中低温对流型地热系统

1、中低温对流型地热系统汪集 ( 中国科学院地质研究所, 北京, 100029)摘要中低温对流型地热系统在自然界和我国有着广泛的分布。这类地热系统在阐明地区构造活动性、地热资源形成、分布以及水2岩相互作用和有用元素富集成矿等方面均有着十分重 要的意义。文章重点介绍中低温对流型地热系统的特点及其形成模式、在我国的分布, 并以漳州地区为例作出实例剖析。关键词地热系统 中低温 对流型CL CP64115中低温对流型地热系统在自然界有着十分广泛的分布。按照M u ff le r ( 1976) 最早提出、并一直为地热界沿用1 3的地热系统分类, 所谓“中低温对流型地热系统”是指那些温度低于150 , 地下

2、深处没有年轻岩浆活动作为附加热源, 在正常或略为偏高的区域热背景条件 下, 出现在孔隙裂隙介质或断裂破碎带中的地下热水环流系统。若按这一定义, 则在自然界广泛出露的温泉多数可看作这类地热系统。我们知道, 高温水热系统一般出现在板缘或板内一定部位, 且多数与年轻的酸性浅成岩浆活动有关, 因而在地区分布上有很大的局限性。中低温对流型地热系统则不然, 由于它不要求有附加热源存在, 因此其地区分布的局限性要比高温水热系统好得多。美国地质调查所在80年代初进行全美中低温地热资源评价时, 曾确 定出1 282个对流型地热系统4。我国最新资料表明, 全国温度高于25 可以看作对流型地热系统的温泉点共计2 5

3、09个, 其中多数为中低温对流型地热系统5。正因为中低温对流型地 热系统的分布面广、数量大, 因此无论从地热能开发利用还是从地热研究角度出发, 已日益 引起地学界和工业界的广泛兴趣和重视。从地球化学角度来看, 中低温对流型地热系统可以看作是一个正在进行各种水2岩相互作用的地球化学开放或半开放体系。近年来国内外的大量研究表明, 这些体系也是某些金 属, 包括金、铂等贵金属矿产资源及稀土乃至放射性矿产资源形成和富集的理想场所。我国 著名地球化学家、矿床学家涂光炽院士在1990年11月由中国科学院地学部主持召开的“地学 发展若干问题和对策研讨会”上强调指出, 要特别重视地球表层热状态及热水沉积成矿作

4、用, 因为除 H g、Sb、A s、U 等成矿元素可以在小于200 的中低温环境下发生活化、迁移、富 集外, 通常认为在高温条件下才活泼的 A u、P t, 以及某些稀土元素在中低温环境下同样容易活化和转移, 并能形成一定规模的矿产资源。因此涂光炽院士建议在我国大力发展低温地球 收稿日期: 1996209209作者简介: 汪集 , 男, 1935年生, 中国科学院院士, 地热学专业。 本研究受中国科学院基金资助。 96 化学和成矿规律研究。显然, 中低温对流型地热系统是这类研究最为理想的天然实验场所。1中低温对流型地热系统特点及其形成模式概括起来看, 中低温对流型地热系统具有如下特点: 第一是

5、没有特殊的附加热源, 即这类地热系统主要靠正常或偏高的区域大地热流量供热和维持, 地下深处没有与年轻酸性浅 成岩浆活动有关的岩浆房, 或正在冷却中的大型岩基存在。这是与高温水热系统的根本区 别。第二是这类地热系统中的地下水必须有足够的水量和一定的循环深度, 才能在地下径流 过程中将分散在岩体中的热量“集中”起来, 形成中低温热水; 或通过水2岩相互作用, 将分散 在围岩中的有用元素“富集”起来以形成有用的矿产资源。热水或温泉的温度主要取决于循环深度和地热系统所处的区域热背景; 在热背景一定的条件下, 热水循环深度愈大, 温度愈 高。第三是这类地热系统多出现在断裂破碎带或两组不同方向断裂的交汇部

6、位, 岩体本身的 渗透性能很差, 主要靠裂隙及破碎带导水, 在地形高差影响和相应水力压差作用下形成地下 热水环流系统。这种环流系统从对流机理上来说属受迫对流, 以区别于高温水热系统由于温 差所致的自由对流。第四是中低温对流型地热系统的形成或建立, 需要有一个时间过程,L ach en b ru ch 和 Sa ss ( 1977) 的理论分析表明, 对于一个由正常区域热背景 (60mW m - 2 ) 供 热、循环深度为410 km 、发育在裂隙岩体中的地热系统, 大约需要经过10 万年时间才能完 成6。同位素研究表明, 地下热水在这类地热系统中的滞留时间可达一千年或更长, 这主要取决于水交替

