氫氧同位素在地熱水研究中的應用

馬藝媛

(成都理工大學 四川 成都 610051)

一、引言

地熱資源儲量巨大，環保無污染可再生，是我國最近幾十年的新型資源。根據地下熱能的賦存狀態，將地熱系統分為水熱型、蒸汽型、地壓型、干熱巖型、巖漿型。我國主要絕大多數地熱田屬于熱水型地熱田。目前許多文獻都已分別單獨討論了地熱流體中的各種元素或同位素的特征，尚英男討論了環境同位素示蹤在地熱地球化學研究中的應用(尚英男，2006)。本次論文主旨為綜合性的討論氫氧同位素地球化學在地熱流體研究中的應用，可以為地熱探討提供有用幫助。

二、氫氧同位素示蹤地下熱水來源及其成因

在地熱系統中，氫氧同位素是地熱水的理想的示蹤劑，是判別地熱水的補給來源和成因、估算補給高程等方面的有效手段。

(一)全球大氣降水H、O同位素規律。Craig(1961)最早研究全球范圍內400多個河水、湖水和大氣降水樣品組成，發現大氣降水的氫、氧同位素之間存在線性關系并由此提出了全球大氣降水方程：δD=8δ18O+10，又稱之為Craig方程。全球降水的平均δD值為-22‰，δ18O值為-4‰，大多數地區大氣降水的δD和δ18O為負值。1981年國際原子能委員會對其進行了修正，得到全球降水線公式為：δD=(8.17±0.08)×δ18O+(10.55±0.64(張云輝，2012)；鄭淑慧在1983年提出了我國大陸地降水線公式，δD=7.9δ18O+8.2(鄭淑慧等，1983)。

圖1 (張云輝)δDvsδ18O二元散點圖GMWL-全球大氣降水線，CMWL-中國大陸降水線

大氣降水的δD和δ18O的影響因素有很多，不同的環境δD和δ18O值也就不同。一般在溫度低、寒冷季節及遠離蒸汽源的內陸、海拔高、緯度高的地區，大氣降水的δD和δ18O數據點落在大氣降水線的左下方，也就是大氣降水說富輕同位素；反之，數據點落在大氣降水線的右上方，大氣降水富重同位素。

“氧漂移”的大小取決于地熱水的溫度、水-巖作用程度、圍巖的δ18O值和地熱水的滯留時間(朱炳球,等.1992.)

(二)H、O同位素在地熱水中的應用。根據地熱水中δD和δ18O值，可以判斷地下熱水的補給源、補給高程、水-巖作用程度、熱儲大概溫度、蒸發效應、水源的混合比例等。1.地下熱水的補給源。若數據點全部落在全球大氣降水線附近，則說明地下熱水的補給來源于大氣降水。王兆榮對中國東部29個溫泉水和地熱井水的H、O同位素研究，楊彪等對瑞麗地熱田的研究，尚英男指出，在不同區域不同地質背景條件下，地熱水的δD和δ18O沿大氣降水線分布，并未發生明顯的氧漂移，說明地熱水的補給來源主要為大氣降水(尚英男，2006)。地下熱水中排泄的熱水95%以上都來源于大氣降水，可能會因補給高程、徑流途徑及河水、海水的混入而有差異。2.補給高程。通過大氣降水補給的地下水的氫氧同位素特征表現出明顯的高程效應，在高程較高的地區，氣候相對寒冷，平均氣溫更低，地下水中重同位素較為貧乏，而高程較低的地區則相反，地下水中的重同位素較為富集，所以氫氧同位素的高程效應常用來區分具有不同高程補給源區的地下水(Siegenthaler and Oeschger，1980；Gonfiantini et al.，2001；Blasch and Bryson，2007)。前人研究表明，當高程每升高100m時，δ18O同位素值相應的降低0.15‰～0.5‰，δD同位素則降低1‰～4‰(Chamberlain and Poage，2000)。全球和中國大陸的δ18O同位素的平均高程梯度為-0.28‰/100m(Poage and Chamberlain，2001)和-0.31‰/100m(周訓等，2010)。據此，可以進一步計算地下水的補給高程和補給區域。下為補給高程計算公式：

H=(δG-δP)/k+h

H為補給高程，h為取樣點高程，δG為取樣點水樣的δD和δ18O值，δP為取樣點附近的大氣降水的δD和δ18O值，k為大氣降水的δD和δ18O的高程梯度。

三、結論

環境同位素用于地熱研究的領域還遠遠不止這些,在判斷熱源的性質以及評價深部熱除的溫度等反面，同位素示蹤有其他方法無法比擬的優越性,比如,運用S同位素判斷水熱系統是否來源于深部(一般指上地幔或下地殼)的物質成分,有哪些組分可能來源于巖漿;以及利用H、O、S、C等同位素地質溫度計評價深部熱儲溫度等等。囿于篇幅的限制,在此就不一一贅述。

然而一種方法不能解決所有的問題,環境同位素示蹤的方法同樣也不能解決在地熱研究中所遇到的所有問題,必須與其他物探、構造特征、水文地質情況,以及地熱分布規律,才能對地熱資源的潛力作出正確的評價,從而充分合理地開發利用地熱資源。化探方法結合起來,分析不同研究區的地質。