中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)中氫同位素的變化

林旭東 許建東

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)是指溫度＜150℃，地下深處沒(méi)有年輕巖漿活動(dòng)作為附加熱源，在正常或略偏高的區(qū)域熱背景條件下，出現(xiàn)在孔隙-裂隙介質(zhì)或斷裂破碎帶中的地下熱水環(huán)流系統(tǒng)(Rybach，1976;汪集旸，1996)。與需要年輕巖漿活動(dòng)的地?zé)嵯到y(tǒng)不同，中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)不依靠附加熱源，因而在自然界中廣泛分布。中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)多出現(xiàn)在斷裂破碎帶或2組不同方向斷裂的交會(huì)部位，且需要地下水具有一定的循環(huán)深度，而第四紀(jì)以來(lái)的活動(dòng)斷裂由于形成時(shí)代較新，斷層物質(zhì)破碎，孔隙度與滲透率較大，因此中低溫地?zé)嵯到y(tǒng)在空間上常與第四紀(jì)以來(lái)的斷裂活動(dòng)有關(guān)。事實(shí)上，絕大多數(shù)地?zé)嵯到y(tǒng)都和1組或2組活動(dòng)斷裂有關(guān)，并受現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制(Wan，1984)。

分析中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)的地?zé)崴畞?lái)源在研究地?zé)豳Y源的形成和地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)、開發(fā)等工作中占有重要的地位。通常，研究人員通過(guò)分析地?zé)崴畼悠返臍溲跬凰亟M成(δD和δ18O值)來(lái)研究地?zé)崴钠鹪?Craig，1961)。地?zé)崴械难跬凰鼐哂醒跗片F(xiàn)象(Craig，1963)。氧漂移是由于地?zé)崴c硅酸鹽或碳酸鹽巖圍巖發(fā)生了氧同位素交換而造成的地?zé)崴懈患?8O，巖石中18O貧化的現(xiàn)象。其漂移程度取決于地?zé)崴臏囟?、圍巖的δ18O值、水-巖比值和熱水在儲(chǔ)庫(kù)中逗留的時(shí)間(尚英男，2006)。對(duì)于地?zé)崴械臍渫凰兀碚撋险J(rèn)為由于巖石中氫元素的含量很低(幾乎很少有含氫的礦物)，所以缺乏水-巖發(fā)生氫同位素交換的物質(zhì)條件，因而地?zé)崴械摩腄值應(yīng)該與地表水中的δD值保持一致。然而，國(guó)內(nèi)外研究人員在對(duì)地?zé)崴畼悠返臍渫凰亟M成的分析過(guò)程中，卻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的地?zé)崴?，尤其是溫泉水的δD值低于當(dāng)?shù)乩渌蛘叩乇硭摩腄值。對(duì)于這一現(xiàn)象，通常使用氫同位素的高程效應(yīng)進(jìn)行解釋，即溫泉水的δD值隨補(bǔ)給區(qū)地表水高程的增大而減小。通過(guò)這種方式，可以計(jì)算出地?zé)崴难a(bǔ)給區(qū)高程，并在泉點(diǎn)附近的山區(qū)中尋找具備這種高程的地點(diǎn)。

式(1)中，H為需要計(jì)算的補(bǔ)給區(qū)高程;K為區(qū)域大氣降水δD的高度梯度(高度每上升100m，氫同位素的δD的下降值);δg為溫泉水的δD值;δp為溫泉水采樣點(diǎn)附近的地表冷水的δD值，h為溫泉所在位置的海拔高度。