7、强度和地热系统的规模3。国际知名地热学家、美国科学院院士W h ite 博士在60年代末即给出过中低温对流型地 热系统的经典模式 (W h ite, 1968)。如图1所示, 正常或偏高的区域热流从底部供热, 大气降水在补给区地形高点通过断层或断裂破碎带向下渗透后进行深循环, H 为循环深度。地下 水在径流过程中不断汲取围岩中的热量成为温度不等的热水, 在适当构造部位 (一般为两组断裂交汇处) 出露地表即成温泉或热泉。地下水在从补给区到排泄区的受迫对流过程中即形 成一个环流系统。多数发育在诸如花岗岩体等结晶基岩中的这类系统, 一般没有松散盖层或 盖层极薄, 不起隔热保温作用。80年代初, 美国

8、地质调查所在进行全美中低温地热资源评价时, R eed (1983)4基于所获得的实际资料提出了三种不同类型的中低温对流型地热系统, 但 其形成模式的核心与上述经典模式雷同。针对上述特点和形成模式, 我们在研究中低温对流型地热系统时必须采用综合性的地 质、地球物理、地球化学方法。具体来说, 地质方法主要是要解决地热系统所处的大地构造背景和小构造环境, 因为正是这两者决定着一个地区的断裂发育程度和裂隙分布情况, 尤其要 对那些易于导水、导热的新构造和活动性断裂作深入的分析研究, 这是地热系统研究的基 础。地球物理主要阐明地热系统所处的区域热背景和温度场, 要确定不受地下水活动影响的 区域背景大地

9、热流值。这在许多情况下是一件十分困难而又繁复的工作, 而且非传统热流测 试方法所能奏效。我们在漳州地热系统采用了不同于传统的热流研究方法, 取得了该系统的背景和异常热流值, 效果很好。温度场情况亦是如此, 必须将地下水活动的影响考虑进去, 才 能得到较为理想的结果。其它一些地球物理勘探方法如米测温、浅孔测温、电、磁、重、震等在 圈定热异常范围、地热系统分布面积以及地下热水流场方面也有很大作用。地球化学包括同 位素研究, 主要解决热水成因与补给源区, 水2岩相互作用及热流体组分的形成, 热流体与围 97 地学前缘1996, 3 ( 3 4)岩间的化学平衡及热储温度, 热水地下滞留时间或热流体“年

10、龄”等问题。我们在漳州地区利图1 中低温对流型地热系统经典模式F ig11 O la ssca l m o de l o f low 2m ed ium tem p e ra tu re geo the rm a l sy stem o f co nvect ive typ e (M o d if ied f rom W h ite, 1968)( 据W h ite, 1968, 略作补充)12基岩裂隙介质; 22盖层松散沉积; 32地下水流向; 42等温线用热水地球化学及同位素研究, 解决了一系列与该地热系统成因类型划分、热水资源潜力评价等有关的理论和实际问题, 效果很好7。我国中低温对流型

11、地热系统的分布2从面上分布来看, 我国中低温对流型地热系统主要集中在东南沿海地区、胶辽山地和汾渭地堑系边缘。这些都是新构造活动强烈的地区, 活动断裂发育。万天丰 ( 1984) 曾作过一个 统计, 绝大多数地热系统都和一组或两组活动断裂有关, 并受现代构造应力场的控制。在全 国89个已作过不同程度勘探工作的地热系统中, 68% 与张性或张扭性活动断裂直接相关,15% 受两组共轭剪切断裂的控制。必须指出, 东南沿海地区由于高温热泉出露比较多, 水热活动比较强烈, 地表又有大量中生代燕山期花岗岩出露, 并有几处新生代火山, 因此不少国 内外地热界人士曾认为, 本地区有可能出现温度大于150 的高温

12、水热系统, 甚至有干热岩体存在, 并建议在闽、粤、琼三省进行深部勘探以开发利用高温地热资源。然而我们近年来的研究表明, 本地区并不存在高温水热系统或干热岩体所需的地质构造条件及高热背景, 区域 平均热流值在75mW /m 2 左右。从本地区不同程度勘探工作的几个地热系统看, 热储温度均 98 前沿 边缘 分支 热点小于或等于140 , 地下热水循环深度在315 410 km 左右, 属典型的中低温对流型地热系统, 其中不少 (如福州、漳州、灰汤、邓屋、温汤等) 目前已进行开发利用 (图2, 表1)。表1 中国东南地区主要的中低温地热系统T ab le 1M a jo r low 2m ed i

