同位素水文地球化学

最近三十年来,由于同位素分析技术的发展,水的同位素分析已经成为水文地质学的现代研究方法之一。水文地质工作者不仅研究水的化学组成,即溶解于水中的盐类的化学组成(水文地球化学)而且进而研究水本身及某些溶解盐类的同位素组成,以获得传统方法不可能得到的一些重要水文地质信息。 同位素技术应用于水文地质学领域,已形成一门新的学科——同位素水文地质学(Isotope Hydrogeology),或称为同位素水文学(Isotope Hydrology)。同位素水文地质学包括用人工同位素示踪研究局部地区的水文地质条件,以及用环境同位素研究较广泛的水文地质学和地球化学问题两个完全不同的学科分支,后一个学科分支就是同位素水文地球化学。     

我国火山地热流体地球化学研究新进展

本文综述了最近几年来中国研究者在地热流体地球化学研究领域取得的主要进展。在国际上关于地球内部流体及其作用研究取得重要进展的大背景下,我国学者在地热流体地球化学研究上也取得了一些重要成果,主要表现在火山地热区和非火山地热区两大方面,在火山学、地热学、环境学、大地构造学、地震学等五个学科领域都取得了一些重要进展。     

河北汤泉地热流体水文地球化学特征及其成因

提要：汤泉位于河北省遵化市西北部,为山前丘陵地貌,地热资源丰富。本文通过对该地区地热流体研究发现：Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺与SO^2-₄、HCO^-₃、Cl^-、NO^-₃是该地区地下热水的主要成分,水化学类型主要为SO^2-₄-Na⁺型,属于未污染的天然弱碱性水;流体中F^-含量平均为9.36 mg/l,远高于国家地下水质量标准ⅴ级;可溶性SiO₂的含量可作为地热温标;地热流体总矿化度平均为782.33 mg/l,属于淡水;为中等腐蚀型水,不结碳酸钙垢,无CaSO₄?2H₂O垢和SiO₂垢生成的可能;地热流体属于含岩盐地层溶滤的陆相沉积水;根据氢氧稳定同位素可知,河北汤泉地热流体主要来源于大气降水。     

岩浆热源型地热系统及其水文地球化学判据

在各类地热系统中,岩浆热源型地热系统具有突出的科学研究意义和开发利用价值。自岩浆热源释出的岩浆流体富含多种强酸性气体,有极强的岩石溶蚀能力,是发生于岩浆热源型地热系统内的水文地球化学过程大异于非岩浆热源型地热系统的根本原因。浅埋或深埋岩浆热源型地热区内均普遍发育三种不同类型的地热水:酸性SO₄型、SO₄-Cl型或Cl-SO₄型水,中性Cl-Na型或Cl-HCO₃-Na型水,弱碱性HCO₃-Cl-Na型或HCO₃-Na型水;是否同时出现以上类型地热水也成为以非碳酸盐岩为热储围岩的水热型地热系统是否具有岩浆热源的水文地球化学判据。在中国,藏南-滇西地热带和台湾地热带是岩浆热源型地热系统集中分布的区域;藏南高原的高温水热型地热系统下的岩浆囊可能是地壳增厚过程中发生局部熔融的结果,也可能与印度大陆岩石圈向北消减后在拉萨地体下形成的近东西向地幔楔的上涌有关。     

章丘北部地区地热流体水文地球化学特征及成因

济南市章丘北部地区发育有厚度巨大的晚古生代至新生代沉积地层,断裂构造和岩浆岩也较为发育,区内地热资源丰富,目前有地热井3口,均位于断裂带附近。文章利用水化学和同位素数据,分析区内地热流体的水化学特征、水-岩作用过程、补给来源、形成年龄,估算补给区高程、热储温度、热水循环深度。结果表明：研究区地热流体水化学类型为Cl·SO₄-Na·Ca型或SO₄·Cl-Ca·Na型;水化学组分主要来源于水-岩溶解作用,且具有相似的水文地球化学过程;大气降水补给,补给区高程为+563～+616 m,¹⁴C表观年龄在5.55～29.71 ka之间,均是现代水与古水的混合水;利用玉髓温标计算的热储温度为41.9～52.4℃,相应循环深度为622～1 565 m;研究区为深循环-弱开放型岩溶热储,其地热水经深循环加热而形成,形成和富集受断裂构造控制明显,其为层状兼带状热储,属中低温地热资源。     

