1、中低溫對流型地熱系統(tǒng)汪集 ( 中國科學院地質(zhì)研究所, 北京, 100029)摘要中低溫對流型地熱系統(tǒng)在自然界和我國有著廣泛的分布。這類地熱系統(tǒng)在闡明地區(qū)構(gòu)造活動性、地熱資源形成、分布以及水2巖相互作用和有用元素富集成礦等方面均有著十分重 要的意義。文章重點介紹中低溫對流型地熱系統(tǒng)的特點及其形成模式、在我國的分布, 并以漳州地區(qū)為例作出實例剖析。關鍵詞地熱系統(tǒng) 中低溫 對流型CL CP64115中低溫對流型地熱系統(tǒng)在自然界有著十分廣泛的分布。按照M u ff le r ( 1976) 最早提出、并一直為地熱界沿用1 3的地熱系統(tǒng)分類, 所謂“中低溫對流型地熱系統(tǒng)”是指那些溫度低于150 , 地下

2、深處沒有年輕巖漿活動作為附加熱源, 在正常或略為偏高的區(qū)域熱背景條件 下, 出現(xiàn)在孔隙裂隙介質(zhì)或斷裂破碎帶中的地下熱水環(huán)流系統(tǒng)。若按這一定義, 則在自然界廣泛出露的溫泉多數(shù)可看作這類地熱系統(tǒng)。我們知道, 高溫水熱系統(tǒng)一般出現(xiàn)在板緣或板內(nèi)一定部位, 且多數(shù)與年輕的酸性淺成巖漿活動有關, 因而在地區(qū)分布上有很大的局限性。中低溫對流型地熱系統(tǒng)則不然, 由于它不要求有附加熱源存在, 因此其地區(qū)分布的局限性要比高溫水熱系統(tǒng)好得多。美國地質(zhì)調(diào)查所在80年代初進行全美中低溫地熱資源評價時, 曾確 定出1 282個對流型地熱系統(tǒng)4。我國最新資料表明, 全國溫度高于25 可以看作對流型地熱系統(tǒng)的溫泉點共計2 5

3、09個, 其中多數(shù)為中低溫對流型地熱系統(tǒng)5。正因為中低溫對流型地 熱系統(tǒng)的分布面廣、數(shù)量大, 因此無論從地熱能開發(fā)利用還是從地熱研究角度出發(fā), 已日益 引起地學界和工業(yè)界的廣泛興趣和重視。從地球化學角度來看, 中低溫對流型地熱系統(tǒng)可以看作是一個正在進行各種水2巖相互作用的地球化學開放或半開放體系。近年來國內(nèi)外的大量研究表明, 這些體系也是某些金 屬, 包括金、鉑等貴金屬礦產(chǎn)資源及稀土乃至放射性礦產(chǎn)資源形成和富集的理想場所。我國 著名地球化學家、礦床學家涂光熾院士在1990年11月由中國科學院地學部主持召開的“地學 發(fā)展若干問題和對策研討會”上強調(diào)指出, 要特別重視地球表層熱狀態(tài)及熱水沉積成礦作

4、用, 因為除 H g、Sb、A s、U 等成礦元素可以在小于200 的中低溫環(huán)境下發(fā)生活化、遷移、富 集外, 通常認為在高溫條件下才活潑的 A u、P t, 以及某些稀土元素在中低溫環(huán)境下同樣容易活化和轉(zhuǎn)移, 并能形成一定規(guī)模的礦產(chǎn)資源。因此涂光熾院士建議在我國大力發(fā)展低溫地球 收稿日期: 1996209209作者簡介: 汪集 , 男, 1935年生, 中國科學院院士, 地熱學專業(yè)。 本研究受中國科學院基金資助。 96 化學和成礦規(guī)律研究。顯然, 中低溫對流型地熱系統(tǒng)是這類研究最為理想的天然實驗場所。1中低溫對流型地熱系統(tǒng)特點及其形成模式概括起來看, 中低溫對流型地熱系統(tǒng)具有如下特點: 第一是

5、沒有特殊的附加熱源, 即這類地熱系統(tǒng)主要靠正常或偏高的區(qū)域大地熱流量供熱和維持, 地下深處沒有與年輕酸性淺 成巖漿活動有關的巖漿房, 或正在冷卻中的大型巖基存在。這是與高溫水熱系統(tǒng)的根本區(qū) 別。第二是這類地熱系統(tǒng)中的地下水必須有足夠的水量和一定的循環(huán)深度, 才能在地下徑流 過程中將分散在巖體中的熱量“集中”起來, 形成中低溫熱水; 或通過水2巖相互作用, 將分散 在圍巖中的有用元素“富集”起來以形成有用的礦產(chǎn)資源。熱水或溫泉的溫度主要取決于循環(huán)深度和地熱系統(tǒng)所處的區(qū)域熱背景; 在熱背景一定的條件下, 熱水循環(huán)深度愈大, 溫度愈 高。第三是這類地熱系統(tǒng)多出現(xiàn)在斷裂破碎帶或兩組不同方向斷裂的交匯部