13、umtem p e ra tu re co nvect ive geo the rm a l sy stem s in SE C h ina湖南5, 花岗岩5, 花岗岩江西福建555, 花岗岩5, 花岗岩5, 花岗岩55广东5, 花岗岩5, 花岗岩92855, 花岗岩555, 花岗岩5, 花岗岩海南实例剖析3位于福建省南部的漳州地热系统是我国东南沿海地区所有地热系统中温度最高的一个, 在同类水热系统中具有代表性。漳州盆地是一个面积约500 km 2 的菱型盆地, 盆地的基底 由中生代燕山期的花岗闪长岩构成, 上覆厚约20 40m 不等的第四系松散沉积物。盆地内发育的主要断裂系统有两组, 分别为

14、N E NW 一组和 N N E NW W 一组, 热水的分布受这 100 2627保亭县新村热水 儋县蓝洋农场场部88838413301260132H CO 32N aH CO 32C a2N a5, 石 英 二 长 岩, 砂岩, 安山岩1201101689090901213141516171819202122232425潮州市东山湖 丰顺县邓屋 丰顺县丰良 揭西县 ( 河婆) 汤埔 五华县维民汤里 兴宁县叶南汤湖 河源市黄村热水 和平县贝墩热水坑 龙川县上坪热水 始兴县澄江暖泉 中山市雍陌热泉 阳江市新洲热水 阳西县儒洞咸水湖 电白麻岗热水828792838281828815838473

15、90978181141451019118415531761171112841621171 1151614513471961112013301450153018911100131013801400126519231081321125C l2N aH CO 32N a H CO 32N a H CO 32N aH CO 32SO 42N a H CO 32SO 42N a H CO 32N aH CO 32N aH CO 32SO 42N aH CO 32N aC l2N aC l2N aC l2N a2C aC l2N a23J 3, 火山岩k 2, 砂岩J 1, 砂岩3, 花岗岩521, 花岗

16、闪长岩 花岗岩2, 花岗岩52, 花岗岩2, 花岗岩2214013513595110130115135135130125140110110227806620约100 约100 约100 约1009330910494941041029215908691951024567891011清流县赖坊 大田县汤泉 德化县南埕 安溪县榜头 厦门市杏林 厦门市汤岸 福州市 漳州市84818987828550 7055 72136103153177191117130155016501330124131591101512H CO 32SO 42N a H CO 32SO 42N a H CO 32N aH CO

17、32C l2N aC l2N aC l2N aH CO 32N aC l2N a1, 花岗岩 2, 花岗岩 J 3, 花岗岩2222, 花岗岩2, 花岗岩110128120115125110130140530911071211597151053遂川县汤湖82200140H CO 32N a2C a3黑云母花岗岩1155208719821112宁乡县灰汤 汝城县热水圩8891154101001320117H CO 32N aH CO 32N a2Z, 碎屑岩212511561620010292128991序 号位置及名称泉水温度( )水量(L /s)矿化度(g/L )水化学类型热储岩层热储温度估

18、算及实测值估算( )井深(m )井内最高 温度 ( )井口温 度 ( )地学前缘1996, 3 ( 3 4)两组断裂的控制。从水文地质上看, 漳州盆地是个小型自流水盆地, 地下水的补给区位于盆地的边缘, 排泄区位于盆地的中心部位, 漳州地热田即位于盆地中心地下水排泄区。热田区 热水的最高温度为12115 , 热田中心区单井最大自流量可达500m 3 /d, 单井涌水量可达1500m 3 /d 以上。热水的水化学类型以 C l2N a 为主, 其矿化度最高可达12 g /L 。根据地下水动 态观测资料, 地下热水的流量和化学成分十分稳定。氢氧稳定同位素 (D、18O ) 研究表明, 漳州地热系统

