中低温对流型地热系统中氢同位素的变化_林旭东

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1、第35卷第1期地震地质Vol．35，No．12013年3月SEISMOLOGYANDGEOLOGYMar．，2013doi:10．3969/j．issn．0253－4967．2013．01．006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)摘要中低温对流型地热系统在阐明地区构造活动性、地热资源形成与分布、水－岩相互作用以及有用元素富集成矿等方面具有十分重要的意义。而水作为地热系统的载体，研究其同位素变化机制是分析此系统中水－岩相互作用和地热水来源的必要前提。文中统计了中国大陆前人发表的

2、167个温泉水与同一地区冷水的氢同位素(δD值)资料，并讨论了这些温泉水与区域活动构造的空间分布关系。结果表明，温泉水δD值均低于同一地区冷水，且91.11%的温泉发育于活动构造周边。文中还对造成温泉水δD值低于冷水的原因进行了分析:主要是水由地表向地下渗透的过程中，水分子H－D同位素产生分馏作用(深循环作用)，且分馏速率与温度相关，温度越高H－D分馏作用越明显;其次，对于围岩中含高岭土矿物的地区，水与高岭土的H－D同位素也可能发生交换反应，从而降低温泉水中D同位素的含量。关键词中低温对流型地热系统氢同位素地热水δD中图分类号:P317.3文献标识码:A文

3、章编号:0253－4967(2013)01－0075－100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

4、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18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δO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181818O，岩石中O贫化的现象。其漂移程度取决于地热水的温度、围岩的δO值、水－岩

5、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〔收稿日期〕2012－10－16收稿，2012－12－15改回。〔基金项目〕中国地震局地震行业科研专项(200708027)资助。76地震地质35卷元素的含量很低(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

6、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。δg－δpH=+h(1)K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

7、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

8、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