6、位, 巖體本身的 滲透性能很差, 主要靠裂隙及破碎帶導水, 在地形高差影響和相應水力壓差作用下形成地下 熱水環(huán)流系統(tǒng)。這種環(huán)流系統(tǒng)從對流機理上來說屬受迫對流, 以區(qū)別于高溫水熱系統(tǒng)由于溫 差所致的自由對流。第四是中低溫對流型地熱系統(tǒng)的形成或建立, 需要有一個時間過程,L ach en b ru ch 和 Sa ss ( 1977) 的理論分析表明, 對于一個由正常區(qū)域熱背景 (60mW m - 2 ) 供 熱、循環(huán)深度為410 km 、發(fā)育在裂隙巖體中的地熱系統(tǒng), 大約需要經(jīng)過10 萬年時間才能完 成6。同位素研究表明, 地下熱水在這類地熱系統(tǒng)中的滯留時間可達一千年或更長, 這主要取決于水交替

7、強度和地熱系統(tǒng)的規(guī)模3。國際知名地熱學家、美國科學院院士W h ite 博士在60年代末即給出過中低溫對流型地 熱系統(tǒng)的經(jīng)典模式 (W h ite, 1968)。如圖1所示, 正常或偏高的區(qū)域熱流從底部供熱, 大氣降水在補給區(qū)地形高點通過斷層或斷裂破碎帶向下滲透后進行深循環(huán), H 為循環(huán)深度。地下 水在徑流過程中不斷汲取圍巖中的熱量成為溫度不等的熱水, 在適當構(gòu)造部位 (一般為兩組斷裂交匯處) 出露地表即成溫泉或熱泉。地下水在從補給區(qū)到排泄區(qū)的受迫對流過程中即形 成一個環(huán)流系統(tǒng)。多數(shù)發(fā)育在諸如花崗巖體等結(jié)晶基巖中的這類系統(tǒng), 一般沒有松散蓋層或 蓋層極薄, 不起隔熱保溫作用。80年代初, 美國

8、地質(zhì)調(diào)查所在進行全美中低溫地熱資源評價時, R eed (1983)4基于所獲得的實際資料提出了三種不同類型的中低溫對流型地熱系統(tǒng), 但 其形成模式的核心與上述經(jīng)典模式雷同。針對上述特點和形成模式, 我們在研究中低溫對流型地熱系統(tǒng)時必須采用綜合性的地 質(zhì)、地球物理、地球化學方法。具體來說, 地質(zhì)方法主要是要解決地熱系統(tǒng)所處的大地構(gòu)造背景和小構(gòu)造環(huán)境, 因為正是這兩者決定著一個地區(qū)的斷裂發(fā)育程度和裂隙分布情況, 尤其要 對那些易于導水、導熱的新構(gòu)造和活動性斷裂作深入的分析研究, 這是地熱系統(tǒng)研究的基 礎。地球物理主要闡明地熱系統(tǒng)所處的區(qū)域熱背景和溫度場, 要確定不受地下水活動影響的 區(qū)域背景大地

9、熱流值。這在許多情況下是一件十分困難而又繁復的工作, 而且非傳統(tǒng)熱流測 試方法所能奏效。我們在漳州地熱系統(tǒng)采用了不同于傳統(tǒng)的熱流研究方法, 取得了該系統(tǒng)的背景和異常熱流值, 效果很好。溫度場情況亦是如此, 必須將地下水活動的影響考慮進去, 才 能得到較為理想的結(jié)果。其它一些地球物理勘探方法如米測溫、淺孔測溫、電、磁、重、震等在 圈定熱異常范圍、地熱系統(tǒng)分布面積以及地下熱水流場方面也有很大作用。地球化學包括同 位素研究, 主要解決熱水成因與補給源區(qū), 水2巖相互作用及熱流體組分的形成, 熱流體與圍 97 地學前緣1996, 3 ( 3 4)巖間的化學平衡及熱儲溫度, 熱水地下滯留時間或熱流體“年

10、齡”等問題。我們在漳州地區(qū)利圖1 中低溫對流型地熱系統(tǒng)經(jīng)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)( 據(jù)W h ite, 1968, 略作補充)12基巖裂隙介質(zhì); 22蓋層松散沉積; 32地下水流向; 42等溫線用熱水地球化學及同位素研究, 解決了一系列與該地熱系統(tǒng)成因類型劃分、熱水資源潛力評價等有關的理論和實際問題, 效果很好7。我國中低溫對流型

