高温地热流体中硼的地球化学研究进展_刘明亮.pdf

地球科学 Earth Sciencehttp:/第 48 卷 第 3期2 0 2 3 年 3 月Vol.48 No.3Mar.2 0 2 3https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.235高温地热流体中硼的地球化学研究进展刘明亮1，2，正安婷2，尚建波2，郭清海3，4*1.长江大学油气地球化学与环境湖北省重点实验室，湖北武汉 430100 2.长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100 3.中国地质大学自然资源部深部地热资源重点实验室，湖北武汉 430078 4.中国地质大学环境学院，湖北武汉 430078摘要：硼是高温地热流体中典型的特征元素之一，探讨其物质来源和富集规律，对认识地热系统的形成与演化以及地热资源的合理开发具有重要的指导意义.同时，硼也是一种典型的有害元素，伴随地热流体排放到地表后，会对地热区及周边环境造成严重的负面效应.近年来，在高温地热资源正在被大规模开发利用的背景下，高温地热流中硼的地球化学起源及其环境效应研究已引起国内外相关学者的广泛关注.本文综述了高温地热流体中硼的地球化学特征、物质来源以及环境地质效应，在此基础上总结了后期需要进一步加强的方向，以期为地热资源的合理开采、地热田周边地区的环境保护提供借鉴思路和指导作用.关键词：地球化学；硼；环境效应；地热系统；高温地热流体.中图分类号：P641.3 文章编号：1000-2383(2023)03-878-16 收稿日期：2022-06-08Progress in Study of Boron Geochemistry in High Temperature Geothermal FluidsLiu Mingliang1，2，Zheng Anting2，Shang Jianbo2，Guo Qinghai3，4*1.Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China2.College of Resources and Environment，Yangtze University，Wuhan 430100，China3.Key Laboratory of Deep Geothermal Resources，Ministry of Natural Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430078，China4.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430078，ChinaAbstract:Boron is one of the typical characteristic elements in high temperature geothermal fluids.Its origin and enrichment in geothermal fluids are of great significance to understanding the formation and evolution of geothermal system and the rational development of geothermal resources.At the same time,boron is one of the harmful elements,and will cause serious negative effects on the geothermal area and its surrounding environment as geothermal fluids discharged to the surface.In recent years,under the background of large-scale exploitation and utilization of high temperature geothermal resources,the origin of boron in high temperature geothermal fluids and its environmental effects have attracted extensive attention.In this paper,the geochemistry characteristics,sources and environmental geological effects of boron in geothermal fluids are reviewed,aiming to provide insights for the rational exploitation of geothermal resources and the environmental protection near the geothermal areas.基金项目：国家自然科学基金项目(No.41902257)；宁夏回族自治区重点研发计划项目(No.2022BEG03060)；自然资源部深部地热资源重点实验室开放基金项目(No.KLDGR2022G01)；智慧长江与水电科学湖北省重点实验室开放基金项目(No.ZH2102000113).作者简介：刘明亮（1989），男，副教授，主要从事地热领域的研究工作.ORCID：0000000335458129.Email：*通讯作者：郭清海，Email:引用格式：刘明亮，正安婷，尚建波，郭清海，2023.高温地热流体中硼的地球化学研究进展.