应用案例

Picarro L2130-i（柴达木盆地断裂带温泉的地球化学特征与成因分析）

发表时间：2025-05-21

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引言

温泉作为地壳深部活动的窗口，其分布与断裂带密切相关。断裂带的高渗透性和深切割特性为地下水循环提供了理想通道，破碎的岩石形成的裂隙网络成为地热流体储存和运移的空间。这些流体的化学和同位素特征蕴含着丰富的地质信息，能够反映区域构造背景、岩性特征和水岩相互作用过程。

研究表明，温泉流体通常以水头为驱动力，在断裂带中循环至数千米深度后上涌至地表。通过对He、Ne、Ar、N₂和CO₂等气体成分的分析，可以揭示深部物质运移、壳幔热流分布等重要地质过程。特别是氦和碳同位素研究显示，活动断裂带往往是深部物质上涌的主要通道，其温泉气体中较高的同位素比值通常对应着深部的高电导率和低速区。

图1. 温泉水概念模型

柴达木盆地西南缘的阿尔金断裂带与东昆仑断裂带交汇区发育多个温泉，其中艾肯泉的活动尤为显著。与以往侧重涌水量的研究不同，本研究通过系统分析四个典型温泉的离子组成、同位素特征和气体成分，深入探讨了温泉的成因机制、补给来源及其与区域构造的关系。这些研究成果不仅有助于理解温泉的形成过程，也为该地区地热资源开发提供了重要依据。

研究区域地质构造背景

柴达木盆地是青藏高原最大的活动山间盆地，东西长850千米，南北宽150-300千米，总面积约12万平方千米，平均海拔3000米。该盆地形成于印度-欧亚板块碰撞的强烈挤压环境，是一个典型的中新生代挠曲盆地。盆地的形成演化受祁连山构造带、阿尔金断裂带和东昆仑断裂带共同控制。其中，阿尔金断裂作为亚洲大陆重要的左旋走滑断裂，新生代以来平均滑动速率达10-15毫米/年，总位移约350-400千米，对盆地构造格局具有决定性影响。盆地内发育厚达5271米的新生代陆相沉积地层，包括路乐河组、上下干柴沟组等六个沉积单元。

研究区位于阿尔金断裂与东昆仑断裂交汇处。东昆仑造山带经历多期构造演化，可划分为北、中、南三个构造带。断裂交汇区构造活动强烈，形成了独特的盆岭相间构造格局，为深部流体活动和温泉形成提供了有利条件。该区域不仅是研究青藏高原构造演化的关键区域，也具有重要的能源勘探价值。

样品采集与分析方法

2020年10月，研究团队在阿尔金断裂与东昆仑断裂交汇处采集了四个温泉（YTBLK、AK、LMY、GS）的水样和两个温泉（YTBLK、AK）的气样。水样采集使用0.45μm滤膜过滤后分装，分别用于主微量元素和同位素分析。现场采用WTW Multi 3400i便携设备精确测量水温（±0.1℃）、pH（±0.01）和电导率（±1μS/cm）。

图2. 温泉采样点现场照片

实验室分析采用多种先进仪器：离子色谱（Dionex ICS-900）测定阴阳离子；ICP-MS（X SERTES II）分析微量元素；激光同位素分析仪（Picarro L2130-i）测定δD和δ¹⁸O；TIMS（Finnigan MAT-261）测定⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值。气体样品通过气相色谱（Agilent Macro 3000）分析主要成分，惰性气体质谱仪（Noblesse）测定He同位素，GC-IRMS系统分析δ¹³CO₂。所有分析均在采样后30天内完成，水样在中国地震局实验室测试，气样在中科院西北研究院完成。

相关结论

氢氧同位素组成：

研究区热泉的氢同位素（δD）值范围为−50.00‰至−68.60‰，氧同位素（δ¹⁸O）值范围为−6.90‰至−8.60‰。这些同位素值表明热泉的补给水源主要是通过渗透的降水，补给高程范围为3390~3676米。

补给来源：

结合研究区的地形和地质背景，热泉的补给主要来自南部阿尔卑斯山的冰川融水以及构造断裂的渗透。这种补给方式使得热泉在深循环过程中与断裂系统中的热源接触并被加热。

同位素分馏与水岩反应：

热泉在上升过程中与周围岩石发生水岩反应，导致同位素组成发生一定程度的分馏。AK泉在δ¹⁸O轴上表现出正向偏移，表明其水岩反应程度相对较高，这可能与该泉靠近阿尔金断裂和东昆仑断裂带的交汇处有关，该区域的断裂活动较强，水岩反应更为显著。

图3. 水样中氧和氢同位素及其与GMWL和LMWL的相关性。

通过对研究区热泉的氢氧同位素分析，作者揭示了热泉的补给来源和循环路径。这些同位素数据为理解热泉的形成机制以及其与区域地质构造的关系提供了重要依据。同时，同位素特征也反映了热泉在深部循环过程中与周围岩石的相互作用程度，为研究热泉的水文地质特征和热储条件提供了科学依据。

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