长白山火山活动对地热水的影响

长白山火山活动对地热水的影响

长白山是著名的现代火山岩。主火山口周围分布着许多温泉群，地下缺乏丰富的热资源。目前已对部分温泉进行开发利用,但难以满足区内旅游业的快速发展。深部地热资源的勘查开发的条件渐已成熟,根据多年区域地质调查、水文地质调查、火山专项调查及地热普查的成果,在天池北部已初步圈出前景较好的地热田,研究地热田的热、储、通、盖,建立地热田的地质模型对今后的地热勘查开发具有指导意义。1地质特征1.1含热承压水层区内大多被新生代火山岩覆盖,零星出露一些老地层。太古宙:主要由早太古花岗岩、上壳岩和晚太古花岗绿岩带组成,构成区内最古老的基底。元古宙:主要分布有下元古宙集安群和老岭群,集安群主要出露在该区的北部,根据以往的地质资料及钻探资料分析,集安群分布在浑江、两江、二道白河、松江等地,岩性为大理岩、浅粒岩、变粒岩、斜长角闪岩,构成地热田的基底。在二道地热区测温钻孔中见到该层位,在大理岩中探到一个含热承压水层。老岭群分布在地热田的南部和北部,以白云质大理岩,云英片岩、千枚岩、石英岩为主。古生代:区内未见古生代地层,在整个长白山区,只在浑江和鸭绿江盆地见有寒武系、下奥陶系、中上石碳系、二叠系等,属继承性浅海相碎屑—碳酸盐、海陆交互相—陆相碎屑岩。中生代:该区在中生代广泛形成火山断陷盆地,在盆地中沉积了上三叠—白垩系的火山熔岩、火山碎屑岩及含煤岩系。其中侏罗系和白垩系较发育。侏罗系由火山岩及其碎屑岩、页岩夹煤层组成。在二道地热区测温钻孔中见到该层位,其下为元古界集安群大理岩,其上被玄武岩所覆盖。白垩系在该区出露较少,在1993至1995年地热普查中,据物探频率测深的解译成果,在天池—黄松蒲一带新生代火山岩之下为白垩系地层,岩性主要为砾岩、砂岩、砂质泥岩。其下部为老岭群地层,与新生代火山岩共同构成了天池地热区的盖层。1.2火山地质盖层1.2.1岩浆房深度估算长白山火山是新生代多期次喷发的巨型复式火山,目前已查明15个喷发期次,喷出岩大部分为进化玄武岩浆及其演化的产物。上新世天池区深部莫霍面约44～55km处聚集大量的橄榄拉斑玄武岩和碱性橄榄玄武岩,形成了军舰山期玄武岩进化岩浆房,向上经结晶分离形成白山期进化玄武岩浆,进一步结晶分离后,形成白头山期第一、第二阶段安粗岩—粗面质岩浆房,向上呈串珠状形成白头山期第三、第四阶段粗面岩—碱流岩浆房,直至气象站期碱流岩—黑曜岩浆房、粗面质碱流质碎屑流及火山灰、浮石等岩浆房。上述岩浆房深度估算的结果:军舰山期进化玄武岩浆房深度43km,白山期进化玄武岩浆房深度33km,白头山期第一、第二、第三阶段粗面岩浆房深度33km,第四阶段粗面岩浆房深度15～20km,气象站期碱流质岩浆房深度8㎞,全新世冰场期、白云峰期、八卦庙期等碎屑流及火山灰岩浆房深度1.65km。它们被认为是地热田的主要热源。1.2.2长、短断裂及东北部构造该区的断裂构造主要受太平洋板块和菲律宾板块多次交替俯冲的影响,产生一系列北北东向和北东东向大陆裂谷及其断裂系,长白山火山处于这些裂谷断裂系中的马鞍山—三道白河北北东向裂谷、图们江北东东向裂谷和金策—白山镇北西西向超岩石圈断裂的交汇处。长白山火山群大多受到上述构造及其次一级断裂的控制,天池主火山锥在重力及火山活动作用下,形成一系列环状、放射状断裂(见图1)。环状断裂:围绕天池破火山口有4条环状断裂,均为张性断裂,倾向天池中心,倾角70°～85°。F1断层在天池水下,天池内水下陡坎由F1所致。