摘要
关中盆地位于鄂尔多斯盆地及秦岭造山带的过渡部位,受深部热源及构造发育等因素的影响,盆地热源及地热地质条件良好。盆地内地热资源利用良久,且多呈自发粗放式开发,造成地热资源浪费、地下水位逐年降低、引发系列地质生态环境问题的同时其可持续开发利用也迎来新的挑战。如何合理、有效、科学的的开发、开采、利用当地地下热水资源,对于提高地热资源的持久利用能力及最大限度的减少地热开采利用过程中造成的地质、环境、生态影响尤为重要。本研究以关中盆地地下热水资源为研究对象,通过分析区内地热地质背景、地热流体水化学、同位素地球化学特征,结合区域地质构造特征、深部特征及前人研究的成果,得出关中盆地中低温地热系统的赋存特征,完善区内地热资源的形成机理,为该地区地热资源的合理开发利用和规范管理提供理论支撑。本研究首次在区内利用了热水中Ra、Rn、总α、总β放射性活度分布及地层岩性特征,验证了区内放射性热来源特征;分析了热水伴生He气的壳、幔源特征,幔源侵入比例及典型断裂活动性特征,完善了区内地热系统成因的概念模型。受地层岩性、地质构造等因素的影响,盆地边缘到腹部地区,热水的温度、TDS、14C年龄、δ34S逐渐增大、HCO3/Cl比值变小、水化学类型由Ca、HCO3、SO4型向Cl-Na型演化、18O漂移量和Sr浓度值增大,中心地区热水所处地质环境较封闭、还原性强、与外界交换更替周期较长、与围岩间水-岩作用程度强、与地表及其他含水层水力联系较弱,属地下热水滞留分布区;区内地热水溶气伴生He含量最高达3.95%,其富集可能受区域地质构造的控制作用;水溶气体He以壳源为主,并侵入迹量的幔源氦,侵入份额0.15%~6.92%,最高值位于大地热流值异常高值区(96.0 mw/m2)、长安-临潼断裂带与渭河南岸断裂相交处附近的地热井,表明深大断裂至今仍保持着与深部地幔的连通,并进行着微弱的物质和能量传递;单一的放射性元素衰变对地下热水温度的响应较小,而放射性元素的综合效应可引起地温的升高,热水中放射性活动与基底岩性分布特征表明,放射性元素衰变产热是区内地热资源的另一来源。关中盆地地下热水分秦岭山前构造裂隙型、中部新生界孔隙裂隙型和盆地北部古生界岩溶溶隙裂隙型三种赋存于地下空间;经水化学、同位素、气体化学研究表明,盆地内地下热水赋存环境分为四类,即开放循环型、半循环半封闭型、封闭型、沉积封存型。从开放循环型到沉积封存型,热储环境由氧化型过渡为还原型,补给水由现代大气降水过渡为末次冰期古大气降水,地下热水的循环更替能力变差,可持续开发利用地热资源所面临的挑战变大,开发利用需配备的管理及技术手段加强。研究表明,区内热源主要来自于上地幔传导热、地壳中放射性元素衰变产生的放射热;热水主要来源于大气降水的补给,边缘沿断裂带接受现代大气降水的补给,中心区域则表现为古代大气降水补给或沉积水的特征;盆地中部、秦岭山前及北部地区发育的孔隙、裂隙型地层及断层为区内地下热水提供了储存场所;较发育的深大断裂为地热流体的运移、混合提供通道;上覆厚实、封闭性好沉积地层为区内地热资源的盖层结构;独特的地质构造及地热地质条件,使得区内地热资源以上地幔热传导加热地壳岩石及基底,并传热于热储层热水,热储层热水在温度梯度驱动下,向上层或周边含水层或断裂带对流传递热量,形成了以传导热为主,局部对流的热循环系统。