中低温对流型地热系统中氢同位素的变化

林旭东 许建东

(中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

0 引言

中低温对流型地热系统是指温度＜150℃，地下深处没有年轻岩浆活动作为附加热源，在正常或略偏高的区域热背景条件下，出现在孔隙-裂隙介质或断裂破碎带中的地下热水环流系统(Rybach，1976;汪集旸，1996)。与需要年轻岩浆活动的地热系统不同，中低温对流型地热系统不依靠附加热源，因而在自然界中广泛分布。中低温地热系统多出现在断裂破碎带或2组不同方向断裂的交会部位，且需要地下水具有一定的循环深度，而第四纪以来的活动断裂由于形成时代较新，断层物质破碎，孔隙度与渗透率较大，因此中低温地热系统在空间上常与第四纪以来的断裂活动有关。事实上，绝大多数地热系统都和1组或2组活动断裂有关，并受现代构造应力场的控制(Wan，1984)。

分析中低温对流型地热系统的地热水来源在研究地热资源的形成和地热资源评价、开发等工作中占有重要的地位。通常，研究人员通过分析地热水样品的氢氧同位素组成(δD和δ18O值)来研究地热水的起源(Craig，1961)。地热水中的氧同位素具有氧漂移现象(Craig，1963)。氧漂移是由于地热水与硅酸盐或碳酸盐岩围岩发生了氧同位素交换而造成的地热水中富集18O，岩石中18O贫化的现象。其漂移程度取决于地热水的温度、围岩的δ18O值、水-岩比值和热水在储库中逗留的时间(尚英男，2006)。对于地热水中的氢同位素，理论上认为由于岩石中氢元素的含量很低(几乎很少有含氢的矿物)，所以缺乏水-岩发生氢同位素交换的物质条件，因而地热水中的δD值应该与地表水中的δD值保持一致。然而，国内外研究人员在对地热水样品的氢同位素组成的分析过程中，却经常发现研究区内的地热水，尤其是温泉水的δD值低于当地冷水或者地表水的δD值。对于这一现象，通常使用氢同位素的高程效应进行解释，即温泉水的δD值随补给区地表水高程的增大而减小。通过这种方式，可以计算出地热水的补给区高程，并在泉点附近的山区中寻找具备这种高程的地点。

式(1)中，H为需要计算的补给区高程;K为区域大气降水δD的高度梯度(高度每上升100m，氢同位素的δD的下降值);δg为温泉水的δD值;δp为温泉水采样点附近的地表冷水的δD值，h为温泉所在位置的海拔高度。

通常情况下，中低温对流型地热系统总可以在附近山区找到与计算出的高程结果一致的补给区，因此高程效应一直是温泉水δD值低于当地冷水δD值的经典解释。但是，对于一些中低温对流型地热系统所计算出的补给区高程值(H)偏大，在泉点附近找不到对应高程的补给区(上官志冠等，1996，1998;王基华等，2000;刘焱光等，2009)，目前没有统一的解释。部分研究人员认为这是由于具有低δD值的冰期大气降水混入所导致;也有人认为是由于高纬度的低δD值水混入(朱洪山，1993)所导致;还有人认为是由于低δD值的深部物质的加入(赵永红等，1993;陈辉，1996;杜乐天，2009;邵济安等，2010;赵永红等，2011)所导致。

对于地热水中的δD值低于当地冷水的δD值现象的解释，无论是高程效应、纬度效应，还是古水或深部水的加入，都没有将地热水迁移过程中氢同位素的H-D分馏过程列为考虑对象。本文认为在讨论第四纪以来活动过的断裂附近，尤其是在活动构造区内中低温对流型地热系统的地热水的氢氧同位素变化时，应该首先从中低温对流型地热系统内氢同位素的物理分馏机制进行分析。为此，本文将通过水分子运动过程中的H-D同位素分馏作用，利用统计和空间相关分析的方法，结合活动构造带中地热水的运移机制来解释中低温对流型地热系统温泉水δD值低于当地冷水δD值这一现象。

