大柴旦热泉成因及其富硼锂机制研究进展.pdf
《大柴旦热泉成因及其富硼锂机制研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《大柴旦热泉成因及其富硼锂机制研究进展.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、收稿日期:2023-06-19;修回日期:2023-09-13基金项目:青海省科技厅自然科学基金青年基金(2020-ZJ-946Q);中国科学院青年创新促进会人才项目(2021431);中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划(YSBR-039);特别研究助理项目(李庆宽)作者简介:莫生鹏(1999-),男,硕士研究生,主要研究方向为热泉成因及资源元素富集规律。E-mail:。通讯作者:李雯霞(1987-),女,工程师,主要从事盐湖锂资源成矿规律研究。E-mail:;秦占杰(1987-),男,副研究员,主要研究方向为蒸发岩矿床成因与演化。E-mail:。莫生鹏,李庆宽,李雯霞,等.大柴旦热泉
2、成因及其富硼锂机制研究进展 J.盐湖研究,2024,32(1):120-127.Mo S P,Li Q K,Li W X,et al.Research progress on the genesis of Da Chaidam hot springs and the enrichment mechanism of B and Li elements J.Journal of Salt Lake Research,2024,32(1):120-127.DOI:10.12119/j.yhyj.202401013大柴旦热泉成因及其富硼锂机制研究进展莫生鹏1,2,3,李庆宽1,2,李雯霞1,2,3*,
3、袁秦1,2,秦占杰1,2*,都永生1,2(1.中国科学院青海盐湖研究所,中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室,青海 西宁810008;2.青海省盐湖地质与环境重点实验室,青海 西宁810008;3.中国科学院大学,北京100049)摘要:大柴旦热泉成因及其硼锂富集机制研究是系统揭示该区域富硼锂盐湖卤水矿床成矿规律的关键环节,同时对青藏高原同类型富硼锂热泉深部水文过程的精细研究具有重要的参考价值。本文从地热学的视角梳理并评述了大柴旦热泉成因的研究现状,重点探讨了大柴旦热泉的水源补给端元、热源及其储热机制、热泉的硼锂物源及其富集过程。研究结果初步显示,大柴旦热泉水源以大气降水为主,在高山区为冰
4、雪融水,补给高程约为5 980 m,热储温度约为194.5,循环深度约为7 630 m,上升过程中混入了约66%的冷水;岩浆流体的补给或岩浆脱气过程可能为热泉提供了热量;热泉中硼锂的物源可能来自花岗岩源岩的高温水岩淋滤、岩浆流体补给或岩浆脱气输入以及风成沉积物中易溶盐类矿物溶解的共同贡献。大柴旦热泉地热系统及其战略资源元素富集过程的整体研究仍比较薄弱,尤其是不同补给端元贡献的定量研究,硼锂岩石地球化学行为的厘定,深部水岩作用的模拟等仍需要进一步开展详细的研究工作。关键词:热泉成因;岩浆流体;硼锂物源;地热系统;大柴旦中图分类号:P619.2文献标识码:A文章编号:1008-858X(2024)
