摘要
阿里地区处于雅鲁藏布江缝合带与班公湖—怒江缝合带交汇区域，当前构造活动活跃且地热资源丰富，但该区域地热水的水文地球化学过程及其水热成因机理的研究尚不充分，地热水成因过程机制仍未清晰阐明。对区内16个典型温泉点的水化学组分特征进行研究，探讨了地热水的离子组成来源及其循环迁移规律。在此基础上，利用水文地球化学及地温计分析了储层的水岩平衡状态、热储温度以及冷水的混入比例。研究表明：研究区属构造隆起区热对流型地热系统，地热水整体处于封闭条件好，流经路径短，循环速度快的环境。区内的离子成分主要以Na+ 和HCO3- 为主，其形成受硅酸盐等矿物溶解以及阳离子交替吸附的影响；区内主要受大气降水和冰雪融水的补给，未混入冷水时储层的温度为121~247 ℃，冷水混合比例在60%~70%。地热水在深部循环过程中有Li、B及Cl-的混入，与周围的围岩发生水岩反应，导致F、Sr等组分含量富集，地热水深循环过程中沿次级构造或破碎带升流至地表，最终形成温泉。本研究揭示了阿里地区地热水水化学特征及水热成因模式，对研究区地热资源的可持续开发利用和工程建设提供了科学指导。
Abstract
The Ngari Prefecture is located in the confluence area of the Yarlung Zangbo River suture zone and the Pangong Lake-Nujiang River suture zone. Currently, the tectonic activities are active and the geothermal resources are abundant. However, the research on the hydrogeochemical process of geothermal water and its hydrothermal genesis mechanism in this area is still insufficient, and the genesis process mechanism of geothermal water has not been clearly clarified. The water chemical composition characteristics of 16 typical hot spring spots in the area were studied, and the ionic composition sources and circulation migration laws of geothermal water were discussed. On this basis, the water-rock equilibrium state of the reservoir, the temperature of the hot reservoir and the proportion of cold water mixed were analyzed by using hydrogeochemistry and geothermal meters. Research shows that the study area belongs to a thermal convection geothermal system in a tectonic uplift zone. The geothermal water as a whole is in an environment with good closed conditions, short flow paths and fast circulation speeds. The ionic components in the area are mainly Na+ and HCO3- , and their formation is affected by the dissolution of minerals such as silicates and the alternating adsorption of cations. The area is mainly replenished by atmospheric precipitation and meltwater from ice and snow. When not mixed with cold water, the temperature of the reservoir is 121 to 247 ℃, and the proportion of cold water mixture is 60% to 70%. During the deep circulation of geothermal water, Li, B and Cl- are mixed in, which undergo water-rock reactions with the surrounding rocks, leading to the enrichment of components such as F and Sr. During the deep circulation of geothermal water, they rise to the surface along secondary structures or fracture zones and eventually form hot springs. This study reveals the hydrochemical characteristics and hydrothermal genesis models of geothermal water in Ngari Prefecture, providing scientific guidance for the sustainable development and utilization of geothermal resources and engineering construction in the study area.
