青藏高原冰川融水深循环及其地质环境效应.pdf

eVl eW 青藏高原冰川融水深循环及其地质环境效应 蕊 鳊者按中国科学技术协会第30期新观点新学说学术 沙龙 “ 青藏 高原 冰川 融水 深循环及其地质环境效应 ” 于2009年6月7 8日 在南京举行。本沙龙文集将由中国科学技术出版社 出版。本文摘 录部分学者的主要观点。 青藏高原冰川融水深循环及其地质环境效应 陈建生河海大学科 学研究院 传统水 文地质理论 认为 ．地下水仅限于上地 壳循环。地 表水 在包气带 中的下渗试验发现，鄂尔多斯、内蒙高原及华北 平原大 部地区的地表水不能 补 给 到地下水中。调查发现，这些地区的河 流 与湖泊主要来源于泉水补给。 氢氧同位素分析表明，研究区的 泉水 基本上不是 由当地降水 补给的，深层 承压水与基底 断裂带、 油气田、地震带似乎有共存关 系。在西藏内流区发现，河流与湖泊 存在严 重渗漏．羌塘块体 中水平与垂直 方 向存在连续的高导低速 结构，该结构 与地表水渗漏 间存在因果关系。鄂尔多斯、内蒙高原 及华北 平原 的地下水可能来自外源远程补给。根 据 氘、氧 ．18 、氚 等同位素判断，远程 补 给源区应 是 纬度很高或高程很高的寒冷地 区 ，地表渗漏 水通过深循环补给到了研究区。西藏内流区的渗漏 水不少于500亿m 0 ，循环深度在122 ～ 200km ，从羌塘到鄂尔 多 斯盆地上 地幔有 一 个 低速带．深循环的地下水可 能沿低速 带由西 向东 补给．地 下 水 到 鄂 尔多斯块 体后，通过 基底 断裂 带在地 表以 泉水溢出。形 成了河流与湖泊 ，另 一 部分水继续沿着东北方向的 断裂带补 给到 内蒙高原与华北平原中地壳的高导 低速层 中。 印度板块 断裂 的原因可能是地 下水渗漏冷 却造 成 的。青藏高 原 及其周 边地区产生的 隆 升 与构造变化经历了不同阶段．25 MPa与8．3 MPa是两个重 要时段 ，其伴随 的地质事件可能 与地 下水深循环过程有直接关 系。印度板块插到西藏块体之下 后 ．冷 板块插入软流 圈起到降温作用，插入板块阻隔了软流圈与岩石圈 间的对流，岩浆 中的 热 量被脱出 的水分子带走 ．上升的水 分子起 到对流作用，使 夹在插入板块与上覆岩石圈 间的岩浆温度下降更 快，岩石圈 温度梯度下降，逐渐形成中地壳空隙带。中地壳断裂空 隙带形成的初期，空隙带 中充 满从热 液中分离出 的 卤水。随着岩 石圈温度 降低 ，岩石出现收缩，裂 隙宽度增加，导水性能增加。温 度梯度降低使液态 水的活动范围从上地壳扩大到中地壳以下．地 下水通过 导 水 断裂 带进入中地壳空隙带。垂向对流 的驱动力是空 隙带的高温，水平对流的驱动力是水 头差。空隙带中的温度在两 种对流 方式的作 用下 不断降低 ，而 且影 响到断裂带周围岩石的温 度，对下地壳及上地 慢岩石圈温度的降低起 到了重要 作用。 大地电磁测深与地震波反演表明，低角度俯冲的印度板块 受 阻于羌塘地块，运动到33 。N ～ 34 。N 改变俯冲角度。大角度向深部 俯冲。北羌塘的火山活动 出现在29 MPa以前．火山 活动停止 后 岩石圈进入快速 冷却阶段，断裂后重新向北俯冲的印度板块，因 插入到 密度大的深部地幔中。在浮力作 用下。南羌塘地块发生隆 升．而羌塘地块在南羌塘的带动下发生隆升。由于浮力 中心偏 离 在南羌塘，羌塘地块与残留在西藏块体下的印度板块可能被错 断．并逐渐发展为深循环的垂向导水通道。17MPa羌塘 岩石圈 的厚度已达到约200 km，在地壳中循环的地下水通过错断的断 裂带向深部循环，不断将深部岩石圈断裂带的热量带出地表，促 118科技导报2009，2714 使岩石圈迅速 冷 却增厚，羌塘块 体 岩石圈在水循环冷却作用 下增 厚 的速度超 过12m m／a。 