5、01-0120-08热泉是一种地热资源,是深部地热流体沿断裂上涌在表层出露的一种地表流体,由于其带有深部物质信息,是获取深部水-岩反应、流体活动、矿产信息的重要窗口1-3。高温地热流体(热泉)一般富 B、Li、Rb、Cs 等元素,这些典型特征元素通常被用来研究高温地热流体起源及地球化学过程4,5。目前,富B、Li 热泉已成为一种新型的卤水资源6-8,同时,其也是富 B、Li 盐湖的重要补给端元,如柴达木盆地大柴旦盐湖、东-西台吉乃尔盐湖、察尔汗盐湖别勒滩区段、西藏当雄错盐湖和玻利维亚的乌尤尼盐沼等,均与热泉的持续补给密切相关5,8-10。热泉成因的深度解析及其在富 B、Li 盐湖“源汇”成矿系
6、统中的端元贡献量化研究,已成为当今盐湖学领域的核心科学问题。青藏高原是我国地热资源最为发育的地区,得到了广泛的关注和研究。目前热泉研究主要集中在藏南高原,如羊八井、羊易、搭格架等地热区3-4,6-8。藏南地热多属于岩浆热源型地热系统4,如羊八井、羊易地热区11-13。岩浆热源地热水相对非岩浆热源地热水往往有较高的 B、Li 组分6-8,其主控机制可能与地壳重熔型残余岩浆流体和脱气过程有关。在岩浆热源型地热系统中,地热水中 B、Li 主要来源于岩浆流体的补给和围岩淋滤,而非岩浆热源型地热系统中,地热水 B、Li 主要源于围岩溶滤4-8。热泉不同的成因类型,包括热泉形成过程中水源、热源和热储层的性
7、质均会影响其 B、Li 的富集作用,进而对流域和尾闾湖泊中 B、Li 的含量,乃至成矿等产生重要影响。青藏高原东北部柴达木盆地北缘大柴旦地区也出露众多串珠状富 B、Li 热泉,热泉水通过地下渗流的形式补给大柴旦盐湖,是大柴旦盐湖 B、Li 的重要来源之一14-15。最近学者9-10,16-18对大柴旦热泉的主、微量元素特征、同位素组成特征、水岩作用等做了大量研究,并在热泉的水化学特征、物源示踪及其与盐第 32 卷第 1 期2 0 2 4年 2 月JOURNAL OF SALT LAKE RESEARCH盐湖研究Vol.32 No.1Feb.2024莫生鹏,等:大柴旦热泉成因及其富硼锂机制研究进
8、展第1期湖资源成矿方面取得了诸多有益认识。然而,对于热泉的形成过程、水源、储热和冷却机制仍缺乏系统研究,热泉 B、Li 的来源和富集机制等仍认识不清,尤其缺少岩石学和室内模拟实验的相关证据,这直接限制了该区域 B、Li 源汇过程的整体深入认识。因此,本文从地热学的视角出发,通过梳理热泉成因及其 B、Li 元素富集研究现状,提出热泉成因及其 B、Li 富集机制的一些新见解,评述并展望了大柴旦热泉研究未来的拓展方向,该工作对深入研究青藏高原富 B、Li 热泉成因机制同样具有重要理论指导意义。1大柴旦热泉地质概况大柴旦热泉集中发育于祁连山脉达肯大坂山,距大柴旦镇约 10 km(图 1),区域内其他水
9、热活动分布于柴达木盆地中北缘居红土硼矿(古热泉)和多处泥火山中10。构造上,大柴旦热泉处于柴北缘造山带,位于祁连地块和南祁连地块之间,该区域经历了洋陆俯冲、陆陆碰撞及后期陆内俯冲的构造演化过程19-20。区域内花岗岩广泛分布,包括俯冲花岗岩、碰撞花岗岩及碰撞后花岗岩21-24。热泉出露处基岩均为花岗岩,是区内出露塔塔楞花岗岩体边缘相,边缘相花岗岩以细粒二长花岗岩为主,在边缘相内带部分区域出现少量电气石,含量 1%5%25-26。花岗岩露头正下方热泉处出露古生代沉积岩,在露头南部,大型冲积扇向大柴旦盐湖延伸。温泉出露于花岗岩与古生界沉积物之间呈 WNW-ESE 向的断裂系统16,该断裂可能是热泉
10、水的向上运移通道。2大柴旦热泉成因热泉属于水热型地热系统,水源、热源、热储层及盖层是研究水热型地热系统成因的 4 个基本要素,是构建地热水系统成因模式的核心内容27-28。大柴旦热泉作为柴达木盆地中典型的地热水系统,从地热学视角研究该系统的成因,对深入认识该区域热泉的形成过程及其资源元素富集具有重要意义。2.1水源及补给高程热泉的水源主要来自于大气降水、冰雪融水、岩浆热液流体、地表水和浅层地下水等4,6,出露地表的热泉水一般会经历不同来源流体的混合过程。大柴旦热泉水氢氧同位素特征显示其起源于大气降水,在高山区为冰雪融水9,17。然而,其硼和溴含量明显不同于地表水,显示可能存在岩浆水的贡献,但仍
