福建地热水氢氧环境同位素特征浅析

陈礼明

(福建省地质调查研究院，福州， 350013)

环境同位素在研究地热水方面主要有4个用途：揭示地热水补给机制；评价地热水年龄或运动模式；追溯地热水形成历史；跟踪开采条件下地热水的动态变化。针对福建省地热水环境同位素的研究较少，且一般多限于对单个地热田中地热水补给高程的计算、研究补给区等补给机制方面。笔者通过对全省范围地热水氢氧环境同位素较系统的测试研究，主要展现其在区域上的分布特征以及形成差异的原因。地热水样品测试结果来源于“福建省地热资源现状调查评价与区划”项目，在同一时期内完成了福建省194处主要地热点(当时全省已知共204处)的流体采样测试(图1)，基本覆盖全省陆域范围，是有史以来全省地热水化学分析测试研究涉及面最广、分析元素最全的一次，也是首次在全省地热普查中进行较系统的环境同位素测试分析研究工作。为了便于比对研究，同时还在福州等地采集了6处地表水进行相关测试。样品氢氧环境同位素测试均由中国地质科学院矿产资源研究所完成。

1 环境同位素研究

水分平衡是决定降水中稳定同位素分布的基础。各种地理因素、气象因素只是这种平衡中的一些基本条件，当某一要素占主导作用时就表现出了所谓的某种“效应”[1]。大气降水中氢氧同位素组成的分布很有规律，主要受蒸发和凝结作用制约。具体说，降水的同位素组成与地理和气候因素存在直接的关系，具体主要有温度效应、纬度效应、高程效应、大陆效应、降雨量效应、季节性效应[2]等。

图1 福建地热点与主要区域性构造分布简图Fig.1 The diagram of the geothermal and the main regional tectonic distribution of Fujian province

1.1 地下水分类

根据水-岩同位素交换反应的特点，从水文地质学角度把地下水划分为[3]现代渗入成因的低温地下水、古地下水、地下热水、沉积水、初生水和变质水。认为地下热水(温度高于60℃)同位素成分存在氧同位素“重化漂移现象”：地下热水δ18O值一般高于当地浅层低温地下水的值即所谓的氧同位素重化漂移。沉积水又称为埋藏水，由于与其中含量比较多的H2S、CH4发生交换，δD值升高。

1.2 δD和δ18O同位素分析结果

此次研究采集的194个地热水样进行δD、δ18O同位素分析，结果显示δD分布范围为-19‰～-80‰，最小值位于德化县南埕镇塔兜村，最大值位于福清市三山镇沁前村，算术平均值为-57.5‰；δ18O分布范围为-5‰～-12.2‰，最小值位于华安县华丰镇金山林场仙溪，最大值位于涵江区白塘镇周墩村，算术平均值为-10.2‰。郑淑蕙等[4]报道了中国大气降水中δD含量为20‰～-190‰，δ18O值为2.0‰～-24‰。可见，福建省地热水氢、氧同位素含量均落在中国降水变化范围之中。

2 δD与δ18O关系特征

2.1 地热水补给来源

1961年Craig通过对全球降水样品同位素资料的分析指出，雨水的δD与δ18O值之间存在着线性关系，并得到了相关关系式：δD=8δ18O+10。

柳鉴容[5]等人对中国东部季风大气降水δ18O特征进行分析，研究拟合出了一条华南地区的大气降水线方程：

δD=7.46δ18O+0.9

式中：R2的值为0.94(R2为线性相关系数，是衡量变量之间线性相关程度的量)，说明它们的线性相关性好。

陈锦芳[6]等人对厦门沿岸地区大气降水中氢、氧稳定同位素进行分析，研究拟合出了一条厦门沿岸地区的大气降水线方程：

δD=7.67δ18O+7.68

式中：p<0.000 1(在回归分析中，p值代表拒绝原假设的值，用于检验系数的显著性水平)，线性相关系数R2=0.9876。

章斌[7]等人用氢氧稳定同位素评价闽江河口区地下水输入，根据GNIP福州站点1985～1992年的71个降水同位素数据，建立了福州地区的降水线方程：

δD=8.19δ18O+11.73

式中：N=71(样本数)p<0.0001，R2=0.922。

根据取样的194组地热水，6组地表水的氢、氧稳定同位素测试结果，以及上述降水线资料，绘制δD-δ18O分布关系(图2)。从图中可以看出，大部分地热水样的氢氧同位素值(特别是沿海地区)都位于大气降水线附近，可见大气降水是大部分地下热水主要的补给来源，因为补给高程、径流途径差异及沿海个别点海水的混入而异。

图2 福建D-δ18O分布规律Fig.2 Distribution of δD-δ18O in Fujian province1—北武夷隆起区;2—南武夷古生代凹陷区;3—闽东沿海火山断坳带4—地表水;5—全球大气降水线;6—华南大气降水线;7—福州大气降水线;8—厦门大气降水线;9—线性(部分地热样品);10—样品数;11—线性相关系数

