【摘要】：2015-2017年課題組連續(xù)三年對青海共和-貴德盆地進行了野外地質(zhì)調(diào)查,在對地表熱顯示的現(xiàn)場采樣中發(fā)現(xiàn)貴德地熱田出露熱泉有間歇噴涌現(xiàn)象(間歇泉)且在地表出露大量帶有烘烤痕跡的方解石巖脈,共和地熱田的熱泉采樣溫度和電導率值顯示出明顯的熱儲分層特征。這些地熱地質(zhì)現(xiàn)象是深部地熱活動在地表的直接表現(xiàn),那么能否根據(jù)出露的流體、氣體和蝕變礦物的化學及同位素分析來推測深部的地熱儲層特征成為本文的研究目標。以往對地熱儲層特征的研究多集中在鉆探、物化探和室內(nèi)實驗研究,這些研究獲取了熱儲的大量關鍵參數(shù)及定性和定量認識。本文在前人研究的基礎上,力圖改進深部流體的淺層響應方法,并利用流體滲流-化學(同位素)耦合模擬方法對地熱儲層的溫度、礦物自封閉區(qū)域及補給過程等特征進行定量化研究。本次研究的成果在多種類型熱儲溫度預測方面可降低地熱勘探成本,水-熱-化學(同位素)場地級數(shù)值模擬方法可為經(jīng)濟地確定熱儲層特征提供科學依據(jù)和技術支撐。隨著全球范圍內(nèi)能源和環(huán)境危機日益加重,尋找環(huán)境友好的新能源成為世界各國研究的熱點。地熱能由于其資源量大、可再生、開采穩(wěn)定和清潔環(huán)保等優(yōu)勢已經(jīng)成為一種大規(guī)模推廣的新能源。我國進入“十三五”以來(2016-2020年),在治理霧霾和節(jié)能減排的雙重壓力下,地熱能迎來了重要的發(fā)展機遇。地熱資源有效開發(fā)的前提是充分了解地熱儲層特征,包括熱儲層的溫度及其分布規(guī)律、地熱流體的來源及其流動過程、儲層中的水-巖相互作用等。然而,對地熱儲層特征的分析目前仍面臨諸多挑戰(zhàn):鉆探方法直接有效但經(jīng)濟投入高;地球物理勘探存在多解性問題;實驗室研究難以直接仿真場地級地熱流體運動過程。而基于野外地質(zhì)調(diào)查中對出露熱泉和巖石的水化學、同位素、巖石物性等參數(shù)的獲取,建立流體滲流-化學(同位素)耦合模型將是認識地熱儲層特征有效且經(jīng)濟的方法。本文將以我國典型地熱田為例(青海共和-貴德盆地,云南騰沖地熱田),對地熱儲層特征進行以下三個方面的研究:(1)基于野外采集的淺表水化學數(shù)據(jù),改進地熱溫度計以確定地溫場分布;(2)建立水-熱-化學場地級數(shù)值模型,研究地熱流體在熱儲中的循環(huán)過程及水化學演化規(guī)律,確定礦物自封閉區(qū)域;(3)建立穩(wěn)定同位素天然模型以分析D和18O同位素在地熱系統(tǒng)中的運移規(guī)律,并研究在深部流體補給存在的條件下儲層溫度場和穩(wěn)定同位素場的變化關系。在改進地熱溫度計方面以火山型、沉積盆地型和斷裂帶型等三種類型的地熱系統(tǒng)做實例,來闡述集成的礦物組合地溫計方法在預測熱儲溫度方面的應用,以及在處理不同類型地熱水的地表化學響應的新思路和修復策略。在火山型地熱系統(tǒng)-騰沖熱海地熱田的熱儲溫度預測中,為了增加預測的準確性本文重建了深部流體水化學組分,引入集成的礦物組合地溫計(Integrated Multicomponent Geothermometry,IMG)并將其與傳統(tǒng)地溫計進行了比較。應用IMG方法預測了騰沖熱海地熱田的儲層溫度。結(jié)果顯示使用石英溫度計計算的儲層溫度最接近于使用IMG方法估算的儲層溫度。Al和Mg濃度以及所選化學平衡礦物是成功應用IMG方法的關鍵。將IMG方法與傳統(tǒng)地溫計結(jié)合使用可以顯著提高熱儲溫度估算的可信度,該方法對其它火山型地熱田的熱儲溫度估算有借鑒意義。位于青藏高原東北緣的共和盆地被認為是干熱巖(Hot Dry Rock,HDR)資源的潛在靶區(qū)。作為沉積盆地的共和盆地發(fā)育了典型的層狀地熱儲層,地溫梯度超過55℃/km,位于不同層位的地熱系統(tǒng)通過隱伏斷層相連。為了研究層狀熱儲的溫度分布,首次提出一種新的方法處理深、淺水混合問題,該方法基于Al(和Mg)濃度在深、淺熱儲中的顯著差異,利用同一個水樣中Al(和Mg)濃度的優(yōu)化值和實測值分別代表深、淺熱儲水化學特征重建了深、淺熱儲水化學組分,并分別給出了深、淺熱儲的預測溫度。該研究成功預測了在共和地熱田存在三個不同深度的地熱儲層,并且準確地估算了各個儲層的溫度。