyJun.2023Abstract:Geothermal resource is a clean,low-carbon,abundant,safe and high-quality renewable energy.Vigorously developingand utilizing geothermal resources is of great significance to the implementation of the strategic goal of carbon peak,carbon
9、neutral.Located in Rangtang County,Aba Prefecture,western Sichuan on the southeast edge of the Qinghai-Tibet Plateau,Ranggugeothermal spring is a high-quality geothermal resource drilled in the geothermal resource blank area of the Songpan-Ganzi foldzone.The wellhead water temperature is 39.5,and th
10、e artesian flow is 1 500 m3/d.It is a high-quality thermal mineral water rich inmetasilicic acid,metaborate,strontium,fluorine and lithium,and has high medical value.Based on the study of hydrogeochemicaland geophysical characteristics,the paper discusses the formation mechanism of geothermal energy
11、.The results show that the pHvalue of the spring is 6.77.1,the total dissolved solids are 2 0502 760 mg/L,the hydrochemical type is HCO3-Na,and the water-rock interaction is intense.Its hydrogen and oxygen isotopes are distributed near the global atmospheric precipitation equation line,indicating th
12、at geothermal water is mainly recharged by atmospheric precipitation.The Na-K-Mg balance diagram shows immaturewater,indicating that the geothermal water is intensely mixed by fissure phreatic water or surface cold water.Based on the traditionalgeothermal temperature scale,silicon enthalpy mixing mo
13、del and Cl correction,it is estimated that the reservoir temperature is138183.3,and the mixing ratio of cold water is 77.984.3%.Based on the characteristics of geophysical exploration and drillingexposure,a conceptual model of the genesis of the Ranggu geothermal spring is constructed in this paper,
14、which can providetheoretical support for the development and utilization of the Ranggu geothermal spring.Key words:Ranggu geothermal spring;hydrochemistry;geophysical prospecting;hydrogen and oxygen isotopes;geneticmodel 0引言加快新型清洁能源的开发与利用,对缓解我国能源紧张的局势和推进“双碳”战略目标具有重要意义。地热资源是一种清洁低碳、储量丰富、安全优质的可再生能源,大力开
15、发利用地热资源,对落实“碳达峰、碳中和”战略目标具有重要意义(Craig et al.,2013,Lu et al.,2018;Wang and Zheng,2019)。我国有着丰富的地热资源,占全球总量的7.9%(韩建光等,2008),以中低温地热资源为主,主要分布于大型沉积盆地和断裂带上(陈墨香和汪集旸,1994),高温地热资源主要分布在藏南、滇西、川西和台湾以及山西、新疆、青海等地。近年来,地热资源的可持续利用是新能源研究领域面临的一个新挑战,要想持续高效开发利用地热资源,亟需进一步探明地热水的成因机制(Mongillo andAxelsson,2010;Hhnlein et al.,2
16、013;张云辉,2018)。已有研究表明,地球化学和地球物理勘探的综合分析是研究地热水成因机制的有效方法(Kana etal.,2015)。地球化学方法包括水化学分析和环境同位素分析,在揭示地热水的水化学组分、阐明水-岩相互作用、估算热储温度、计算深部原始热水与浅部冷水的混合比例中发挥重要作用;环境同位素是示踪地热水的补给来源、计算补给高程和判断冷水混合的重要工具(Chandrajith et al.,2013;Li etal.,2018;Ta et al.,2019;Li et al.,2020)。音频大地电磁法和高密度电阻率法是地热勘探中常用的地球物理方法,能较好的反映地下岩性特征、含水层
