简介

地热水循环演化模式研究对地热资源的可持续开发利用至关重要。江西武功山地区具有丰富的中低温地热水资源，但地热水的循环演化模式尚不清楚。针对这一问题，中国地质科学院刘凯正高级工程师团队基于地热水的氢、氧、锶同位素特征分析，初步揭示了武功山东部地区地热水循环演化模式。相关成果在《Applied Geochemistry》期刊2024年第161期发表。

地热能是缓解全球变暖最具成本效益的清洁能源之一。地热水资源具有分布广泛、经济可行和环境友好等特点，其开发利用规模逐渐增加。然而，过量的地热水开采会导致地下水位和储层温度的持续下降，科学界面临着地热水可持续利用的新挑战。近年来，江西武功山地区发现了丰富的中低温地热水，区内两条主断裂带附近分布有温汤、文家等地热田十余处（图1），具有较大的地热水资源开发潜力。同时，武功山地区旅游业的日益增长极大地推动了该地区对地热水的需求。因此亟须开展地热水循环演化特征研究，为武功山东部地区地热水资源的合理开发利用提供科学依据。

针对这一问题，中国地质科学院刘凯正高级工程师团队结合武功山东部地区30余组地热水、地表水和冷泉的氢、氧和锶同位素数据，利用统计分析和端元混合模型等技术手段，深入分析了同位素的丰度变化及其指示意义，阐明了地热水的补给来源、补给高度、冷热水混合模式、水岩相互作用以及循环深度等特征，初步揭示了武功山东部地区地热水的循环演化模式。

图1 研究区概况图

结果显示，地热水氢、氧同位素均分布在全球大气降水线附近，表明武功山东部地热水主要来自于大气降水补给，同位素高程效应显示地热水的补给高程约为1500~2000 m。降水经断裂带入渗后由地壳热源加热，温度约为86~101℃，使得地热水表现出壳源锶同位素特征（图2）。水循环过程中与围岩的铝硅酸盐矿物发生反应，富集了δ¹⁸O、Sr²⁺等离子，因此部分水样出现了δ¹⁸O漂移现象。

图2 武功山东部（a）F1断裂和（b）F2断裂的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和Sr²⁺特征 

由于深部的高温高压作用，地热水积累到一定程度后开始沿断裂带向浅层运移，并与浅层冷水发生不同程度的混合，形成了不同的氢、氧同位素丰度特征（图3），结合端元混合模型分析得到武功山东部不同区域地热水与冷水的混合比例为17% ~ 74%。此外，两条断裂带地热水的氘盈余由东北向西南递减，指示水岩相互作用逐渐增加，表明两个断裂的地热水循环时间由东北向西南逐渐增大。基于以上分析，初步建立了武功山东部地区地热水循环演化模式（图4）。

图3 武功山东部（a）F1断裂和（b）F2断裂的δ¹⁸O和δD特征

图4 武功山东部地热水循环演化模式图

文章出版信息

Jia Wuhui, Liu Kai, Yan Jinkai, et al. Characteristics of geothermal waters in eastern Wugongshan based on hydrogen, oxygen, and strontium isotopes[J]. Applied Geochemistry, 2024, 161: 105874.