胡泽祥等：色达—松潘断块温泉水文地球化学特征及成因分析

胡泽祥1,赵学钦1,李松1,李军亚2,王玉珏2,杨洛1

（1.西南科技大学 环境与资源学院,四川 绵阳621010；2.四川省地质矿产勘查开发局四○五地质队,四川 成都611830）

摘 要

为查明色达—松潘断块地热资源赋存状态及热源来源,以四川黑水县内3处温泉(热水塘、上达古、卡龙沟)为研究对象,采集温泉水样进行水化学分析和同位素测试,研究地热水的补给来源和热储温度。研究结果显示,热水塘温泉的地下水化学类型为HCO3-Na型,上达古温泉和卡龙沟温泉的地下水化学类型为HCO3-Ca型,补给水源主要为大气降水,补给高程分别为5 121 m、3 890 m、3 921 m。结合矿物饱和指数,采用SiO2地热温标计算3处温泉的热储温度,分别为119.036 ℃、49.034 ℃、30.215 ℃。综合分析认为研究区地下热水的成因主要为大气降水经高山补给区入渗至储集层,吸取地下深部向上传导的热量和放射性元素衰变释放的热量,并与围岩发生水-岩作用形成地下热水,在断裂发育部位热水沿断裂带向上运移,最后在地表出露形成温泉。

关键词

色达—松潘断块;温泉;水化学;同位素;热储温度

0 引 言

随着国家和社会对低能耗清洁能源的需求不断增加,地热资源日益受到关注[1-2]。川西地区蕴含着丰富的地热资源,目前已发现地热露头点多达300余处,不少学者从地质构造、水文地球化学等方面对四川地热资源进行研究。例如安成蛟等[3⇓-5]对川西地区的地热进行研究,认为川西地区断裂交汇地带是地热开发的有利区域;张薇等[6-7]通过对四川地热流体的研究,将四川省地热资源进行划分,并分析川西地热区地下水径流途径与热储层滞留时间长短的关系,认为川西高原高-中温地热区的形成与所处地区断裂深大、纵向循环深度大有关。地热温泉作为地热能的一种地表显示,其化学成分和温度能够反映大地热流和地下水岩作用的丰富信息,其水文地球化学及环境同位素特征[8-9]可以用来阐释地下热水补给来源及物质来源,目前已经成为揭示地下热水起源、演化的有效手段[10⇓⇓⇓-14]。

本研究选取川西黑水县已有的3处温泉露头,热水塘温泉、上达古温泉和卡龙沟温泉作为研究对象,综合运用地热地质、水文地球化学、同位素等研究方式,进行温泉水文特征及成因分析,为该地区的潜在地下热水的合理开发利用提供基础数据。

1 研究区地质概况

研究区构造位置属于鲜水河和龙门山两条深大断裂所围的色达—松潘断块,同时受龙门山断裂右旋平移错动应力作用,表现出向南突出的褶皱,整体上形成了知木林“山”字形构造、热务沟旋卷构造和石大关弧形构造(图1)。区内大部分地区基岩裸露,主要出露地层为马尔康地层,古生界变质岩、碎屑岩及碳酸盐岩和多期岩浆岩,断续分布第四系冰水堆积物、残坡积和冲洪积松散堆积层。

Ⅰ.摩天岑东西向构造;Ⅱ.扭性构造;Ⅱ1.较场“山”字形构造;Ⅱ2.知木林“山”字形构造;Ⅱ3.热务沟漩卷构造;Ⅱ4.薛城S形构造;Ⅱ5.石大关弧形构造;Ⅱ6.九顶山北东向构造;Ⅱ7.马尔康北西向构造

2 温泉概况

通过实地调查,研究区内温泉点共3处,分别是热水塘温泉、上达古温泉、卡龙沟温泉,其基本信息如表1所示。

2.1 热水塘温泉

热水塘温泉地处黑水县晴朗乡黑水塘沟。泉眼处出露地层为罗空松多组,岩性为灰绿色薄-中层状夹厚层状钙质石英砂岩、凝灰质砂岩与粉砂质板岩、板岩不等厚互层。现有一简易天然浴池,泉水部分自池顶裂隙中渗出(图2(a)),部分从底下基岩中渗出,有硫黄味,流量约0.6 L/s,水温为45 ℃,高于热水塘地表水温(16 ℃),pH值8.8,溶解性固体总量266 mg/L。温泉周边有多个小的泉眼出露(图2 (b)—(d)),温度介于26~40 ℃之间,流量最大达0.5 L/s。

