硼是生物的必需营养元素,但硼的过量摄入也会引起人和动物慢性中毒或阻碍植物生长。当前,大量研究集中于与环境中硼的来源有关的天然过程,如火山活动、地表岩石风化、地下水系统中含硼矿物的溶解以及大气沉降等,来源于地热系统的硼及其环境地球化学行为则研究程度相对较低。鉴于地热水的排泄是环境中硼的主要来源之一,且常污染地热区内或附近作为饮用水源的其他类型天然水体,本论文选取西藏典型高温水热系统（羊易、宁中、曲才、曲卓木、羊八井、搭格架、色米、古堆）为研究对象,在建立地热水中硼的特殊存在形态（多聚硼氧配阴离子、氟硼络合物）的准确识别和定量测试方法的基础上,分析了西藏地热水中硼的赋存形式、主控因素及相互转化机理,重点研究了地热流体中硼的地球化学起源及其进入地表环境后的迁移、转化、蓄积过程。论文主要研究内容包括:1、分析了研究区地热水的水化学及氢、氧、碳、硫、硼同位素特征,探讨了主要水化学组分的物质来源。根据地热水硼含量,将研究区分为低硼、中硼和高硼地热区,低硼地热区包括羊易、宁中、曲才和曲卓木,中硼地热区包括羊八井,高硼地热区则包括搭格架、色米和古堆。研究区大部分地热水样品呈中性/弱碱性,仅在搭格架和色米两个高硼地热区分布少数酸性热泉（DG02、DG03和SM03）。低硼地热区内地热水的水化学类型主要为Ca-HCO₃-Cl和Ca-Na-SO₄-Cl型,中硼地热区水化学类型主要为Na-Cl-HCO₃型,高硼地热区水化学类型主要为Na-Cl和Na-SO₄型。地热水中主要水化学组分的分布存在如下规律:宏量组分中,从低硼、中硼到高硼地热区,Na⁺含量依次升高,Ca²⁺、Mg²⁺含量依次降低,三种主要阴离子(HCO₃^-、SO₄^2-和Cl^-)变化趋势不明显,含量相差不大;特征组分中,从低硼、中硼到高硼地热区,As、F、Si、Li、Rb、Cs含量均依次升高,主要原因应为上述特征组分的含量与岩浆活动密切相关。氢氧同位素特征表明:地热水均主要源于当地大气降水入渗补给,部分高硼地热区样品呈明显氧漂移,指示地热水也受到岩浆流体的补给。碳同位素特征表明:高硼地热水中的碳主要为岩浆成因;低硼地热区中,曲卓木地热水中的碳主要来源于海相碳酸盐岩的溶滤,羊易、宁中、曲才可能兼具上述两种来源;中硼的羊八井地热水中的碳则主要源于念青唐古拉杂岩体的变质作用。硫同位素特征表明:海相蒸发岩（硬石膏）的溶解是低硼地热水中硫的主要来源,而高硼地热水中的硫则可能是海相蒸发岩溶解、受污染大气降水入渗和幔源硫输入共同作用的结果。硼同位素特征表明:低硼地热水中的硼主要来源于海相碳酸盐岩和花岗岩的溶滤,而高硼地热水中的硼可能有其他来源（如岩浆流体补给）。2、刻画了地热水系统中硼的空间分布特征,总结了有利于硼富集的地热水环境特征,阐释了地热活动对硼在环境中富集的意义研究区地热水样品中硼的浓度变化范围为1.1⁵30.8 mg/L（平均值:89.4mg/L）,远高于浅层地下冷水和地表水的硼含量。有利于硼富集的地热水环境以偏碱性、高温、高TDS、还原性强为主要特征,但硼含量异常高的地热水的形成在根本上取决于地热系统的地质成因和地热流体的地球化学起源。富硼热泉均沿雅鲁藏布江缝合带展布,说明地热水中硼的异常富集与岩浆活动密切相关。地热水中Cl、As、Li、Rb、Cs与B呈显著正相关,说明B与Cl、As等同为偏保守组分,具有相似的地球化学行为;而Ca、SO₄与B则相关性不显著,原因为地热流体中的Ca和SO₄均是非保守组分,Ca含量受方解石、斜钙沸石、绿帘石等蚀变矿物的溶度积常数和相关组分含量的控制,SO₄含量则受控于明矾石、硬石膏等矿物自地热流体的沉淀过程。在热泉泉口,沉积物中硼含量的变化范围为22.5¹653.9 ppm,平均值达656.9 ppm,远高于全球范围内土壤中硼的含量变化范围（2¹00 ppm）。沉积物总硼分布规律为:搭格架>古堆>色米>羊八井。沉积物中硼的各赋存形态的含量变化规律为:残余态>可交换态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>有机物和硫化物结合态,说明热泉排泄后其中的硼可能主要以沉淀或共沉淀方式自液相移除。3、基于典型高硼地热系统搭格架和典型（相对）低硼地热系统曲卓木的地球化学对比,揭示了西藏高温地热水中硼的富集机制水化学及硼同位素研究指示搭格架的酸性泉为典型的蒸汽加热型热泉,在本质上为浅层地下冷水,仅其硫酸盐和酸度来自于深部地热流体中分离出的硫化氢在近地表环境中的氧化,因而B含量很低;而搭格架中性/弱碱性热泉是热储深部流体经不同方式冷却后在地表的排泄,其B含量远高于曲卓木,δ¹¹B则低于曲卓木。