锂同位素地球化学在地热流体水岩反应中的应用——以川西现代富锂热泉研究为例

高温流体的化学组成及同位素特征是深部环境信息的重要载体。本文基于锂同位素地球化学方法系统分析了川西现代热泉地热流体的水化学特征、水岩反应过程、补给来源、水岩反应温度及循环深度。研究结果显示,茶洛热泉水化学相类型为HCO₃-Na型,与地表水和冷地下水的HCO₃-Ca型存在明显区别。利用锂同位素温标估算茶洛热泉的水岩反应体系温度为227.80±19.84℃（2σ,n=8）,热循环深度为7348.08m±684.26m（2σ,n=8）。茶洛热泉水化学成分主要受水岩反应控制,处于非平衡向局部平衡过度。高K、Li、F、Cl等与花岗岩岩体有关的特征元素表明水岩反应中以与花岗岩岩体反应为主导,估算其贡献率约为75.34%。矿物饱和指数的计算,显示了热泉水中的白云石、萤石、霞石、方解石处于过饱和状态;钾盐以及大多数样品的石膏、硬石膏处于不饱和状态;石盐则趋近于平衡状态。锂元素浓度及锂同位素分析结果表明,热泉中的锂元素浓度远高于地表水和冷地下水,且富集较轻的锂元素。锂同位素质量平衡拟合估算与茶洛热泉水进行水岩反应的岩体的锂元素浓度为13.43±7.04×10^-6（2σ,n=13）,δ⁷Li_rock值为1.14±2.06‰（2σ,n=13）。岩体深度约6958~7450m。研究成果对于认识地热流体的富锂机理,拓展地热型锂资源的找矿思路均具有理论意义与实际应用价值。

     

地幔流体的稳定同位素地球化学综述

总结了２０年来国内外学者对地幔流体研究的成果和认识。主要包括地幔流体的性质和组成;地幔流体中同位素的含量、组成和赋存形式;同位素分馏和地幔脱气等作用对地幔组分的影响等。在不同地区和不同构造环境条件的地幔流体中,各种组分含量和同位素组成变化可经很大,从一个侧面指示地幔组分的不均一性,反映了不同地幔物质的形式历程不同或来自不同的地幔源区。此外,还讨论了目前存在的几个疑点。     

蓝田汤峪地区地热流体同位素水文地球化学特征及其指示意义

蓝田汤峪为秦岭山前较为典型的关中盆地地下热水的补给区,其温泉久负盛名。近年来,随着温泉旅游业的大力发展,地热水开采量逐年增加,水位持续下降,平均降深达69.16m。研究汤峪热水的补给起源及更新能力对秦岭山前乃至关中盆地地热资源的保护和可持续开发利用意义重大。笔者运用水文地球化学方法和同位素方法相结合,首次系统的对研究区地下热水的补给来源、可更新性、水岩反应的问题进行了研究,弥补了前人研究的空白或不足,对研究区地下热水的起源成因、赋存方式、热储温度等有了更进一步的认识。     