11、地熱系統(tǒng)的分布2從面上分布來看, 我國中低溫對流型地熱系統(tǒng)主要集中在東南沿海地區(qū)、膠遼山地和汾渭地塹系邊緣。這些都是新構(gòu)造活動強烈的地區(qū), 活動斷裂發(fā)育。萬天豐 ( 1984) 曾作過一個 統(tǒng)計, 絕大多數(shù)地熱系統(tǒng)都和一組或兩組活動斷裂有關, 并受現(xiàn)代構(gòu)造應力場的控制。在全 國89個已作過不同程度勘探工作的地熱系統(tǒng)中, 68% 與張性或張扭性活動斷裂直接相關,15% 受兩組共軛剪切斷裂的控制。必須指出, 東南沿海地區(qū)由于高溫熱泉出露比較多, 水熱活動比較強烈, 地表又有大量中生代燕山期花崗巖出露, 并有幾處新生代火山, 因此不少國 內(nèi)外地熱界人士曾認為, 本地區(qū)有可能出現(xiàn)溫度大于150 的高溫

12、水熱系統(tǒng), 甚至有干熱巖體存在, 并建議在閩、粵、瓊?cè)∵M行深部勘探以開發(fā)利用高溫地熱資源。然而我們近年來的研究表明, 本地區(qū)并不存在高溫水熱系統(tǒng)或干熱巖體所需的地質(zhì)構(gòu)造條件及高熱背景, 區(qū)域 平均熱流值在75mW /m 2 左右。從本地區(qū)不同程度勘探工作的幾個地熱系統(tǒng)看, 熱儲溫度均 98 前沿 邊緣 分支 熱點小于或等于140 , 地下熱水循環(huán)深度在315 410 km 左右, 屬典型的中低溫對流型地熱系統(tǒng), 其中不少 (如福州、漳州、灰湯、鄧屋、溫湯等) 目前已進行開發(fā)利用 (圖2, 表1)。表1 中國東南地區(qū)主要的中低溫地熱系統(tǒng)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, 花崗巖5, 花崗巖江西福建555, 花崗巖5, 花崗巖5, 花崗巖55廣東5, 花崗巖5, 花崗巖92855, 花崗巖555, 花崗巖5, 花崗巖海南實例剖析3位于福建省南部的漳州地熱系統(tǒng)是我國東南沿海地區(qū)所有地熱系統(tǒng)中溫度最高的一個, 在同類水熱系統(tǒng)中具有代表性。漳州盆地是一個面積約500 km 2 的菱型盆地, 盆地的基底 由中生代燕山期的花崗閃長巖構(gòu)成, 上覆厚約20 40m 不等的第四系松散沉積物。盆地內(nèi)發(fā)育的主要斷裂系統(tǒng)有兩組, 分別為

14、N E NW 一組和 N N E NW W 一組, 熱水的分布受這 100 2627保亭縣新村熱水 儋縣藍洋農(nóng)場場部88838413301260132H CO 32N aH CO 32C a2N a5, 石 英 二 長 巖, 砂巖, 安山巖1201101689090901213141516171819202122232425潮州市東山湖 豐順縣鄧屋 豐順縣豐良 揭西縣 ( 河婆) 湯埔 五華縣維民湯里 興寧縣葉南湯湖 河源市黃村熱水 和平縣貝墩熱水坑 龍川縣上坪熱水 始興縣澄江暖泉 中山市雍陌熱泉 陽江市新洲熱水 陽西縣儒洞咸水湖 電白麻崗熱水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, 火山巖k 2, 砂巖J 1, 砂巖3, 花崗巖521, 花崗

16、閃長巖 花崗巖2, 花崗巖52, 花崗巖2, 花崗巖2214013513595110130115135135130125140110110227806620約100 約100 約100 約1009330910494941041029215908691951024567891011清流縣賴坊 大田縣湯泉 德化縣南埕 安溪縣榜頭 廈門市杏林 廈門市湯岸 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, 花崗巖 2, 花崗巖 J 3, 花崗巖2222, 花崗巖2, 花崗巖110128120115125110130140530911071211597151053遂川縣湯湖82200140H CO 32N a2C a3黑云母花崗巖1155208719821112寧鄉(xiāng)縣灰湯 汝城縣熱水圩8891154101001320117H CO 32N aH CO 32N a2Z, 碎屑巖212511561620010292128991序 號位置及名稱泉水溫度( )水量(L /s)礦化度(g/L )水化學類型熱儲巖層熱儲溫度估