通常情況下，中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)總可以在附近山區(qū)找到與計(jì)算出的高程結(jié)果一致的補(bǔ)給區(qū)，因此高程效應(yīng)一直是溫泉水δD值低于當(dāng)?shù)乩渌腄值的經(jīng)典解釋。但是，對(duì)于一些中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)所計(jì)算出的補(bǔ)給區(qū)高程值(H)偏大，在泉點(diǎn)附近找不到對(duì)應(yīng)高程的補(bǔ)給區(qū)(上官志冠等，1996，1998;王基華等，2000;劉焱光等，2009)，目前沒(méi)有統(tǒng)一的解釋。部分研究人員認(rèn)為這是由于具有低δD值的冰期大氣降水混入所導(dǎo)致;也有人認(rèn)為是由于高緯度的低δD值水混入(朱洪山，1993)所導(dǎo)致;還有人認(rèn)為是由于低δD值的深部物質(zhì)的加入(趙永紅等，1993;陳輝，1996;杜樂(lè)天，2009;邵濟(jì)安等，2010;趙永紅等，2011)所導(dǎo)致。

對(duì)于地?zé)崴械摩腄值低于當(dāng)?shù)乩渌摩腄值現(xiàn)象的解釋，無(wú)論是高程效應(yīng)、緯度效應(yīng)，還是古水或深部水的加入，都沒(méi)有將地?zé)崴w移過(guò)程中氫同位素的H-D分餾過(guò)程列為考慮對(duì)象。本文認(rèn)為在討論第四紀(jì)以來(lái)活動(dòng)過(guò)的斷裂附近，尤其是在活動(dòng)構(gòu)造區(qū)內(nèi)中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)的地?zé)崴臍溲跬凰刈兓瘯r(shí)，應(yīng)該首先從中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)內(nèi)氫同位素的物理分餾機(jī)制進(jìn)行分析。為此，本文將通過(guò)水分子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的H-D同位素分餾作用，利用統(tǒng)計(jì)和空間相關(guān)分析的方法，結(jié)合活動(dòng)構(gòu)造帶中地?zé)崴倪\(yùn)移機(jī)制來(lái)解釋中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)溫泉水δD值低于當(dāng)?shù)乩渌腄值這一現(xiàn)象。

1 數(shù)據(jù)分析

1.1 中國(guó)大陸地?zé)崴c當(dāng)?shù)乩渌g的δD差值

本文統(tǒng)計(jì)了位于中國(guó)大陸的45處溫泉，167個(gè)溫泉水(或地?zé)峋韵陆y(tǒng)稱地?zé)崴?與當(dāng)?shù)乩渌?或地表水、地下水、大氣降水，以下統(tǒng)稱冷水)的氫同位素δD數(shù)據(jù)，并對(duì)每個(gè)溫泉的樣點(diǎn)值進(jìn)行平均(圖1)。結(jié)果顯示，地?zé)崴摩腄值均低于當(dāng)?shù)氐睦渌?。?duì)這些差值進(jìn)一步分析得出:地?zé)崴腄值比當(dāng)?shù)乩渌?0%以上的樣本占到樣本總數(shù)的28.89%，地?zé)幡腄值比當(dāng)?shù)乩渌?0%以下的樣本占到樣本總數(shù)的71.11%;中國(guó)大陸地?zé)崴腄值比當(dāng)?shù)乩渌骄?5.02%，其中最高差值出現(xiàn)在京山湯堰畈地?zé)峋?，幅度?65.12%，最小差值出現(xiàn)在稻城勇查卡溫泉，幅度為1.99%。

圖1 中國(guó)大陸地?zé)崴爱?dāng)?shù)乩渌摩腄值Fig.1 TheδD between geothermal water and local cold water in China mainland.