0 引言
青藏高原作为地中海—喜马拉雅地热带的重要组成部分，其强烈的水热活动是印度板块与欧亚板块持续碰撞挤压背景下深部地质过程的直接响应。这一过程形成了广泛分布的张性及张扭性断裂系统，为地下热水的深循环和上涌提供了优越的通道条件；同时，板块俯冲导致的壳内部分熔融层则为地热系统提供了异常强大的热源（蒋翰， 2020）。西藏地区因此成为中国高温地热资源最富集的区域，拥有多达600余处地热显示，包括高温间歇喷泉、沸泉及富含特殊矿物质的热泉，具有巨大的科学研究与开发潜力（多吉，2003）。
针对高原地热的研究，国内外学者已在地热资源分布、地球物理勘探、大地热流测量及地热流体地球化学等方面取得了丰富成果（沈显杰等，1991；万汉平等，2023；刘玲霞等，2024；王亚茹等，2025）。研究表明，高原热流值显著高于中国大陆平均水平，高热流区与主要构造带紧密契合，温泉沿缝合带与断裂带集中分布，指示其水化学特征与成因深受深部构造控制（姜光政等，2016；Klemperer et al.，2022）。近年来，流体地球化学已成为揭示深部热储温度、热液演化及溶质来源的关键手段（谭红兵等，2023；Li et al.， 2024；Xie et al.，2024）。位于高原西缘的阿里地区，地处雅鲁藏布江与班公湖—怒江两大构造带交汇处，是印度板块西构造结的核心区域（宋扬等，2012；赵珍等，2012），其密集的走滑断裂网络为深部热流创造了独特的上升通道，发育有全球海拔最高的间歇泉群及特征显著的微量元素组合，暗示了其独特且强烈的深部水-岩相互作用过程（廖忠礼等，2005；Wang et al.，2016；师红杰等，2023；李鹏涛等，2025）。
然而，尽管前人的研究建立了高原尺度的地热系统概念模型，但对阿里这一特殊构造单元内地热水的精细成因机制仍缺乏深入认知。目前存在的主要问题集中于：（1）地热水化学组分的具体来源与主导的水-岩相互作用过程尚不清晰；（2）特征性微量元素的富集途径未能明确。这些问题的存在制约了对该区地热系统形成机理的完整解析与资源潜力的准确评价。
针对上述问题，本研究以西藏阿里地区典型温泉水为研究对象，通过系统采集水样，综合运用水化学组成分析、地球化学模拟等方法，重点开展以下研究：（1）详细解析地热水的主要水化学类型及离子来源；（2）查明控制水化学演化的关键水-岩相互作用过程；（3）追溯特征微量元素的富集来源与迁移路径。预期通过本研究，能够揭示阿里地区地热水的成因机制，构建其地热水成因模型，从而为深入理解该独特构造背景下地热系统的形成规律提供科学依据，并对地热资源的可持续开发利用与环境保护具有重要的指导意义。
1 研究区概况
阿里地区（东经 78°24'～86°20'，北纬 29°41'～35°52'）位于西藏自治区的西部，面积为 33.717 万 km2。研究区海拔从南到北依次上升，隶属于南羌塘山原湖盆区（图1）。地热资源的形成与分布受到区域构造位置和活动的控制。研究区地处欧亚板块和印度板块的碰撞带，同时位于雅鲁藏布江构造带、喀喇昆仑断裂带和班公湖—怒江构造带的交汇区域。强烈的板块碰撞和构造活动为该区的水热系统形成了有利的地热地质环境。根据《中国大陆地区大地热流数据汇编（第四版）》的实测数据，西藏阿里地区的大地热流值为 72.4 mW·m-2，明显高于中国大陆地区的平均水平，表明该区域具有显著的地热异常背景。
图1研究区地形地貌图