东秦岭上宫金矿流体成矿作用:稳定同位素地球化学研究

上宫金矿是典型的断控脉状造山型金矿床，成矿过程包括早、中、晚3个阶段。蚀变岩和矿石的δ^18O明显高于未蚀变岩石，指示岩石在水岩作用过程中从流体中汲取^18O。19件早阶段流体δ^18Ow变化于4．2‰～13．4‰(平均8．1‰)，8件δDw介于-66‰～-88‰之间(平均-78％。)，1件δ^13C铁白云石1．5‰。指示流体来源于含碳酸盐地层的变质脱水作用；晚阶段δ^18Ow为-2．0‰～-0．6‰，1件δDw=-56‰，3件δ^13C铁白云石为-1．6％o～-2．2‰，指示流体以大气降水为主要成分；3件中阶段样品δ^18Ow为1．9‰～4．5‰，δ^13CCO2为-1．2‰～0．5‰，均介于早、晚阶段之间，指示中阶段为变质热液与大气降水热液的混合流体作用。大量硫化物沉淀导致中阶段流体(δDw=-113‰～-94‰)，显著低于早、晚阶段。28件中阶段硫化物δ^34S为显著的负值(-19．2‰～-6．3‰)，指示成矿流体系统中存在大量生物硫。理论分析表明，尽管熊耳地体的太华超群、熊耳群、燕山期花岗岩类和下伏地壳、地幔被前人解释为成矿流体的来源，但它们之一或其任意比例的混合物均不可能成为上宫金矿成矿流体的主导性物源，唯一可能是熊耳地体南侧的管道口群-栾川群CSC(含碳质碳酸盐-页岩-硅质岩)建造；在中生代华北与扬子板块的碰撞造山过程中，管道口群-栾川群沿马超营断裂A型俯冲到熊耳地体之下，经变质脱水、脱气作用，提供了上宫金矿流体成矿系统的主导性流体；流体成矿过程适于CMF模式解释。     

云南墨江金矿床的同位素地球化学及成因探讨

墨江金矿的同位素地球化学特征,成矿元素组合和包裹体成分表明：成矿物质主要来源于金厂蚀变超基性岩体,成矿热液是深源流体,岩浆水和大气降水混合的产物。成矿期深部富矿化剂流体沿断裂上升并与地下水混合,从侵入体及围岩中淋滤出了成矿物质。在迁移过程中,随着地球化学条件的改变,金在有利部位沉淀富集形成矿床。墨江金矿床属混合热液改造型矿床。     

沉积盆地型与隆起山地型地热系统地表地球化学异常模式差异性分析

地球化学勘探技术作为地热资源综合勘查技术之一,在地热勘探开发中发挥了重要作用。沉积盆地型与隆起山地型地热系统由于自身地质特征的不同,必然造成它们的地球化学判识指标和异常模式存在差异。目前国内外尚缺乏对这两种类型地热系统判识指标和地球化学异常模式差异性进行地质地球化学分析,导致针对不同的勘探对象在方法选择和异常解释上依据不足。以典型沉积盆地型地热系统——河北雄县地热系统,隆起山地型地热系统——安徽巢湖半汤地热系统为例,开展地球化学方法试验,建立了两种类型地热系统的地表地球化学异常模式,并从地热系统的地质因素(热源、热水、热储、通道、盖层)出发,对其地表地球化学异常模式差异性进行分析,表明隆起山地型地热系统地表地球化学异常模式为受导水断层、破碎带控制的正异常;沉积盆地型地热系统气体地球化学异常模式为受热储构造控制的正异常,微量元素地球化学异常为受氧化还原环境控制的负异常;二者在有效地球化学指标组合和异常形态上均存在差异。研究结果为不同类型地热系统勘探提供方法和理论依据。     

山东高青县沉积盆地型地热流体地球化学特征及成因探讨

高青县地热资源类型为沉积盆地型,主要热储层为古近系东营组孔隙 裂隙型砂岩热储,井口出水温度在53～768℃,水化学类型为Na Cl型。地温场受构造控制影响,为传导型地热系统。根据水化学主要离子组分特征及相关关系、氢氧同位素特征研究,证实高青热田地热水水源为晚更新世大气降水补给,其成因类型为沉积水,且滞留时间较长,水岩作用强烈。     

