腾冲与黄石公园（美国）典型高温水热系统的地热流体地球化学对比

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中文摘要：腾冲是我国规模最大的火山型地热带，美国黄石公园则是世界上水热活动最强烈的地热区之一，同属火山型地热带，二者均具有岩浆热源。本次研究利用腾冲地热带的16个高温地热水样和美国黄石公园的57个高温地热水样，根据Giggenbach[118]提出的Na-K-Mg1/2三角图选取了在热储内达到完全或部分流体-岩石平衡的35个水样，对其进行了地球化学温标计算，并开展了一系列地球化学对比分析。研究结果总结如下: (1)地球化学温标计算表明:地热水样品的SiO2和Na-K温度一般高于K-Mg温度，更接近于热储的真实温度。K-Mg温度较低的原因为:地热流体从热储升流后，在冷却过程中对钾镁矿物的再平衡程度更高，因此往往代表从深部热储到地表热泉排泄点之间某一位置的温度，而该温度一般低于深部热储实际温度。计算结果显示:黄石公园的最高热储温度为293℃，腾冲热海的最高热储温度为269.6℃。 (2)水样水化学类型分析表明:14个来自黄石公园的样品属Cl-Na型，受浅层冷水稀释程度较小;9个黄石公园样品和7个腾冲样品为Cl·HCO3-Na型;3个腾冲样品为HCO3-Na型，其中HCO3-应来自幔源CO2或岩石高温变质过程释放的CO2，但并不排除部分源自富HCO3-浅层冷水混合的可能;2个黄石样品为SO4·Cl-Na型，其中SO42-可能是岩浆脱气形成的H2S上升至近地表处后在氧化条件下转变而来。 (3)地热水样品的Q型聚类将其大致分为三类:第一类包括来自腾冲热海的RH06、RH07、RH05、RH10和RH04五个样品，第二类包括黄石公园西部低间歇泉盆地附近的10个样品和腾冲热海的RH11、RH12和RH09三个样品，以HCO3-含量高为典型特征;第三类包括黄石公园Norris间歇泉盆地和Gibbon峡谷盆地附近的12个水样，水化学类型全部为Cl-Na型。腾冲和黄石公园的热水样品的水化学类型有一定差别，在聚类图上分属不同类别，但距离相差不大。原因为两个地热区的大多数样品均起源于深部热储内与围岩达到完全化学平衡的氯化钠型的母地热热流体。R型聚类分析则表明:地热水样品的化学组分可分为两类:第一类为K+、B、Li+、Cl-、SiO2、 As、Na+和F-，属地热流体特征组分;第二类包括Ca2+、Mg2+和Sr2+，含量均很低，且和第一类组分呈负相关性，该类组分主要来自于浅层地表冷水的混合。黄石热水样品的R型聚类分析结果与腾冲基本一致，区别在于腾冲第二类中的Ca2+和Sr2+在黄石属于第一类。这可能是由于黄石地区水热系统的热储岩性及矿物组成与腾冲热海有所差别造成的。 (4)腾冲和黄石地热水样品的因子分析结果:公因子F1和HCO3-成正相关，与Cl-成负相关性，且它们间的相关性较大，因此公因子F1基本区分了高温地热系统中深层热水和浅层冷水两种不同来源水的特征，且大致解释了这两种水混合程度，发现腾冲高温热水样整体受浅层冷水稀释程度比黄石公园高些。公因子F2中占比重较大的是SO42-，主要提取的是SO42-的信息，说明F2用于进一步区分高温水热系统中的酸性SO42-水。另外，化学组分中K+、B、Li+、Cl-、SiO2、 As、Na+和F-在图中距离是很近，很集中的，说明同属火山成因的腾冲和黄石高温水热系统，它们的深部地壳母源热流体的成分具有较相似的特征。中心区外缘的SO42-、Ca2+、Mg2+、Sr2+及HCO3-几个热水化学组分受浅层围岩性质、浅层冷水的混合程度、蒸汽加热情况和水岩作用的温度、压力、液体浓度、pH值及作用时间长短等等各种外在环境及条件影响而不一。 (5)作为保守组分，Cl-在高温水热系统中受流体-岩石作用的影响很小，且不被矿物表面吸附或参与矿物沉淀过程，因而可以作为地热流体地球化学起源的良好指示剂。对于具备岩浆热源且受到岩浆水补给的高温地热流体，其中的Cl-大部分为岩浆起源。本次研究以Cl-为基本化学指标，开展了腾冲和黄石地热水样品的各主要化学组分与Cl-的相关分析。结果表明:腾冲和黄石地热流体中B、Li+、K+、Na+、As和SiO2与Cl-的相关程度较好，是地热流体的典型组分;而Mg2+、Sr2+、SO42-、HCO3-和Cl-之间相关程度差，说明上述组分具有多重地球化学起源。Ca2+和Cl-的相关分析结果在腾冲和黄石差别明显:腾冲样品的Ca+和Cl-相关程度很差，但在黄石相关程度较好，相关系数R2达0.802。这意味着黄石水热系统的深部热储围岩中富钙，导致母地热流体的钙含量较高，这样在地热流体与浅层冷水的混合过程中，钙含量变化主要受冷水的混合比例的控制，所受冷水钙含量的影响则很小，说明黄石地区浅层冷水中贫钙，这可能主要受该地区深部热储上覆岩层矿物种类影响所致。 (6)黄石和腾冲热水样中锂的含量较高，且Li/Na的平均值黄石为0.0109，腾冲为0.0074，而锂在岩浆岩中矿物及大气降雨中含量都是甚微的，且岩浆岩中Li/Na值仅为0.0008，说明Li很可能与Cl一致都是幔源岩浆脱气的挥发组分溶于地下水的结果，而用岩浆溶滤说的观点很难解释。另外，对高温水热系统部分平衡区和完全平衡的热水样而言，水样中的Li、Rb和Cs含量值都异常高，它们很可能都是深部幔源岩浆来源，腾冲和黄石地区热流体Rb都较多参与二次云母，伊利石及粘土矿物矿物沉淀作用;热流体中Cs在黄石也都基本参与的矿物沉淀，而在腾冲参与程度很小;腾冲和黄石地热流体中Li却都很少参与矿物沉淀，且程度都较小。

作者：

卢志艳

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关键词：

高温水热系统地热流体黄石公园地球化学腾冲热海

授予学位：

硕士

学科专业：

地下水科学与工程

导师：

郭清海

学位年度：

2012

学位授予单位：

中国地质大学(武汉)

语种：

中文

中图分类号：