18、算及實測值估算( )井深(m )井內(nèi)最高 溫度 ( )井口溫 度 ( )地學前緣1996, 3 ( 3 4)兩組斷裂的控制。從水文地質(zhì)上看, 漳州盆地是個小型自流水盆地, 地下水的補給區(qū)位于盆地的邊緣, 排泄區(qū)位于盆地的中心部位, 漳州地熱田即位于盆地中心地下水排泄區(qū)。熱田區(qū) 熱水的最高溫度為12115 , 熱田中心區(qū)單井最大自流量可達500m 3 /d, 單井涌水量可達1500m 3 /d 以上。熱水的水化學類型以 C l2N a 為主, 其礦化度最高可達12 g /L 。根據(jù)地下水動 態(tài)觀測資料, 地下熱水的流量和化學成分十分穩(wěn)定。氫氧穩(wěn)定同位素 (D、18O ) 研究表明, 漳州地熱系統(tǒng)

19、的熱水起源于大氣降水。熱水的同位 素成分與當?shù)卮髿饨邓南鄳煞质纸咏８鶕?jù)高程效應確定的補給區(qū)為盆地西北部邊緣的天寶大山及其毗鄰地區(qū), 高程在800 1 000m 之間。熱水中溶解氣體成分以大氣成因的N 2 為主, 沒有發(fā)現(xiàn)與巖漿作用關系密切的氣體成分。用氚 (3H ) 定年方法對熱水進行年齡測 定表明, 研究區(qū)熱水的3H 值很低; 來自基巖深處的熱咸水3H 值最低 ( < 312 TU )。計算結(jié)果顯示, 熱水年齡大于30年, 亦即熱水是在早于30年以前滲入地下的大氣降水。根據(jù)熱水中非反應組分之間及其與熱水溫度之間的線性關系, 可以判斷熱水的高礦化 度與高 C l- 成分系由于海水

20、的混入所致。根據(jù)化學成分及同位素成分按照混合關系求得的海水與淡水的混合比為1 2。熱水的化學與同位素成分可以反映出熱儲的溫度, 我們采用混合模型所計算的熱儲溫度為140 。圖3漳州地熱系統(tǒng)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, 漳州盆地中發(fā)育了兩組斷裂。一組為 N E NW 向; 另一組為 N N E NW W向。研究表明, 后者比前者時代更新, 是喜山期形成的斷裂構(gòu)造, 有些可能是在第四紀以來有 過地震活動的斷裂。對漳州地熱田地溫分布所作的趨勢面分析并將其與斷裂分布作對比發(fā) 101 前沿

21、邊緣 分支 熱點現(xiàn), 熱異常的分布與新構(gòu)造斷裂交匯點呈對應關系。這表明熱水上涌通道應由新構(gòu)造主干斷裂交匯形成的高滲透帶造成。熱水循環(huán)深度是地熱系統(tǒng)成因分析及資源評價中的重要參數(shù),我們采用管道模型計算得出的循環(huán)深度為314 410 km , 這與其它地質(zhì)證據(jù)相吻合。 溫度場研究結(jié)果表明, 漳州盆地內(nèi)幾乎所有的溫度數(shù)據(jù)均反映出地下水活動的強烈影響。因此用常規(guī)方法很難求出可靠的背景熱流值。為此, 我們采用了將地熱、地球化學以及水文地質(zhì)資料相結(jié)合的方法進行計算。結(jié)果表明, 漳州盆地的背景熱流值為73mW /m 2。熱田區(qū) 受對流影響的異常熱流值為359mW /m 2 , 約相當于背景傳導熱流值的5倍。

22、綜上所述, 漳州地熱系統(tǒng)的成因模式可概括如下 (圖3) : 在比較高 ( 73mW /m 2 ) 的區(qū)域熱流背景上, 大氣降水 ( D = - 59. 29, 18O = - 7. 66) 由盆地邊緣的補給區(qū) ( 高程為8001 000m ) 滲入地下。在由補給區(qū)向盆地中心排泄區(qū)流動過程中, 不斷從圍巖中汲取熱量并自 身加熱, 在盆地中心的排泄區(qū)達到一定溫度并上涌至地表。漳州熱田區(qū)的異常熱流值為359mW /m 2; 熱儲溫度為140 ; 地下熱水的循環(huán)深度為315 4 km 。在地熱系統(tǒng)深處, 淡的 熱水與咸的海水之間發(fā)生了混合作用 (M 1 ) , 導致熱水的礦化度增加。混合之后形成的熱咸

23、水沿新構(gòu)造主干斷裂交匯形成的高滲透率通道上涌, 在地殼淺部與第四系含水層或淺部基巖中的冷水發(fā)生再次混合 (M 2 ) , 形成了廣泛分布于盆地內(nèi)的中低溫地下熱水7。參考文獻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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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 地學前緣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; 責任編輯