西藏尼木-那曲熱水氘過量參數(shù)及其指示作用

劉 昭, 藺文靜, 謝鄂軍, 何雨江, 張 萌, 王貴玲

(1.中國地質科學院 水文地質環(huán)境地質研究所，石家莊 050061; 2.西藏自治區(qū)地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 地熱地質大隊，拉薩 850032; 3.中國地質大學 環(huán)境學院，武漢 430074)

有關水中穩(wěn)定同位素的研究始于20世紀50年代[1-3]；Craig(1961)給出的全球“雨水線”為δD=8δ18O+10，并提出地熱水主要為大氣降水補給，首次發(fā)現(xiàn)Salton海地熱田熱水存在的“氧漂移”現(xiàn)象[4,5]；Dansgaard(1953)首先定義降水線中的參數(shù)d，稱之為氘過量參數(shù)(d=δD-8δ18O)[6]。氘過量參數(shù)反映了水汽源地、空氣濕度、海洋水蒸發(fā)分餾條件、水汽路徑等。氘過量參數(shù)也被用于地表水體、地熱水及地下水的研究[7-17]，即研究這些天然水中d值的變化、與地下水年齡的關系、地下水徑流、與地下水埋深的關系及d值的誤差等。

本文以西藏尼木-那曲熱泉區(qū)域為研究區(qū)，從熱水的氘過量參數(shù)中提取信息，研究區(qū)內氘過量參數(shù)的特征，通過與已開發(fā)利用地熱田進行對比，來揭示其對地熱田開發(fā)研究的指示作用。

1 研究區(qū)概況

西藏尼木-那曲地熱帶(以下稱研究區(qū))位于西藏自治區(qū)中部，包括拉薩市、尼木縣、當雄縣、那曲縣、聶榮縣、安多縣。研究區(qū)位于當雄-羊八井-多慶錯活動斷裂帶上，全長約300 km，交通條件較為便利。區(qū)內地勢北高南低，地形起伏較大，切割強烈。由于構造作用，發(fā)育著一系列串珠狀斷陷盆地。從前寒武紀至新生代地層均有出露。其中第四系松散堆積物遍布于各盆地之中，低洼地段均有沼澤相堆積。水系較發(fā)育，以桑雄為界，北部為怒江水系，南部為雅魯藏布江水系。

研究區(qū)內構造發(fā)育，規(guī)模較大的有近南北向桑雄-九子拉斷裂、吉達果-尼木斷裂，近東西向的雅魯藏布江斷裂、班公錯-怒江斷裂及北東向念青唐古拉山南緣斷裂構造帶。次級構造亦較發(fā)育。受區(qū)域構造及次級構造的影響，區(qū)內水熱活動強烈，顯示類型齊全。從北至南大致有那曲、羅瑪、谷露、董翁、拉多崗、羊八井、羊易、續(xù)邁等20多個顯示區(qū)[18]。區(qū)內僅在羊八井、羊易地熱田進行過系統(tǒng)的調查研究，在拉多崗、那曲地熱田進行過勘探及試驗等工作。本次選取該帶未開發(fā)利用的11個地熱田(續(xù)邁、嘎日橋、吉達果、寧中、月臘、董翁、谷露、脫瑪、羅瑪、玉寨和果組)開展工作(圖1)。

圖1 研究區(qū)地熱地質及樣點分布Fig.1 Schematic diagram of geothermal geology and samples distribution(修改自呂文明，1993)

2 數(shù)據(jù)采集及測試

研究區(qū)內有關熱水氫氧同位素的研究較早[19-21]；近幾年，Guoetal.(2010) 在羊八井、羊易地熱田進行了較多的工作，研究了深部、淺部熱儲的特征，指出二者主要為融雪水補給，深部熱儲有巖漿水的混入，淺部熱儲為深部熱儲升流過程中與淺部冷水混合的結果[22]。區(qū)內熱水氫氧同位素數(shù)據(jù)較充足，筆者收集到了2011年沿線未開發(fā)的11個地熱田的氫氧同位素(氘、氚、氧)數(shù)據(jù)，并于2012年對區(qū)內4個重點地熱田(吉達果、寧中、谷露和玉寨)的天然水氫氧穩(wěn)定同位素樣品進行了采集，并對部分熱田的氫氧穩(wěn)定同位素樣品進行了復采工作，羊八井數(shù)據(jù)引自Guoetal.(2010)。

