地熱資源評價中同位素的運用

■劉順峰

（廣東省有色金屬地質局水文地質隊廣東廣州510800）

地熱資源評價中同位素的運用

■劉順峰

（廣東省有色金屬地質局水文地質隊廣東廣州510800）

在地熱資源評價中，同位素方法常被用來確定熱水的起源和地下水的成因：判定水體間的聯系以及確定熱水的補給高程和各種來源水的混合比例等。本文通過結合相關的具體實例，并結合同位素的物理、化學性質，對同位素在地熱資源評價中的運用進行分析和研究。

地熱資源 同位素 運用

1　引言

同位素方法在地下水的研究中被廣泛使用，尤其是在測定地下水溫度、地下水年齡、追蹤地下水化學成分的運移和追蹤地下水運動方面得到了普遍的運用。在地熱資源評價中，同位素方法的運用也比較廣泛，它可以用來確定熱水的起源和熱水的形成原因；用來判定水體間的聯系；確定各種來源水的混合比例以及熱水的補給高程等。

同位素在研究地熱水的功能主要表現在：①揭示地熱水的補給機制，其中包括補給水的來源，補給期，補給速率、補給區，補給通道等；②評價地熱水的年齡和運動模式；③追溯地熱水的形成歷史，其中包括古氣候、古地理景觀的變遷和形成階段等；④追蹤地熱水的動態變化，其中包括補給區的移動，冷地下水的混入以及環境效應等。

本文通過對δ18O和δD同位素特征的分析，研究了陽江市地熱資源的補給來源、補給區溫度、補給高程，以及對地熱資源的合理開發利用。

2　地熱資源概況分析

2.1陽江市地熱資源概況

廣東省陽江市的新洲地熱田在陽東縣新洲向北西4km處，向北距離陽江溫泉茶場20 km，距離雞山農場3.5 km，向東南距離新洲4 km，距離東平26 km。從溫泉茶場到新洲，有公路可通到地熱田，交通便利。

本地區處于亞熱帶，雨量充沛，氣候溫和。夏季雨水多且日照時間較長，年最高氣溫為35.7℃，最低氣溫為2℃，平均氣溫是22.5℃；年平均降雨量為2383.2 mm，降雨不均勻，其中雨季在4～9月，其降雨量占年總降雨量的86%。

目前熱田井內的最高水溫達到104℃,井口的最高水溫101℃，但是深處溫度很難估計。地下熱水熱源的機制有兩種:一是地下水深循環可以得到地球的內部熱量，就是地溫梯度加熱;二是淺層未冷凝的侵入體傳導加熱的作用。人們普遍認為，高溫熱田的形成有著特定的模式，在地殼的淺部一定要有未冷凝的侵入體，它通常埋藏7～15 km深的地方，溫度可達600℃～900℃。新洲熱田水的化學類型為氯化鈉型，其礦化度為2～3g/L，2、3、5號孔都可以看到巖脈，熱田的深部可能會有近期巖漿的侵入體，從而構成熱田水熱活動的熱源。所以說本地熱田熱源主要源于淺層未冷凝侵入體的傳導加熱作用。圖1為陽江市的新洲地熱田。

2.2同位素特征

溫度是影響大氣降水氫、氧同位素組成變化的主導因素，由此而引申出它們隨季節、緯度和高程的變化，分別稱溫度效應、季節效應、緯度效應和高程效應。

粵西沿海地區不同類型的地下熱水中的δD和δ18O數值是不同的。巖溶型地下熱水中δ18O和δD的數值分別在-5.93%～-5.59%和-37.4%～-36.0%,孔隙型型地熱水中δ18O和δD數值為-45.0%～-38%和-48.7%～-36.4%。粵西沿海地區地下熱水點均位于全球大氣降水線和廣東沿海降水線附近，說明該區域地下熱水主要接受大氣降水補給為主，是大氣降水成因的熱水。該區域巖溶型熱水具有較高的值，其次是孔隙型熱水，而裂隙型熱水值相對較低。此外，巖溶型熱水和孔隙型熱水也較絕大多數裂隙型熱水富集重的氧同位素，然而，裂隙型熱水中的變化范圍廣，幅度最大。這說明裂隙型熱水形成過程的復雜性，其既有與孔隙型熱水和巖溶水相似的和來源，又受其他不同過程的影響。

