地热地球化学

地热勘查中的地球化学方法

指地热勘查中的地球化学方法。在地热田的最初调查阶段,对地表冷水、热泉水、喷气孔和冒汽地面的水汽样进行分析能够廉价地得到有关该地区地热田特征的许多信息。它有助于评价热田的能量、地下温度、地热系统的类型、流体的来源、深部地质学和矿物学情况,将来开发时的腐蚀和结垢,是否存在垂向渗透带等诸多问题。

温标计算

温标计算可推断深部热储温度，明确地热资源进一步开发利用的区域及价值等。常用的有SiO2温标、同位素温标、钾钠钙温标、钾钠温标、钾镁温标等。

SiO2温标

SiO2温标是通过SiO2热传导溶解平衡推算热储深度和温度。SiO2温标可说明研究区地热水曾达到的最高温度，其温度的计算是由水溶液中Si的浓度是由水－岩相互作用时的温度下Si的溶解性决定的。

同位素温标

同位素分僧平衡是温度的函数，若热储中气体组分达到分馏平衡，气体在上升到地表的过程中其同位素组分不变，利用某种元素在一对组分同位素组成上的差异即可算出热储温度。但由于同位素平衡需较长地质历史时期或较高温度才能达到，该温度计只适用少数热田。

钾钠钙温标

钾钠钙温标是假设存在温度大于100°C的交换反应，利用地表水中这些成分的相对浓度及热储温度间的经验公式进行计算。

钾钠温标

钾钠温标基于理论热动力学，给出了在经历长时间上升期的地热水热历史的额外线索。相对于SiO2温标，该温标对温度的变化反应较缓慢。

钾镁温标

钾镁温标是从热动力平衡推导出的公式，适用低温地热水。该方法测出的温度一般高于热水井出水温度。

同位素地球化学的应用

除上述温标计算外，还可应用同位素地球化学确定地热水年龄、来源、成因等。

测定地热水年龄

常用的地热水测年同位素是3H和14C，前者要求地下水补给必须是近期补给（50年内），后者要求地下水溶解无机碳有多种来源、水文地球化学条件复杂及年龄上限为40ka。可通过地热水年龄与矿物或岩石年龄对比，确定地热水流经介质及相互关系。

研究地热水水源与成因

主要利用氢氧同位素研究地热流体补给水源、成因等。通过地热水稳定同位素δD和δ18O相关关系确定地热水来源。

随着同位素技术的发展，同位素研究还可解决地热水埋藏、水质水量变化等地热水形成的动态理论问题，并可判断地热水各补给来源的比例、流向、流速等。

圈定地热异常区

离子等值线圈定地热异常区

除出露的温泉是肉眼可见的局部热异常表现外，可应用地热水中常规离子和特征离子含量确定地热异常区。该方法是一种非常有效的地热勘查手段，应用离子等值线圈定的热异常区及展布方向常与地温测量的结果一致。

土壤测量圈定地热异常区

测量土壤汞量圈定地热异常区，该方法有时可圈出物探圈不出的异常。此外，由于构造对热水分布起重要作用，通过汞异常的展布方向可揭示热田的主构造方向。还可通过土壤测温圈定地温异常区，一般地表有地热显示的地区土壤温度高，反之土壤温度低。

地热系统的放射性

放射性元素衰变可提供热能，因此地热系统的放射性也是圈定地热异常的有效手段。如康定热水塘地区，区域内岩浆岩发育，岩浆岩中放射性元素衰变为高温地热能的形成提供部分热源。

地热流体质量评价

地热流体质量评价指通过地热流体全分析确定地热水硬度、矿化度、pH、水化学类型、溶解性总固体含量、腐蚀性等，为地热能开发及有效利用等提供指导。地热水化学特征是地热形成过程中漫长地质作用的产物，通过地热水化学特征研究了解其成因并推测其发展潜力。

气体分析

气体分析可判定CO2、H2、H2S、CH4等主要气体含量及少量微量气体、惰性气体含量，通过气体组分变化可掌握深部热储动态变化。

Barnes等发现某些区域地表CO2释放量与地震活动密切相关，进而提出CO2与现代构造活动有关的观点。康定热水塘地区位于鲜水河大断裂附近，该断裂是四川省境内最为活跃的一条地震带，该区地热气体CO2含量较高，这暗示高异常CO2的一种成因，因CO2可源于石英、方解石等矿物的热液反应。此外，在高温地热系统中，水－岩作用产生的CO2不足以维持地热流体中CO2高异常量，岩浆作用或变质作用是热储CO2的外源，研究区岩浆岩发育，也佐证了岩浆作用导致热储CO2的增加。