羌塘块体地表水入渗 的循环在不断冷却下覆岩石圈，造成岩 石圈厚度不断增加．使 羌塘 岩石圈下部 形成低温低压 区。在深部 软流圈中。来自印度板块的脱水不断向羌塘地块下 部的低压 区聚 集，聚集在羌塘 地块之下的热液 与岩浆不断被冷却，岩浆冷却成 岩后，水 分被包裹在 岩石中呈 一 层 一 层的带状分布，最终形 成 一 些层状分布的空洞群，岩 浆活动结束后残留在地 层中的水所 占据 的水 平带状的空隙就可能演 变成导水 的通道，脱水 物质形成 的超 临界态 流体 从高压向低压区流动。印度 板块阻挡了地 幔软流圈的 热对流。羌塘盆地的地下水最先入渗到中地壳的断裂空隙带中循 环。水 循环加速了岩石圈的冷却速度．使双地壳的西藏地块的岩 石圈处在 “ 增厚 一 冷却 一 增厚 ” 环境中。 羌塘盆地地表水存在严重渗漏、北羌塘钻孔发现大规模溶 洞、地层中高导低速层与地下水深循环通道、羌塘地块温度梯度 低 且地势平坦、西藏的岩 浆活动与天山及祁 连山的褶 皱隆升、地 温梯度降低与地下 水深循环的关系、鄂尔多斯和内蒙高原 与华北 平原地下水同位素相似、羌塘地块与鄂尔多斯地块间存在地温梯 度随深度 降低并存在面波的低速 带值、鄂 尔多斯风 尘 颗粒沉积 底 界 时间分布 与地下水 间的关系、油气经过深部通道将 羌塘油气输 送到鄂尔多斯和大庆等盆地、流体汇聚形成 的中地壳空洞塌 陷产 生地 震等证据。表明了青藏高原冰川融水深循环及其地质环境效 应。 鄂尔多斯盆地地下水源 饶文波 河海大学科学研究院 鄂尔多斯盆地的水资源很丰富。对于水的来源．目前 的主流 观点是大气降水，有些深层 水可能是古水成因。但鄂尔多斯盆地 的地下水有可能来自青藏高原的补给。从 盆地水 量平衡看，该地 区的蒸发量很 大而降水 量很小。鄂尔 多斯 沙漠地区的年 均蒸发量 为1800 ～ 2 700mm ，而年均 降水 量 为240 ～ 4 40m m 黄土高原 的年降水 量为200 ～ 700mm ，而蒸发量是降雨量 的3 ～5 倍。沙漠 和黄土地区 研究发现 ，7 万年 来年 均 降雨量 是300 ～ 4 00mm 。且 大 气降水不 易入渗补给地下水。因此，鄂尔 多斯 盆地地下水 有可 能有外源补给。羌塘高原存在渗漏 ，至少有500亿m 。 的水流失。 由于青藏高原与鄂尔多斯地区间地壳形变强烈．两者水体 的同位 素组成相 似，因此可能有密 切的水力联系。循环机理 可能 为 ①地 下岩溶 通道。青藏高原到鄂尔 多斯盆地发育 大 量的碳酸盐 层 ，有许多的岩溶地下暗河，地下岩溶连通是 很 好的 导 水通道。 ②深 大断裂带。玛沁到鄂 尔多斯地区受到板块挤压 及其 它构造 活动，地壳破碎 ，变形强 烈，有可能成为导水通道。④中、下地壳 与上地幔地下水循环。 河西走廊地下水水量平衡及补给 丁宏伟 甘 肃省地 矿局水文 地质工程地质勘察院 张掖盆地沉积了上千 米厚 的第四纪物质，是地下水储存较好 的地层。水均衡法计算发现，2005年张掖盆地 的地下水补给量小 于排泄量，但实际观测资料表明，均衡期 内地下水增加 。盆地的地 下水排泄 包括泉水溢 出、潜在蒸发、人工开采3大因素。均衡计算 中。张掖市地下水 排泄量与实际相吻合，计 算结果 与实际差距较 大的 问题出在地下水补 给。2003年3月以来．张掖市大部地区的 地下水 位停止下降并开始上升，至2009年5月。该地区地下水 位上升7 ～ 8m 。大气降水入渗补给 量不是形成 地下 水位上升的 原因。张掖盆地水体环境同位 素分 析及氟利 昂 CFC测年 结果表 明．