11、需进一步研究9,17,同时,热泉出露后的水文混合过程亦不清楚。基于热泉以大气降水为主要补给,本文尝试运用水体氢氧同位素对热泉出露后的水文混合比例进行初步讨论。通常情况下,运用氢氧同位素计算热泉水补给高程需要消除水汽分离、冷水混入和水岩反应对其的影响,这在贵德盆地热泉水氢氧同位素控制因素识别和定量计算中已得到验证29。因大柴旦热泉没有发现明显的水汽分离现象9-10,为研究冷水混入的影响,本文通过公式(1)(3)计算,发现大柴旦热泉中冷水的混入比例约为 66%(详见2.3),且冷水混合前热水的 D 值为-122.18,18O值为-14.78。mm0(1-X)cX(1)公式中 m为热水和冷水混合后的
12、同位素值;m0为混合前热水的同位素值;c为冷水的同位素值;X为冷水混入比例。本文计算中 m和 c引自文献 9中热泉水和冷泉水的氢氧同位素组成数据,热泉水D 值为-82.00,18O 值为-10.80;冷泉水 D 值为-61.30,18O 值为-8.75。此外,由于水岩反应不改变热泉水 D 值30,热泉水发生水岩反应之前的氧同位素值在当地大气降水线上的水平投影点,即代表了地热水初始的同位素值 29。因此,本文得出初始热泉水的 D 值为-122.18,18O 值为-17.40,其中水岩反应导致的氧漂移量为2.62,冷水混入导致的氧漂移量为 3.98,冷水混入对热泉水同位素组成影响较大(图 2)。绿
13、梁山石榴橄榄岩前寒武纪基岩柴达木盆地大柴旦盐湖大柴旦镇古生代沉积古生代花岗岩热泉N3800 N3750 N3740 E9500 E9515 E9530 柴北缘超高压变质岩柴达地木盆图1柴达木盆地北缘大柴旦热泉地质略图(改自 16)Fig.1Geological sketch map of Da Chaidam hot spring in thenorthern margin of Qaidam Basin(changed from16)121盐湖研究第 32卷补给高程的定量计算是构建泉水水文循环的关键环节,且利用水体的氢氧同位素高程效应计算泉水的补给高程已得到广泛应用30,32。学者前期借助大
14、柴旦热泉实测氢同位素计算得出其水体的补给高程为 4 8664 940 m9。为进一步研究当地热泉的水文循环过程,本文基于祁连地区水体氢氧同位素拟合的高程公式 H=-24.995*D+2 92633和校正后的热泉氢同位素组成进行估算,得到大柴旦热泉的补给高程约为 5 980 m,这接近于祁连山脉最高峰的海拔。因大柴旦热泉的物源及其不同水体的补给比例并不完全清楚,因此,初始热泉水的氢氧同位素及其补给高程的定量计算仍存在一定误差,后续加强热泉水的物源定量研究是首要任务。2.2热源地表能观测到的热流由地幔热流和地壳热流组成,地热系统的附加热源来源于熔融岩浆、花岗岩放射性产热以及区域断裂系统的摩擦热4,
15、34-35。如,西藏羊八井、羊易地热区已被证实存在岩浆热源11-13,青海共和盆地热泉显示不存在岩浆热源,其热源来自深部地幔热传导36-37。柴北缘达肯达坂山出露有中国西部最大的花岗岩体(即塔塔楞岩体)22,由于它巨大的出露面积,很有可能隐伏向下延伸而成为大柴旦热泉的热储源岩9,16。学者报道大柴旦热泉区花岗岩中检测到斜绿泥石,并且能观测到大柴旦热泉附近出露的花岗岩发生了强烈的水热蚀变,认为热泉水可能和花岗岩围岩发生了强烈的水岩反应9。进一步对比大柴旦热泉、贵德-共和盆地热泉以及西藏热泉水的 B-Cl含量、(Na/K-Na/Cl)-11B 值、B-11B 值,发现大柴旦热泉水中 B 明显受到幔