F2断层位于天池水周边,由破碎带组成,破碎带具明显蚀变,呈红褐色,带宽大约10m,大部分位于天池水下,该断裂带内现已发现天文峰、梯云峰、白云峰下多个温泉带。F3断裂位于F2的外侧,是天池周边16个峰的内侧,与环形悬崖陡壁一致。F4位于天池北,走向近东西,著名的长白温泉群出露于该断裂附近。放射状断裂:围绕天池火山口共发现8条放射状断裂。其中F6和F7为同期活动的平行断层,位于二道白河上游“U”型谷内侧,与东西环状断裂F4与交汇处形成长白温泉群。2特征性2.1巷道思想水土流失源地热田处于二道白河源头,二道白河从南向北纵贯全区,水量充沛,坡陡流急,二道白河年平均流量5.50m3/s,年径流量1.735亿m3。二道白河源头为天池湖水,天池湖水的主要来源为湖面降水、坡面径流和地下水补给3部分。2.1.1湖面降水量湖面降水量为湖面面积×多年年平均降水量:即9.82km2×1376.4×10-6=0.135亿m3。2.1.2地表径流计算天池四周高山环抱,为火山熔岩及火山灰组成,质地松软,渗透性强,但封冻期长,产生地面径流仅4个月,径流系数采用0.2计算坡地径流。坡地径流=多年年平均降水量×径流系数×面积=1376.4mm×0.2×(21.4km2-9.82km2)×10-6=0.03168亿m3。2.1.3地下补给量计算据1979年～1983年期间枯冰期实测瀑布最小流量0.8m3/s计算,天池年地下补给量为0.252亿m3(0.8×365×86400)。2.2温度、环境从1∶20万区域地质图分析,热水点都以天池为中心,向四周呈放射状分布,天池周边温泉出露点多而密,并且温度相对较高,向四周渐稀疏,且温度较低。热源与天池主火山有关,四周有温度较高的温泉出露,热源也与附近的小火山有关。从温泉分布看,天池北侧地热田内的温泉多,大多成群分布,温度也较高。天池湖滨温泉群:位于天文峰角下,天池湖边,出露标高海拔2155m,出露长度250m,宽20m,水温一般为20℃～40℃,最高70℃,温泉出露区见有大量气泡从水下上升,由于温泉水的作用,使周围岩石染成棕红色,并使湖边水由正常的2.5℃升到5℃。长白温泉群(聚龙泉)位于天池北部,二道白河河漫滩下,距天池湖边1750m,海拔1900m,出露区南北长300m,东西宽215m,面积64500m2,共有温泉165个,温度最高达86.5℃,平均59.64℃,总流量100.49L/s,水质类型为HCO3-Na型水,pH值7.92,矿化度1477mg/L。岳桦温泉群:长白温泉群北700m,岳桦宾馆西侧,南北长100m,东西宽200m,面积20000km2,共14个温泉,水温最高62℃,单泉流量最大1.243L/s,最小0.08L/s。3地球化学特征3.1热田主要组分据冷水与热水之间的相互关系,将冷水分为有联系冷水(天池水)和无联系冷水(外围冷水)。地热田外围冷水、有联系的冷水、热水化学组分见表1。地热田外围冷水水质类型为HCO-3-Mg2+、Ca2+型水,矿化度144mg/L,pH值6.5,为中性偏向弱酸性,这是由于长白山区地形陡,地下径流强烈的结果。有联系的冷水与热水的关系主要是冷水补给热水和冷水与热水混合。天池水的阳离子以钠为主,占69%,次为Ca2+,阴离子以HCO-3为主,占82%,次为CI-,pH值8.26,属弱碱性水,矿化度260.5mg/L,高出无联系的外围冷水1倍,热水化学组分:从长白山温泉群的热水化学分析结果(表1)分析,水质类型为HCO3-Na型水,矿化度1477.1mg/L,pH值为7.92属弱碱性,阳离子以Na+为主,次为Ca2+,阴离子以HCO-3为主,次为Cl-。