研究区广泛发育燕山晚期—喜山期侵入岩，以晚白垩世—新近纪岩体为主，呈 NW 向分布于冈底斯南缘岩浆弧带和喜马拉雅结晶岩带，局部见于雅鲁藏布江结合带北段东北缘。该结合带在研究区内呈 NW-SE 向展布，以北界断裂和南界断裂为界，北接冈底斯陆块，南邻喜马拉雅陆块（郑一义等， 1984；郭志腾，2022）。研究区地下水系统可分为 3 类：第四系松散岩类孔隙水主要分布于山间河谷冲洪积层，岩性为卵石和砂砾石，富水性良好；层状岩类裂隙水见于东北部冈仁波齐—玛旁雍错一带，赋存于奥陶系—上新统砂板岩中，富水性中等—贫乏；块状岩类裂隙水发育于冈底斯山和阿伊拉日居山脉的中酸性侵入岩区，受陡峭地形和浅薄风化层影响，富水性极差。地下水循环受控于地形、岩性和气候条件，孔隙水接受降水和基岩侧向补给后向湖泊河流排泄，部分蒸发；基岩裂隙水虽受地形限制，但通过高寒降水获得补给，沿断裂带运移后以侧向补给、泉排泄和蒸发等方式排出（简武等， 2007；康小兵和许模，2008；孟嘉伟等，2025）。
阿里地区有丰富的中高温地热资源，并且出现了许多温泉露头。区内温泉的分布与地质构造特征具有明显的关系。噶尔县、札达县和普兰县温泉分布主要受雅鲁藏布江缝合带控制，噶尔县部分温泉分布受到（如朗久地热田）喀喇昆仑断裂控制，日土县温泉分布主要受班公湖—怒江缝合带控制，并选取远离断裂带的3组水样进行对照分析。断裂带对地热水水化学成分影响是随着地下水循环进行的，因此热泉中的F-、Cl-、SO42-、Na+、SiO2以及微量元素Li+、Sr2+ 等含量会增加，这些成分在浅层地下水中含量较低，通过水化学组分表现出来。
2 数据采集
本研究围绕阿里地区的典型地热显示区展开，取样方案严格遵循构造控制原则和典型性准则，主要沿区域主要的控热构造带——雅鲁藏布江缝合带、班公湖—怒江缝合带和狮泉河—申扎—嘉黎结合带进行布设。在这些断裂带及其次级断裂控制的典型温泉出露点，共选取了16个具有代表性的地热水点开展研究。采样点空间分布覆盖了日土县、札达县、普兰县和噶尔县，所有水样均在泉口新鲜出水处采集，以确保样品的代表性。采样点具体位置如图1所示。取样过程中严格遵守《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010）、《食品安全国家标准饮用天然矿泉水检验方法》（GB 8538-2022）的相关要求。水化学分析由西藏自治区地质矿产勘查开发局中心实验室完成。主要阳离子（Ca2+、Mg2+）采用电感耦合等离子体发射光谱法（Thermo iCAP6300 Duo）测定，检出限分别为 0.01 mg/L 和 0.005 mg/L；Na⁺、K⁺采用电感耦合等离子体质谱法 （NexION 300X）分析，检出限 0.01 mg/L。阴离子 （Cl-、SO42-）通过离子色谱法（ICS-1000）检测，检出限分别为 0.02 mg/L 和 0.05 mg/L；HCO3-、CO3 2- 采用酸碱滴定法测定，检出限1.0 mg/L。其他指标包括： NH₄⁺（纳氏试剂法，检出限0.05 mg/L）、NO₃- /NO₂-（紫外分光光度法，检出限 0.1/0.01 mg/L）、F-（离子色谱法，检出限 0.02 mg/L）以及 SiO2（硅钼黄法，检出限 0.1 mg/L）。痕量元素（As、Hg等）采用原子荧光光谱仪（AFS-820）测定，检出限 0.01～0.1 μg/L。水质物理参数测定包括：pH 值（ORION STAR A211，精度 ±0.01）、浊度（WGZ-200，检出限 0.1 NTU）和色度 （SD-9011，检出限 5度）。质量控制措施包括：每 10 个样品设置 1 个空白样和 1 个平行样，使用 USGS RO-28标准水样进行质量控制，阴阳离子平衡误差控制在±5%以内。
3 结果
测试表结果见表1和表2，通过本研究区的水化学数据，绘制水化学Piper三线图。通过水化学组分可得，地热水在循环的过程中发生了不同的水文地球化学过程。区内地热水 pH值 6.83～8.89，泉口温度 16～86℃。地热水阳离子浓度 Na+ ＞Ca2+ ＞ Mg2+ ＞K+，阴离子浓度HCO3- ＞SO42- ＞Cl-。TDS值分布285.4～5716.0 mg/L，温泉点表征出的离子组分和 TDS 值的差异，反映出地热水经历水岩反应程度不同和热储层岩性不同。在图2中，研究区温泉点水样分布较为分散，未集中于某一区域，这表明该地区的水化学类型较为复杂。区内水化学类型主要为 HCO3-Na，还包括 HCO3-Ca·Mg、Cl·HCO3-Na、 HCO3-Ca·Na和SO4-Ca·Mg。