1 数据分析

1.1 中国大陆地热水与当地冷水之间的δD差值

本文统计了位于中国大陆的45处温泉，167个温泉水(或地热井水，以下统称地热水)与当地冷水(或地表水、地下水、大气降水，以下统称冷水)的氢同位素δD数据，并对每个温泉的样点值进行平均(图1)。结果显示，地热水的δD值均低于当地的冷水。对这些差值进一步分析得出:地热水δD值比当地冷水低30%以上的样本占到样本总数的28.89%，地热δD值比当地冷水低30%以下的样本占到样本总数的71.11%;中国大陆地热水δD值比当地冷水平均低25.02%，其中最高差值出现在京山汤堰畈地热井，幅度为165.12%，最小差值出现在稻城勇查卡温泉，幅度为1.99%。

图1 中国大陆地热水及当地冷水的δD值Fig.1 TheδD between geothermal water and local cold water in China mainland.

通常，在同一地热区域内，出现了地热水温度越高，δD值越低的情况。例如:1)在临潼-长安断裂带上，出露于地表的临潼华清池温泉温度43℃，δD平均值-72.9‰;而位于同一区域的临潼四一七医院地热井(深1 160m)温度47℃，δD平均值-75.2‰。2)在秦岭山前断裂热储带中蓝田东汤峪温泉温度44℃，δD平均值-82‰;而位于同一区域的蓝田东汤峪地热井(深627m)温度53～57℃，δD平均值-86.38‰(马致远等，2006)。3)位于胶辽断块的秦皇岛温泉堡地热田中地热井1号泉(深147m)的温度42℃，δD值为-72‰;天然露头的3号泉，温度25～31℃，δD值为-59‰(李娟等，2007)。4)聊城地热田中，聊城单管屯地热井(1 035m)虽然比聊古1井(2 337m)的深度小，但是其出水温度高，δD值低(张保建等，2010)。5)在张家口南部地区也出现高温温泉(＞60℃)的δD值比同区域的低温温泉(20～40℃)的δD值低(王基华等，2000)。

与此同时，国外研究者也发现许多温泉存在此类现象:1)冰岛Hreppar-land地热田半径10km范围内的温泉可分为40℃以下、41～80℃与80℃以上3类，地热水的δD值均低于当地冷水，并且地热水与冷泉的δD差值则随着泉口温度的升高而变大(arn^orsson et al.，1993)。2)在印度北部喜马拉雅山脉南麓峡谷中的Tapoban和Badrinath的地热田中温泉水(59℃)与高温钻孔(90℃)的δD值均低于当地的冷水(Singh，1989)。3)越南北部高地地热田温泉水δD平均值为-57.80‰，而当地冷泉的δD平均值为-45.24‰(Nguyen et al.，1993)。4)美国加州-内华达州盆岭省地热田Leach温泉的δD值不仅低于当地冷水，甚至也低于附近区域最高峰(可能的最高补给点)Mt.Tobin山峰处冷水的δD值(Mariner et al.，1983)。

1.2 温泉空间分布与活动构造之间的关系

将本文统计的45处温泉位置标记在地图上可发现:30处温泉分布于活动构造周边，占全部温泉总数的66.67%;11处温泉分布于第四纪活动过的断裂之上，如浙江武义、四川稻城，占全部温泉总数的24.44%;仅有湖北咸宁、京山和江西的临川温泉附近没有第四纪活动过的断裂分布。由此可见，多数中低温对流型地热系统分布于活动构造带周边(图2)。

图2 温泉分布与其附近地区构造活动之间的关系Fig.2 The distribution of geothermal water and its nearby tectonic movement.

