Происхождение химических веществ в природных термальных водах широко дискутировалось. Точка зрения, согласно которой воды вулканических источников представлены целиком магматическими флюидами, не соответствует данным определения изотопных отношений водорода и кислорода или данным о составах растворенных инертных газов. Имеются количественные доказательства того, что высокотемпературные термальные воды преимущественно происходят из местных метеорных вод, однако методы исследования не исключают присутствия 5—10% вод другого происхождения.
Теория магматического происхождения таких элементов, как бор, фтор, азот, мышьяк, литий, рубидий и цезий, обнаруженных в необычно высоких концентрациях в термальных водах, отстаивалась очень упорно, так как известно, что они концентрируются в остаточных флюидах кристаллизующейся магмы. Тем не менее экспериментальные данные позволяют теперь предполагать, что концентрирование этих и других элементов в высокотемпературной водной фазе может происходить в процессе гидротермального изменения и перекристаллизации пород при умеренных температурах.
Факка и Тонани предположили, что присутствующие в паре Лардерелло двуокись углерода, сероводород, углеводороды и аммиак могли появиться в результате простых реакций разложения в горячих осадочных породах. Эллис и Махон с помощью лабораторных экспериментов показали, что типичные элементы в высокотемпературных природных водах могли накапливаться в них при простой реакции вулканических пород и воды в условиях геотермальной системы. Они продемонстрировали, что концентрации главных породообразующих элементов, таких, как кремний, натрий, калий, кальций, магний, алюминий и марганец, контролировались в растворе равновесиями минерал — раствор, зависящими от давления и температуры, и что присутствие других компонентов — фторидов, карбонатов и сульфатов — лимитировалось образованием плохо растворимых солей. Вынос из пород в значительном количестве хлоридов, бора, аммиака, фторидов и мышьяка происходил даже до развития сильного гидротермального изменения этих пород, что служит важным фактом, указывающим на то, что эти элементы (возможно, и другие элементы) не заключены целиком внутри кристаллической структуры главных минералов пород, а сконцентрированы в межкристаллическом веществе. В большом количестве литий, рубидий и цезий были извлечены из исходных пород только после того, как произошло их значительное изменение, что при времени эксперимента в 1—2 недели потребовало нагрева до температуры 500—600° С. Однако Челищев показал, что распределение рубидия и цезия между слюдой или полевым шпатом и водой все в большей степени благоприятствовало в пользу фазы раствора по мере того, как температура снижалась от 600 до 250° С. При продолжительном периоде протекания реакции (2 года) при 210° С из риолитовой брекчии Уайракея в раствор выделилось 10 г/т лития (Гловер, устное сообщение), а при реакции долерита из Исландии с 0,5 т раствором NaCl при температуре 300° С образовалась концентрация лития в несколько граммов на 1 т.
В последующей работе Махона по изучению взаимодействия воды с граувакками, глинистыми сланцами и аргиллитами при температуре от 200 до 300° С были получены растворы с химическими характеристиками (например, по отношениям Cl/В и C1/NH3 и концентрациям фторидов), образующими один ряд с химическими характеристиками горячих вод, обнаруженных в горных породах таких типов. Об аналогичных экспериментах сообщали Киссен и Пахомов.
При исследовании реакции андезита и глинистых сланцев при температуре 400° С с чистой водой, растворами 2 т NaCl и 4 т NaCl (соотношение порода/вода = 1) в солевых растворах были обнаружены свинец и медь в количестве нескольких граммов на 1 т и марганец — нескольких десятых грамма на 1 т; значительно меньше этих элементов было обнаружено в чистой воде. Ниже анализируется огромное значение солености в регулировании концентраций многих видов компонентов в высокотемпературных природных растворах.
Изотопный состав любого элемента может служить показателем происхождения этого элемента. Например, установлено, что большая часть свинца и стронция в геотермальных рассолах Солтон-Си происходит из водонасыщенных осадочных отложений, а не из местных вулканических пород. На основании отношений 34S/32S Стейнер и Рафтер предположили, что сульфаты в скважинных водах Уайракея произошли из морской воды, тогда как сульфиды, изотопные отношения которых близки к изотопным отношениям в метеоритной сере, имеют верхнекоровое, магматическое происхождение. Недавно было обнаружено, что сульфидная и сульфатная сера, сходные по изотопному составу с метеоритной серой, экстрагировались из граувакковых пород, граничащих с вулканической зоной. Изучение отношений 13С/12С в углеродсодержащих газах в геотермальных областях показало, что их происхождение можно объяснить смешением внутри пород карбонатного, органического углеродного материала. Эти результаты, однако, не исключают добавки в систему ювенильного углерода.
Если химические вещества геотермальных вод образуются при выщелачивании горных пород, то возникает проблема наличия химического элемента в некотором конечном объеме горной породы данной системы при том условии, что непрерывное течение воды будет сохраняться на протяжении времени порядка 10в6 лет. Однако нет никаких оснований считать, что или течение воды, или ее химический состав были постоянными на всем протяжении деятельности такой системы.
Есть несколько альтернативных путей образования растворенных веществ. Например, в области Рейкьянес солевой состав вод со всей очевидностью связан с морской водой. Присоединение к ней в областях осадконакопления захороненных вод или растворов из эвапоритовых пластов может отразиться на составе системы геотермальных вод (например, в глубоководной геотермальной системе Красного моря). Образование химических веществ геотермальных вод за счет циклического прохождения метеорные вод через кровлю магматической камеры непосредственно под геотермальной областью не исключается имеющимися данными, и почти неограниченное поступление химических веществ было обеспечено при конвекции вод через магматическое тело.
Уайт предположил, что тонкозернистые глинистые пласты могут действовать как полупроницаемые мембраны, обеспечивающие предпочтительный перенос воды и некоторых ионов сквозь эти мембраны. Этот процесс будет влиять на концентрацию и воздействовать на химический состав раствора, задержанного под мембраной осадочных глинистых отложений. Действенность этого процесса, а также особенная его эффективность при низких концентрациях солей были подтверждены экспериментальными работами.
Главная