研究区地热水主要的阳离子趋向于 Na+ 增加的方向，阴离子趋向于HCO3- 增加的方向，这与三线图表现出的特征相同，表明地热水可能经历了深层钠长石水解，或与浅层低矿化度的冷水混合。由于温泉出露多在地形起伏的山区，地下水多分布于山前地带，由于研究区海拔较高，气候条件使得冰雪融水成为研究区主要的补给水源，其次是大气降水的补给。温泉在上升过程中会得到水源的补给，因此，区内地热水在与补给水源混合后，原始水化学类型受到稀释或均一化作用，导致不同地热水表现出相似的水化学类型。
研究区地热水中Cl-的含量部分值变化较大，其中土琼沟温泉的Cl-值达到了950.9 mg/L。浅层地下水中 Cl-的含量应小于 10 mg/L，但是研究区温泉水中 Cl-的含量较高，且区内没有盐岩地层和区内人类活动较少，因此推测研究区地热水中Cl-来源于地层的深部。
图2研究区Piper三线图
表1研究区地热水主要离子组分
表2研究区地热水化学其他指标
4 讨论
4.1 温泉的水化学的演变
（1）离子组分相关分析
γ（Na+）/γ（Cl-）系数表征地层封闭性和变质系数。若水样点的 γ（Na+）/γ（Cl-）系数大于 1，则表示水体中 Na+ 来源与硅酸盐岩的溶解有关（孙红丽等， 2015）。如图3所示，地热水点都分布在 1∶1的曲线上方，这表明地热水封闭条件相对较好，Na+ 主要来源于硅酸盐矿物的溶滤作用。
图3研究区γ（Na+）/γ（Cl-）比例系数关系图
盐化系数γCl- /（γHCO3-）可以反映出地热水的流经路径和地热水的循环速度。由于研究区地热水盐化系数 0.01～1.15，平均值 0.26。表明研究区地热水的流经路径较短，循环速度较快，更新速度较快，且还有浅层地下水混入。
TDS与常量离子的系数。表3中水化学空间分布特征表明，研究区地热水 TDS、Na、K、Cl 含量较高，Ca、Mg含量相对较低。结合地质构造，储层岩性特征，导致地热水在同一区域水化学差异的原因主要为浅部冷水混合稀释过程与CO2脱气作用。由于热储岩性的不同，地热水的循环深度和运移路径也不同，所以地热水在上升过程中冷水的混合比例也不同，温泉的出露温度也发生了变化。地热水中 CO2脱气过程会导致碳酸盐矿物沉淀，抑制 Ca2+， Mg2+ 在地热水中溶解。
前人研究表明，氯元素因其化学性质稳定，既难以与其他矿物发生化学反应，也不易被吸附固定，因而可作为理想示踪剂用于研究与其地球化学行为相似的离子迁移转化规律（郎旭娟等，2016；孙明露，2023）。由图4可知 Cl-与 Li 和 B 基本呈现的是正相关的趋势，随着Cl-含量的增大Li和B含量也增大。由于浅层地下水中 Li和 B含量较低，而在地热水中含量较高，Cl-与Li、B的正相关趋势可能反映其共同来源于深部岩石溶滤（如富锂硼矿物的水解）或高矿化度地热水与浅层水的混合作用，需结合同位素或矿物学证据进一步验证。由图4可知 Cl-与 F、Sr、SiO2的相关不太明显，说明可能发生了其他的水文地球化学反应。F、Sr 在地热水中含量较高，可能是由于地热水与周围的围岩发生水岩作用所导致的，结合研究区分析，F-可能源自萤石、氟磷灰石的溶解；而 Sr2+ 可能来自斜长石中锶的置换释放。SiO2的富集与高温二氧化硅的溶解或高温地热水上升至地表时发生冷却或压力降低有关。
表3研究区温泉水离子特征系数
（2）水-岩相互作用形式
