地熱資源的同位素地球化學研究

■祝愛明　楊玉瓊　劉曉芳（贛中南地質礦產勘查研究院江西南昌330029）

地熱資源的同位素地球化學研究

■祝愛明楊玉瓊劉曉芳
（贛中南地質礦產勘查研究院江西南昌330029）

近40年來，同位素地球化學發展迅速，同位素地球化學研究方法在地熱能的勘探和開發研究中具有重要的作用。本文介紹了同位素地球化學方法的研究內容，通過采用一些輕元素的同位素研究方法,如H、O、S同位素，揭示它們在確定地熱水成因類型、計算地熱水補給區高度及測定地下熱儲層溫度等方面的作用，結合同位素地球化學研究方法在江西地熱資源中的運用以及贛南橫逕地區碳酸溫泉的同位素水文研究成果，最后總結了江西省在地熱水的同位素水文地球化學研究方面的發展，肯定了同位素地球化學研究方法在地熱資源中的作用。

地熱資源同位素地球化學同位素地球化學方法同位素水文研究

0　前言

地熱資源是賦存于地球內部的一種巨大的能源，它通過火山爆發、溫泉、間歇噴泉及巖石的熱傳導等形式不斷向地表傳送和散失[1]。在對地熱資源的綜合研究中，常采用的方法有汞測量法、常規化探方法、水化學方法、地熱地球化學溫標法、放射性及氣體測量法以及環境同位素示蹤方法等。

近年來，同位素在江西省地熱研究中得到了廣泛應用，利用同位素水文地球化學研究方法確定江西省的地熱水成因類型、地熱水的年齡等。

1　地熱資源概況和地球化學研究方法

1.1地熱資源概況

從全球地質構造觀點來看，大于150℃的高溫地熱資源帶主要出現在地殼表層各大板塊的邊緣，如板塊的碰撞帶，板塊開裂部位和現代裂谷帶。小于150℃的中、低溫地熱資源則分布于板塊內部的活動斷裂帶、斷陷谷和坳陷盆地地區。地熱資源賦存在一定的地質構造部位,有明顯的礦產資源屬性。

1.2地球化學研究方法

在對地熱資源的綜合研究中，常采用的地球化學方法有貢量測量法、常規化探方法、水化學方法、地熱地球化學溫標法、放射性及氣體測量法以及環境同位素示蹤方法等。其中同位素地球化學對地熱資源的勘探與開發研究有重要的意義及較好的效果。

2　同位素地球化學在地熱資源中的研究

2.1同位素地球化學方法研究內容

同位素地質應用是同位素地球化學的重要組成部分和研究的目的。由于同位素地球化學研究發展顯著，因此在地學研究中被廣泛應用，目前主要體現以下三個方面：①地質過程物理化學條件和環境指示、②同位素地質定年、③地球化學示蹤。

2.2同位素地球化學研究方法的作用

目前用于解決水文地質問題的同位素主要為一些輕(原子序數低的）元素的同位素。其中H、O同位素主要指示地下熱水的成因及其運移途徑；S同位素說明硫的來源，進而判斷地熱的性質和成因；近年來，應用C、He等氣體同位素研究地下熱水年齡及地下熱儲層的溫度等。

2.2.1確定地熱水成因類型

Craig H(1961）首先提出了大氣降水δD和δ18O值之間有明顯的線性關系：δD=8 δ18O+10，這個方程稱為全球大氣方程[2]，我國大氣降水線（圖1)為：δD=7.9 δ18O+8.2，與Craig線十分相近，判斷地下熱水的補給來源就是依據Craig的雨水線方程，地下水的同位素組成取決于降水的同位素組成及其在地下的循環過程，未經同位素交換的地下水，其同位素組成和補給來源一致，如與圍巖發生水—巖交換反應，地下水的同位素組成就會發生變化。Craig H (1966）分析了大量地熱水的δD和δ18O值，發現在δD—δ18O關系圖上，任何地區地熱水的δD值與當地大氣降水的δD值保持一致，而δ18O表現為不同程度的氧漂移，這是由于再循環大氣水與硅酸鹽和碳酸鹽圍巖進行氧同位素交換的結果，氧同位素的漂移不僅與熱水的溫度有關，還與圍巖的δ18O值，水-巖比值和熱水在儲庫中的逗留時間有關。

