沈照理纪念专刊|地质所庞忠和团队：硫酸盐型地热水溶滤成因的新证据

导言

本文收录在中国水文地球化学的主要奠基人之一，中国地质大学教授沈照理（1932-2020）的纪念专刊中。这部AG期刊历史上首次为致敬中国学者发行的专刊，已经完成所有的同行评议，将于9月在第49届国际水文地质学大会（IAH Congress）上正式发布，并献礼中国地质大学70周年校庆。沈照理先生毕生致力于推动“水岩相互作用”(Water-Rock Interactions)的研究。这一篇由庞忠和研究员带来的论文，紧扣这一主题，深化了人们对硫酸盐型地热水成因的认识，是对沈先生学术思想的传承和致敬。

AG期刊编委会

2022年9月2日

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Bao Y F, Pang Z H, Huang T M, et al. Chemical and isotopic evidences on evaporite dissolution as the origin of high sulfate water in a karst geothermal reservoir. Applied Geochemistry, 2022, 145: 105419. 

本研究由国家自然科学基金(41877209、41877207、42172277)资助。

内容簡介：

地球系统的碳和硫元素，都是生物界的营养物质，是“宜居地球”的关键要素。碳循环及其与硫循环的耦合关系，是当前地学界关注的热点科学问题。硫酸盐型地热水在碳酸盐岩地热系统中很常见，是研究碳硫耦合是那得试验场。在应用中，硫酸盐型温泉水也是康养行业所青睐的水化学类型。

硫酸盐型热水出现在火山型地热系统中的时候，往往是由岩浆挥发分中所含硫化物（H2S, SO2）氧化而来。比如，在环太平洋地热带高温地热系统中的酸性水（pH值低于5）是与安山质岩浆活动有关的硫化物挥发分在浅部遇到冷水之后氧化而成（Pang，2005；Pang，2006）。由于俯冲带的存在，一般人们不会对其物质供应产生怀疑。然而，在与火山活动无关的构造型地热系统中，硫酸盐型水的大量存在和持续排放，令学者们纠结。

那么，它们是怎么形成的呢？其中一种成因是海相碳酸盐岩中的蒸发盐岩矿物 (石膏、硬石膏等) 的溶滤作用。然而，溶滤作用说从假说成为理论需要有足够说服力的证据支持。

针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所庞忠和研究员团队开展了持续多年的系统研究。在近期发表在水文地球化学权威刊物Applied Geochemistry上面的论文中，采用多种同位素示踪和矿物-流体化学反应热力学模拟分析的方法，仔细解剖了南京汤泉（图1）硫酸盐型地热水的化学成因, 提供了溶滤作用成因说的最完整证据链。

地热水的锶同位素为其溶滤类型提供直接证据。由于海水的锶同位素比值是一个稳定的值，因此，用它指示海相碳酸盐内围岩是非常有效的天然示踪剂。海相碳酸岩是87Sr/86Sr 值通常在0.709左右，而大陆硅酸盐的87Sr/86Sr值较高。汤泉地热水的锶（87Sr/86Sr）保持87Sr/86Sr比值 (0.708771-0.709003)（图2），表明锶来自碳酸岩地层中蒸发盐岩的溶滤作用。与此形成鲜明对照的，是冷水样品的87Sr/86Sr范围(0.709165-0.712096)，属于硅酸盐矿物的溶滤成因。

水溶硫酸盐的硫同位素（δ34S-SO4）和氧同位素（δ18O-SO4）是可以有效示踪水中硫酸盐来源的同位素体系。汤泉硫酸盐热水中硫同位素δ34S-SO4范围为27.57 ~ 34.15‰/CDT，δ18O-SO4范围为14.3‰~18.4‰/CDT, 属于海相蒸发盐岩的硫和氧同位素取值范围（图3）。

碳和硫循环的耦合与差异性可以通过常温地下水和地热水的对比来实现。也是揭示热作用的重要途径。汤泉地区常温地下水和热水拥有类似的储层，即：白云质灰岩。但是，常温水是以HCO3型水为主，地热水则以SO4型水为主，形成明显差异。作者利用地热水化学数据和SOLVEQ软件进行了化学热力学模拟计算，得到了汤泉地热系统碳酸盐和硫酸盐矿物饱和度与温度之间的定量关系（图4）。石膏等硫酸盐矿物在较高温度条件下 (>30℃)比碳酸盐矿物更易于溶解。这为碳酸盐岩地热系统中硫酸盐型水的形成提供了化学热力学证据。

本研究的主要图件：回复“硫酸盐地热水”，下载全文pdf.

图1 南京汤泉水文地质条件及地热水采样位置

图2研究区热水 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和Sr

（图例：红色实心圆是地热井水样，黄色实心圆是温泉水样，蓝色空心圆是常温地下水样，紫色空心圆是常温泉水样，绿色空心圆是水库水样，紫色实心方框是河水样）

图3 研究区热水δ¹⁸O-SO₄和δ³⁴S-SO₄

（图例同图2）

图4 主要矿物在溶液中饱和度与水温的关系

通讯作者介绍

庞忠和，研究员

中国科学院地质与地球物理研究所

庞忠和，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，中国科学院大学教授。1996年起被国际原子能机构(IAEA)多次聘为同位素水文学讲课老师或水资源项目专家。曾任IAEA同位素水文学家和水资源项目主管和国际地球化学协会（IAGC）首位中国理事。2005年至今与IAEA合作在中国科学院建成国际水准的“同位素水文学与水岩相互作用实验室”和研究团队。现任国际水文科学协会同位素委员会(IAHS-ICT)主席、IAEA亚太水资源合作项目牵头人和中方协调人、IAHS中国委员会同位素分会主席，是英国和瑞士科学基金会的国际评审专家。

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