依据采自西安地区300到3000米深地热井中地热水的水化学成分和同位素成分,确定出地热水的主要补给源和循环路径。地热水δ¹⁸O 值变化于-11.8‰～-3.1‰VSMOW 之间,而δD 值变化幅度很小,在-87～-80‰VSMOW 之间,与西安市区现代大气降水的δD 值（～-60‰VSMOW）明显不同。在δ¹⁸O～δD 关系图上,浅层地热水(〈1500米〉落在大气降水线上,而深层地热水（>1500米）向右侧偏离了大气降水线,呈现显著的氧同位素正向漂移现象。氧同位素由秦岭山前向盆地内部逐渐富集,在盆地内部随井深成正相关。据此判断,西安地热水的补给区位于秦岭山区。¹⁴C 值表现为与氧同位素相反的变化趋势,¹⁴C 年龄值在6,000～30,000年之间,表明地热水的地下循环时间很长。由井间¹⁴C 年龄差异估算出从南到北地热水平均流速为1.7米/年,从西到东为2.5米/年。这些特征与渭北岩溶水截然不同,表明西安地区地热水与渭北岩溶水之间,虽然在空间上有密切联系,但分属于不同的水文地质单元,有各自独立的补径排系统。