鲜水河断裂康定-磨西段地热系统成因及开发利用研究

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地热资源作为可持续的绿色清洁能源,对于生态环境保护和社会经济发展具有重要的作用。鲜水河断裂康定-磨西段位于青藏高原东缘,隶属川西地热带,赋存有丰富的地热资源,康定-磨西段在印度-欧亚板块碰撞后形成了复杂的地热地质背景,为地热资源的开发利用增加了难度,其瓶颈在于鲜水河断裂对地热资源出露规律的控制、地热系统要素(盖层、储存、通道和来源特征)等研究的多方位难度,因而亟需完善康定-磨西段地热系统的成因模式,以期为推动研究区地热资源的开发利用提供重要的理论依据。论文基于近年来在康定-磨西一带的地热实践课题积累,在国家重点实验室课题的支持下,采用区域地质调查、样品采集测试,借助bootstrap和半变异函数方法剖析了构造裂隙空间特征,探讨了鲜水河走滑断裂系统对地热资源富集的控制作用;利用地热系统的水文地球化学特征信息,研究了地热水循环过程中的水-岩作用、补给来源、混合作用和赋存环境;进而综合分析了地热系统的盖层、热储、通道和来源特征,建立起成因模式概念模型;并从天然流量法和体积法计算地热水资源量、热水的水质、腐蚀性和碳酸钙结垢性等开发基本要素。在系统的研究工作中取得了如下创新成果:(1)在压扭性应力状态下,康定-磨西段地热资源的分布受到鲜水河走滑断裂系统的控制,集中分布于老榆林拉分盆地、海螺沟断裂交汇与切穿背斜两翼处、和草科负花状构造区。不同地热区中,构造裂隙的发育程度和空间连续性越高,温泉的出露规模越大。(2)老榆林地热区热水的水化学类型具有明显的分带性,在老榆林地热区钻孔热水和拉分盆地中部温泉热水的水化学类型均为Na-HCO3-Cl,由中部向边缘过渡为Na-HCO3型。海螺沟和草科地热区的钻孔热水和温泉热水具有相似的水化学类型,均为Na-(Ca)-HCO3型。(3)研究区地热系统的常量元素相关性分析、Cl-与微量元素关系、稀土元素配分曲线以及氢氧、碳、锶同位素等信息表明,老榆林钻孔热水形成于幔源物质加入的深部花岗岩热储,补给高程为42484292 m,海螺沟钻孔热水、温泉热水则赋存于碳酸盐岩变质热储中,补给高程为28353866 m,混入了约69%72%的浅部冷水。SiO2、阳离子和地球化学热动力温标进一步分析显示研究区深部花岗岩和碳酸盐岩变质热储温度为232235℃和201205℃;浅部碳酸盐变质热储温度为143193℃。(4)研究区地热系统的成因模式为:在川西地区优越的地热地质背景下,贡嘎山区的冰雪融水在下渗过程中受到燕山-喜山期贡嘎山花岗岩基的放射性元素(U、Th、K)生热、中-下地壳高温部分熔融体和鲜水河断裂走滑摩擦生热的共同作用,在老榆林地热区深约4.7 km的花岗岩热储形成Na-HCO3-Cl型深部热水,在海螺沟和草科地区深约3.8 km的碳酸盐岩变质热储形成Na-HCO3型深部热水。深部热水沿继续上升至深约50300 m的碳酸盐岩变质热储,与Ca-HCO3型浅部冷水混合,形成Na-Ca-HCO3型浅部热水,最终在老榆林拉分盆地、海螺沟断裂交汇处和草科“负花状”构造区出露形成温泉,其盖层为构造裂隙被钙质胶结充填的花岗岩和片岩以及局部较厚的第四系沉积物。(5)基于天然流量法预测的研究区天然温泉热水的年开发潜力为1.225×1014J,基于体积法预测老榆林地热区的年开发潜力为5.3×1016 J,老榆林地热区可提供装机容量56 MW的发电量运行30年,具有较大的发电潜力。地热资源不能直接饮用,可作为医疗热矿水利用,腐蚀性轻微,不易结垢。地质、测氡和电法勘查结果显示,地热水在磨子沟地区开发潜力较好,已成功获得温度41℃和流量400 m3/d的地热水。
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