樣品測試是在國土資源部地下水科學與工程重點實驗室進行，使用的儀器是MAT-253同位素質譜計，氫同位素測定采用鋅反應法，氧同位素測定采用CO2-H2O平衡法，測定精度(質量分數(shù))分別為±2.0‰和±0.2‰，測定結果以相對于VSMOW標準的千分差表示；氚在1220 Quantulus型超低本底液體閃爍譜儀進行測試，測試精度：σ≤0.6 TU (1 TU=0.119 19 Bq/L)。

表1 研究區(qū)天然水的氫氧同位素組成Table 1 Hydrogen and oxygen isotopes composition of the natural water in study area

3 氘過量參數(shù)及指示意義

從δD和δ18O關系圖中(圖2)，區(qū)內天然水(地表水、熱水)d值分布范圍較大，為-20‰～30‰，集中分布在0‰～10‰，主要以大氣降水補給為主，多數(shù)熱水的循環(huán)途徑較短，未發(fā)生明顯的水巖作用，部分熱水(嘎日橋、寧中)表現(xiàn)出輕微的氧漂移。據(jù)2011年收集數(shù)據(jù)分析，董翁熱水落在大氣降水線上，谷露熱水表現(xiàn)為蒸發(fā)的特征。在2012年對董翁地熱田的熱水進行了重新采樣，同時選取谷露地熱田典型泉點進行采樣，發(fā)現(xiàn)兩處熱水表現(xiàn)同羊八井熱田深、淺熱儲類似的特征，發(fā)生明顯的氧漂移。分析2011年數(shù)據(jù)呈現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，可能是受到地表冷水的混入影響，使兩處熱水氧漂移現(xiàn)象被掩蓋。在玉寨熱田則存在氫同位素交換，d值出現(xiàn)明顯的富集。區(qū)內海拔高度很高，雪水同位素組成很低，在雪降落、融溶過程中發(fā)生同位素分餾，導致雪水中明顯富集輕同位素。

圖2 研究區(qū)氫氧同位素組成及氘過量參數(shù)特征Fig.2 Relationship between δD and δ18O and the characteristic of deuterium excess parameter in study area

圖3中可以看出，研究區(qū)內不同類型天然水的氘過量參數(shù)箱式圖的中位數(shù)差異較明顯，地表水和雪水比地熱井和熱泉d值中位數(shù)大，其中雪水d值中位數(shù)較地表水大，地表水d值中位數(shù)接近于10‰；地熱井d值中位數(shù)較熱泉小，但熱泉在箱式圖的上限和下限出現(xiàn)異常值，上限異常值在玉寨熱田，下限異常值出現(xiàn)在谷露熱田。結合同位素交換作用，分別對熱泉箱式圖中出現(xiàn)的異常值進行分析與研究。

圖3 研究區(qū)天然水氘過量參數(shù)箱式圖Fig.3 The box-plot of deuterium excess parameter of the natural water in study area

圖4～圖7中，分別探討了d值與區(qū)域分布、海拔高度、取樣溫度、氚含量的關系。其中不難識別寧中-谷露區(qū)域d值同羊八井熱田特征相似，d值均較低。區(qū)內d值不受海拔高度變化影響，這反映了它與全球大氣降水同位素分餾的差異程度，但在相同海拔高度上顯現(xiàn)出不同的同位素交換作用，寧中-谷露區(qū)域表現(xiàn)為氧漂移，玉寨區(qū)域出現(xiàn)明顯的d值的富集，對上述d值箱圖出現(xiàn)的異常點可做出合理的解釋。d值隨取樣溫度的升高有降低的趨勢，隨氚含量增大出現(xiàn)增加而后未出現(xiàn)明顯變化的趨勢。

對研究區(qū)內天然水氫氧穩(wěn)定同位素和氘過量參數(shù)(d)進行Q型聚類分析，從圖8中看出明顯的3個分區(qū)，即d值較小區(qū)(Ⅰ區(qū))，d值較大區(qū)(Ⅱ區(qū))，d值極大區(qū)(Ⅲ區(qū))。結合研究區(qū)熱水的補給來源與深、淺部熱儲的特征，可初步得出Ⅰ區(qū)具有典型的中高溫熱儲特征，且谷露表現(xiàn)出深部高溫熱儲特征(Ⅰ2區(qū))；Ⅱ區(qū)由于受到地表水混入的比例較大，表現(xiàn)為淺部熱儲的特征，而在玉寨由于受到氣體同位素交換作用，d值表現(xiàn)出異常值(Ⅱ2區(qū))；Ⅲ區(qū)主要為融雪水補給，由于受到融溶過程中同位素分餾的影響，d值較大。

圖4 研究區(qū)氘過量參數(shù)隨區(qū)域變化圖Fig.4 Diagram of the change of deuterium excess with regions in study area

圖5 研究區(qū)氘過量參數(shù)與高程關系圖Fig.5 Relationship between deuterium excess and elevation in study area

