深圳大学黄少鹏教授团队发表最新成果揭秘珠三角地热资源成因

珠江三角洲（简称珠三角）地区位于我国东南沿海地热富集带，地热资源开发利用历史悠久，但人们对这一地区地热水的来龙去脉还缺乏系统性的认识。

最近，深圳大学黄少鹏教授团队通过对大量天然泉水、温泉和钻孔热水样品（采样点位置见图1）的化学成分和同位素比值的分析，揭示了地热水的年龄（滞留时间），计算了地热水的补给高程和循环深度，探索了地热系统中盐度、溶解性硫酸盐、二氧化碳、硼、锶的主要来源，结合区域地热地质资料，初步揭示了珠江三角洲地下热水化学组分的物质来源和地下热水与岩石之间的反应过程，为深入理解珠三角水热系统的水源和热源及其循环演化提供了新的证据，主要认识包括以下几个方面：

（1）珠三角内陆和沿海地区的地下热水分别归属重碳酸盐型和氯离子型的不同水化学类型，这是内陆地区地下热水与地表冷水混合、沿海地区地热水与海水混合的结果，内陆地区出露的温泉水中地下冷水的混入量高达84%，而沿海温泉中海水的贡献高达37%；

（2）珠三角水热系统的热水主要来源于山区地表大气降水，地表水中含有一定量半衰期大约为5730年的放射性碳同位素14C，即进入地下地表水中的14C含量每5730年减少一半，通过测定14C的含量可以计算出地下热水在地热系统中滞留的时间，分析结果表明，珠三角地下热水的最大“年龄”为2万年（地质上称为晚更新世）。

（3）大气降水的补给区多分布在珠三角北部海拔高程在300-760m的低山区和丘陵区，地热水的循环最深可达3200-4800m；基于地球化学温标、水文地球化学模拟以及硅-焓混合模型估算了珠三角水热系统深部的热储温度，即104-156℃。

（4）碳稳定同位素（13C）及水化学分析表明，珠三角地热水中CO2主要来源于土壤CO2和碳酸盐岩溶解（图2a,b），可能还有少量幔源CO2输入；硫同位素（34S）及水化学分析揭示了地热水中硫酸盐来源的复杂性，包括蒸发岩（膏盐层）溶解、大气硫输入、海水混合以及花岗岩中黄铁矿的氧化（图2c）。

（5）地球化学行为比较保守的元素Cl和Br受水-岩作用的影响较小，因此可用于指示地下水的盐度来源，分析结果表明，珠三角水热系统中地热水的盐度具有多重来源，即海水、大气降水以及海水蒸发过程中岩盐的少量溶解（图2d）。

（6）珠三角沿海地热水具有高δ11B、低87Sr/86Sr特征，受到海相碳酸盐岩和蒸发岩溶解以及海水混合作用控制（图3a,b,d）；而内陆地热水表现出低δ11B、高87Sr/86Sr的特征，是热水与中生代花岗岩和/或前寒武纪片麻岩之间的水-岩反应及浅层地下水混合造成的（图3c,d）。

（7）珠三角水热系统的演化及水文地球化学循环主要受水-岩反应过程、混合作用、蒸发结晶过程以及人为污染等因素控制。

上述研究成果已经以深圳大学魏正安博士为第一作者相继发表在国际主流地学期刊Journal of Hydrology: Regional Studies（共同通讯作者为深圳大学黄少鹏教授和中国地质大学（北京）王成善院士）和Journal of Geochemical Exploration（共同通讯作者为魏正安博士和黄少鹏教授），深圳大学土木与交通工程学院为第一完成单位。这项研究受国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目（U20A2096）、国家重点研发计划（2019YFC0605405）和国家自然科学基金面上项目（52174083）联合资助。

论文信息：

[1] Zhengan Wei, Shaopeng Huang*, Jiangwan Xu, Chao Yuan, Min Zhang,Chengshan Wang*. 2024. Geochemical evolution of geothermal waters in the Pearl RiverDelta region, South China: Insights from water chemistry andisotope geochemistry. Journal of Hydrology: Regional Studies51, 101670. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2024.101670

[2] Zhengan Wei*, Shaopeng Huang*, Chengshan Wang. 2024. Geochemistry and sources of boron and strontium of geothermal waters from the Pearl River Delta region, South China: Implications for water-rock interactions. Journal of Geochemical Exploration262, 107492.https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2024.107492

图1 珠江三角洲地区地质图及采样点分布

图2 （a）珠三角地热水中14C含量与HCO- 3浓度之间的关系，（b）14C含量与δ13C之间的关系，揭示了地热水中CO2含量主要受土壤CO2和碳酸盐岩溶解控制；（c）SO2- 4含量与δ34S之间的关系，阐明了地热水中硫酸盐的富集机制，即蒸发岩溶解、大气硫输入、海水入侵以及花岗岩中黄铁矿的氧化；（d）Cl-浓度与Br-浓度的关系，揭示地热水中盐度的来源，即海水、大气降水以及海水蒸发过程中岩盐的少量溶解。

图3 （a）珠三角地热水中Cl与B之间的相互关系，（b）1/[B]与δ11B的相互关系，揭示沿海地热水中硼的海相成因（海相碳酸盐岩、蒸发岩、海水）和内陆地热水中硼的非海相成因（地下水混合、花岗岩和/或片麻岩）；（c）87Sr/86Sr与1/[Sr]的相互关系以及（d）87Sr/86Sr与δ11B间的相互关系，揭示沿海地热水中Sr源于海相碳酸盐岩和蒸发岩溶解以及海水，而内陆热水中Sr源自花岗岩类岩石和片麻岩以及浅部地下水。

编辑 刘兰若 审读 伊诺 二审 刁瑜文 三审 张露锋