圖1　大氣降水線

通過對不同區域不同地質背景條件下的研究基本上對地熱水的起源有一個共識，即地熱水的δD和δ18O沿大氣降水分布，并未發現明顯的氧漂移，說明其成因是大氣降水起源的，而且中國各地區的地熱水溫度較低，屬于低溫熱水，可以確定其深部熱儲溫度也不高，屬于正常地熱背景條件下的地熱增溫的地熱資源。中國大多數的地熱水都屬于這種情況。

總結：循環型地下熱水（服從大氣降水特征），封存型地下熱水（富含18O和貧氘為特征），我國大部分地熱水成因不是原生的巖漿水，而是地區性的大氣降水。

2.2.2地熱水補給區高度的計算

按照H、O穩定同位素的高層效應原理，即：δD隨地下水補給高程的增大而減小

H=δg-δp/K+h

H—同位素入滲高度（m）；

H—取樣點（井、泉）高層（m）；

δg——地下水（泉水）的大氣降水的δ18O或δD值；

δp——取樣點附近的大氣降水的δ18O或δD值；

K——大氣降水δ18O或δD值的高度梯度（-δ 100m）

2.2.3同位素確定地下熱儲層的溫度

穩定同位素方法測定地下熱儲層的溫度，目前常用的同位素溫度計有:氧、氫、碳和硫等四類同位素溫度計。通常，在規模中等的地熱田，其地熱水在地熱儲中的平均滯留時間都在50年以上。因此，半平衡期為1—10年的溫度計最為理想。地熱田中常見的化合物對SO4-H2O對最符合這一條件，效果也較好，因此，它是目前常用的一種同位素溫度計。

2.2.4其他應用

2.2.4.1地熱水和淺層地下冷水比例的確定：

地熱水由下向上運動至地熱系統上部時，往往會不同程度的發生與淺層冷水的混合。把同位素質量平衡原理運用到計算冷熱水的混合比例中，根據同位素組成（以氚為例），可以得到方程：

X+Y=1；TbX+TcY=Tm(X+Y)

X—熱水所占比例（%）；

Y—冷水所占比例（%）

Tb—熱水氚含量（TU）；

Tc—冷水氚含量（TU）；

Tm—混合水氚含量（TU）

2.2.4.2氚過量參數在地熱研究中的應用

Dansgaard W提出氘過量參數（d）：d=δD-8δ18O。當確定了當地大氣降水方程式后，氘過量參數d值總是恒定在一定的區間范圍內，不受季節，高度等因素的影響。地下水相對于當地的大氣降水的d值存在著降低的趨勢。水-巖作用越強烈，O同位素交換程度越高，地下水d值就越小。同一地區同一含水層，補給區到排泄區d值逐漸降低，二者之間水的d值差異越大，表明水在含水層內滯留時間越長，徑流速度越快。d值從高到底的梯度變化也指示了地下水的徑流方向。

2.2.4.3環境同位素方法推算地下熱水的年齡

放射性同位素不受溫度、壓力或化學組分等外界條件的影響，而以一定的速率衰變。每種放射性元素的半衰期是一個常數，利用這一特性，可以測定地下水的年齡。地下水的年齡一般都較小，所以通常利用半衰期不很長的環境天然放射性同位素，目前比較成熟的是碳-14（14C)方法測定地下水的年齡。地下熱水也可采用14C，14C的半衰期為5730±40年，按目前的技術水平，可測定500年到25000-30000年的年齡，但在具體運用中，有一系列因素在干擾14C測定地下水的年齡，因此，在利用14C測定地下水的年齡時，往往需要進行校正。

另一種確定地下水年齡的方法是反射性同位素氚，它的半衰期為12.26年。氚在地下水中的含量很小，只有幾個到幾十個氚單位，用氚通常可以確定數年至50年內形成的地下水的年齡。

3　江西地熱水的同位素特征

近年來，同位素在江西省地熱水的研究中得到了廣泛的應用，江西省大氣降水線與Craig線近似，本省地熱水的δD、δ18O值與區域降水線基本一致，說明了地熱水大部分屬中低溫循環型地下熱水，起源于降水補給，通常高溫條件下的水—巖反應，往往導致地熱水的δ18O值高于補給的大氣降水，這即所謂的“氧漂移”，而江西為中低溫地熱水，由于其水溫均小于90℃，為發現明顯的“氧漂移”現象，反應了其深部熱儲溫度不高，屬正常地熱背景下的深循環增溫型的低焓地熱資源，與火山、巖漿熱源無關[3]。