2.2上达古温泉

上达古温泉位于三达古村上达古社河对岸,温泉主要泉眼现已被人为填埋,只有少量温泉露头可见。泉眼周围出露地层为侏倭组,岩性为灰黑色中厚层状钙质石英砂岩、粉砂岩。泉水沿岩石裂隙渗出(图3(a)和(b)),水量约0.03 L/s,有轻微硫黄味。由于地表水的混入使得获取水温数值偏低,水温12 ℃,高于地表水温(8 ℃),pH值8.1,溶解性固体总量230 mg/L,岩石表面有钙华覆盖,钙华覆盖区沿沟一侧长约15 m(图3(c)和(d))。

(a)热水塘天然浴池顶部;(b)热水塘天然浴池北北西20 m处温泉露头;(c)热水塘天然浴池正下方约30 m处温泉露头; (d)热水塘天然浴池西南方45 m温泉露头

(a)(b)上达古温泉主泉眼;(c)(d)上达古下侧钙华照片

2.3 卡龙沟温泉

卡龙沟温泉点位于卡龙镇才盖村措基沟,紧邻卡龙沟风景区,距卡龙镇才盖村约5 km,之前有村民开挖的土路可达,目前已被掩埋,现仅有一条小道到达。根据乡民介绍,该温泉多年前为一天然浴池,后被人为掩埋,目前温泉已被地表水混入,泉水出露于第四纪的钙华堆积物,周边被第四系覆盖。下伏基岩为三叠系杂谷脑组和新都桥组,岩性主要为中厚层状钙质石英砂岩、板岩夹薄层灰岩。泉眼流量约250 L/s,无色无味,水温16.9 ℃,高于地表水温度(12 ℃),pH值8.1,溶解性固体总量832 mg/L。泉眼处可见大量藻类(青苔)(图4),根据周边第四纪覆盖和水文情况分析,认为温泉已经混入大量地表水。

(a)卡龙沟温泉沟口及周缘钙华堆积物;(b)卡龙沟温泉出水口

3 研究方法和数据

用已被10%硝酸涮洗后的聚四氟乙烯瓶,采集热水塘、上达古、卡龙沟温泉水样共3组,热水塘地表水、上达古支流、卡龙沟泉点水样各1组,进行水化学测试。地下水水化学组分在四川省地质矿产勘查开发局成都综合岩矿测试中心采用ICS-600型离子仪、ICAP6300型电感耦合等离子体发射光谱仪进行测试。环境同位素测试在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室采用液态水同位素分析仪IWA-35-EP进行分析。放射性同位素在国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心(中国地质科学院水文地质环境硏究所)实验室采用低本底α、β仪器BH1227进行测试。

4 结果分析

4.1 地热流体水化学特征

对黑水县温泉地下热水离子组分水样数据(表2)进行分析并绘制Piper图,结果如图5所示。按照舒卡列夫分类法划分地下水化学类型,热水塘温泉水化学类型为HCO3-Na型,上达古和卡龙沟温泉水化学类型为HCO3-Ca型。

4.1.1 热水塘地热水化学特征

热水塘温泉阴离子以HCO3-为主,阳离子以Na+为主,pH值为8.8,属于弱碱性水。Na+质量浓度达62.7 mg/L,根据研究区内地层资料,其主要源于大气降水和地表水对钠长石的风化作用。阴离子HCO3-、SO42-浓度取决于水岩作用。由于水岩作用中的溶滤作用,岩石中的各种长石与地热水反应,使得地热水中的SO42-质量浓度较高。因同离子效应,SO42-质量浓度的增加抑制了钙质石英砂岩在水中的溶解,使得热水塘温泉HCO3-质量浓度相比于卡龙沟温泉和上达古温泉低。

综合分析认为,该处存在硫酸风化钙质石英砂岩,表现为钙质石英砂岩与水作用。

4.1.2 上达古和卡龙沟温泉水化学特征

上达古和卡龙沟温泉阴离子以HCO3-为主,阳离子以Ca2+为主,pH值为8.1,属于弱碱性水。两处阳离子Ca2+质量浓度较高,根据研究区内地层资料,其主要源于水对碳酸盐岩的风化作用。大气降水和地表水在径流过程中对储集层碳酸盐岩进行风化,最终沿裂隙、节理流出。HCO3-含量在阴离子中占比最多,说明了水与钙质石英砂岩和灰岩的水岩作用强烈,导致地热水中的HCO3-含量高。