搭格架热储地热流体中的B主要来源于岩浆水的补给以及花岗岩围岩的溶滤;曲卓木地热水中的B主要来源于海相碳酸盐岩和花岗岩围岩的溶滤,其中海相碳酸盐岩的贡献达到90%以上。换言之,搭格架是西藏岩浆热源型地热系统的典型代表,地壳局部熔融、岩浆熔体的结晶及该过程中岩浆流体的析出、地热水-围岩相互作用过程等对地热水中的B均有贡献;而对于未受到岩浆水补给的西藏地热系统——如曲卓木,地热流体升流过程中的水-岩相互作用必然是其中硼含量的主控因素。在地热系统中,地热流体的绝热冷却（即水-汽分离）、流体中硼向蚀变矿物的吸附或与其共沉淀等过程都会导致液相中硼同位素的分馏,如水-汽分离过程可导致富集¹¹B的H₃BO₃进入气相,使地热水δ¹¹B值降低,同时CO₂的脱出也可致使碳酸盐矿物沉淀并使富集¹⁰B的B（OH）₄^-进入碳酸盐矿物晶格中,从而升高地热水的δ¹¹B值;再如蚀变矿物对液相中硼的吸附或与其共沉淀会导致富集¹⁰B的B（OH）₄^-自液相中更高程度地移除,使残余地热流体中δ¹¹B值升高。4、辨识了地热水中硼的赋存形态及主控因素,探讨了多聚硼氧配阴离子和氟硼络合物在热泉环境中的迁移和转化规律地热水中硼的赋存形态受pH、总硼浓度等影响,随上述条件的变化而相互转化;与温度、Eh等也存在相关性。pH是地热水中硼的形态分布的主控因素:小于7时,硼的形态以H₃BO₃为主,百分含量高达99%以上,B（OH）₄^-、多聚硼氧配阴离子和氟硼络合物含量极低;随pH值升高,B（OH）₄^-百分含量相应增大,在pH 8.8时可达40%左右。总硼浓度的影响则相对较小:地热水中总硼浓度较低时,其赋存形态以H₃BO₃为主,中等时B（OH）₄^-百分含量升高,较高时多聚硼氧配阴离子和氟硼络合物百分含量升高（当总硼浓度超过0.1 mol/L时,多聚硼氧配阴离子才可能形成）。温度和Eh值与地热水中硼的形态分布的关系则事实上反映了地热水地球化学成因的影响。如Eh值偏低的热泉一般为深部地热流体在升流过程中较少受浅层水混合而形成,总硼含量较高,且往往受近地表绝热冷却过程（即水-汽分离）的影响,因酸性气体（CO₂和H₂S）逸出而呈偏碱性,故硼的形态为H₃BO₃、B（OH）₄^-、多聚硼氧配阴离子和氟硼络合物共存;而Eh值偏高的热泉或为深部地热流体大量混合浅层氧化水后形成,或为蒸汽加热型酸性水（即本质上就是浅层氧化水）,因此硼浓度相对较低,且呈酸性-中性,硼的形态便主要为H₃BO₃。此外,氟和硼的相对浓度关系也会影响地热水中硼的赋存形态:当总氟含量与总硼含量相当或大于总硼浓度时,才会出现氟硼络合物。5、通过室内模拟实验,分析了碳酸盐矿物（以方解石为例）和水中硼的共沉淀过程或对硼的吸附过程,评价了不同环境条件对地热成因硼在环境中的迁移、转化、蓄积的影响硼虽为偏保守组分,但由于部分地热区内地热水中硼含量异常高,仍可在热泉排泄后自液相大量析出,一些热泉口沉积物中存在高含量的硼即为证据。碳酸盐矿物在热泉沉积物中广泛存在,鉴于硼酸根离子和碳酸根离子的化学结构及地球化学行为的相似性,热泉中硼可能以与碳酸盐矿物共沉淀的方式（或吸附于碳酸盐矿物的形式）向固相迁移并蓄积。开展了系统模拟实验研究,分析了吸附于方解石和与方解石共沉淀两种方式对液相中硼向固相迁移的贡献,发现随液相硼含量和反应温度升高,硼的吸附量和共沉淀量增大,随pH升高,吸附量和共沉淀量则先增大后减小,在pH为9.3时达到峰值。pH对溶液中硼的赋存形态和方解石表面电位有控制性影响:当pH升高时,方解石表面负电性增强,可抑制硼的吸附,但与此同时B（OH）₄^-、B₃O₃（OH）₄^-、B₄O₅（OH）₄^2-、B₅O₆（OH）₄^-等更易被吸附的硼的形态的含量也升高,则可促进硼的吸附。pH刚开始升高时,对方解石表面电位的影响弱于对硼的赋存形态的影响,因此总体上加强了硼的吸附;但在高于9.3后进一步升高时,对硼的赋存形态的影响减弱,从而导致硼的吸附量降低。论文解决的关键科学问题为:（1）建立了地热水中不同类型多聚硼氧配阴离子和氟硼络合物的有效识别或定量测试方法;（2）计算了热田深部岩浆流体补给和热储水-岩相互作用对地热水中硼的定量贡献。论文创新之处为:（1）分辨了地热水中硼的地球化学起源;（2）系统研究了地热流体来源硼在环境中的迁移、形态转化和归宿。