通常，在同一地?zé)釁^(qū)域內(nèi)，出現(xiàn)了地?zé)崴疁囟仍礁?，δD值越低的情況。例如:1)在臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶上，出露于地表的臨潼華清池溫泉溫度43℃，δD平均值-72.9‰;而位于同一區(qū)域的臨潼四一七醫(yī)院地?zé)峋?深1 160m)溫度47℃，δD平均值-75.2‰。2)在秦嶺山前斷裂熱儲(chǔ)帶中藍(lán)田東湯峪溫泉溫度44℃，δD平均值-82‰;而位于同一區(qū)域的藍(lán)田東湯峪地?zé)峋?深627m)溫度53～57℃，δD平均值-86.38‰(馬致遠(yuǎn)等，2006)。3)位于膠遼斷塊的秦皇島溫泉堡地?zé)崽镏械責(zé)峋?號(hào)泉(深147m)的溫度42℃，δD值為-72‰;天然露頭的3號(hào)泉，溫度25～31℃，δD值為-59‰(李娟等，2007)。4)聊城地?zé)崽镏?，聊城單管屯地?zé)峋?1 035m)雖然比聊古1井(2 337m)的深度小，但是其出水溫度高，δD值低(張保建等，2010)。5)在張家口南部地區(qū)也出現(xiàn)高溫溫泉(＞60℃)的δD值比同區(qū)域的低溫溫泉(20～40℃)的δD值低(王基華等，2000)。

與此同時(shí)，國(guó)外研究者也發(fā)現(xiàn)許多溫泉存在此類現(xiàn)象:1)冰島Hreppar-land地?zé)崽锇霃?0km范圍內(nèi)的溫泉可分為40℃以下、41～80℃與80℃以上3類，地?zé)崴摩腄值均低于當(dāng)?shù)乩渌?，并且地?zé)崴c冷泉的δD差值則隨著泉口溫度的升高而變大(arn^orsson et al.，1993)。2)在印度北部喜馬拉雅山脈南麓峽谷中的Tapoban和Badrinath的地?zé)崽镏袦厝?59℃)與高溫鉆孔(90℃)的δD值均低于當(dāng)?shù)氐睦渌?Singh，1989)。3)越南北部高地地?zé)崽餃厝腄平均值為-57.80‰，而當(dāng)?shù)乩淙摩腄平均值為-45.24‰(Nguyen et al.，1993)。4)美國(guó)加州-內(nèi)華達(dá)州盆嶺省地?zé)崽風(fēng)each溫泉的δD值不僅低于當(dāng)?shù)乩渌踔烈驳陀诟浇鼌^(qū)域最高峰(可能的最高補(bǔ)給點(diǎn))Mt.Tobin山峰處冷水的δD值(Mariner et al.，1983)。

1.2 溫泉空間分布與活動(dòng)構(gòu)造之間的關(guān)系

將本文統(tǒng)計(jì)的45處溫泉位置標(biāo)記在地圖上可發(fā)現(xiàn):30處溫泉分布于活動(dòng)構(gòu)造周邊，占全部溫泉總數(shù)的66.67%;11處溫泉分布于第四紀(jì)活動(dòng)過(guò)的斷裂之上，如浙江武義、四川稻城，占全部溫泉總數(shù)的24.44%;僅有湖北咸寧、京山和江西的臨川溫泉附近沒(méi)有第四紀(jì)活動(dòng)過(guò)的斷裂分布。由此可見，多數(shù)中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)分布于活動(dòng)構(gòu)造帶周邊(圖2)。

圖2 溫泉分布與其附近地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)之間的關(guān)系Fig.2 The distribution of geothermal water and its nearby tectonic movement.

