（环境工程专业论文）关中盆地中部地压型地热流体环境同位素水文地球化学特征研究.pdf

摘要 在以往的研究中，我们发现关中盆地深部( 2 6 0 0 4 1 0 0 米) 成阳及部分西安热储流 体特征有异于一般常压热储流体。盆地深部莫霍面上拱，埋藏较浅( 3 2 公里) ，其热储 流体喷出地表的水柱高度高达+ 5 7 5 - - - + 1 2 0 m ，热水井口温度高达1 2 0 c ，估算最大热储 温度在1 5 0 c 以上。其热储流体6d 值比海水小，与常压地下热水相比又不是常数，此 压力异常地热流体很有可能为地压型热储流体。 本文用同位素与水文地球化学相结合的方法，研究了关中盆地中部西安、咸阳地热 流体的性质，将其定义为地压型地热流体，并将关中盆地地压型地热流体的分布范围界 定为西安凹陷中心，即咸阳及西安西北郊、接近渭河的区域。同位素水化学证据也表明， 这两部分地压型地热流体样点性质相似，推测渭河断裂对地下热水具有较大的影响，西 安西北郊地热流体及咸阳地热流体之间可能具有一定程度的水力联系。但西安部分热水 样点在2 0 0 0 4 0 0 0 m 之间，61 8 0 随埋深增大基本不变，甚至小幅减小，温度、61 3 c 、 r n j r a 、r s 0 4 1 0 0 r c l 也呈现类似的趋势，提示西安深部热储层半开放半封闭。 研究61 8 0 和6d 数据的结果表明：盆地中部西安、咸阳地压型地热流体发生了明 显的1 8 0 同位素漂移，并在1 8 0 漂移末端分别出现2 h 同位素漂移，表明其水岩反应强 烈；盆地南部及北部的地热水基本不发生氢氧同位素漂移。1 8 0 同位素交换的影响因素 包括水温、水岩比、水岩反应、围岩、滞留时间及热水埋深。 关中衙地南部及北部热水均沿关中大气降水线展布，表明其由现代大气降水或浅层 地表水补给；盆地中部西安、咸阳地压型地热流体在61 8 0 漂移线与大气降水重合处分 别与秦岭山前地热水的6d 平均值及渭北地热水的6d 组成基本一致，提示其补给源分 别为秦岭山前古代大气降水及盆地北部北山大气降水。 根据n a k - m g 三角图计算，关中盆地中部地压热储流体热储温度最高( 1 5 8 c ) ； 盆地南部及北部热水样点位于未成熟区域，估算的热储温度最低，属于不合理水样；西 安地压型地热流体样点多数落在部分平衡区域内，指示水岩平衡程度不高或有局部冷水 混入，其计算的热储温度仅作参考。 关中盆地中部咸阳及西安西北郊地压型地热流体所处的地质环境相对最为封闭，可 划分为相对封存型热水；西安大部分地热流体可划分为半开放半封存型热水；盆地南部 及北部热水地质环境相对开放，可划分为相对开放型热水。 关键词：关中盆地中部，地压型地热流体，墙。漂移，循环模式，热储温度 d u r i n go u rp a s tr e s e a r c h ， g e o t h e r m a l w a t e r si n d e e p a b s t r a c t i tw a sf o u n dt h a tf e a t u r e so fx i a ny a n ga n dp a r to fx i a l l g u a n z h o n gb a s i n ( 2 6 0 0 4 1 0 0 m ) w e r e d i f f e r e n tf r o m n o r m a l 。p r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r s t h em o h os u r f a c ei nt h ed e e pb a s i nw a sh a u n c h i n gu p a n dw a ss h a l l o w l yb u r i e d ( 3 2 k m ) ，a n dt h ew a t e rh i g h to fg e o t h e r m a lw a t e r sf r o mt h eg r o u n d h e r ec o u l db eu pt o5 7 5 - 1 2 0 m t h ew a t e rt e m p e r a t u r e sa tt h em o u t ho fw e l l sw a sa sh i g ha s 1 2 0 t h em a x i u me v a l u a t e dr e s e r v o i rt e m p e r a t u r ew a sm o r et h a n1 5 0 t h e6dv a l u e s o ft h e s eg e o t h e r m a lw a t e r sw e r es m a l l e rt h a ns e aw a t e r , a n dw a sn o tac o n s tc o m p a r i n gw i t h n a o m a l 。