全文导读

    本文研究了俄勒冈瀑布中部Breitenbush温泉地区的水化学、同位素组成（δ18O和δ2H），并进行了地热测量。

    采集了泉水(5)、井(8)和Breitenbush河(2)的水样。地温测量采用储层温度估算器（Reservoir Temperature Estimator, RTEst）软件包来进行，并使用已有的矿物学研究成果作为约束条件。假定玉髓、青瓷石、浊沸石、黑钨矿和绿帘石处于平衡状态，并依据此假定计算了地热储层温度。由于方解石的反应速度相对较快，推测在上升的地热储层水的冷却过程中，方解石是保持平衡状态的。通过调整碳含量和温度，使之与通过深井水的化学成分的冷却曲线一致，可以计算泉水中CO2(g)的脱气量。地热储层的平均估计温度为137.1±2.0℃，低于其他多成分地热研究报告的174至180℃。然而，本文得出的新估计与矿物学、水地球化学和流体包裹体数据以及现场附近的地热钻孔温度测量数据相一致。

    稳定的O、H同位素数据表明，Breitenbush温泉和Austin温泉的热水是4 ~ 8%的“安山岩水”（Giggenbach, 1992）和当地的大气水的混合物，且大气水在海拔1750 ~ 2200米，梯级山脉的顶部得到补充。此外，本文的研究结果还表明，Breitenbush温泉的Cl-、其他卤素和CO2主要来源于弧前蛇纹岩化地幔的脱气流体。

    地热储层的温度的测算和热水Cl-浓度的平均测量使用了美国地质调查局（USGS）先前报道的基于氯通量的测量数据，估算出水热补充量为13.7±1.6 L/s，对流热补充功率为7.1±0.8 MW。计算出的热液热损失略小于Ingebritsen等人（1992）先前估计的9MW。然而，它仍然代表了一个相对较小的、恒定的地下水排放所产生的大量热量传递。

图1 布雷滕布什温泉相对于北俄勒冈瀑布地区主要的火山中心、其他著名的温泉（红色钻石）和地热探井（红色和黑色圆圈）的位置图。同样显示的还有俄勒冈地质数据汇编v6 （OGDCv6） (Smith和Roe, 2015)中绘制的断层（黑线）和褶皱（红线），以及Sherrod和Conrey(1988)中的Breitenbush背斜（红色）。黑色虚线表示依据OGDCv6图单元确定的西级联单元（西）和连续高级联单元（东）的近似边界

图2 SUNEDCO 58-28钻孔热液矿物随深度分布图。上图左柱显示了所遇到的岩石单元的地层剖面，最右边的柱子显示了采集样品的地平线。图上还叠加了温度与深度的曲线（来自Bargar, 1994）

图3Breitenbush温泉地区的温泉和井位。图中的插图显示了从W10自流井流出的水流和Breitenbush河的上游视图

结果讨论

    本文利用利用新的水化学数据对Breitenbush温泉的水源和储层特征进行了分析研究。

    利用RTEst软件包（Palmer, 2015）和几种矿物组合，通过多组分优化方法解释了地温测量结果。最能代表地热储层条件的模型在目标函数中使用玉髓、黑钨矿、浊沸石、青瓷石和绿帘石，同时保持方解石平衡，并从针铁矿平衡中计算Fe(III)浓度。优化参数为温度和铝浓度。通过调整碳浓度和温度来校正泉水中的CO2(g)脱气量，使之与通过深井水的化学成分的冷却曲线一致。本模型估算的地热储层平均温度为137.1±2.0℃。所估算的地热储层温度远远低于以往地温研究中报道的174至180℃（Forcella,1982；Ingebritsen等,1992；Pang和Reed,1998；Spycher等，2016）。然而，我们的新估算结果在地热储层温度、CO2逸度（log(fCO2) = ?0.754±0.008）和pH值（6.47±0.013）方面具有一致性。计算得到的Al浓度（10.2±0.6 μg/kg）与实测值（8.6±4.6 μg/kg）一致。估算的地热储层温度接近位于东南3公里（向上梯度）温泉处的深井的最高井下温度141℃，并与从相同的钻孔获得的流体包裹体数据（Bargar, 1994）相同。作为模型输入的矿物是在与温度-深度剖面偏转同时发生的钻孔中观测到的，该钻孔岩屑中发现的大多数次生矿物可以用该模型得到的平衡态或过饱和态来解释。因此，所提出的地热模型与矿物学和水地球化学观测、基于流体包裹体的温度估算和现场附近的钻孔温度测量相一致。

    稳定的O、H同位素数据表明，Breitenbush温泉和Austin温泉的热水是由4 ~ 8%的、由Giggenbach(1992)研究的“安山岩水”和在1750 ~ 2200 m海拔高度，沿着喀斯喀特山脉的山顶补给的当地大气水组成的混合物。正如Ingebritsen等, (1992)所描述的那样，这与该地区横向分布的一个狭窄的高级联热源相吻合。

    储层中的卤素和CO2很可能来自于俯冲的蛇纹石化板块中上升的火山流体。支持这一结论的证据包括：

1.类似于MORB的卤素比值（Hurwitz等, 2005）。

2.类似于蛇形岩中流体的δ37Cl成分（Cullen等, 2015；Wei等, 2008）。

3.报告的3He/4He比值（R/Ra = 6.5至6.7）与岩浆特征一致（Mariner等, 2003）。

4.δ18O和δD值表明“安山质水”的输入。

5.沿喀斯喀特弧的其他泉水的δ13C和3He/4He的比值与来自地幔的流体相似（Evans等, 2004）。

    计算出的地热储层温度为137.1±2.0℃，依据美国地质调查局1984—2017年期间基于氯离子通量测量的28项数据，可以得出所研究区域的平均热水Cl-值为1116 mg/L，所产生的水热补充量为13.7±1.6 L/s，对流热补充功率为7.1±0.8 MW。这个值小于Ingebritsen等(1992)先前估计的9MW，但仍然代表了一个相对较小的、恒定的地下水排放所产生的大量热量传递。