對(duì)前兩節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn):在第四紀(jì)火山活動(dòng)區(qū)，吉林長(zhǎng)白山兩側(cè)出露的地?zé)崴腄值較天池火口湖(區(qū)域海拔最高地區(qū))水面的δD低6.43%;云南騰沖溫泉δD值比當(dāng)?shù)乩渌骄档?4.92%。在活動(dòng)斷裂分布的地區(qū)，中國(guó)東部郯廬斷裂南端發(fā)育的廬山溫泉δD值比當(dāng)?shù)乩渌?2.09%;向北經(jīng)膠遼斷塊山東段的臨沂、即墨、招遠(yuǎn)溫泉以及周邊的斷裂上的菏澤地?zé)峋c濟(jì)南地?zé)峋校羞h(yuǎn)溫泉比當(dāng)?shù)乩渌偷牟钪捣茸畲?，?1.82%;再向北到達(dá)膠遼斷塊的遼陽(yáng)、營(yíng)口、鞍山、丹東溫泉，其中，遼陽(yáng)湯河溫泉比當(dāng)?shù)乩渌偷牟钪捣茸畲?，?8.00%;在延懷盆地及泥河灣盆地周緣的活動(dòng)斷裂上分布的延慶、懷來(lái)、赤城、陽(yáng)原、蔚縣溫泉中，延慶松山溫泉比當(dāng)?shù)乩渌偷牟钪捣茸畲螅瑸?6.23%;在秦嶺北緣斷裂帶上，分布著眉縣、臨潼、藍(lán)田、武山溫泉及西安地?zé)峋?，其中，眉縣西湯峪溫泉比當(dāng)?shù)乩渌偷牟钪捣茸畲?，?7.58%;在念青唐古拉山東南麓斷裂上的羊八井溫泉比當(dāng)?shù)乩渌?0.90%;福州活動(dòng)斷層周邊分布的地?zé)峋疄?7.17%;在龍門山、鮮水河、安寧河斷裂交會(huì)位置的周公山地?zé)峋摩腄值比當(dāng)?shù)氐牡乇硭?8.19%;云南瑞麗、大理溫泉也沿著活動(dòng)斷裂分布，大理溫泉δD值比當(dāng)?shù)乩渌?3.88%。

上述地?zé)崽镏?，除云南騰沖、吉林長(zhǎng)白山、西藏羊八井之外，都被認(rèn)為是中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)。它們之間普遍出現(xiàn)的地?zé)崴腄值低于當(dāng)?shù)乩渌默F(xiàn)象表明，可能存在一種系統(tǒng)性的不可逆的物理過(guò)程即地?zé)崴袣渫凰胤逐s過(guò)程。這種氫同位素的分餾過(guò)程與地表水的蒸發(fā)過(guò)程類似，隨著地表向下滲透深度的增加，水中D含量(δD值)逐漸降低，但2個(gè)過(guò)程又有所不同:地表水的蒸發(fā)過(guò)程中H-D同位素的分餾主要受到重力作用的影響，而滲透過(guò)程中則主要是受到壓力、溫度、圍巖滲透率與孔隙度的影響。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，這種地?zé)嵯到y(tǒng)通常在活動(dòng)構(gòu)造區(qū)內(nèi)沿?cái)嗔逊植?，所以活?dòng)斷裂中常?？捎^測(cè)到地?zé)崴c冷水之間滲透深度以及所處溫度壓力狀態(tài)存在顯著差異，這將最終導(dǎo)致H-D同位素分餾程度的加劇。

2 討論

為了進(jìn)一步說(shuō)明中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)中可能存在的氫同位素分餾過(guò)程，本文將建立中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)中H-D同位素分離模型。而建立此模型應(yīng)當(dāng)首先在了解H-D同位素分離原理的基礎(chǔ)上，尋找活動(dòng)構(gòu)造區(qū)中可能出現(xiàn)的H-D同位素分離機(jī)制，之后在現(xiàn)有中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)水熱成因模型的基礎(chǔ)上建立H-D同位素分離模型。

2.1 H-D同位素分離原理

同位素分離原理主要有3種:利用不同同位素相對(duì)原子質(zhì)量的不同進(jìn)行物理分離(如熱擴(kuò)散作用);利用不同同位素相對(duì)原子質(zhì)量的不同造成其在同一化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)速率的差別進(jìn)行分離(如同位素交換反應(yīng));利用與同位素相對(duì)原子質(zhì)量無(wú)關(guān)的方法(如原子核共振)進(jìn)行分離。具體到活動(dòng)斷裂帶附近中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)的氫同位素變化，本文認(rèn)為是由于地?zé)崴蛳聺B透過(guò)程中的H-D同位素?zé)釘U(kuò)散作用，具體在地層介質(zhì)中表現(xiàn)為地?zé)崴袣渫凰氐臐B透作用(或者稱為地?zé)崴纳钛h(huán)作用)導(dǎo)致了地?zé)崴腄值低于當(dāng)?shù)乩渌?/p>