地球科学，48（3）：878-893.Citation：Liu Mingliang，Zheng Anting，Shang Jianbo，Guo Qinghai，2023.Progress in Study of Boron Geochemistry in High Temperature Geothermal Fluids.Earth Science，48（3）：878-893.第 3 期刘明亮等：高温地热流体中硼的地球化学研究进展Key words:geochemistry;boron;environmental effect;geothermal system;high temperature geothermal fluid.在国际地热界，高温地热系统是指热储温度高于 150 的地热系统，主要分布于板缘地热带（如环太平洋地热带、地中海喜马拉雅地热带、大西洋中脊地热带和红海亚丁湾东非裂谷地热带）和板内热点地区（如美国黄石国家公园等）.在我国，高温地热系统主要分布于滇藏地热带（地中海喜马拉雅地热带的一部分）的藏南、川西、滇西以及环太平洋地热带的台湾地区.这类地热系统因其异常高的热 储 温 度，具 有 巨 大 的 开 发 利 用 价 值（郭 清 海，2020；汪新伟等，2022），在地热发电、住房供暖、水产养殖、医疗保健、温泉洗浴等方面得到了广泛应用.与一般中低温地热水相比，高温地热流体往往富集多种特征元素（如硼、氯、砷、锂、钨、锑等），这些特征元素往往蕴含着地热系统形成及演化过程中详尽的地球化学信息（Kaasalainen and Stefnsson，2012；吕 苑 苑 等，2014；Kaasalainen et al.，2015；Barnes et al.，2019；Guo et al.，2019b；Zhao et al.，2019；Cullen et al.，2021；郭清海和杨晨，2021）.对特征元素的物质来源和富集规律进行研究，可为深刻认识地热系统的成因机制及演化规律奠定基础，为地热资源的合理开发提供科学依据（刘明亮等，2020；朱喜等，2021）.另一方面，某些特征元素（如硼、氟、砷、钨、锑 等）伴 随 地 热 流体 排 放 到 地 表 后，也 可 能 会 对 地 热 区 周 边 环 境造 成 污 染（Guo et al.，2008，2017，2019a，2019b，2020，2021；张 庆 等，2014，2015），严重 威 胁 当 地 居 民 的 身 体 健 康 以 及 动 植 物 的 生长.综 上，高 温 地 热 流 体 中 的 特 征 元 素 具 有 重要 的 科 学 研 究 意 义，近 年 来 已 引 起 国 内 外 相 关学 者 的 广 泛 关 注，并 已 成 为 地 球 科 学 与 环 境 科学 领 域 研 究 的 热 点 问 题（Song et al.，2021）.硼，作为一种易溶不相容元素，是高温地热流体中最典型的特征元素之一，常被用来分析地热流体 的 起 源 以 及 相 关 的 水 文 地 球 化 学 过 程（Ellis，1970；Arnrsson，1985；Arnrsson and Andrsdttir，1995）.同时，硼在环境介质中也具有很大的危害性，过量摄入会造成人体和动物慢性中毒，使肝、肾脏受到损害，脑和肺出现水肿，并抑制植物生长（l and l，2003）.根据世界卫生组织标准，人体饮用水中硼的含量限值为 0.5 mg/L，植被灌溉水的硼含量 限 值 为 1 mg/L（World Health Organization，2008）.高温地热流体常常具有硼含量很高的特点，从泉口或地热井排出以后将会引发负面的环境效应，尤其当地热能大规模开发利用以后，排放到环境中的硼总量将会更大，造成地热区周边环境介质的硼污染问题也将更为严峻.近年来国内外已开展部分高温地热流体硼地球化学方面的研究工作（吕苑苑等，2014；Yuan et al.，2014；Yamaoka et al.，2015；Zhang et al.，2015；Purnomo et al.，2016；Wu et al.，2016；Liu et al.，2019；Zhao et al.，2019），总的来说这些工作都取得了丰硕的成果，但整体而言还比较零散且缺乏系统性，对高温地热流体中硼的物质来源认识仍比较笼统，对富硼地热水排放引起的环境效应研究也略显匮乏.为此，本 文 对 国 内 外 高 温 地 热 流 体 中 硼 的 地 球 化学 研 究 进 行 了 概 述 和 评 论，在 此 基 础 上 总 结 了后 期 需 要 进 一 步 加 强 的 工 作，以 期 为 地 热 成 因硼污染的治理、地热田周边地区的环境保护、地热资源的合理开采提供借鉴思路和指导作用.1 高温地热流体硼的地球化学特征 1.1地热流体中硼的含量及硼同位素特征在高温地热流体中，硼是一种易溶元素，其含量变化范围可达几个数量级，从低于 1 mg/L至高于1 000 mg/L（表 1）.整体而言，高温地热流体常具有硼含量较高的特点，如美国黄石国家公园热泉水硼含量达 28.5 mg/L（Palmer and Sturchio，1990），日本 Kagoshima 地热区热水硼含量达 24.8 mg/L（Oi et al.，1996），土耳其 Menderes Massif 地热田热水硼含量达 54.2 mg/L（Vengosh et al.，2002），新西兰Taupo 火 山 地 热 区 热 水 硼 含 量 可 达 82.1 mg/L（Millot et al.，2012），印度尼西亚 Java 地热田热水硼含量达 93.2 mg/L（Purnomo et al.，2016），希腊Milos Island 地热田热水硼含量达 99.0 mg/L（Wu et al.，2016），墨西哥 Los Humeros 地热田热水硼含量达 725.0 mg/L（Bernard et al.，2011），新西兰Negwha 地 热 田 热 水 硼 含 量 高 达 1 101.6 mg/L（Aggarwal