氢氧同位素在地热水研究中的应用

马艺媛

(成都理工大学 四川 成都 610051)

一、引言

地热资源储量巨大，环保无污染可再生，是我国最近几十年的新型资源。根据地下热能的赋存状态，将地热系统分为水热型、蒸汽型、地压型、干热岩型、岩浆型。我国主要绝大多数地热田属于热水型地热田。目前许多文献都已分别单独讨论了地热流体中的各种元素或同位素的特征，尚英男讨论了环境同位素示踪在地热地球化学研究中的应用(尚英男，2006)。本次论文主旨为综合性的讨论氢氧同位素地球化学在地热流体研究中的应用，可以为地热探讨提供有用帮助。

二、氢氧同位素示踪地下热水来源及其成因

在地热系统中，氢氧同位素是地热水的理想的示踪剂，是判别地热水的补给来源和成因、估算补给高程等方面的有效手段。

(一)全球大气降水H、O同位素规律。Craig(1961)最早研究全球范围内400多个河水、湖水和大气降水样品组成，发现大气降水的氢、氧同位素之间存在线性关系并由此提出了全球大气降水方程：δD=8δ18O+10，又称之为Craig方程。全球降水的平均δD值为-22‰，δ18O值为-4‰，大多数地区大气降水的δD和δ18O为负值。1981年国际原子能委员会对其进行了修正，得到全球降水线公式为：δD=(8.17±0.08)×δ18O+(10.55±0.64(张云辉，2012)；郑淑慧在1983年提出了我国大陆地降水线公式，δD=7.9δ18O+8.2(郑淑慧等，1983)。

图1 (张云辉)δDvsδ18O二元散点图GMWL-全球大气降水线，CMWL-中国大陆降水线

大气降水的δD和δ18O的影响因素有很多，不同的环境δD和δ18O值也就不同。一般在温度低、寒冷季节及远离蒸汽源的内陆、海拔高、纬度高的地区，大气降水的δD和δ18O数据点落在大气降水线的左下方，也就是大气降水说富轻同位素；反之，数据点落在大气降水线的右上方，大气降水富重同位素。

“氧漂移”的大小取决于地热水的温度、水-岩作用程度、围岩的δ18O值和地热水的滞留时间(朱炳球,等.1992.)

(二)H、O同位素在地热水中的应用。根据地热水中δD和δ18O值，可以判断地下热水的补给源、补给高程、水-岩作用程度、热储大概温度、蒸发效应、水源的混合比例等。1.地下热水的补给源。若数据点全部落在全球大气降水线附近，则说明地下热水的补给来源于大气降水。王兆荣对中国东部29个温泉水和地热井水的H、O同位素研究，杨彪等对瑞丽地热田的研究，尚英男指出，在不同区域不同地质背景条件下，地热水的δD和δ18O沿大气降水线分布，并未发生明显的氧漂移，说明地热水的补给来源主要为大气降水(尚英男，2006)。地下热水中排泄的热水95%以上都来源于大气降水，可能会因补给高程、径流途径及河水、海水的混入而有差异。2.补给高程。通过大气降水补给的地下水的氢氧同位素特征表现出明显的高程效应，在高程较高的地区，气候相对寒冷，平均气温更低，地下水中重同位素较为贫乏，而高程较低的地区则相反，地下水中的重同位素较为富集，所以氢氧同位素的高程效应常用来区分具有不同高程补给源区的地下水(Siegenthaler and Oeschger，1980；Gonfiantini et al.，2001；Blasch and Bryson，2007)。前人研究表明，当高程每升高100m时，δ18O同位素值相应的降低0.15‰～0.5‰，δD同位素则降低1‰～4‰(Chamberlain and Poage，2000)。全球和中国大陆的δ18O同位素的平均高程梯度为-0.28‰/100m(Poage and Chamberlain，2001)和-0.31‰/100m(周训等，2010)。据此，可以进一步计算地下水的补给高程和补给区域。下为补给高程计算公式：

H=(δG-δP)/k+h

H为补给高程，h为取样点高程，δG为取样点水样的δD和δ18O值，δP为取样点附近的大气降水的δD和δ18O值，k为大气降水的δD和δ18O的高程梯度。

三、结论

环境同位素用于地热研究的领域还远远不止这些,在判断热源的性质以及评价深部热除的温度等反面，同位素示踪有其他方法无法比拟的优越性,比如,运用S同位素判断水热系统是否来源于深部(一般指上地幔或下地壳)的物质成分,有哪些组分可能来源于岩浆;以及利用H、O、S、C等同位素地质温度计评价深部热储温度等等。囿于篇幅的限制,在此就不一一赘述。

然而一种方法不能解决所有的问题,环境同位素示踪的方法同样也不能解决在地热研究中所遇到的所有问题,必须与其他物探、构造特征、水文地质情况,以及地热分布规律,才能对地热资源的潜力作出正确的评价,从而充分合理地开发利用地热资源。化探方法结合起来,分析不同研究区的地质。