該方法可用于具有相似地質(zhì)和地熱條件的其它地熱田,對地熱儲層特征研究具有理論價值和實用價值。貴德扎倉地熱田屬于斷裂帶型地熱系統(tǒng),對其熱儲溫度的研究綜合利用了騰沖和共和工作中總結(jié)的方法。結(jié)果顯示貴德扎倉地熱田的熱儲溫度范圍為144~161℃,平均溫度和標準差為153.6±7.4℃。得到的結(jié)果與研究區(qū)ZR1鉆孔底部的實測溫度(151.34℃)相近,從而判定鉆孔ZR1的深度(3050.7 m)即是該熱田深部流體的最大循環(huán)深度,該結(jié)論為后文中對貴德扎倉地熱田水-熱-化學(同位素)模型的建立提供了邊界條件。溫度場的確定為研究地熱系統(tǒng)中的化學變化創(chuàng)造了可能。地熱系統(tǒng)中的水-巖相互作用可能導致導水通道的封閉,這會降低儲層的滲透性并影響地熱井的產(chǎn)熱效率。然而,基于有限數(shù)量的地熱鉆孔很難揭示深埋地下的地熱儲層的自封閉范圍。本文通過反應溶質(zhì)運移模型重建了斷裂帶型地熱系統(tǒng)(貴德盆地扎倉地熱田)的自封閉過程�；贛INC(multiple interacting continua)方法對模型域進行離散化,以解決斷裂裂隙中基質(zhì)與裂隙之間的非平衡熱傳輸過程。通過對比快速上升通道(ZR1)中溫度曲線的計算值和實測值驗證了水-熱場,通過對比排泄水主要離子組分濃度的計算值和實測值驗證了化學場,之后使用驗證模型來確定儲層中水-熱-化學的耦合過程以及由此產(chǎn)生的自封閉范圍。結(jié)果表明,在補給水中含有較高濃度Ca2+和Mg2+的條件下,溶解的鈉長石和鉀長石導致了斷層F2中部和底部的鈣蒙脫石和伊利石沉淀。排泄區(qū)地表出露的大量方解石水熱蝕變巖脈是由于地表附近的水平流攜帶了大量的Ca2+和HCO-3而生成的。這些水熱蝕變活動導致了地熱系統(tǒng)排泄區(qū)的滲透率與初始值(100 mD)相比下降了15%。此外,在補給區(qū)、流體深循環(huán)上游區(qū)、流體深循環(huán)下游區(qū)的快速上升通道形成了另外三個礦物自封閉區(qū)域。自封閉效應阻礙了地熱流體的深循環(huán)和吸熱,這將使斷裂帶型地熱系統(tǒng)逐漸閉合。穩(wěn)定同位素2~H和18~O能有效確定地下水補給的水源、速率和溫度。為了研究地熱儲層補給過程,本文基于貴德扎倉地熱田建立了水-熱-同位素(D、18O)天然模型,對天然模型的分析理清了穩(wěn)定同位素在地熱系統(tǒng)中的運移規(guī)律。然后,以此為基礎探討了當有深部流體補給條件下穩(wěn)定同位素的變化,并得到了同位素在排泄區(qū)的變化規(guī)律對預測深部水熱特征的地表響應問題的一些認識。綜上所述,本次研究所建立的熱儲溫度預測方法、水熱化學(同位素)耦合模擬技術為根據(jù)淺部水化學數(shù)據(jù)分析深部高溫熱儲層溫度、孔滲、水源和熱源提供了新的途徑,可為地熱資源評價提供技術支撐。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P314
【圖文】：

圖 1.1 礦物組合地溫計的計算示例物組合地溫計存在的一些缺點一直阻礙著該方法在地熱部地熱流體上升到地表過程中可能會與淺層地下水混合，降可能會發(fā)生閃蒸氣損作用（脫氣作用），如何處理混合

圖 1.2 地熱水 Cl-焓模式圖解（據(jù)王思琪，2017）[與 Cl-焓模式類似，但其可以對未沸騰和沸騰的混合圖以焓值為 X 軸，SiO2濃度為 Y 軸。將各取樣點的數(shù)英溶解度曲線。再畫一條通過數(shù)據(jù)點的直線（擬合

圖 1.3 地熱水 Si-焓模式圖解（據(jù)劉昭，2014）[39]Si-碳酸模式是基于地熱水中 Si 和總碳酸含量之間的關系來預測混合水元的溫度。該模式中假設 Si 以硅酸的形式存在，碳酸以 CO2的形式存式還可用于分辨沸騰水和未沸騰水[40]。

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3 文慧儉;施尚明;孫小潔;;松遼盆地有效熱儲層的識別與劃分技術[J];科學技術與工程;2011年06期

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本文編號：2765368