浅 层成压水年 龄 一 般大 于30年，局部小于30年，表现 出现 代 新 水、深层 承 压水等 多元 混合补给的特征 ，深层 承压水存在盆 地基底深部地下 水的越流补 给。地下 水 位 上升区位于张掖盆地地 下水的径 流排泄区。据张掖市地 震局统计资料，2000 2007年张 掖境内发生3级以上地 震43次，造成水压力急剧变化。盆地 基 底断裂原本是弱透水 的． 一 直存在基 底深层承 压水 对上 覆第四系 孔隙水的越流 补给。张掖盆地存在与祁连山大断裂相连 的走线相 近的次级 断裂，这些断裂是导水 的重要 通道，地震后 压力改变，地 下水顺着通道进入盆地．造成地下 水位上升。 识别地下水补给来源的地球化学指示剂 卫克 勤中国科学院广 州地球化学研究 所 地 球化学指示剂主要包括 氢氧稳定同位素、氚含量、微量元 素。在黄土饱 气 带土 壤水 的氚剖面 研究中，采样点要求地面相对 平坦、黄土 包气 带较 厚、地下水 水位较深、洪水季节地面无地表径 流、地面无植被、无人工浇灌、临近无 深沟切割。在 内蒙古 赤峰地 区、山西平定县，采用手工钻采集土壤样，每隔20cm采 一 个土 样，根据土 壤中氚的剖面，测算补给 量。结果发现，实测补 给量较 雨水下渗量 大。地下水接受了12％ ～ 13％的雨水垂直下渗 ．但 因 地下水有氚含量，表明华北平原和 内蒙高原垂直下渗得 到的补给 量是次要的。在 一 定深度以下的黄土饱气带空隙水 氚剖面中．氚 含量已接近零，而含水层中地下 水的 氚含量却较高，说明所研究 地区的浅层地下水主要不是 由雨水下渗补给 的，而是存在 一 种 快 速 补给通 道，使浅层地下水 有较高的氚含量 。 岩石圈中水的相变及临界奇异性的地质意义 胡宝群．孙占学东华理 工大学 岩石圈中水的 相变，将 导致 物理化学参数发生 明显变化甚至 突变，影响岩石圈中地震和 热液成矿 作用。地温梯度变化多在 20 ～ 50。 c．在该地温梯度下，低温线位于水的 液 相区及超 临界 相 区．不出现 断裂联通 大气 时，中上地壳中可流动的水是高压液 相 或超 临界流体相而 无气相，只有当断裂出现、压力下降时，才 有可 能出现气相。发生相变时，密度、黏度、导热系数发生变化，二级相 变点处 临界奇异性具 有普适性，岩石圈中二级相变 的意义远 远超 出热液成矿、地震触发等作用。在地温梯度变化正常、相对封闭 的 岩石圈中．不会出现热容溶 解 等物理化学参数的奇异性变化，即 成 矿 的可能性不大。达到温度压力接近临界 点的情况有 局 部降 压、局 部升温或二者同时出现。在岩石圈，水的临界现象只在断裂 构造中或 是断裂与岩 浆活动共存的区域才可能 出现，即水的相变 与断裂或 断裂 一 岩浆活动 的耦合，才能形成 热液矿 床。 幔源油气与碱性地层水 崔永强大 庆油田研究院 天然 气研究室 天然气的判别指标主 要包括甲烷及其同系物。松辽盆地主要 的高产井都是甲烷探明的。松辽 盆地还有 一 氧化碳气层、氢气层、 氦气 层、氮 气层，这 些都 是幔 源的。松辽盆地储层的碱交代现象 中 钠长石化 普 遍发育。伴 随着碱交代作用，会产生石英岩石。地 层水 主要有原始沉积空隙水和地 表 渗入水 、沉积有机质 物腐蚀 后形 成 的酸性 水、盆地深部上涌水3个来源。松辽盆地的地层水呈碱性 ． eVleW 最高pH值 达10，碱来 自地 幔。上地幔岩石中发现大量油气 ，同 时发现 大 量钠。地 球 排气规律表明，有 气必有碱，有碱 必有 气。深 源碱性水 是地幔流体，是油气上升的载体，在中地壳条件下发生 费托 反应，形成石油和天然 气。通过碱 和气体 的关 系可推算油气 的总量，通过碱交代研究可确 定 储层次生空隙发育 状况 。进而预 测新的储集层位。 