16、源岩浆脱气作用和水-岩作用的共同影响9。此外,热泉水明显富集碳酸氢根和碳酸根的特性,可能与深部水岩作用过程中二氧化碳的参与有关10,同时,塔塔楞岩体东部分布的与大柴旦热泉有相似构造背景的泥火山喷出的气体也为二氧化碳10,这暗示二氧化碳参与了深部水岩反应。大柴旦热泉水较低的 B、Li 同位素组成和高的 B、Li含量指示其存在岩浆流体的补给或岩浆脱气输入6,38-39,本文推测该区域热泉的热源与岩浆流体补给或岩浆脱气过程关系密切。区域内广泛分布的含裂隙花岗岩可能是其热储围岩,但仍需要进行地球物理研究进一步查明大柴旦热泉区域地下是否存在延伸较大的花岗岩体。热泉水在沿断裂下渗及上涌过程中与花岗岩储层发
17、生了不同程度的水岩反应。热泉水水文地球化学特征指示其受到岩浆脱气作用(二氧化碳的加入)、水岩反应和冷水混入的共同影响,而岩浆热液端元的实际贡献与否及其量化仍需要更多地球化学指标的详细约束。2.3热储温度与循环深度大柴旦热泉的热储温度和循环深度已有初步研究,学者基于 Na-K-Mg 阳离子温标,计算得出大柴旦热泉的热储温度为 160 左右,循环深度为 6.2 km,且热泉水位于 Na-K-Mg 图解的局部平衡区9,40。由于位于局部平衡区的热泉水,水岩作用还在继续,离子浓度尚未饱和,溶解作用仍在进行,此情况下,利用阳离子温标计算热储温度可能会存在一定偏差。此外现实情况中,热泉水(原始热泉水)在沿
18、断裂上升至地表过程中通常会与地下水和地表水混合。冷水的加入将导致地热水冷却后呈现不同的地球化学特征41-42,因此用传统的地热温标计算的热储温度会有较大的误差。地热水向上运移过程中,地热水中溶解的二氧化硅遵循石英溶解度曲线,在与浅层冷水混合使得热水温度下降时,这部分热水暂时不会将过饱和的二氧化硅析出33,地热水温度在相当长的一段时间代表其深部热储温度,因此可以利用硅-焓混合模型来分析热泉水冷水混入比例和热泉的热全球大气降水线热泉水冷水混入前祁连山区大降水线冷泉水水岩反应前18O/2H/-25-20-15-10-50-20-40-60-80-100-120-140-160冷水混入水岩反应图2大柴
19、旦热泉氢氧同位素偏移过程示意图,祁连山区大气降水线引自 31Fig.2Da Chaidam hot spring hydrogen and oxygen isotopemigration process diagram,the atmospheric precipitation linein Qilian Mountains is derived from 31122莫生鹏,等:大柴旦热泉成因及其富硼锂机制研究进展第1期储温度。硅焓模型法计算地热水热储温度和冷水混入比例的模型方程为43H(冷)X+H(热)(1-X)=H(温)(2)SiO2(冷)X+SiO2(热)(1-X)=SiO2(温)(3)
20、式中 H(冷)为冷水的焓,J/g;H(热)为热水的焓,J/g;H(温)为温泉水的焓,J/g;SiO2(冷)为冷水的 SiO2含量,mg/L;SiO2(热)为热水的 SiO2含量,mg/L;SiO2(温)为温泉水的SiO2含量,mg/L;X 为冷水混合比例。基于 Fournier 和 Truesdell 提出的热水温度、焓与 SiO2含量的关系(表 1)43,本文运用温泉水(QD26)温度为 71.8,SiO2含量为 83.76 mg/L16,与溪流混合的热水(QD27)温度为 67.0,SiO2含量为 85.01 mg/L16,祁连山地区江仓大气降水温度为8.7,SiO2含量为 4.16 mg