水岩反应的形式主要是蒸发岩、硅酸盐以及碳酸盐矿物风化的溶解。可以通过 Mg2+ /Na+（图5a）、 HCO3- /Na+（图5b）和Ca2+ /Na+ 评估地热水主要风化作用（郑茹丹等，2024）。热泉位于硅酸矿物溶解区和蒸发矿物溶解区之间，温泉位于硅酸矿物溶解区附近。此外，地热水中（Na+ +K+-Cl-）/（Ca2+ +Mg2+-SO42--HCO3-）（图5c）比值接近 1∶1 趋势线，表明地热水发生了阳离子交换反应，即Na+ 含量增加，Ca2+ 和Mg2+ 含量减少。从上文分析可得，研究区地热水流经路径较短，循环速度较快，故表明区内地热水蒸发矿物溶解作用不强烈，因此可以推断区内地热水的主要控制因素是硅酸盐矿物的非全等溶解（韩思航，2022）。
通过对以上分析结果可得，地热水在循环过程中主要控制因素是硅酸盐矿物的非全等溶解，使得地热水中离子含量富集。整体上地热水体现出封闭条件相对较好，流经路径较短，循环速度较快，更新速度较快的特点。
图4研究区部分水样点微量组分与Cl关系图
a—Cl-F；b—Cl-Li；c—Cl-B；d—Cl-Sr；e—Cl-SiO2
图5研究区水样品离子关系图
a—Mg2+-Na+ 图解；b—（HCO3- /Na+）-（Ca2+ /Na+）图解；c—（Na+ +K+-Cl-）-（Ca2+ +Mg2+-SO42--HCO3-）图解
4.2 热储温度
4.2.1 水-岩平衡状态分析
根据Na-K-Mg图可知（图6a），热水点落在部分平衡区和未成熟区，推测地热水水岩反应没有达到离子平衡，矿物溶解还在继续，或有浅层冷水混合。利用氯-焓图可以估算热储温度，反映地热水与浅部冷水是否发生混合（Fournier，1979），冷水端元采用地表水（王晨光等，2020）。在氯-焓图解中泉口温度超过 80℃选取石英地热温度计估算值，低于 80℃利用泉口温度；由于地热水为混合水，故将采样点与冷水点相连，在连线上标记出深部流体的位置；在图6b中，研究区母地热流体焓值为 1044 J/g （242℃）。地热水在运移过程中主要经历了隔热沸腾冷却、传导冷却以及母流体与浅层地下水混合 3 个过程。
图6研究区水样点Na-K-Mg三角图（a）和氯-焓图解（b）
4.2.2 矿物饱和度
地热水在上移过程中发生了冷水混入现象，会导致矿物SI曲线不收敛。如果地热水呈现碱性，则 CO2的脱气作用，也会导致矿物 SI 曲线不收敛。还可能会使水化学类型发生变化，由于地热水在上升过程中混合过程较复杂，很难用地热温度计得到研究区地热水的储层温度。为了避免冷水混入的影响，利用硅-焓图解法对储层温度进行估算。碱性地热水中 CO2脱气会影响碳酸盐矿物达到平衡，影响实际储层温度（Guo et al.，2017）。由于研究区地热水是酸性地热水和弱碱性地热水，CO2脱气对于矿物平衡的影响较少，所以冷水混入对矿物SI值影响较大。
利用 phreeqc 软件对研究区地热水中矿物 SI值进行计算。根据研究区岩石矿物资料，选取 6 种矿物计算饱和指数，并绘制 SI与 T的关系曲线（图7）。结果表明，玉髓和石英矿物达到或接近平衡。方解石矿物在所有地热水样品中达到过饱和状态，且有沉淀产生，可能由于压力作用使得地热水中的 CO2 溢出，促进了方解石的沉淀（黄豪擎等，2023）。整体来说，研究区矿物饱和指数较收敛，温度分布在 40～112℃。
图7地热水矿物SI-T图
a—62℃；b—41℃；c—40℃；d—57℃；e—65℃；f—66℃；g—74℃；h—54℃；i—69℃；j—67℃；k—48℃；l—65℃；m—63℃；n—88℃； o—97℃；p—60℃
地热水从深部热储上移的过程中可能与浅层地下水或者其他类型的地下水发生混合反应，使地热水中的化学组分发生变化，同时使得地热水水温降低。可以利用硅-焓图解进一步得出深部热储温度和冷水的混入比例系数（Fournier，1977）。该方法是假设在混合之前或之后不存在二氧化硅沉积，并且石英决定二氧化硅在热水中的溶解度。如图8所示研究区热储温度 121～247℃，冷水混合比例 60%～70%。去除冷水混入计算的热储温度与氯-焓图解计算得到的母地热流体的温度一致。