羊八井地热田

羊八井浅层地热以热水为主，钻孔揭露的地下热水，约在40～100m的深度内，一部分热水扩容为蒸汽，热水中的气体则由于压力的降低而游离出来。因此，井口的流体是处于饱和状态的、以热水为主的蒸汽和不凝气体的混合物。

热流体的水化学特征

氯化物钠质水是羊八井地下热水的主要化学类型。矿化度1．5～2g/L之间。热流体的pH值，当热流体汽化、减压上升到地表，并失去蒸汽及CO2、H2S等酸性气体后，水的pH值增高呈现碱性。pH值一般为7.7～8.9之间。

地热田内还出现硫酸盐钠质水或氯化物一硫酸盐钠质水，pH值3～4，有强烈的H2S气味，总含硫量达5．1lmg/L，不含HCO3-；和CO32-，矿化度达2．2g/L，经微生物分离培养和鉴定，发现水中存在氧化硫硫杆菌和排硫杆菌。因此可以肯定，该酸性水是在表生条件下，在上述两种细菌的作用下，硫化氢被氧化而形成的。

地下热水普遍含有锂、锶、铅、锌、砷、铯、总硼(B2O3)等多种元素和化合物。地下热水中汞含量很低，可能是由于地下热水中含有硫，汞和硫作用生成HgS沉淀所致。

地下热水中的微量元素和一些化学组分的含量与地下热水温度有一定的相关性，其中Cl-、Na+、Si02、B3+、F和Li+等与温度呈正相关关系，相关程度依次是Cl-、Na+、SiO2、B3+、F-和Li+等与温度呈正相关关系，相关程度依次是Cl->F->Na+>SiO2>Li+>B3+热水中还含有放射性元素镭、铀和氡。

地下热水的气体成分

地下热水的气体成分主要是CO2，其含量最高达99．8%，其次含有少量N2、O2、H2S、B2H6、H2、Ar、He和Ne等。研究表明，N2/O2值介于0．14～74，与空气的N2/O2值相近似，这说明N2/O2来源于大气。而CO2来自深部。

同位素特征

稳定同位素对于确定热田的热补给性质和地热流体的来源等问题有较好的效果，因此研究地热田的同位素具有重要意义。

根据自然硫和硫酸盐硫的同位素组成，羊八井地热田自然硫的δ34S值在一5．6‰～0．0‰，中国科学院科学考察队的测定资料为一0．4‰～3．4‰，故具有深源硫的特点，表明地热田内硫化物的硫源应来自地壳深部。从11个地下热水和热泉水硫酸盐硫的同位素组成看，δ34S值在一1．5‰～10．6‰之间，大多数样品的δ34S值在5．9%o～10．6‰之间。楚兹德尔等人指出，根据地下热水中硫酸盐的硫同位素组成，可以区别深成硫酸盐和地表稀释的硫酸盐。他们认为，Cl/SO4值高的地下热水，其硫酸盐(深部硫酸盐)具有高的δ34S值，而在Cl/SO4值低的地下热水中，其δ34S值也低。从整个地热田地下热水硫酸盐的硫同位素组成来看，大多数样品都具有深部硫酸盐的性质。这与自然硫的硫同位素所反映的硫源性质是一致的。

利用氢氧稳定同位素研究地下水的成因等获得了重大进展。世界许多学者在地下热水方面进行了许多研究。

羊八井地热田地下热水的氢氧同位素组成具有明显的高度效应。地下热水的δ18O值与大气降水的δ18O值十分接近。地表水点与地下热水点都落在克雷格大气雨水线附近，δ18O值相对于大气降水有正向漂移，这与克雷格的研究结果一致。由此表明，地下热水主要是由大气降水补给。δ18O值的漂移是由于大气降水在其深循环过程中与岩石发生氧同位素交换的结果。其补给源主要是西北部含δ18O低的高山冰雪水。这些冰雪地表水通过念青唐古拉南缘大断裂带渗入地下，经深循环加热而成为地下热水。

羊八井地下热水的补给来源，除了地表水外，还可能有一定数量的深部热水的补给。

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