综合分析认为,卡龙沟和上达古地热水表现为钙质石英砂岩(灰岩)与水作用。

4.2 同位素特征

4.2.1 地下热水的补给高程

环境同位素可用于研究地下热水的补给、循环及赋存环境,判断含水层与大气降水及地表水的联系程度,确定地下水的补给条件和水交替强度等[15]。我国西南地区大气降水线方程为δD=7.96×δ18O+9.52,与CRAIG方程接近[16],因此可以利用这个方程来了解地下水的补给来源。黑水县温泉环境同位素测试结果见表3和图6。温泉水样中的δD在-94.5‰~-126.5‰之间,平均值为-110.5‰;δ18O在-13.5‰~-17.4‰之间,平均值为-15.5‰。黑水县温泉水样中的同位素δD和δ18O值均落在了我国西南地区大气降水线的附近,说明地下水均为大气降水补给。

根据δ18O的高程效应计算补给高程:

H=(δG-δP)/K+h

(1)

式中:H,为补给区高程,m;h,取样点高程,m;δG,取样点水样的δ18O值, ‰;δP,大气降水取样点附近的δ18O值, ‰;K,大气降水δ18O的高程梯度,依据袁建飞对广东沿海地热系统水文地球化学研究,取值-2.5‰/hm[17]。由于大部分造岩矿物中,H的含量比较低,所以,在地下热水中的D几乎是不与围岩中的D发生交换。由此,定义D作为δ18O同位素交换程度的衡量指标[18]。由于没有出现18O漂移现象[19],说明了黑水县内的温泉属于中-低温热水型。取样时间是在7月,时值当地雨季,较多的大气降水使地下水同位素较贫,雨水位于当地雨水线下方,反映出最近一次降雨蒸发的特征。以黑水县城雨水的δ18O作为参照值进行计算,并结合区域水文地质背景进行校正,计算结果如表3所示。结果显示,黑水县内3处温泉补给高程在3 800 m以上,其中热水塘温泉的补给高程达5 121 m。

4.2.2 地热水的热量来源

受环境限制,未能采集到上达古温泉放射性水样,只采集了热水塘和卡龙沟温泉2组放射性水样进行测试分析,其放射性元素含量见表4。根据测试数据分析认为,这些水样的总α放射性含量低(放射性活度<0.5 Bq/L)、总β放射性含量低(放射性活度<1 Bq/L)、镭含量也较低(放射性活度<5 Bq/L),其原因是深部放射性元素本身含量较低,也可能与地表水的混入、热储盖层的不连续及厚度薄有关。

相关的研究认为,地下岩体中的放射性衰变虽不能成为热源为温泉提供热量,但能对地下热水进行加热[20⇓-22]。例如,也门Assalamia-Alhomira、Juban和Dempt地区的温泉水中放射性核素的放射性活度226Ra分别为4.04 Bq/L、2.95 Bq/L和3.48 Bq/L,能反映出地下热水与岩床之间的关系,但是El-Mageed等[23]认为其并不能作为热源为温泉提供热量。Ilani等[24]通过对加利利海附近温泉的放射性特征分析,认为即使在放射性热源参数足够大的情况下,放射性衰变亦不能构成特殊热源,仅能对地表热流增量有所贡献。因此,笔者认为研究区地热流体放射性元素总体含量低,虽不能形成主要热源,但对地下水可以起到加热的作用。

4.3 矿物饱和指数

矿物饱和指数(SI)是表征矿物在地下水中水岩作用过程中矿物的饱和状态指数,可以定性地预测地下水中碳酸钙是否沉积。在矿物电荷平衡的条件下,矿物饱和指数表示液相与固相的平衡关系,表达如下:

式中:IAP为离子活度;K为溶解度,mg/L。由于矿物可能为非反应性矿物且SI计算结果存在不确定性,因此实际计算结果中,如果-0.5

玉髓饱和指数介于-0.5~0.5之间,反映其水岩作用过程中达到了饱和状态;方解石、白云石、文石饱和指数>0.5,指示这些矿物处于过饱和状态,将进行沉积,与泉眼出露处有钙华覆盖吻合;岩盐、石膏和CO2饱和指数<-0.5,说明这些矿物将继续溶解,且K+易被地表的植物吸收,故岩盐的饱和指数过低。因此,采用SiO2作为地热温标计算热储温度,具有一定的代表性。