圖6 研究區(qū)氘過量參數(shù)與溫度關系圖Fig.6 Relationship between deuterium excess and temperature in study area

圖7 研究區(qū)氘過量參數(shù)與氚含量關系圖Fig.7 Relationship between deuterium excess and tritium contents in study area

圖8 研究區(qū)天然水氫氧穩(wěn)定同位素及氘過量參數(shù)Q型聚類圖Fig.8 Q-cluster of hydrogen and oxygen stable isotopes and deuterium excess

綜合分析表明，寧中-谷露區(qū)域與羊八井熱水具有類似的特征：d值較小、滯留時間較長(氚值低)、熱水溫度高、呈現(xiàn)明顯的氧漂移等?？赏茰y研究區(qū)內寧中-谷露區(qū)域具有高溫熱儲的特征，而玉寨熱田由于氣體交換作用，氫同位素相對富集。上述熱田具有深入研究的價值，結合當?shù)亟煌l件和實際情況，谷露熱田進行高溫地熱開發(fā)利用的潛力較大。

4 結 論

a.研究區(qū)內熱水d值變化范圍較大，分布在-20‰～30‰。從d值箱式圖可以看出，熱水d值中位數(shù)相對地表水體較小，谷露熱水d值最小，表現(xiàn)為下限的異常，氧漂移現(xiàn)象明顯；玉寨熱水受到氣體同位素交換作用，氫同位素富集，表現(xiàn)為上限異常。區(qū)內雪水同位素值最低，受到融溶過程中同位素交換影響明顯。

b.區(qū)內d值區(qū)域變化不明顯，不受海拔高度變化影響，在寧中-谷露區(qū)域出現(xiàn)異常，其隨取樣溫度增加有降低的趨勢，隨氚含量增大出現(xiàn)增加而后未出現(xiàn)明顯變化的趨勢。通過對天然水氫氧穩(wěn)定同位素和氘過量參數(shù)進行Q型聚類分析，谷露熱水表現(xiàn)出深部熱儲的特征，綜合分析寧中-谷露區(qū)域表現(xiàn)出同羊八井熱水類似的特征：d值較小、滯留時間較長(氚值低)、熱水溫度高、出現(xiàn)明顯的氧漂移等。

c.通過對區(qū)內d值的分析及研究，確定寧中-谷露區(qū)熱田、玉寨熱田為進一步研究的重點區(qū)域，結合當?shù)貙嶋H情況及地熱開發(fā)利用條件及潛力分析，谷露地熱田區(qū)進行高溫地熱發(fā)電的前景較好。

[參考文獻]

[1] Dansgaard W. The abundance of O18in atmospheric water and water vapour[J]. Tellus, 1953, 5(4): 461-469.

[2] Epstein S, Mayeda T. Variations of O-18 content of waters from natural sources[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1953, 4: 213-224.

[3] Friedman I. Deuterium content of natural waters and other substances[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1953, 4: 83-103.

[4] Craig H. Isotopic variations in meteoric waters[J]. Science, 1961, 133: 1702-1703.

[5] Craig. Isotopic composition and origin of the red sea and salton sea geothermal brines[J]. Science, 1966, 154: 1544-1548.

[6] Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation [J]. Tellus, 1964, 16(4): 436-468.

[7] Garcia L S, Benavente J J, Cruz S J. Analysis of excess deuterium in groundwater from southeastern Sierra Nevada, America[J]. Geogaceta, 1997, 21: 109-112.

[8] Zuber A, Weise S M, Osenbrück K,etal. Age and recharge area of thermal waters in Ladek Spa (Sudeten, Poland) deduced from environmental isotope and noble gas data [J]. Journal of Hydrology, 1995, 167(1/4): 327-349.

[9] 尹觀,倪師軍,張其春.氘過量參數(shù)及其水文地質學意義——以四川九寨溝和冶勒水文地質研究為例[J].成都理工學院學報,2001,28(3): 251-254.

Yin G, Ni S J, Zhang Q C. Deuterium excess parameter and geohydrology significance:Taking the geohydrology researches in Jiuzaigou and Yele, Sichuan for example[J]. Journal of Chengdu University of Technology, 2001, 28(3): 251-254. (In Chinese)

[10] 尹觀,倪師軍.地下水氘過量參數(shù)的演化[J].礦物巖石地球化學通報,2001,20(4):409-411.

Yin G, Ni S J. Deuterium excess parameter evolution in ground water[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2001, 20(4): 409-411. (In Chinese)

[11] 尹觀,倪師軍,范曉,等.冰雪溶融的同位素效應及氘過量參數(shù)演化——以四川稻城水體同位素為例[J].地球學報,2004,25(2):157-160.