大氣降水的δD、δ18O值和氣溫呈線性關系，海拔越高，溫度越低，δD、δ18O值也就越低，即通常所講的高程效應，江西省大氣降水的氫、氧穩定同位素組成，具有比較明顯的高程效應。同位素高程變化的研究揭示了地熱水的補給區，與傳統的水文地球化學方法研究結果一致，降水的δD、δ18O值和地熱水都具有明顯的緯度效應，兩者就有良好的一致性，采用諸如Ra/Rn法、14C法等不同方法，測得我省地熱水年齡變化范圍大多在幾十至幾百年。

4　贛南橫逕地區碳酸溫泉的同位素研究

贛南是江西省現代水熱活動最活躍的地區，全省已發現的96處溫泉中有半數以上分布于此，其中，最南端的尋烏縣橫逕地區，溫泉尤為集中，且溫泉水多有CO2等氣體逸出，大多屬碳酸泉。

4.1構造概況

橫逕地區位于華南褶皺系九連山，武夷山隆起帶的交匯處，出露的地層主要有下侏羅統砂巖和礫巖，上侏羅統凝灰巖和礫巖及上白堊紀統紅色礫巖和砂巖等，區內中生代巖漿活動強烈，出露的火成巖主要有燕山早期黑云母花崗巖及流紋斑巖等，斷裂構造發育，主要斷裂方向為NNE及配套的NW向，這些斷裂規模大、切割深，控制著火成巖、紅盆及溫泉的分布，研究區地震活動頻繁，區內數十年來發生了多次中小地震，反映了區內地質構造仍處于活動之中，有利于地下熱水的活動和地球脫氣作用的進行。

前人的研究表明，贛南地區大地熱流值介于62.1~79.9mw/m2，平均值為74.10±13.68（SD)mw/m2，明顯高于全省平均值，屬于偏高的地熱背景，可見，本區活動的斷裂構造和偏高的地熱背景為區內溫泉水的形成創造了有利條件。

4.2控制因素

溫泉出露于白堊系沉積巖與花崗巖接觸的斷裂帶中。斷裂裂隙的存在有利于地下水的滲入補給且為地下水深循環提供通道，可使常溫地下水在深循環過程中獲得地球內部的熱能并轉變為地熱水。該區溫泉的出露主要受北東向壓扭性斷裂與近東西向張扭性斷裂的雙重控制。構造破碎帶往往是儲水空間和導水通道，而白堊系紅層起到保溫作用。花崗巖體與火成巖接觸帶有利于降水入滲和出露成泉。

4.3橫逕同位素水文研究成果

溫泉水的δD值變化于-47‰~-57‰之間，δ18O-值變化于5.9‰~-7.4‰之間，可以近似得出橫逕地區大氣降水線方程為δD=8.33δ18O+8.52（相關系數為0.97），溫泉水的氫氧同位素數據標大致落在降水線附近，反應了其大氣降水補給的特點，這些溫泉大部分都存在一定的正向氧漂移，但氧漂移不夠明顯，這反映了其深部熱儲溫度不高，屬偏高地熱背景條件下的深循環增溫型的中低溫地熱資源。

借用江西中部的高度梯度公式，得出本區溫泉水的補給區高度平均約為400~710m,溫泉氣氦同位素組成（3He/4He）變化于1.9× 10-6~2.95×10-6之間，R/Ra為1.36~2.11.均大于1，屬幔源溫泉氣；地熱CO2氣體的δ13C值變化于-5.50‰至-4.43‰。具有明顯的深源碳特征。可見，該區溫泉水中氣體組分可能主要來源于深部。

5　結語

結合以上研究，可以得出江西省地熱水的同位素水文地球化學研究已有一定程度的發展，但仍未廣泛應用于地熱資源勘探中。同位素研究方法在地質研究中應用廣泛，如：可以判斷地熱水成因類型，確定補給區高度，推測地熱水的年齡，測定地下熱儲層的溫度等。目前，用于解決水文地質問題的同位素主要是一些輕元素的同位素，應用C、He等氣體同位素研究地熱水中氣體組分的起源及對深部氣床的可能指示也成為地熱研究中的熱點之一。

[1]朱炳球,朱立新,史長義,等.地熱田地球化學勘察[M].北京:地質出版社,1992.II.

[2]Craig H.Science[J]1961;33:1833-1834.

[3]孫占學等,江西省中低溫熱水的同位素水文地球化學.華東地質學院學報[J],15 (3),1992..

[4]孫占學等,江西省橫逕溫泉區地熱氣體地球化學.現代地質[J].現代地質.2004.

P59[文獻碼]B

1000-405X（2016）-1-172-2