水化学与多同位素技术在解读青藏高原南部Cuona-Woka裂谷不同类型地热水的形成机制中的应用

《Geoscience Frontiers》：Hydrochemistry and multi-isotopes for interpreting formation mechanisms of different-type geothermal waters in the Cuona-Woka Rift, southern Tibetan Plateau

本研究对西藏羌塘Cuona-Woka裂谷41个地热水样本进行分类，发现其分为Cl-Na、Cl·HCO3-Na和SO4·Cl-Ca·Na三类，揭示了裂谷结构对地热水化学组成和成因的影响。通过同位素分析和地热温度估算，确定地热水主要由雪融水和岩浆水混合形成，并提出了熔入侵加热、热冷混合加热和蒸汽加热三种成因模型。研究结果为该地区高温地热资源的开发提供了理论依据。

　　### 中国西部高温地热活动的水文地球化学特征与形成机制研究

中国西部地区的地热活动广泛分布于裂谷构造带，其中藏南裂谷带（Cuona-Woka Rift, CWR）是该地区地热资源最为丰富的区域之一。CWR地热水中蕴含着大量具有不同水化学特征的水体，其形成机制尚未完全明确，这在一定程度上阻碍了地热资源的高效开发和利用。为此，本研究对CWR地区采集的41个地热水样本进行了系统分析，旨在揭示其水文地球化学演变过程和形成机制。

#### 地热水的水化学特征

CWR地区的地热水温度范围广泛，从34.0℃到85.5℃不等。这些地热水主要分布在正断层（N–S）和逆断层（E–W）的交汇处。通过自组织映射（Self-Organizing Map, SOM）分类方法，将这些地热水分为三类：第一类（Cl-Na和Cl·HCO3?-Na），第二类（HCO3?·Cl-Na），第三类（SO42?·Cl-Ca·Na）。这三类地热水在水化学组成上表现出显著差异，其中第一类地热水显示出较高的痕量碱金属（Li、Rb和Cs）浓度，这与地壳岩浆熔融作用密切相关。

#### 地热水的补给来源

通过对δD和δ1?O值的分析，研究发现地热水的主要补给来源为大气降水和融雪水。在这些地热水中，岩浆水的贡献率在第一类为18%–24%，第二类为12%–21%。这表明，尽管大气降水和融雪水是主要的补给源，但岩浆水在地热水的形成过程中也扮演了重要角色。在CWR地区，高海拔和常年积雪的地理环境使得融雪水成为地热水的重要补给来源之一。

#### 地热水的形成机制

本研究提出了三种地热水的成因概念模型：岩浆入侵加热型、热冷混合加热型和蒸汽加热型。第一类地热水主要由融雪水和岩浆水混合形成，其深部储层温度估计为251–270℃，最大循环深度为4.8–5.2公里。第二类地热水则主要由热液与浅层冷地下水混合形成，其深部储层温度估计为226–229℃，最大循环深度为4.3–4.4公里。第三类地热水则主要由浅层循环的降水形成，其深部储层温度估计为189–194℃，最大循环深度为3.5–3.6公里。

#### 地热水的水化学过程

通过水化学分析，研究发现地热水的化学组成主要受到硅酸盐和碳酸盐矿物溶解、石膏溶解以及阳离子交换过程的影响。这些过程的贡献率高于岩浆水的混合作用。在地热水的上升过程中，由于压力和温度的降低，水中的CO?气体发生脱气，导致碳酸盐矿物的溶解和沉淀，从而影响地热水的化学组成。此外，水与岩石的相互作用在地热水的形成过程中起到了关键作用，特别是在硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解方面。

#### 地热水的热源和循环路径

CWR地区的地热水主要来源于深部地壳的热源，包括深部岩浆活动和地壳热流。通过分析地热水的热力学参数和地球化学特征，研究发现不同地热水样本的储层温度和循环深度存在显著差异。这些差异与地热水的补给路径和水岩相互作用的强度有关。例如，第一类地热水由于受到岩浆水的混合影响，其储层温度较高，而第二类和第三类地热水则由于受到浅层冷地下水的混合，其储层温度较低。

#### 地热水的资源潜力

CWR地区的地热水富含痕量碱金属，这表明该地区具有较高的地热资源开发潜力。通过分析这些元素的富集机制，研究认为岩浆水的输入是导致痕量碱金属富集的主要原因。此外，地热水中的高浓度Cl?和高温度也表明该地区的地热资源具有较高的开发价值。

#### 地热水的开发与利用

本研究的结果对CWR地区的地热资源开发和利用具有重要意义。通过明确地热水的形成机制和水化学特征，可以为地热资源的高效开发提供科学依据。此外，研究还揭示了地热水的循环路径和储层特征，这有助于优化地热资源的开发方案，提高地热能的利用效率。

#### 未来研究方向

尽管本研究取得了重要进展，但仍有一些问题需要进一步探讨。例如，深部储层的准确温度和循环深度仍需通过更多的实验和模型验证。此外，地热水与岩石的相互作用过程和混合机制也需要更深入的研究。未来的研究应注重获取深部储层的流体、气体和岩石成分，以更全面地了解高温储层的动力学特征、流体-岩石相互作用和混合过程。同时，结合多种方法（如数值模拟、地质构造和气体分析）进行综合研究，有助于进一步揭示地热水的形成机制和资源潜力。