p r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r s t h e s eu n n o m a l l yp r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r sm i g h tb e g e o p r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r s u s i n gi s o t o p i ca n dh y d r o c h e m i c a lm e t h o d s ，f e a t u r e so fg e o t h e r m a lw a t e r si nt h ec e n t r a l g u a n z h o n gb a s i n ，x i a na n dx i a ny a n g ，w e r es t u d i e d ，a n dt h e s eg e o t h e r m a lw a t e r sw e r e d e f i n e da sg e o p r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r s t h er a n g eo fg e o p r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r si n g u a n z h o n gb a s i nc a nb ed e f i n e da st h ec e n t r a lx i a np i t ，t h a ti sx i a ny a n ga n dn o a h w e s t x i a n ，a d j a c e n tt ow e ir i v e r b ya n a l y z i n gi s o t o p i ca n dh y d r o - c h e m i c a lf e a t u r e s ，i tw a sa l s o f o u n dt h a tc h a r a c t e r i s t i c so fg e o t h e r m a lw a t e r si nx i a ny a n ga n dn o r t h e r nx i a l lw e r es i m i l a r , c o n f e r r i n gw e ir i v e rf a u l tm i g h th a v es o m ee f f e c t so ng e o t h e r m a lw a t e r s ，a n dt h e s e g e o t h e r m a lw a t e r sm i g h th a v eh y d r a u l i cc o n n e c t i o n st os o m ee x t e n t h o w e v e r , b e t w e e n 1 5 0 0 ma n d4 0 0 0 m ，t h e61 5 0v a l u e so fs o m eg e o t h e r m a lw a t e rs a m p l e si nx i a nr e m a i n e d t h es a r n eo re v e nd e c r e a s e dal i t t l e t e m p e r a t u r e ，6 cc o n t e n t ，r n j r oa n dr s 0 4 1 0 0 r as h o w e d s i m i l a rt r e n d ，s u g g e s t i n gt h ed e e p e rt h e r m a lw a t e rr e s e r v o i r sh a l fo p e na n dh a l fc l o s e d t h es t h d yr e s u l t so f6 心oa n d6dd a t ai n d i c a t e dt h a ts i g n i f i c a n to x y g e ne x c h a n g eh a d t a k e np l a c e ，a sw e l la sh y d r o g e ne x c h a n g ei nt h ee n do fo x y g e ne x c h a n g e ，s u g g e s t i n gt h a t t h e r m a lw a t e rr e s e r v o i ri nt h ec e n t r a lb a s i nh a dg o n et h o u g hs i g n i f i c a n tw a t e r - r o c kr e a c t i o n ， w h i l et h e r