2.2 地?zé)崴蠬-D同位素變化機(jī)制

氫有氕(符號(hào) H，豐度 99.985%)、氘(符號(hào) D，豐度 0.015%)、氚(符號(hào) T，豐度低于0.001%)3種同位素，但是與H2O和HDO相比，自然界中T同位素與D2O分子的含量都很低，因而水分子的H-D同位素分餾作用主要表現(xiàn)為H2O和HDO分子的分離過(guò)程。氣體分子的平均運(yùn)動(dòng)速度與分子質(zhì)量的平方根成反比(式(2))，因?yàn)镠DO分子質(zhì)量數(shù)為19，H2O分子質(zhì)量數(shù)為18，所以H2O分子比HDO分子的運(yùn)動(dòng)速度要快2.74%。

氣體通過(guò)固體(如多孔巖石)或者液體通過(guò)固體擴(kuò)散時(shí)會(huì)產(chǎn)生可以察覺(jué)到的同位素分餾現(xiàn)象。而且在活動(dòng)構(gòu)造區(qū)，由于斷層活動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造熱場(chǎng)會(huì)提高分子的平均運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而增強(qiáng)了同位素動(dòng)力學(xué)的分餾效應(yīng)。因此，地?zé)崴纳钛h(huán)作用(主要為流體壓力下的滲透作用)與地面水向空中遷移時(shí)的蒸發(fā)作用一樣主要是物理過(guò)程，而且基本上可認(rèn)為是不可逆過(guò)程。這個(gè)不可逆物理過(guò)程的同位素效應(yīng)主要是由同位素的質(zhì)量差異引起的，并且隨著地下水滲入地殼越深，深循環(huán)過(guò)程經(jīng)歷的路程越長(zhǎng)，其δD值則降低得越多(上官志冠等，1998)。

深循環(huán)作用本質(zhì)上是一種分子的熱滲透效應(yīng)，某一給定溫度下不同分子量的分子擴(kuò)散速率不同。具體到活動(dòng)構(gòu)造中的中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)，由于地?zé)崴?jīng)歷的溫度變化遠(yuǎn)大于冷水，因而增大了分子的熱滲透效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致同一地區(qū)溫泉水的δD值明顯低于冷水。在水分子受到流體壓力向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，HDO分子由于擴(kuò)散速率較低傾向于沿著流動(dòng)方向聚集在較冷區(qū)域，對(duì)應(yīng)為冷水中HDO的含量較高，HDO分子由于擴(kuò)散速率較高傾向于聚集在較熱區(qū)域，對(duì)應(yīng)為溫泉水中H2O的含量較高。

除此以外，H-D同位素交換實(shí)驗(yàn)表明，水與含水礦物(高嶺土、蒙脫石等)之間的H-D同位素交換程度與溫度有很強(qiáng)的相關(guān)性(Della et al.，1957)。室溫下，高嶺土和地開石中的OH-幾乎不與水中OD-發(fā)生同位素交換，而蒙脫石也只發(fā)生了很小的同位素交換。但是通過(guò)升溫及升壓，同位素交換變化速度提高很快。在190℃時(shí)，高嶺土已經(jīng)與水發(fā)生顯著的同位素交換。當(dāng)溫度上升到370℃時(shí)，高嶺土中＞50%的OH-都會(huì)與水中的OD-發(fā)生同位素交換反應(yīng)。同一區(qū)域的地?zé)崴c冷水，因?yàn)榈責(zé)崴难h(huán)深度較冷泉深，溫度高、壓力大，所以假設(shè)發(fā)生了礦物與水的同位素交換，地?zé)崴慕粨Q程度也比當(dāng)?shù)乩渌摺?/p>