19、的热水起源于大气降水。热水的同位 素成分与当地大气降水的相应成分十分接近。根据高程效应确定的补给区为盆地西北部边缘的天宝大山及其毗邻地区, 高程在800 1 000m 之间。热水中溶解气体成分以大气成因的N 2 为主, 没有发现与岩浆作用关系密切的气体成分。用氚 (3H ) 定年方法对热水进行年龄测 定表明, 研究区热水的3H 值很低; 来自基岩深处的热咸水3H 值最低 ( < 312 TU )。计算结果显示, 热水年龄大于30年, 亦即热水是在早于30年以前渗入地下的大气降水。根据热水中非反应组分之间及其与热水温度之间的线性关系, 可以判断热水的高矿化 度与高 C l- 成分系由于海水

20、的混入所致。根据化学成分及同位素成分按照混合关系求得的海水与淡水的混合比为1 2。热水的化学与同位素成分可以反映出热储的温度, 我们采用混合模型所计算的热储温度为140 。图3漳州地热系统成因模式F ig13 Gene sis m o de l o f Zhangzho u geo the rm a l sy stem如前所述, 漳州盆地中发育了两组断裂。一组为 N E NW 向; 另一组为 N N E NW W向。研究表明, 后者比前者时代更新, 是喜山期形成的断裂构造, 有些可能是在第四纪以来有 过地震活动的断裂。对漳州地热田地温分布所作的趋势面分析并将其与断裂分布作对比发 101 前沿

21、边缘 分支 热点现, 热异常的分布与新构造断裂交汇点呈对应关系。这表明热水上涌通道应由新构造主干断裂交汇形成的高渗透带造成。热水循环深度是地热系统成因分析及资源评价中的重要参数,我们采用管道模型计算得出的循环深度为314 410 km , 这与其它地质证据相吻合。 温度场研究结果表明, 漳州盆地内几乎所有的温度数据均反映出地下水活动的强烈影响。因此用常规方法很难求出可靠的背景热流值。为此, 我们采用了将地热、地球化学以及水文地质资料相结合的方法进行计算。结果表明, 漳州盆地的背景热流值为73mW /m 2。热田区 受对流影响的异常热流值为359mW /m 2 , 约相当于背景传导热流值的5倍。

22、综上所述, 漳州地热系统的成因模式可概括如下 (图3) : 在比较高 ( 73mW /m 2 ) 的区域热流背景上, 大气降水 ( D = - 59. 29, 18O = - 7. 66) 由盆地边缘的补给区 ( 高程为8001 000m ) 渗入地下。在由补给区向盆地中心排泄区流动过程中, 不断从围岩中汲取热量并自 身加热, 在盆地中心的排泄区达到一定温度并上涌至地表。漳州热田区的异常热流值为359mW /m 2; 热储温度为140 ; 地下热水的循环深度为315 4 km 。在地热系统深处, 淡的 热水与咸的海水之间发生了混合作用 (M 1 ) , 导致热水的矿化度增加。混合之后形成的热咸

23、水沿新构造主干断裂交汇形成的高渗透率通道上涌, 在地壳浅部与第四系含水层或浅部基岩中的冷水发生再次混合 (M 2 ) , 形成了广泛分布于盆地内的中低温地下热水7。参考文献R ybach L. Geo th e rm a l sy stem co nduc t ive h ea t f low and geo th e rm a l anom a lie s. InG eoth erm a l S y stem sP r2incip a ls and C ase H istor ies ; R ybach and M uff le r ed s. N ew Yo rk Jo h n W ile

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27、T IVE TY PEW ang J iyangI n s t itu te of G eology A ca d em ia S in ica B e ij in g 100029A bstra c t L ow 2m ed ium tem p e ra tu re geo th e rm a l sy stem s o f co n vec t ive typ e a re w ide ly d is2t r ib u ted in n a tu re an d in C h in a. T h is so r t o f geo th e rm a l sy stem is o f si

28、gn if ican t im po r2 tan ce in u n de r stan d in g th e tec to n ic ac t iv ity th e fo rm a t io n an d d ist r ib u t io n o f geo th e rm a l re so u rce s a s w e ll a s th e w a te r2ro ck in te rac t io n an d th e co n cen t ra t io n o f o re2fo rm in g e le2 m en t s in th e stu dy reg io

29、 n. In th is p ap e r th e ch a rac te r ist ic s an d gen e sis m o de l o f th e se 102 地学前缘1996, 3 ( 3 4)geo th e rm a l sy stem s th e d ist r ib u t io n o f th e sy stem an d ca se h isto ry f rom Zh an gzho u a rea F u jian P ro v in ce o f SE C h in a a re g iven b r ief ly.Key word s geo th e rm a l sy stem low 2m ed ium tem p e ra tu re co n vec t ive typ e; 责任编辑