简介

地热流体的水文地球化学特征是揭示地热流体循环演化的关键信息。江西武功山地区东部和西部的地热流体水化学特征存在显著差异，但这些差异的具体特征及其成因机制之前尚未得到充分研究。为此，中国地质科学院刘凯正高级工程师团队基于地热流体的水化学和同位素特征分析，阐明了武功山东部和西部地区地热流体水化学特征的差异及其成因。该研究不仅增进了对地热流体循环演化的理解，也为地热资源的勘探和利用提供了科学依据。相关成果在《Journal of Geochemical Exploration》期刊2024年第266期发表。

地热流体作为地热资源的主要类型之一，其水化学特征对于理解地热资源的演化过程至关重要。地热流体在经历降水或地表水补给后，会与围岩发生相互作用，导致其水文地球化学成分发生变化。地热流体的水文地球化学特征，包括循环周期、周边岩石类型以及储层温度等参数，能够为揭示地热流体循环过程中的相关因素提供有效信息。近年来，江西武功山地区探测到丰富的中低温地热水资源，显示出巨大的地热水资源开发潜力。然而，关于该地区地热流体演化的水文地球化学机制，目前尚缺乏深入的研究和探索。为了更好地理解地热流体的循环演化过程，以及为地热资源的合理开发和利用提供科学依据，对武功山地热流体的水文地球化学特征及其演化机制进行系统研究显得尤为必要。

为了深入探究江西武功山地热流体的水化学特征及其演化机制，中国地质科学院的刘凯正高级工程师团队开展了一项系统性研究。该研究基于武功山东部地区的19组地热水、地表水和冷泉的水化学和同位素数据，采用了离子关系分析、综合多组分溶质地温法以及14C同位素分析等方法，阐明了武功山地区东部和西部地热流体的主要离子来源、储层温度和循环时间。此外，研究还深入分析了东部和西部地热流体水化学特征的差异，并揭示了这些差异背后的成因机制。

图1 研究区概况图

数据分析结果表明，武功山东部地区的地热流体主要以HCO3-Na型水为主，其水化学特征受到硅酸盐矿物风化作用的显著影响。相比之下，西部地区的地热流体则以HCO3·SO4- Na和SO4·HCO3-Na型水为主，其中硅酸盐风化作用仍然占据主导地位，但同时受到蒸发岩中石膏矿物（CaSO4）风化作用的影响。这种差异导致西部地热流体的总溶解固体（TDS）和pH值均高于东部地区（见图2）。考虑到受石膏溶解影响的SO4-Na型地热水主要分布在沉积或变质地质环境中，结合研究区域的地质背景，本文作者推断石膏矿物可能来源于研究区基底的变质岩。这一结论是基于对地热水中硫酸盐离子（SO4^2-）和钠离子（Na^+）的相对丰度分析，以及对区域地质结构的综合评估得出的。

图2 武功山地区地热流体化学特征分析图

图3 地热流体离子来源分析图

本研究通过离子来源分析揭示，HCO3^- 和 Na^+ 的主要来源为硅酸盐矿物的水解过程，同时伴随着一定程度的阳离子交换作用。另一方面，SO4^2- 的主要来源则被识别为石膏矿物的水解以及硫化物的氧化过程。在循环时间与储层温度分析方面，研究结果显示，武功山东部和西部地热流体的储层温度区间（115至150℃）大体相似。然而，根据14C同位素数据，两地地热水的平均循环时间分别为2160年和15743年，显示出显著差异。这一发现表明，武功山地区东西部地热流体的水文地球化学特征差异主要归因于地热流体的循环时间差异。这些结果强调了循环时间在地热流体演化过程中的关键作用，以及它在塑造地热水化学特征中的重要性。因此，地热流体的循环时间是理解地热系统水文地球化学特征差异的一个重要因素，对于地热资源的勘探和评估具有指导意义。

图4 地热流体离子关系分析图

图5 多矿物平衡法热储温度分析图

文章出版信息

Jia Wuhui, Liu Kai, Yan Jinkai, et al. The difference in hydrochemical characteristics of geothermal water between the eastern and western parts of the Wugongshan area and its genetic mechanism [J]. Journal of Geochemical Exploration, 2024, 266: 107575.