ew a sh a r d l ya n y1 8 0a n d2 he x c h a n g ei nt h es o u t ha n dn o a ho ft h eb a s i n c o n t r o l l i n gf a c t o r so f 埔os h i f t si n c l u d e dt e m p e r a t u r e ，w a t e r - r o c kr a t i o ，w a t e r r o c ki n t e r a c t i o n ， r e s i d e n c et i m ea n db u r i e dd e p t h g e o t h e r m a lw a t e r si nt h es o u t ha n dn o r t ho ft h eb a s i nw e r ea l o n gt h el o c a lm e t e o r i cw a t e r l i n e ，i n d i c a t i n gt h a tt h e yw e r er e c h a r g e db ym o d e r np r e c i p i t a t i o no rs h a l l o ws u r f a c ew a t e r s t h e6dv a l u e sa tt h ep o i n to fi n t e r s e c t i o no f61 8 0s h i f tl i n ea n dl o c a lm e t e o r i cw a t e rl i n e i n x i a na n dx i a ny a n gr e s p e c t i v e l y , w e r ea c c o r d a n tw i t ht h o s ei ng e o t h e r m a lw a t e r so fq i n l i n g m o u n t a i na n dn o r t h e r n m o u n t a i n s ，i n d i c a t i n gt h a t t h e i rr e c h a r g ea r e a sw e r ep o s s i b l y p r e c i p i t a t i o no fq i n l i n gm o u n t a i na n dm o r t h e r nm o u n t a i n sr e s p e c t i v e l y n a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o no fn a - k - m gt e r n a r yd i a g r a m ，t h er e s e r v o i rt e m p e r a t u r eo f g e o p r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r si nt h ec e n t r a lb a s i nw a s t h eh i g h e s t ，u pt o1 5 8 。c ；g e o t h e r m a l w a t e r si ns o u t ha n dn o r t ho ft h eb a s i nl o c a t e di nt h eu n m a t u r e da r e a ，c a l c u l a t e dr e s e r v o i r t e m p e r a t u r e sw e r et h el o w e s t ，a n dw e r eu n r e a s o n a b l es a m p l e s ；g e o t h e r m a lw a t e rs a m p l e s i n x i a nl o c a t e di np a r t l ym a t u r e da r e a ，i n d i c a t i n gm i x t u r ew i t hc o l dw a t e r so rl o we x t e n to f w a t e r - r o c ke q u i v a l e n c e ，c a l c u l a t e dr e s e r v o i rt e m p e r a t u r e sc o u l do n l yb ear e f e r e n c e t h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n to fg e o t h e r m a lw a t e r si nx i a na n dn o r t h e r nx i a nw a s r e l a t i v e l yt h