此外，粵西地區氫同位素呈現出與氧同位素變化趨勢不一樣的分布特征。從內陸向沿海的方向，裂隙型熱水中δD數值逐漸變小，表現出貧化重同位素的特征。氫同位素受水巖相互作用的影響不大，不會因水巖作用出現較強的“同位素漂移”，但粘土礦物和部分氣體（CH4和H2S的溶解會影響熱水中氫同位素的分布。

圖1　新洲地熱田

3　同位素的應用

同位素技術的功能主要應用于對地熱水的認識能力上，從原子層次即化學方法和分子層次即物理學方法深入到原子核層次上，可以充分認識地熱水的起源和形成過程。

3.1判定地熱水的成因和起源

確定熱流體來源和地熱田熱補給性質，環境同位素有著較好的效果，這對研究地熱田的成因和起源具有很重要的意義。

3.1.1硫同位素

A.H.楚茲德爾等人認為，Cl/SO4比值和硫酸鹽中δ34S有著正相關關系。硫同位素的組成可以用來區分深成硫酸鹽和地表硫酸鹽。

3.1.2氫氧同位素

氫、氧同位素組成以δD和δ18O表示，氫氧同位素標準通常采用國際標準SMOW，即標準平均海水(Standere Mean Ocean Water)，

它的δD和δ18O值都定為0‰。δ18O、δD同位素是研究地熱水起源和成因的理想天然示蹤劑，通過測量地熱水中的δD、δ18O同位素的指標，并和地方分餾線或者全球的大氣降水分餾線進行對比，可求出地熱水的補給高程、補給區域、補給來源等（張保建等，2010）。近年來，國內有很多對地熱水補給來源的研究，朱家玲等對中國地熱水的δ18、δD研究后指出，中國地熱水的主體屬于大氣水起源的循環水。孫占學等依據廬山溫泉的δ18O、δD同位素組成，計算出該區地熱水補給高度在1100m左右。

3.2確定補給區溫度和補給高程

大氣降水的氫、氧同位素組成具有高度效應，同位素數值隨地形高程增加而減少，據此可利用公式確定補給區高程（李娟，2008）。

當海拔高度較高時，平均氣溫降低，降水中的同位素減少。對于18O，高度升高100m，δ18O減少量為-0.15‰～-0.5‰，δD的變化量為-1‰～-4‰，這就是高度效應。

研究區的溫泉地熱水源于大氣降水，利用δ值的高度效應可以計算出溫泉補給區海拔的高度。

方法1：根據中國大的氣降水高程效應公式，可以推測地下水補給區的高度和位置。

δD=-0.02ALT-27

式中，ALT為海拔高度。

方法2：H=h+（δG-δP）/K

式中：H—補給區標高(m)；h—取樣地區標高(m)；δG—熱水中δD(或δ18O)值‰；δP—取樣點附近的大氣降水δD（或δ18O）值‰；K—同位素的高度梯度（-δ/100 m）。

另外，大氣降水的δ18O、δD值與氣溫呈現線性相關關系，溫度越高，δD、δ18O值就越大，相反δD、δ18O值則隨之降低。

4　結語

用同位素技術研究地熱資源的起源和形成機理，是現在地熱領域中逐步發展起來的新科技，是深層次的評價地熱資源的一個具有創新點的領域。事實說明，同位素水文學領域是使用核技術效用十分顯著的一個領域。氧和氫的同位素組成成為研究地熱水的天然追蹤劑。中國的地熱水主體是大氣水起源的循環水，是由因為地熱水中δ18O值的飄逸比較小，在1.0-1.5之間；但是δD明顯低于當地的大氣降水量，它的范圍是7-21。

一些同位素在熱源向取樣點運動的過程中沒有受到化學作用和物理作用影響，一般不會改變，所以可以作為熱源未知的指示劑。其他一些同位素對水-巖石作用、溫度、不同來源水的混合、蒸汽散發等變化非常敏感，因此，作為這些地質過程的追蹤劑這些同位素比較適合。一些放射性同位素則用來判定受巖性控制和地質構造的地下水流速及流動方向。

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[2]朱家玲，王坤，王東升.環境同位素在研究地熱資源形成過程中的應用 [J].太陽能學報,2008(1):263-266。

[3]申建梅，陰紅兵，王建中，張亞哲.同位素在地熱資源評價中的應用 [J].中國會議,2007(5):70-73.

P641.4+3[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-387-2