各组分之间,Cl-和B的关系在地热田中被认为是比较重要的,Cl-和B含量之比是地热田的重要特征,天池区热水中Cl-和B比值在79～82之间,补给区天池湖冷水Cl-和B的比值大于95,线性回归方程为B=0.013Cl-±0.0317(r=0.9999),说明冷热水关系密切,天池湖水是地热流体的补给源之一。热水特征组分:热水特征组分是相对当地冷水而确定的,天池区热水以天池湖水为背景值,衬值=热水中组分平均含量/冷水中组分平均含量,热水中各主要组分的衬值见表1,从表中可以看出,平均衬值为4.8,高出平均衬值的组分有Na+、Li+、Cl-、HCO-3、B、SiO2,说明上述6种组分可作为长白山地热田的特征组分,SiO2-4的衬值小于1,热水中的SiO2−442-含量小于冷水中的含量,故SiO2-4可作为该地热田的负异常特征组分。地热田中氯化物可能是岩浆成因,温泉水Cl-平均含量是外围冷水Cl-的含量13倍,说明地热田中的热水有少部分为岩浆成因,与岩浆有密切的关系,也从另一个侧面说明长白山地热田的热源与火山岩浆有关。HCO−33-的含量较高与热水在集安群大理岩裂隙、溶槽中储集有关。热水在高温、高压下使硅酸盐矿物加速分解使得SiO2含量明显高于冷水,地下水中SiO2含量与岩石关系不大,主要取决于地下热水的温度和循环时间,温度越高、循环时间越长,SiO2含量越高。据研究,30℃时地下热水SiO2的含量为150mg/L,100℃时可达350mg/L。长白温泉SiO2含量为160mg/L,相对较低,是该区的断裂、裂隙发育,循环通道畅通,热水的交替循环较快,循环时间较短,热水与岩石接触时间短造成的。3.2岩浆水民深、地下水热储深度长白山地热田冷、热水的氢、氧同位素见表2,冷水、热水的稳定同位素组成基本一致,δD一般在-99‰上下,δO18在-14‰上下,说明热水来源于当地大气降水,经循环加热而成,但也不排除少量水来自深部岩浆。说明热水在深部与围岩发生同位素交换不明显,也说明长白山地热田热储深度不很深,循环时间较短,同位素漂移不明显。温泉水氚值一般在24.33～27.30TU(见表3),根据经验氚浓度5～40TU为新渗入的水与古水之间有混合作用。据公式t=40.727(lgNo-lgN),式中t—年龄,No—大气降水氚浓度(大气降水氚浓度利用中国东部大气降水氚浓度与纬度关系式No=2.16L-36求得,式中No—氚浓度,L—纬度,此区纬度为42°02′21″,估算大气降水氚浓度为54.80TU。),N—地下水氚浓度,估算渗入水的滞留时间为12.3～14.1年。3.3热储温度的计算利用地球化学温标估算热储温度,本文采用石英温标的计算公式:t=15225.75−lgc−273.15t=15225.75-lgc-273.15式中:t-热储温度℃,c—水中SiO2浓度mg/L,算得长白2号泉热储温度157.3℃;长白140号泉热储温度155.2℃;岳桦150号泉热储温度97℃。4地热田内盖层、生物量热源:地热田内存在一个巨大的岩浆房和许多小的岩浆房,从深几十公里至浅部几公里均有分布,它们构成了长白山地热田的主要热源。热储:区内不同时期、不同方向、不同力学性质及不同形态的构造形迹发育,尤其是新构造运动强烈,造成了基底岩石破碎,在构造交汇处和元古界大理岩分布区,因岩溶及构造裂隙发育,为地下热水储存提供了良好的空