em o s te n c l o s e d ，a n dw e r ed e f i n e da sr e l a t i v e l ye n c l o s e dg e o t h e r m a lw a t e r s ；t h e r e s ti n x i a nw a sd e f i n e da sh a l fe n c l o s e dh a l fo p e ng e o t h e r m a lw a t e r s ；t h eg e o l o g i c a l e n v i r o n m e n to fg e o t h e r m a lw a t e r si ns o u t ha n dn o r t ho ft h eb a s i nw e r er e l a t i v e l yo p e n ，a n d w e r ed e f i n e da sr e l a t i v e l yo p e ng e o t h e r m a lw a t e r s k e yw o r d ：t h ec e n t r a lo fg u a n z h o n gb a s i n ，g e o p r e s s u r e dg e o t h e r m a lw a t e r s ，1 8 0 s h i f t s ，c i r c u l a t i n gm o d e l ，r e s e r v o i rt e m p e r a t u r e s i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：劳，彬锄年上月“日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 掌地 w 年，月日 导师签名： 溉过 护f 年r 月衫日 长安人学硕t ：学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 选题目的与意义 1 1 1 选题目的 我国在2 0 0 6 年1 月1 日实施的可再生能源法中明确了地热属于可再生能源。 作为新能源家族的一员，地热资源是大自然赐予人类的无污染清洁能源。地热能源优势、 经济和环境效益，已经在全球得到了充分验证，世界各国地热能开发利用极为迅速。然 而，我国目前地热资源开发利用的现状是：地热资源的勘察评价程度低，国家对地热资 源研究及勘察投入严重不足，尤其是我国西部盆地型中低温地热资源尚未开展过系统地 热资源勘察研究，导致基础地热地质研究工作薄弱，地热资源的研究与勘察工作严重滞 后于地热开发，难以为地热资源的规划管理提供可靠支撑，有必要加强地热资源尤其是 西部沉积盆地型地压型地热的基础性研究【。 盆地型热储流体的起源、补给、循环运移、赋存环境及其可更新性一直是理论界以 及开发部门关注和争论的热点，也是可持续开发利用热水资源的关键性问题。利用环境 同位素水文地球化学方法研究热储流体的成因和起源是当前国内外比较新颖的研究方 法之一，也是近年来地热流体研究主要开展的方向【2 加l 。 在国家地质调查局项目“关中盆地地下热水环境同位素水文地球化学研究 1 1 0 l 及陕 西省自然科学基金项目“关中盆地地下热水循环机制及可更新性研究”中，我们发现关 中盆地深部( 2 6 0 0 4 1 0 0 米) 咸阳及部分西安热储流体特征有异于一般常压热储流体。 盆地深部莫霍面上拱，埋藏较浅( 3 2 公罩) ，其热储流体初始水头高达+ 5 7 5 一- , + 1 2 0 m ， 井口温度高达1 2 0 。c ，估算最大热储温度在1 5 0 。c 以上【1 1 - ”】。其热储流体6d 值比海水 小，与常压地下热水相比又不是常数，此压力异常地热流体很有可能为地压热储流体。 更令人感兴趣的是，热液中61 8 0 发生了显著漂移，其氘剩余d 值最小达到4 1 ( 图1 1 ) 。 世界上多数高温地热田氧同位素漂移现象比较常见，但在中低温地热田中出现这样明显 的氧漂移现象还鲜见报道，在我国中低温热储流体中也算首例。在研究中还发现，在关 中盆地腹地发生61 8 0 漂移的端元处，热储流体的6d 亦出现了明显的移动，并伴有1 3 c 、 3 4 s 与61 8 0 的同步富集【1 4 1 。此外，水气中h e 、c h 4 、h 2 s 气体及i 、b r 等组分含量显著 增高，热液中脱硫比r s 0 4 2 - 1 0 0 r a - 值办迅速减小，钠氯比r n a + r c i 2 0 0 m 3 h ， 为西安一咸阳地热田的主要开采层。 第四热储层段：为下第三系高陵群( n 1 9 ) ，顶板埋深1 5 9 5 2 3 9 1 m ，揭露最大厚度 7 1 1 6 m ，由泥岩、粉、细砂岩组成，砂岩层占层厚的1 3 3 ，平均地温1 0 1 ，地热井 一般与上覆灞河组混合开采，单井出水量7 0 m 3 1 左右。 