2.2 地热水中δD与δ18O总体分布特征

从δD-δ18O分布规律可以较明显看出北武夷隆起区全部样品、南武夷凹陷区大部分样品及闽东火山断坳带极少样品偏离大气降水线较远。分析样品所在区域位置是福建沉积地层最广泛分布区域，根据地理位置地质背景特征，认为主要原因是由于发生水-岩同位素交换，上述地热水样品的部分补给来源于沉积水，由于与其中含量比较多的H2S、CH4发生交换，δD值升高。

根据上述这些偏离降水线较远的50组地热水样氢、氧稳定同位素值，应用最小二乘法拟合得到直线方程：

y=8.1x+58.7(N=50,R2=0.916 8)

式中：N为样品数，R2为线性相关系数，可见斜距与各条降水线接近，仅截距偏大，说明地热样品氢、氧稳定同位素值的线性相关性与大气降水较一致，推断这些地热水虽然部分补给来源于沉积水，但主要补给还是大气降水。

闽东沿海火山断坳带的绝大多数地热水样品，氢、氧稳定同位素值相对地表水偏低，说明地热水补给是经过蒸发或补给过程中经过蒸发的剩余水。这也与刘凯等[8]“环境同位素在北京市地热资源研究中的应用”中的结论相符：大多数地下热水的氢、氧稳定同位素值比地下冷水中要偏低。由于高程效应，造成大气降水中氢、氧稳定同位素值的差异，从而也引起地热水中氢、氧稳定同位素值的差异。

同时有小部分数据点发生了氧同位素“重化漂移现象”，说明地下热储存在氧同位素的交换反应，相对来说从漂移样品数量以及漂移程度来看并不显著。可能因为地热水基本为中-地温地热系统，热储温度相对不高，或是大部分地热水循环周期较短，氧同位素的交换反应相对不充分。

2.3 地热水中δD、δ18O同位素与其他元素的关联分析

通过分析δD、δ18O与Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-、F-、H2SiO3、Li、Br、pH值及矿化度等指标的关系发现，在一定条件下δD、δ18O分别与Cl-、矿化度呈现正相关，因为δD与δ18O二者本身存在正相关，因此仅以δ18O为代表来分析与Cl-、矿化度呈现正相关的特征。由福建地热水δ18O与Cl-、矿化度的关系(图3，4)可以看出，Cl-、矿化度数值大于某个数值时与δ18O呈一定程度的正相关。

将矿化度小于1.0 g/L的地热水定义为淡水[9]，参照这个指标界限，选取矿化度大于1.0 g/L的26组地热水样品(非淡水)，绘制δ18O与氯离子的关系散点图(图5)，应用最小二乘法拟合得到相关方程：

y=1.90x+22.19(N=26,R2=0.714 2)

式中：相关系数为0.714 2，说明这些样品中氯离子含量与δ18O呈线性正相关。

同样，选择矿化度大于1.0 g/L的26组地热水样品，绘制矿化度与δ18O的关系散点图(图6)，应用最小二乘法拟合得到相关方程：

y=3.02x+36.02(N=26,R2=0.711 3)

式中：相关系数为0.711 3，说明上述样品矿化度指标与δ18O呈线性正相关。

以上26组地热水，除了4处矿化度略大于1 g/L的位于内陆，其余均分布于滨海地区(表1)，因此认为主要由于海水的混入形成了上述特征，因为海水的氢氧环境同位素值比大气降水高得多，使矿化度升高的同时，也提高了同位素值。

图3 福建地热水δ18O与氯离子关系Fig.3 The correlation between δ18O and Cl- of geothermal water in Fujian province

图4 福建地热水δ18O与矿化度关系Fig.4 The correlation between δ18O and TDS of geothermal water in Fujian province

图5 福建矿化度大于1.0 g/L的地热水δ18O与氯离子关系Fig.5 The correlation between δ18O and Cl- of geothermal water with salinity greater than 1.0 g/L in Fujian province

图6 福建矿化度大于1.0 g/L的地热水δ18O与矿化度关系Fig.6 The correlation between δ18O and TDS of geothermal water with salinity greater than 1.0 g/L in Fujian province

表1福建地热水中氢氧同位素、氯离子及矿化度测试结果(矿化度>1.0g/L)

Table1ResultsofδD-δ18O，ClandTDSforgeothermalwaterofFujianprovince(TDS>1.0g/L)