对前两节的数据进一步分析发现:在第四纪火山活动区，吉林长白山两侧出露的地热水δD值较天池火口湖(区域海拔最高地区)水面的δD低6.43%;云南腾冲温泉δD值比当地冷水平均值低14.92%。在活动断裂分布的地区，中国东部郯庐断裂南端发育的庐山温泉δD值比当地冷水低32.09%;向北经胶辽断块山东段的临沂、即墨、招远温泉以及周边的断裂上的菏泽地热井与济南地热井中，招远温泉比当地冷水低的差值幅度最大，为41.82%;再向北到达胶辽断块的辽阳、营口、鞍山、丹东温泉，其中，辽阳汤河温泉比当地冷水低的差值幅度最大，为18.00%;在延怀盆地及泥河湾盆地周缘的活动断裂上分布的延庆、怀来、赤城、阳原、蔚县温泉中，延庆松山温泉比当地冷水低的差值幅度最大，为26.23%;在秦岭北缘断裂带上，分布着眉县、临潼、蓝田、武山温泉及西安地热井，其中，眉县西汤峪温泉比当地冷水低的差值幅度最大，为47.58%;在念青唐古拉山东南麓断裂上的羊八井温泉比当地冷水低40.90%;福州活动断层周边分布的地热井水为67.17%;在龙门山、鲜水河、安宁河断裂交会位置的周公山地热井的δD值比当地的地表水低18.19%;云南瑞丽、大理温泉也沿着活动断裂分布，大理温泉δD值比当地冷水低13.88%。

上述地热田中，除云南腾冲、吉林长白山、西藏羊八井之外，都被认为是中低温对流型地热系统。它们之间普遍出现的地热水δD值低于当地冷水的现象表明，可能存在一种系统性的不可逆的物理过程即地热水中氢同位素分馏过程。这种氢同位素的分馏过程与地表水的蒸发过程类似，随着地表向下渗透深度的增加，水中D含量(δD值)逐渐降低，但2个过程又有所不同:地表水的蒸发过程中H-D同位素的分馏主要受到重力作用的影响，而渗透过程中则主要是受到压力、温度、围岩渗透率与孔隙度的影响。通过数据统计可知，这种地热系统通常在活动构造区内沿断裂分布，所以活动断裂中常常可观测到地热水与冷水之间渗透深度以及所处温度压力状态存在显著差异，这将最终导致H-D同位素分馏程度的加剧。

2 讨论

为了进一步说明中低温对流型地热系统中可能存在的氢同位素分馏过程，本文将建立中低温对流型地热系统中H-D同位素分离模型。而建立此模型应当首先在了解H-D同位素分离原理的基础上，寻找活动构造区中可能出现的H-D同位素分离机制，之后在现有中低温对流型地热系统水热成因模型的基础上建立H-D同位素分离模型。

2.1 H-D同位素分离原理

同位素分离原理主要有3种:利用不同同位素相对原子质量的不同进行物理分离(如热扩散作用);利用不同同位素相对原子质量的不同造成其在同一化学反应中反应速率的差别进行分离(如同位素交换反应);利用与同位素相对原子质量无关的方法(如原子核共振)进行分离。具体到活动断裂带附近中低温对流型地热系统的氢同位素变化，本文认为是由于地热水向下渗透过程中的H-D同位素热扩散作用，具体在地层介质中表现为地热水中氢同位素的渗透作用(或者称为地热水的深循环作用)导致了地热水δD值低于当地冷水。

2.2 地热水中H-D同位素变化机制

氢有氕(符号 H，丰度 99.985%)、氘(符号 D，丰度 0.015%)、氚(符号 T，丰度低于0.001%)3种同位素，但是与H2O和HDO相比，自然界中T同位素与D2O分子的含量都很低，因而水分子的H-D同位素分馏作用主要表现为H2O和HDO分子的分离过程。气体分子的平均运动速度与分子质量的平方根成反比(式(2))，因为HDO分子质量数为19，H2O分子质量数为18，所以H2O分子比HDO分子的运动速度要快2.74%。

气体通过固体(如多孔岩石)或者液体通过固体扩散时会产生可以察觉到的同位素分馏现象。而且在活动构造区，由于断层活动产生的构造热场会提高分子的平均运动速度，进而增强了同位素动力学的分馏效应。因此，地热水的深循环作用(主要为流体压力下的渗透作用)与地面水向空中迁移时的蒸发作用一样主要是物理过程，而且基本上可认为是不可逆过程。这个不可逆物理过程的同位素效应主要是由同位素的质量差异引起的，并且随着地下水渗入地壳越深，深循环过程经历的路程越长，其δD值则降低得越多(上官志冠等，1998)。