第五热储层段：为白鹿塬组( e 3 b ) ：顶板埋深约为2 9 0 0 3 1 0 0 m ，是一套河湖相沉 积为主的地层。岩性为暗紫色、灰黄色泥岩与灰白色中细砂岩，含砾粗砂岩互层。 西安咸阳地热田在构造上东南与骊山凸起接壤，北为渭河南、北两断裂构成的地 堑，东紧靠泾阳临潼潜伏隆起，西以西安凹陷中的斗门小凹陷为邻，由于各构造的相 互穿插，导致区内地质构造很复杂，表现在： 1 断裂发育，将基底分割成形态各异、凹凸不等的断块； 2 地热田基底东南翘起，向西北倾伏，与盆地各构造呈北倾的总趋势不协调； 3 地热田东南地裂缝密集。 西安咸阳地热田的断裂构造均为活动性的基底构造，主要断裂构造有近东西向的 渭河南岸断裂、骊山北侧断裂、南窑头古迹岭断裂、双水磨等驾坡断裂；北西向的皂 河断裂、草阳村永宁村断裂、沪河断裂、灞河断裂；北东向的临潼长安断裂、以及近 南北向的沪灞河断裂。 第三章关中盆地中部两安、咸m 地热流体基奉特征 第三章关中盆地中部西安、咸阳地热流体基本特征 3 1 盆地中部地下热水的物理特征 关中盆地地下热水的物理特征总体表现为水温较高，部分热水压力较大，初始 水头较高。 3 1 1 关中盆地中部地下热水的温度 图3 1 为关中盆地中部地下热水的井口水温等值线图，可见热水温度由贫地周 边向盆地中部逐渐升高，并在西安凹陷中心西安、成阳地区达到最大值，咸阳地热 流体的最高温度为1 2 0 ，平均温度约为9 1 ，西安地热流体最高温度为9 8 ，平 均温度约为6 5 ，盆地北部热水平均温度约为3 6 ，盆地南部热水平均温度约为 5 6 2 。c ，可见盆地中部西安、咸阳地热流体的温度明显高于盆地周边地区水温。 1 9 15 0 0 0 01 9 2 0 0 0 0 口19 2 卯口d 口1 9 3 0 0 0 0 01 9 3 5 0 0 0 019 4 0 0 0 0 01 9 4 5 0 0 0 0 图3 1 关中盆地地下热水井口温度等值线图 ( - t - 地名一一等值线) 3 1 2 盆地中部西安成阳地热田异常地层压力及其特征 地层压力是指作用于地层孔隙空间的流体压力，代表作用于地层孔隙流体上的 压力。正常地层压力等于地表到某一地层深度的静水压力，当其高于或低于地下地 层至地表的流体柱压力时，则称为异常地层压力。从理论上讲，凡不符合上述定义的 地层压力均为异常地层压力，其中超过静水压力的地层压力或压力系数( 实测压力 静水压力) 大于1 者为高压异常；低于静水压力的地层压力或压力系数小于1 者为 低压异常。正常地层压力到异常地层压力之间的压力过渡区称之为压力过渡带。 1 2 暴蕊尽器蜉匿长躲卜喽蔷嚣辖。喽蔷目曲”碟赠g 3hn061蚶越赠呻 岭嘲粘球幽檀晕林协欺霰舞gr坦世求嚣张：(出俺n幽恒犯酞h一妒迦状蕞翼褂将状仆赫歌欺欺幕簧gr蠼世枚嚣林n 0 h 。西【妖奄埝屦r幽_圣f霉壮酞田壤嗣医镊。稍陋妒霹hv匝梏求嗽崧舞r幽喽舞叵k嗡蜊爨将醐田瘊留医镁。舷晦n匝 议秘辽扑书匿扑k撇半 第三章关中盆地中部两安、咸阳地热流体皋奉特征 3 1 2 1 实测井底压力 钻井时的井底压力是确定异常地层压力的直接依据，遗憾的是虽在当地施工的 井队较多，但仅华北油田钻井公司施工的地热井测定了初始井底压力，表3 1 为西安 成阳地热田及邻近地区部分地热井实测井底压力及相关数据表。 表3 1 表明，西安一成阳地热田普遍存在异常地层压力，其中绝大多数属高压异 常。按照杜栩等人的划分，西安东郊黄河厂及南郊唐园小区地热井属异常高压井； 西安西郊鱼化寨、西稍门西、西安市运输公司、北郊石油管道局和东郊国棉五厂， 以及咸阳市区7 9 5 厂和偏转集团地热井属高压井，相关地热井的位置见图3 2 。 表3 1 西安咸阳地热田及邻近地区部分地热并实测井底压力及相关数据表 表3 2 表明咸阳井深超过2 0 0 0 m 地热井喷出地表的水柱高度基本在+ 5 7 5 + 1 2 0 m 之间，而井深浅于2 0 0 0 m 地热井喷出地表的水柱高度在+ 3 0 - + 3 9 m 之间，这 反映以2 0 0 0 m 为界，上、下两部分地层具有不同的流体压力。由于地热井喷出地表 的水柱高度是深部高势能流体向浅部低势能流体地层回灌后的综合结果，且受成井 工艺( 特别是洗井质量) 的影响，故推测深、浅两部分的地层压力差别可能会更大。 西安地区也存在类似现象，如东郊黄河厂地热井，井深2 2 2 0 m ，喷出地表的水柱高 度高达+ 6 5 m ，其周围浅于2 0 0 0 m 地热井喷出地表的水柱高度仅高于地面数米至十 数米。西安西北郊进丰村小区喷出地表的水柱高度高达+ 1 7 2 m ，为研究区喷出地表 的水柱高度的最高值。 1 4 k 安大学硕士学位论文 表3 2 咸阳地区地热井喷出地表的水柱高度、井深及相关数据表 3 1 2 2 西安成阳地热田异常地层压力成因探讨 关于高压异常地层压力的成因，许多研究者一致强调其流体系统是基本封闭的， 并受多种因素控制【4 8 1 。 关于西安咸阳地热田高压异常地层压力的成因，根据其特殊的地质背景及特 征，初步认为：在新、老第三纪时期，被一系列向内