Yin G, Ni S J, Fan X,etal. Isotopic effect and the deuterium excess parameter evolution in ice and snow melting process: A case study of isotopes in the water body of Daocheng, Sichuan Province[J]. Acta Geoscientica Sinica, 2004, 25(2): 157-160. (In Chinese)

[12] 尹觀,倪師軍,高志友,等.四川盆地鹵水同位素組成及氘過量參數(shù)演化規(guī)律[J].礦物巖石, 2008,28(2):56-62.

Yin G, Ni S J, Gao Z Y,etal. Variation of isotope compositions and deuterium excess of brines in Sichuan Basin[J]. Journal of Mineralogy and Petrology, 2008, 28(2): 56-62. (In Chinese)

[13] 晁念英,王佩儀,劉存富,等.河北平原地下水氘過量參數(shù)特征[J].中國巖溶,2004,23(4): 335-338.

Chao N Y, Wang P Y, Liu C F, etal. Characteristic of deuterium excess parameter of groundwater in Hebei Plain[J]. Carsologica Sinica, 2004, 23(4): 335-338. (In Chinese)

[14] 甘義群,李曉倩,周愛國,等.黑河流域地下水氘過量參數(shù)特征[J].地質科技情報,2008,27(2): 85-90.

Gan Y Q, Li X Q, Zhou A G,etal. Characteristics of deuterium excess parameter of groundwater in Heihe River Basin[J]. Geological Science and Technology Information, 2008, 27(2): 85-90. (In Chinese)

[15] 蘇艷,馬致遠,劉方,等.西安咸陽地下熱水氘過量參數(shù)研究[J].煤田地質與勘探,2007,35(3): 39-41.

Su Y, Ma Z Y, Liu F,etal. Deuterium excess parameter features study on thermal groundwater of Xi’an and Xianyang[J]. Coal Geology & Exploration, 2007, 35(3): 39-41. (In Chinese)

[16] 余婷婷,甘義群,周愛國,等.拉薩河流域地表徑流氫氧同位素空間分布特征[J].地球科學:中國地質大學學報,2010,35(5):873-878.

Yu T T, Gan Y Q, Zhou A G,etal. Characteristics of oxygen and hydrogen isotope distribution of surface runoff in the Lhasa River Basin[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2010, 35(5): 873-878. (In Chinese)

[17] 顧慰祖,龐忠和,王全九,等.同位素水文學[M]. 北京:科學出版社,2011.

Gu W Z, Pang Z H, Wang Q J,etal. Isotope Hydrology[M]. Beijing: Science Press, 2011. (In Chinese)

[18] 呂文明.西藏那曲—尼木地熱帶土壤地球化學特征及其地熱地質意義[C]//中國西藏高溫地熱開發(fā)利用國際研討會論文選.北京:地質出版社,1993:164-172.

Lyu W M. Soil geochemistry characteristics and its geothermal-geological meaning in Nagqu-Nimu geothermal belt of Tibet[C]//Selected Papers of High-Temperature Geothermal Development and Utilization of International Symposium in Tibet, China. Beijing: Geological Publishing House, 1993: 164-172. (In Chinese)

[19] 于津生,張鴻斌,虞福基,等.西藏東部大氣降水氧同位素組成特征[J].地球化學,1980(2): 113-121.

Yu J S, Zhang H B, Yu F J,etal. Oxygen isotopic composition of meteoric water in the eastern part of Xizang[J]. Geochimica, 1980(2): 113-121. (In Chinese)

[20] 鄭淑蕙,張知非,倪葆齡,等.西藏地熱水的氫氧穩(wěn)定同位素研究[J].北京大學學報:自然科學版,1982(1):99-106.

Zheng S H, Zhang Z F, Ni B L,etal. Hydrogen and oxygen isotopic studies of thermal waters in Xizang[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 1982(1): 99-106. (In Chinese)

[21] 衛(wèi)克勤,林瑞芬,王志祥.西藏羊八井地熱水的氫、氧穩(wěn)定同位素組成及氚含量[J].地球化學, 1983(4):338-346.

Wei K Q, Lin R F, Wang Z X. Hydrogen and oxygen stable isotopic composition and tritium content of waters from Yangbajain geothermal area, Xizang, China[J]. Geochimica, 1983(4): 338-346. (In Chinese)

[22] Guo Q, Wang Y, Liu W. O, H, and Sr isotope evidences of mixing processes in two geothermal fluid reservoirs at Yangbajing, Tibet, China [J]. Environmental Earth Sciences, 2010, 59(7): 1589-1597.