北京市通州区地热流体水化学和同位素特征及其地热学意义

通过对北京市通州区蓟县系岩溶热储中地热流体的水化学组分、2H、18O、3H、14C、锶同位素组成的研究,论述了区域内地热系统中水的补给径流循环特征和地温分布特征。研究区内蓟县系热储中地热水的出水温度分布在35~91 ℃范围内,补给来源为北京市西北部或北部山区大气降水,平均补给高程为1510m。热储中地热水年龄和热储温度均呈现出明显的构造控制特点。通州区西部,大兴迭隆起构造单元内,热水年龄从西北（18ka）向东南（27ka）增加,运移速度约1.5m/a,热储温度从57.4 ℃增至86.5 ℃。东南部的夏垫断裂是一个导水导热断裂,其上地热水年龄减小至8.4ka,同时热储温度增至107.8 ℃。地热水中锶含量和锶同位素值均沿着地下水的径流方向增加,揭示了两个过程的叠加影响：蓟县系碳酸盐岩中锶的溶解与87Rb的衰减,后者呈现出明显的时间累积效应,在研究区东南部体现的更明显。     

北京市通州区地热流体水化学和同位素特征及其地热学意义

通过对北京市通州区蓟县系岩溶热储中地热流体的水化学组分、2H、18O、3H、14C、锶同位素组成的研究,论述了区域内地热系统中水的补给径流循环特征和地温分布特征.研究区内蓟县系热储中地热水的出水温度分布在35～91℃范围内,补给来源为北京市西北部或北部山区大气降水,平均补给高程为1510 m.热储中地热水年龄和热储温度...     

热水沉积成矿盆地的热状态及热演化分析与研究思路--热水沉积成矿盆地分析与研究之四

根据对秦岭泥盆纪沉积盆地的构造成盆 -后期构造变形特征研究 ,秦岭造山带泥盆纪热水沉积成矿盆地中构造 -热流体地质事件可初步厘定如下 :1中泥盆世伸展构造成盆 -热水同生沉积成矿事件 (D1)。2晚泥盆世 -石炭纪伸展变形 -深源热流体叠加事件 (D2 )。3印支期挤压收缩变形 -热改造事件 (D3 )。 4燕山期逆冲推覆构造改造 -深源热流体叠加及脆性变形事件 (D4 )。 5喜玛拉雅山期脆性变形 (D5)。从盆地热状态及热演化研究角度看 ,盆地内充填地层体中有机质及矿物可以记录热状态及热演化历史 ,利用盆地内充填地层体中有机质及矿物温度计可以反演盆地内充填地层体形成时盆地热状态和盆地底部热流。认为热水沉积成矿盆地热状态及热演化主要研究方法有主要矿物流体包裹体测温、镜质体反射率 (R0 )法、氧同位素地质温度计法等。     

承德北部茅荆坝地热田地热流体的水化学和同位素特征及其成因

承德北部茅荆坝地区地表出露的地热水温度高达98.7 °C,赋存于裂隙较发育的侏罗世中粗粒二长花岗岩热储,${\mathrm{SO}}_4^{2-} $含量较高,但关于该区地热流体的补给来源、循环演化过程与成因机制研究尚少。为了认识该基岩山区地热系统的成因以合理开发利用地热资源,在区域地热地质调查的基础上,测试分析了不同水体的水化学组分、地下水年龄（3H和14C）、硫酸盐硫、氧同位素（δ34S-${\mathrm{SO}}_4^{2-} $和δ18O-${\mathrm{SO}}_4^{2-} $）、碳酸盐碳同位素（δ13C-$ {\mathrm{HCO}}_3^-$）、锶同位素（87Sr、86Sr）等特征值。结果表明：（1）茅荆坝地区地热水化学类型以${\mathrm{SO}}_4 $—$ {\mathrm{Na}}$型为主,硅酸盐矿物的溶解及阳离子交换作用促进了地热水中${\mathrm{Na}}^+ $、${\mathrm{K}}^+ $和SiO2的富集,水中${\mathrm{SO}}_4^{2-} $并非来源于硫酸盐岩矿物溶解,推测为H2S气体从深部还原环境上升到浅部氧化后生成${\mathrm{SO}}_4^{2-} $,也可能来源于高温地热水与硫反应形成的硫酸盐;（2）地热水n(87Sr)/n(86Sr)均值为0.7092,与海相碳酸盐岩比值接近,揭示热储深部可能存在海相碳酸盐岩储层;（3）地热水属于古地下水,14C校正年龄为11.9～14.9 ka,循环更新能力差,由周边山区的大气降水补给,补给高程在1532～1632 m;（4）地热系统深部热储温度为142～144 °C,高温中心位于热田北部。研究结果对冀北山地地热资源的可持续开发利用具有重要意义。     