2.3 中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)中H-D同位素分離模型

如圖3所示，典型的中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)(汪集旸，1996)，底部由正?；蚱叩膮^(qū)域熱流進(jìn)行供熱，大氣降水通過(guò)斷層或斷裂破碎帶向下滲透后進(jìn)行深循環(huán)。在此過(guò)程中，冷水不斷汲取圍巖中的熱量成為溫度不等的熱水，之后在適當(dāng)構(gòu)造部位(一般為2組斷裂交會(huì)處)上升，出露地表即成溫泉水。相對(duì)的，經(jīng)歷了入滲過(guò)程但沒(méi)有經(jīng)過(guò)深循環(huán)作用的大氣降水出露地表則成為冷水。地?zé)崴畯慕德涞降乇斫?jīng)深循環(huán)作用到最終出露地表的過(guò)程中，其氫同位素會(huì)發(fā)生如下變化:

圖3 中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)中H-D同位素分餾作用與同位素交換作用(對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)據(jù)White(1968)與汪集旸(1996))Fig.3 The H-D isotopic fractionation and the H-D isotope exchange reaction of geothermal water in low-medium temperature geothermal systems of convective type(modified from White，1968 and Wang，1996).

(1)在入滲過(guò)程中，隨著溫度的升高，水分子的平均運(yùn)動(dòng)速度加快，滲透作用越來(lái)越明顯。由于同一地區(qū)的溫泉比冷水的循環(huán)深度深，因而發(fā)生滲透作用的時(shí)間較長(zhǎng)，滲透導(dǎo)致的H-D分離程度更高。溫泉水由低溫區(qū)向高溫區(qū)是一個(gè)逆著地溫梯度滲透的過(guò)程，因此主要依靠圍巖壓力進(jìn)行，其分餾過(guò)程相對(duì)順著地溫梯度的上升過(guò)程而言進(jìn)行得更徹底?？傮w而言，深循環(huán)作用伴隨著地下水運(yùn)移是導(dǎo)致溫泉水δD值低于同一地區(qū)冷水的根本原因。

(2)如果圍巖含高嶺土、蒙脫石等含水礦物時(shí)，地?zé)崴谶M(jìn)入地?zé)醿?chǔ)之后，則有可能與圍巖發(fā)生H-D同位素交換反應(yīng)，這也會(huì)加劇地?zé)崴蠴D-離子含量的減少。

3 結(jié)論

同位素分離原理與相關(guān)實(shí)驗(yàn)可以證明，活動(dòng)構(gòu)造帶中存在著地?zé)崴瓾-D同位素?zé)釘U(kuò)散分餾的條件，同位素的分餾作用是造成溫泉水δD值低于同區(qū)域冷水的主要原因。分餾速率與溫度相關(guān)，溫度越高H-D分餾作用越明顯。同時(shí)，存在高嶺土與蒙脫石礦物圍巖的地?zé)醿?chǔ)中，可能發(fā)生地?zé)崴c圍巖之間的同位素交換反應(yīng)也會(huì)降低溫泉水中的D同位素含量。

因此，在水文地質(zhì)構(gòu)造較為明確，且構(gòu)造活動(dòng)不強(qiáng)烈的地區(qū)，采用氫氧同位素示蹤法研究地下水的補(bǔ)給具有較高的可靠性。但是對(duì)于中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)而言，由于活動(dòng)構(gòu)造熱場(chǎng)的存在和可能的水巖同位素交換存在，會(huì)影響到水中的D同位素含量，因而應(yīng)用穩(wěn)定同位素進(jìn)行示蹤時(shí)需要考慮氫同位素發(fā)生的變化。