序号地理位置δD(‰)δ18O(‰)Cl-(g/L)矿化度(g/L)1福清市三山镇沁前村-19-9.210.84 16.34 2长乐市漳港镇龙峰村-26-10.32.84 5.26 3闽侯县荆溪镇光明村-30-110.36 1.12 4闽清县梅溪镇梅埔村-34-11.40.05 2.22 5芗城区新华南路-63-7.25.66 9.56 6龙海市港尾镇汤头村-65-8.22.57 4.31 7龙海市东泗乡松岭村-65-7.84.58 7.96 8龙海市东泗乡东泗村-62-6.76.60 11.20 9莆田市城厢区霞林街道木兰村黄头-67-8.14.74 7.94 10莆田市涵江区白塘镇周墩村-50-516.98 26.55 11泉州市南安市官桥镇盐田村-67-81.61 2.77 12厦门市翔安区大嶝镇海岸-53-5.510.70 18.93 13厦门市翔安区新店镇浦边村-52-5.412.55 20.99 14厦门市同安区凤南农场-69-11.31.28 2.30 15厦门市集美区杏林湾-54-8.78.97 15.83 16厦门市海沧区东孚镇汤岸-66-10.72.16 3.98 17龙海市角美镇田里村-56-9.86.27 10.82 18漳州市龙文区郭坑镇黄坑村-65-10.61.27 2.56 19漳州市漳浦县旧镇镇狮头村-54-8.516.14 27.07 20漳州市漳浦县沙西镇埔头村-69-11.31.11 1.99 21漳州市漳浦县盘陀镇官陂村雀埔-70-11.30.79 1.50 22漳州市云霄县陈岱镇石前村院前-51-8.112.72 21.87 23龙岩市武平县城厢镇下东村-47-80.02 1.05 24永安市洪田镇贵湖村-27-10.60.01 1.26 25永安市洪田镇贵湖村热水口-28-11.40.01 1.02 26永安市纺织厂-26-10.50.01 1.06

2.4 地热水中δD、δO 18同位素与水温的相关性分析

通过福建地热水井(泉)口温度、热储温度(SiO2化学温标换算)与δ18O的关系散点图(图7，8)可以看出：地热水井(泉)口温度与δ18O没有明显的线性相关性，计算线性相关系数仅为0.136 4；同样热储温度与δ18O也没有明显的线性相关性，计算线性相关系数仅为0.068 7。此线性相关性分析结果，也与前文的论断相符，因为地热水基本为中-低温地热系统，热储温度相对不高，或是大部分地热水循环周期较短，氧同位素的交换反应相对不充分，受热储温度影响较小。

3 地热水补给高程计算

所谓高程效应是指地形起伏比较大的地区，大气降水中δD 和δ18O 随着地面高程的增加而逐渐降低的现象。造成高程效应的主要原因是随高程的增加气温逐渐降低，加速了水汽冷凝成雨和同位素的分馏，减少了雨滴的蒸发，所以常伴有山体迎风面的雨量增加，形成山体迎风面的超前降雨区，因而云团上升到高空后重同位素含量越来越少，这样就形成了高程效应。正因为这种效应，使得同位素水文地质研究中，常常借助于研究区内大气降水的同位素高程效应，推测地下水补给区位置高度。朱前林[10]等人在“同位素高程效应推测水补给来源的研究”中提出地下水含水层的补给高程计算公式：

图7 福建地热水δ18O与井(泉)口温度关系Fig.7 The correlation between δ18O and the wellhead(spring mouth) temperature- of geothermal water in Fujian province

图8 福建地热水δ18O与热储温度关系Fig.8 The correlation between δ18O and the thermal storage temperature of geothermal water in Fujian province

式中，H为地下水补给高程；δG为样品中δ18O的值；δP为大气降水中δ18O的值；K为δ18O随高程变化的梯度；h为取样点高度。

柳鉴容等人对中国东部季风大气降水δ18O值与高程之间的关系进行研究，确定二者梯度关系为-0.475‰/100 m；同时总结出南部地区大气降水中δ18O的平均值为-5.94‰。据此作为计算参数，解线性方程可得到福建地热田水源的补给高程分布于165.5～1 853.3 m，其中补给区海拔最高位于龙岩市新罗区江山镇双东村；最低位于龙海市东泗乡东泗村。此次计算的最高补给高程为1 853.3 m，属新罗区江山镇双东村地热点，超过了海拔1 807 m的龙岩市新罗区最高山脉岩顶山(属玳瑁山系)，认为此次计算选取的大气降水中δ18O数值来自华南大区，可能造成高程计算数值稍偏大。

福建各地区的地下热水补给高程差异较明显，一般来说，龙岩、三明及南平等内陆地区的海拔较高，补给高程总体高于闽东沿海一带。因为各地丘陵地貌，海拔变化明显，一定程度上也造成了补给高程的差异。

4 讨论

研究福建省地热水补给高程发现，个别海岸滩涂上地热流体补给高程计算结果为负值，明显有悖于水文地质学中的基本原理，笔者认为可能是海水入侵地热孔影响了环境同位素测试分析指标，或是因为海域中的地下热水系统与陆域中的地下热水系统的补给来源不一样，个别沿海地热水补给来源于海水，因为其氯离子、溴离子的含量及矿化度明显高于其他大部分地热水。

致谢：承蒙庄树裕博士指导，张冰硕士协助图件绘制，在此表示感谢。本文是“福建省地热资源现状调查评价与区划”项目成果，对参与此项目的所有工作人员表示感谢。