深循环作用本质上是一种分子的热渗透效应，某一给定温度下不同分子量的分子扩散速率不同。具体到活动构造中的中低温对流型地热系统，由于地热水经历的温度变化远大于冷水，因而增大了分子的热渗透效应，进而导致同一地区温泉水的δD值明显低于冷水。在水分子受到流体压力向下运动的过程中，HDO分子由于扩散速率较低倾向于沿着流动方向聚集在较冷区域，对应为冷水中HDO的含量较高，HDO分子由于扩散速率较高倾向于聚集在较热区域，对应为温泉水中H2O的含量较高。

除此以外，H-D同位素交换实验表明，水与含水矿物(高岭土、蒙脱石等)之间的H-D同位素交换程度与温度有很强的相关性(Della et al.，1957)。室温下，高岭土和地开石中的OH-几乎不与水中OD-发生同位素交换，而蒙脱石也只发生了很小的同位素交换。但是通过升温及升压，同位素交换变化速度提高很快。在190℃时，高岭土已经与水发生显著的同位素交换。当温度上升到370℃时，高岭土中＞50%的OH-都会与水中的OD-发生同位素交换反应。同一区域的地热水与冷水，因为地热水的循环深度较冷泉深，温度高、压力大，所以假设发生了矿物与水的同位素交换，地热水的交换程度也比当地冷水高。

2.3 中低温对流型地热系统中H-D同位素分离模型

如图3所示，典型的中低温对流型地热系统(汪集旸，1996)，底部由正常或偏高的区域热流进行供热，大气降水通过断层或断裂破碎带向下渗透后进行深循环。在此过程中，冷水不断汲取围岩中的热量成为温度不等的热水，之后在适当构造部位(一般为2组断裂交会处)上升，出露地表即成温泉水。相对的，经历了入渗过程但没有经过深循环作用的大气降水出露地表则成为冷水。地热水从降落到地表经深循环作用到最终出露地表的过程中，其氢同位素会发生如下变化:

图3 中低温对流型地热系统中H-D同位素分馏作用与同位素交换作用(对流型地热系统据White(1968)与汪集旸(1996))Fig.3 The H-D isotopic fractionation and the H-D isotope exchange reaction of geothermal water in low-medium temperature geothermal systems of convective type(modified from White，1968 and Wang，1996).

(1)在入渗过程中，随着温度的升高，水分子的平均运动速度加快，渗透作用越来越明显。由于同一地区的温泉比冷水的循环深度深，因而发生渗透作用的时间较长，渗透导致的H-D分离程度更高。温泉水由低温区向高温区是一个逆着地温梯度渗透的过程，因此主要依靠围岩压力进行，其分馏过程相对顺着地温梯度的上升过程而言进行得更彻底。总体而言，深循环作用伴随着地下水运移是导致温泉水δD值低于同一地区冷水的根本原因。

(2)如果围岩含高岭土、蒙脱石等含水矿物时，地热水在进入地热储之后，则有可能与围岩发生H-D同位素交换反应，这也会加剧地热水中OD-离子含量的减少。

3 结论

同位素分离原理与相关实验可以证明，活动构造带中存在着地热水H-D同位素热扩散分馏的条件，同位素的分馏作用是造成温泉水δD值低于同区域冷水的主要原因。分馏速率与温度相关，温度越高H-D分馏作用越明显。同时，存在高岭土与蒙脱石矿物围岩的地热储中，可能发生地热水与围岩之间的同位素交换反应也会降低温泉水中的D同位素含量。

因此，在水文地质构造较为明确，且构造活动不强烈的地区，采用氢氧同位素示踪法研究地下水的补给具有较高的可靠性。但是对于中低温对流型地热系统而言，由于活动构造热场的存在和可能的水岩同位素交换存在，会影响到水中的D同位素含量，因而应用稳定同位素进行示踪时需要考虑氢同位素发生的变化。