17、部位、断层通道和裂隙储层(Munoz,2014;张林等,2018;Cheng et al.,2022)。自 20 世纪 90 年代以来,许多学者应用地球物理和地球化学的方法研究国内地热资源,已取得丰硕成果。庞忠和等(1990)运用地球物理与地球化学方法研究了福建漳州地区中低温对流型地热田的特点和成因模式。刘蓓莉(1990,1994)研究发现川西地区温泉主要出露于三叠系,岩性主要有砂岩、粉砂岩、板岩和千枚岩等,少量为二叠系,缺失侏罗系与白垩系。莫宣学(2009,2010)研究指出川西地区是新构造运动造成的,不仅是强震多发带,更是近现代热泉活跃的地热异常带、高温水热活动带。傅广海和殷继成(2009
18、)研究认为川西地区地热受金沙江断裂、德格-乡城断裂、甘孜-理塘断裂、鲜水河断裂等大型断裂带所控制,形成呈条带状展布的高温水热资源带,三叠系碳酸盐岩为有效储层。王建国等(2021)对比分析了沉积盆地型地热系统与隆起山地型地热系统特点,建立了有利富热部位的有效地球化学判识指标,并认为二者在地球化学异常模式上存在很大差异。2023 年(2)川西阿坝州壤古温泉成因机制研究:来自水文地球化学和地球物理勘探的证据389 川西地热带作为我国地热资源重要赋存区域之一,近年来一直是地热资源勘查的热点地区。壤塘县地处青藏高原东南缘,构造上隶属于松潘-甘孜印支造山带若尔盖块西南缘青藏“歹”字型构造头部外围与金汤弧形
19、造西半弧复合部位,构造显著特点是褶皱为主、断裂不发育,沿褶皱构造纵张裂隙带、断裂带展布有燕山期花岗岩,具有孕育水热活动的构造背景。但松潘-甘孜褶皱带整体属于地热资源的冷区,壤塘县天然温泉露头仅蒲西乡尤日温泉。2020 年,壤塘县吾伊乡壤古村施工水井(J01)至 46 m 时初次揭露自流热水,水温 26,流量 926 m3/d;为进一步探明热水成因,先后部署了ZK01、ZK02 号钻孔。其中,ZK01 号钻孔井深 72.5m,揭露热水水温 30,流量 1 054 m3/d;ZK02 号钻孔井深 231.6 m,揭露热水水温 39.5,流量 1 500m3/d。ZK02 号成井后,J01、ZK01
20、 号热水逐渐衰竭,说明三者为同一热水系统。ZK02 物探井温测量(附图 1*)表明,孔内热水温度随孔深持续增加,至孔底井温达 43.6。通过 ZK02 物探井测温曲线拟合计算地热增温梯度为 10.78/100 m,为地温显著异常区域。壤古温泉的发现,是松潘-甘孜褶皱带地热资源找热的重大突破,该热水为含锶、偏硅酸、偏硼酸的氟、锂优质热矿水,具有极高的医疗价值,开发利用潜力大,但其成因机制尚不明确,制约了壤塘县地热资源的开发利用。因此,本文以壤古温泉为研究对象,通过采集和分析测试热水平、丰、枯三期的热水样品以及周边冷泉水和地表溪沟水样品,探讨地热水的水文地球化学特征,结合地热钻探、地球物理勘探,深
21、入研究了热水的成因机制,构建了温泉形成的概念模型,以期为壤塘县地热资源进一步开发利用提供重要的理论依据。1区域地质背景壤塘县地处青藏高原东南部横断山系北段,属川西高原区,地势由西北向东南倾斜,山峰海拔4 2004 500 m。西北部高原呈丘谷相间,相对高差 200400 m;东南部高山河谷深切,相对高差5001 000 m。地貌按成因可分为构造侵蚀堆积地貌区、构造侵蚀高山地貌区和构造剥蚀高原地貌。高原季风性气候特点显著,多年平均气温 4.7,气温年差较小,干湿季节分明。区域大地构造隶属于松潘-甘孜造山带,位于若尔盖块西南缘青藏“歹”字型构造头部与金汤弧形构造西半弧的复合部位(图 1a)(胡泽祥
22、等,2022),构造显著特点是褶皱为主、断裂不发育。区内断裂构造有甲旭乡断裂、雅主-古吉断裂、热基沟断层、昂柯断裂和热基贡断层,褶皱主要有雅主牛场复式向斜、上寨倒转复背斜、多于向斜和昂柯背斜,沿褶皱构造纵张裂隙带、断裂带展布有燕山期花岗岩。区内断裂属强烈挤压之压性结构面,断裂破碎带以角砾、糜棱岩、断层泥为主,富水性差。褶皱翼部剪切裂隙发育,闭合程度高,富水性差;核部及转折部位,纵张裂隙发育,富水性好,为地下水的迁移提供了通道。区内属秦岭昆仑地层分区雅江小区,广泛分布三叠系中上统区域浅变质岩。主要岩性为变质砂岩、板岩、少量结晶灰岩、侵入岩、第四系沉积物等。变质岩地层主要有新都桥组(T3x)、侏倭
23、组(T3zh)和杂谷脑组(T2z)。新都桥组(T3x)下段为一套具微细层之泥质粘土沉积建造,岩性为板岩夹少量中-薄层砂岩;上段为浅海碎屑岩沉积建造,岩性为变质细砂岩与板岩互层。侏倭组(T3zh)在研究区内分布最为广泛,为一套韵律式浅海复理式碎屑岩建造,与下伏杂谷脑组整合接触。岩性为石英砂岩、岩屑砂岩、细砂岩、粉砂岩,与砂质板岩、绢云母板岩、碳质板岩不等厚互层产出,偶夹结晶灰岩。杂谷脑组上段(T2z2)为钙质长石石英细砂岩、岩屑长石石英细砂岩、少量杂砂岩、钙质粉砂岩,夹有极少粉砂质、泥质绢云板岩、含铁白云石炭质板岩和绢云千枚岩。杂谷脑组下段(T2z1)为钙质长石石英细砂岩、钙质含岩屑长石石英细砂
24、岩与板岩、粉砂岩不等厚互层,部分灰岩厚 8 至 10 m。岩浆岩属燕山中期侵入岩,有黑云母二长花岗岩、黑云母花岗岩(51)及白云母斜长花岗岩(52)。此外,石英脉分布广泛,以单脉型多见,脉厚一般为 0.22 m,最厚达 5 m,长一般 30100 m。壤古温泉位于雅主-古吉断裂和热基贡断层间,上寨倒转背斜核部(图 1b),地层为三叠系黑色、灰色薄至中层状板岩、变质砂岩,脉状石英脉发育。2样品采集与测试方法本次水样采集于 2021 年 6 月至 2021 年 12 月,RG01RG03 分别采于壤古温泉平水期(6 月)、丰 390沉积与特提斯地质(2)水期(9 月)和枯水期(12 月),S01S
25、04 为冷泉水样,DB01 为俄尔柯地表水。水样的采集与处理严格按照地热资源地质勘查规范(GB/T 116152010)对样品进行保存和运输,采样时现场测定温度、溶解性总固体,测试由具有检测资质单位测试完成。理疗热矿水分析由四川省华地新能源环保科技有限责任公司完成,氘氧同位素分析由中国地质科学院水文地质环境地质研究所完成,放射元素(氡)由核工业二八研究所完成。样品中的主要阳离子(K+、Na+、Ca2+和 Mg2+)和主要阴离子(Cl、SO42)分别通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICPOES)和离子色谱法(Diona ICS-1100)进行测定分析,电荷平衡误差低于5%。氢氧同位素分别采用高温
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