4.2.3 热储温度
根据地热水中水化学组分，利用不同的地温计对储层温度进行估算，估算结果如表4所示。由水-岩平衡状态分析知，研究区地热水点分布在部分平衡区和未平衡区，表明地热水中部分矿物溶解未达到平衡状态，可能是地热水在上升过程中有冷水的混入。鉴于地热水中离子未达到平衡状态，因此利用阳离子温度计估算出储层热储温度偏大，本文利用阳离子温度计估算的储层热储温度仅作为参考。
由于地热水在上升过程中有冷水混入现象，利用 SiO2和多矿物平衡对储层热储温度进行估算，3 种温度计整体估算结果误差在30℃范围之内，因此选取3种温度计的平均值作为冷水混入之后的储层温度，温泉为31～125℃。将硅-焓图解法估算出的储层温度作为储层的原始温度。利用玉髓无蒸汽损失温度计对扎普低温温泉计算结果为 3℃，计算结果低于泉口温度，且不符合客观事实。因此，此点作为一个特殊点进行忽略，利用玉髓最大蒸汽损失估算值代替。
图8硅-焓模型图
表4研究区地热水温度估算结果（℃）
4.3 地热水成因模式
阿里地区地热系统的形成需具备“源”、“储”、 “盖”、“通”等基本地质条件。研究区位于青藏高原西南缘的阿里地区，地处欧亚板块与印度板块碰撞带的前缘位置，区内发育多条板块缝合带。强烈的板块俯冲碰撞作用不仅形成了复杂的构造格局，同时产生了显著的地壳热异常，使该区地热水具有典型的构造隆起区热对流型成因特征（关健和方石， 2021）。实测数据显示，研究区大地热流值明显高于周边区域，证实深部存在活跃的热流活动。根据 《西藏温泉志》记载，区内温泉表现出水温稳定、流量恒定以及高Cl-含量（平均达298.2 mg/L）等特征。
综合地质地球化学分析表明，阿里地区温泉的形成机制可概括为：大地热流构成主要热源，大气降水和冰雪融水通过山体裂隙入渗形成主要补给水源。这些地表水通过嘉黎断裂等深大断裂带下渗至地壳深部，在高温高压环境下与深部热液发生混合作用，并经历长距离的运移过程。在静水压力驱动下，热液沿断裂系统向上运移，在此过程中与围岩发生强烈的水-岩相互作用，导致围岩中 SiO2、 Na+、K+ 等矿物质大量溶入热液。当热液上升至浅部时，与浅层地下水发生混合作用，引起温度、pH值等物理化学条件的显著变化，不仅导致方解石、石英等矿物沉淀，同时破坏了原有的水-岩平衡体系（夏代祥，1986）。最终，热液在遇到不透水断层阻挡后发生侧向运移，并在地形低洼处以温泉形式出露地表（图9）。
5 结论
本文基于水文地球化学法及物源组分对阿里地区典型地热水化学特征及成因进行分析，得出以下结论：
（1）地热水以 HCO3-Na 型为主，同时存在 HCO3-Ca·Mg、Cl·HCO3-Na、HCO3-Ca·Na 和 SO4-Ca·Mg等类型，反映多源流体混合特征。Li、B的富集反应地热水具有深循环过程，而 F⁻、Sr、SiO2的高含量反映强烈的硅酸盐岩水-岩相互作用。
（2）地热水化学组分受硅酸盐溶解和阳离子交换控制，呈现封闭性好、循环路径短、更新快的特点。深部热液与浅层地下水混合，导致部分地热水表现出浓缩结晶特征。
（3）浅层地热水储层温度为31～125℃，而深部热储温度达 121～247℃。冷水混入比例为 60%～70%，显著影响地热水的温度与化学组成。
（4）研究区地热系统属于断裂控制的对流型，母流体焓值为 1044 J/g。地热流体经历 3 阶段演化深部隔热沸腾；上升传导冷却；浅层地下水混合。断裂带为流体上升主通道，局部阻水构造控制温泉排泄。
致谢 感谢匿名审稿专家和编委提出的众多宝贵意见和建议。感谢西藏自治区地质矿产勘查开发局地热地质大队在野外工作中的帮助和数据的处理。