西藏地热水演化过程中的硼、锂同位素分馏规律与地质意义

Geothermal resources are widely developed in the Tibetan Plateau with unusual enrichment of B and Li elements dissolved in the waters. The high concentration of B and Li in the geothermal water themselves are potential resource for comprehensive utilization. Meanwhile, they have been concluded the main source of salt lakes. Boron and lithium isotopes in geothermal system contain important geological indications for origin of them and evolutionary processes. However, the fractionation law and mechanisms of B and Li isotopes during the circulation and evolution processes for the geothermal water remain unclear. This critically limits the significance of these isotopes to be as effective indexes. Thus, this program will select two typical types of geothermal systems of silica-sinter and travertine deposits. The key issue is to firstly uncover the fractionation law of B and Li isotopes between different facies of solids and residual liquids (water/deposits and water-rock interaction) during geothermal water evolution processes. Based on the law of B and Li isotopic fractionation under different processes, the primary composition of these isotopes in different end members will then be calculated. After that, the source of B and Li in geothermal water and salt lake brines will be comprehensively tracked using B and Li isotopic methods. The expected outcomes of this study will be significant to enrich the fractionation theories of B and Li isotopes and extend their geological tracking applications. It will be also significant for understanding the formation and evolution mechanism of unusual enrichment of B and Li and help to rightly assess on these typical resources in the Tibetan Plateau.

西藏地热异常丰富，地热水体罕见富集B、Li等元素，其自身具有潜在资源价值，更被推断为盐湖B、Li矿的主要物源。B、Li同位素蕴含了其自身来源与富集过程等许多重要地质信息，但因对地热水循环演化过程中的分馏规律不明，使其示踪意义受到了限制。在前期预研基础上，优选B、Li最为富集的两类典型地热系统（钙华与硅华沉积型），通过自然环境（泉水-泉华）、模拟热储条件下的高温高压水-岩反应、不同类型地热水进一步浓缩演化不同阶段的特殊矿物组合与相分离过程，研究B、Li同位素的分馏规律；反演估算最初端元的同位素组成，进一步解析地热水中异常富集的B、Li等来源，揭示西藏两类典型富B、Li水体（地热水、盐湖卤水）之间可能存在的物源关系等地质指示意义。预期成果对丰富水热系统B、Li同位素分馏理论及拓展其地质应用，揭示青藏高原各类水体B、Li来源、富集演化规律有重要理论意义。

相对于世界上其他地热田，西藏地热系统最为显著的特征是大部分温泉水或与之相应的泉华沉积物罕见富集B、Li等元素，不但自身可能具有潜在综合开发利用前景，也是盐湖资源的主要物源。本课题聚焦西藏地热系统B、Li等元素富集规律、成因机制等关键科学问题，通过相分离及泉华沉积不同相态间典型元素分配与组合，以及B、Li同位素的分馏规律基础上，系统应用B、Li同位素指标，解析了地热水中异常富集的B、Li等来源，揭示了西藏典型富B、Li水体（地热水、盐湖卤水）之间可能存在的物源关系等地质指示意义。地热泉水B、Li元素的富集在空间上具有同步性，主要集中在雅鲁藏布江缝合带附近高温地热系统中，特别是南北向断裂带与雅江缝合带交汇区是重点富集区，一些热泉Li或Cs达到卤水资源边界品位甚至工业开采品位，但TDS不到盐湖卤水的1%。同位素分布的典型规律是地热水相对周围河水、湖水或常温地下水，具有显著偏负的B同位素分布规律（δ11B<-5‰），且表现为B浓度越高，其同位素越偏负的异常分馏规律，证明水体富集的B不是通过水-岩反应富集。同时，热泉与外围火山岩具有接近的Li同位素组成，因水-岩交换会使水体Li同位素显著偏正而不可能接近。因此，地热泉B、Li同位素分布规律一致间接证明类似岩石高温熔融体系产生的流体是地热系统主要B、Li的来源。在演化过程中，泉华-地热泉水之间Cs的分配系数(233.5) 是Li的 (2.75)近100倍，Cs倾向于沉积物强烈富集而Li更倾向于液相富集；硅华沉积不同化学相态中，Li以Fe-Mn氧化物为主；Rb、Cs以残留态（与蛋白石结合）为主；B以有机质、氧化物与残留态为主；地热泉水蒸发浓缩固液分离过程：B, Li, Rb 更倾向于在最后阶段的水体高度富集，Cs 在沉淀析出的早期共存矿物如蛋白石、硼砂等矿物相中富集。综合本课题所有数据，提出除水岩作用外，地壳重熔型岩浆残余流体是西藏地热泉B、Li等元素超常富集的主控机制。