深源流体控制盐卤资源超常富集成矿 谭红兵河海大学科学研究院 盐卤体系是 自然界中 一 个比较复杂、易变的物理化学体系。 物质的带出和带入及来源很难用 一 些明确指 标去量 化．要找到盐 卤成因的直接证据比较困难。D盐卤资源超常富集成矿。柴达木 盆地 的 盐 卤资源非常丰富，聚集 有第三纪古代岩盐沉积、第四纪 盐湖、油田卤水，高度 富集了 K 、B、Li、Sr、Br、l等元素。柴达 木盆 地 有几个非常有特色的矿。其中大风 山锶矿储量世界第二．是世 界 上 最 年轻的第四纪热水 成因锶 矿 。聚集了O ．176亿吨 锶。柴达 木盆地20km左 右中地壳普 遍 存在非常明 显的高导低速带．这 可能与特 种盐卤资源超常 富集成矿有联系。劣关于卤水 的成因 目前有渗入溶 滤、沉积成因、重力分 异、地下水蒸发、物理化学作 用、岩石渗 透薄膜效应和岩浆来源7个主流观 点。盐卤资源 元素 富集的主控因素是地 表 岩石风化 、干旱 气候条件下封闭湖泊的持 续蒸发浓缩、海水。柴达木盆地许多盐卤资源形成于第四纪 以来， 侏 罗纪 之前已脱 离海水．在很短的地 质 时段、风化作用 比较弱的 条 件下 通过地表风化、水 一 岩作用富集 如此 大规模的特种资源是 不 可能 的，且地 表 并没有该 类岩石显著 富集K 、B、L i、Br、l、Sr等 特种资源元素．更不会在岩石里相 容 富集，表生作用聚集 很难形 成巨量资源。④深源 流体 控制特种盐卤资源超 常 富集成矿，高 导 低 速 层可能 是卤水溶液及深循环的地下 水。深源 流体沿 深大断裂 带上升 过程中逐步演化 分异，流体中的挥发性、独立分散 性以及 在岩 浆中表 现为典型不相容 性的元素逐渐富集，在残余 溶液中得 到超常富集。大风山锶矿床可能是深源流体 随 热液迁移演 化，在 近地 表 低温氧化环境中快速沉淀 形成超 常富集的天青石矿。大规 ’ 模 卤水资源 或 盐类矿床 的形 成内控于大区域 内深源流体最初携 带的巨量盐类物质，外控于构造、地 形地 貌及气候环境 等。 从理论 依据看。卤水中富集的元素是深源流体演 化过程中能 在液 相中稳定存在的元素；地面 风 化、水 一 岩 作用在相对很短 的 地质 时段不 可能富集大规模的特种资源；仅靠盐 分储 库海 水蒸干 不 可能 形成大型盐 盆的岩盐沉积幔源或壳幔高盐度流体远大于 表生环境．有足够的流体 提供物源基础。从柴达木盆地宏观 地质 特征分析．青藏高原的成盐背景基本集中在板块碰撞 的后 期。柴 达 木盆地自中生代以来 ，频繁、剧烈 的地壳运动，为成盐、成卤特 别是特种资源 元素超常富集提 供了充足物源。油田卤水分布区中 地壳出现典型 的高导低速层，可能是超临界态 流体与卤水相变的 区域，上地壳有深大断裂发育，为深循环地下水携带盐 分提供了 导 水 通道。从水文地质特征 看 ，钻孔卤水长时间保持 高温、高压 是 典型的深 源水特征。从地 球化学特征 看，1500 m以下的水都显 示深循环水 化学特征．具有典型 的 超常 富集K、B、L』、Br、 l 、Sr等 特 殊成分 的作用。地 壳及 地球表层储库C I、Br等量远大于风化可 以积 累 的量．地球 内部提供了地 球 外层特别是 海洋相当比例的 C l 、Br等成分。总之，深源流体 作为物源基础，控制着自然界盐 一 卤资源富集成矿柴达 木盆地中地壳可能是超临界流体 与常态水 的分 界面．也 是表生环境特种卤水资源元素超常富集成矿的中转 站；在没有表生作用破坏的前提下 ．深达地 幔的深 大断裂、板块边 界附近是K 、Mg、B、Li、Sr、Br、 I、Rb、Cs、U等盐卤资源富集 成矿 的最有利区域。 责 任壕辑陈广仁 科技导 报2009，2714119