21、/L33,建立了焓与 SiO2含量相对于温度的函数关系,两条曲线交点的坐标即为热泉水冷水混入比例和热储温度(图 3)。由图可知,大柴旦 QB26 热泉水,冷水混入比例大约为 66%,热储温度大约为 194.5;QB27 热泉水,冷 水 混 入 比 例 大 约 为 71%,热 储 温 度 约 为205.5。因 QB27 水样混入的溪水 SiO2含量高(39.76 mg/L),导致该水样基于 SiO2含量计算的混入比例和热储温度与真实的热泉水冷水混入比例和热储温度存在一定误差,因此,本文采用 QB26 热泉水计算的冷水混入比例和热储温度,即分别约为 66%和 194.5。基于上述热储温度,本文进一
22、步运用公式(4)初步计算了热泉的循环深度,公式为H=(T-t)/K+H0(4)式中 H 为热泉水的循环深度,km;T 为热泉水的储层温度,;t 为取样点平均气温,;K 为取样点地热梯度,/km;H0为常温带深度,50 m。本文中地热梯度选用典型造山带地温梯度,25/km44,大柴旦地区平均温度为 5,常温带深度约为 50 m9,30。经计算,我们初步得出大柴旦热泉水循环深度约为 7 630 m。基于以上初步分析,我们认为大柴旦热泉水经历了一定的深循环过程,其热储温度约为 194.5,循环深度约为 7 630 m。由于区内海拔高,存在冻土层,在上升过程中热泉水经历了冷水混合冷却和传导冷却过程,在
23、上升至地表过程中混入了大约 66%的冷水。该认识对梳理大柴旦热泉的演化过程发挥了重要启示作用,但较为详细的热泉形成与冷却机制仍需要基于大量的实地调查、充足的样品数量和精确的测试分析来进一步厘定。表1热水温度、焓和SiO2含量表Table 1Table of hot water temperature,enthalpy andSiO2content温度/5075100125150175200225250275300焓/(4.186 8J/g)5075100.1125.1151177203.6230.9259.2289321SiO2/(mg/L)13.526.6488012518526536548
24、6614692温度/温度/焓值硅值焓值硅值(194.5,0.66)(205.5,0.71)QB26QB27冷水混入比例冷水混入比例75100125150175 200225250275 30075100125150175 200225250275 30010.90.80.70.60.50.40.30.20.1010.90.80.70.60.50.40.30.20.10图3大柴旦热泉硅焓方程混合曲线模型Fig.3Da Chaidam hot spring silicon enthalpy equation mixing curve model123盐湖研究第 32卷3大柴旦热泉硼、锂的物源及富集
25、过程如前所述,大柴旦热泉的水源和热源特征显示可能存在深部岩浆流体补给或岩浆脱气输入,这势必会影响热泉 B、Li 的含量,冷水混入和热储围岩的性质也会影响热泉 B、Li 的含量。已有研究表明,大柴旦热泉是大柴旦盐湖硼锂成矿的关键补给端元9-10,因此查明该端元的地质条件、水文循环过程、元素富集机理是揭示大柴旦富 B、Li 盐湖卤水矿床源汇系统中“源”的关键部分。大柴旦热泉 B、Li 含量分别约为 46.29 mg/L 和3.65 mg/L18,明显高于祁连山系河流的平均 B 含量0.56 mg/L 和 Li 含量 0.04 mg/L9,17。但相对于藏南存在岩浆流体补给的高温地热水 B、Li 含
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 大柴旦 热泉 成因 及其 富硼锂 机制 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。