Geochemical and isotopic characteristics of fluids in the Niutuozhen geothermal field,North China

Niutuozhen geothermal field is located in the Jizhong graben, belonging to the northern part of Bohai Bay Basin in North China. Chemical and isotopic analyses were carried out on 14 samples of the geothermal fluids discharged from Neogene Minghuazhen (Nm), Guantao (Ng), and Jixianian Wumishan (Jxw) formations. The δ²H and δ¹⁸O in water, δ¹³C in CH₄, δ¹³C in CO₂, and ³He/⁴He ratio in the gases were analyzed in combination with chemical analyses on the fluids in the Niutuozhen geothermal field. The chemical and isotopic compositions indicate a meteoric origin of the thermal waters. The reservoir temperatures estimated by chemical geothermometry are in the range between 60 and 108 °C. The results show that the gases are made up mainly by N₂ (18.20–97.42 vol%), CH₄ (0.02–60.95 vol%), and CO₂ (0.17–25.14 vol%), with relatively high He composition (up to 0.52 vol%). The chemical and isotopic compositions of the gas samples suggest the meteoric origin of N₂, predominant crustal origins of CH₄, CO₂, and He. The mantle-derived He contributions are calculated to be from 5 to 8% based on a crust–mantle binary mixing model. The deep temperatures in the Jxw reservoir were evaluated based on gas isotope geothermometry to be in the range from 141 to 165 °C. The mantle-derived heat fraction in the surface heat flow is estimated to be in the range of 48–51% based on ³He/⁴He ratios.     

应用壤中气方法圈定沉积盆地型地热田的地热最有利富集区

传统地热化探技术(以土壤微量元素为主)在隆起山地型地热田勘查中的应用较多,用以圈定地热异常区和勘查隐伏断裂构造,但在沉积盆地型地热田勘查中应用较少,主要原因在于沉积盆地型地热田热水埋藏较深,保存条件较好,抑制了地热水中无机元素等伴生物向地表扩散的强度,影响了化探技术对沉积盆地型地热田的预测效果.考虑到沉积盆地型地热田热水富含的伴生气体(甲烷、二氧化碳等),因其穿透力较强,易于在地表聚集而得以检测,因此采用壤中气方法在沉积盆地型地热田——冀中坳陷河北雄县地热田开展试验,进行近地表地球化学特征与地热响应关系解剖.结果表明,壤中气甲烷、氢气是圈定雄县地热田地热最有利富集区的有效指标,该结果为相似的沉积盆地型地热田勘探提供了地球化学依据.     

关中盆地秦岭山前地下热水的循环机理

地热资源作为清洁能源在经济建设和环境保护中倍受青睐,而地下热水循环机理的研究是合理开发地热资源的前提。以关中盆地横跨山前冲积扇-黄土台塬-冲积平原三类地貌单元的典型剖面为研究对象,在地下热水野外调查的基础上通过地下热水动力场、化学场和同位素场的研究构建了关中盆地秦岭山前地下热水的循环模式:地下热水主要来自第四纪末次冰期海拔2 006~2 032 m大气降水的补给,大气降水经秦岭山前断层破碎带向下渗透进入盆地深部,在异常高的地热梯度下受热后沿着渭河北侧导水断裂带上升。从补给径流区至排泄区,地下热水径流速度由快变缓,年龄逐渐变老(从21 097 a到31 809 a),水化学类型由HCO3—Na型向Cl—Na型过渡,水岩作用从弱到强,依次发生了溶滤作用、脱硫酸作用和去白云岩化作用,可交换岩石对地下热水18O的贡献比例依次为0%、10%、10%~25%。