4.4 热储温度

根据水样的阳离子数据(表1),得到地下热水的Na-K-Mg平衡图解(图8)。

从图8可见,上达古温泉及卡龙沟温泉均属于未成熟水,热水塘温泉则靠近部分成熟水区域,说明热水塘温泉水岩作用较强。上达古温泉和卡龙沟温泉水岩作用较弱,其原因可能与冷水的混入有关。利用硅-焓混合模型及方程[28],可以消除冷水混入的影响,并分析冷水混入比例及混入前热储温度。上达古温泉和卡龙沟温泉可能由于冷水混合比例过大或者采集测量过程中可能出现的一些误差,导致其在硅-焓模型图中未能形成交点,无法计算热储温度;热水塘温泉热储温度大约为300 ℃,冷水混入比例约为81%(图9)。结合前述矿物饱和指数研究结果,采用二氧化硅温标计算公式进行热储温度的计算,结果显示(表5)热水塘温泉、上达古温泉、卡龙沟温泉热储温度分别为119.036 ℃、49.034 ℃、30.215 ℃。经硅-焓模型计算的温度是深部热储温度,而SiO2地热温标法计算的热储温度是中部热储温度。黑水县内3处温泉均属于中-低温地热资源,因此SiO2地热温标计算的结果能更准确地代表温泉的实际热储温度。

根据上述对研究区温泉露头点的地热地质、水文地球化学和同位素特征的分析,结合研究区大地构造背景,可以将研究区内温泉发育带分为两个带:知木林“山”字形构造带和热务沟旋卷构造带,并参考邻区沿鲜水河断裂带发育的温泉发育模式[4],建立了研究区温泉成因模式。

5.1 知木林“山”字形构造带地热成因分析

该带内出露的温泉有热水塘和上达古温泉,区域地质构造复杂,普遍发育北西向(NW)和北东向(NE)节理、断裂,存在一组北西向(NW)的压性断裂和北东向(NE)右旋平移断裂。断裂规模大,切割深,为地下水深循环提供了通道。地下深部的热量沿断裂向上传导为地下水提供了热源。同时,研究区内印支—燕山期花岗岩大面积分布,所含放射性元素衰变释放的热也能作为附加热源对地下水进行加热。根据环境同位素分析结果(表3),温泉的补给水源主要为大气降水。中三叠统杂谷脑组石英砂岩为地下热水的储集提供了条件,由于上达古温泉缺乏良好的保温层,因此热量损失较大,同时地表水的混入,使得其热储温度偏低。

结合区域地质背景综合分析,该带地热成因如下:大气降水通过地表裂隙、断层向地下补给,北西向(NW)的压性断裂为地下热水深循环提供通道,北东向(NE)右旋平移断裂切割为地下水深循环起到阻水作用,然后地下热水沿断裂上升,最终形成上升泉(图10)。

5.2 热务沟旋卷构造带地热成因分布

热务沟旋卷构造带位于松潘、黑水交界的阿勒地杂体一带,根据区域构造背景推断,该地区的控热构造为区内发育的阿勒地杂给折断束深大断裂[29]。深大断裂切割达到上地幔且至今仍在活动,地幔岩浆热为区内地下热水的形成提供了热源;其次断层活动产生的机械摩擦热也是该区热源之一。破碎的中三叠统杂谷脑组下段钙质砂岩和灰岩是该区主要的热储层。根据环境同位素分析结果(表3),温泉的补给水源主要为大气降水,可能还有地表水及冰雪消融水的渗入补给。

总体来看,热务沟旋卷构造带具备热储条件,其东、西两侧的高山为地下热水的补给区,大气降水通过地表的裂隙、断层向地下补给,并通过深大断裂向深部径流,进而获得地壳深部传导的热量,但没有较好的保温层,导致热量散失较大,同时地表冷水的混入使得热储温度较低(图11)。

6 结论

(1)黑水县热水塘温泉地下水水化学类型为HCO3-Na型,上达古温泉和卡龙沟温泉地下水水化学类型为HCO3-Ca型,区内地下水主要由大气降水进行补给,径流深度大,水岩作用较强,热储温度分别为119.036 ℃、49.034 ℃、30.215 ℃,属于中-低温地热资源。

(2)根据环境同位素特征并结合大气降水曲线分析,研究区内的地热水补给来源为大气降水,三个温泉点热水塘温泉、上达古温泉、卡龙沟温泉补给高程分别为5 121 m、3 890 m、3 921 m。

(3)黑水县地下热水以地下深部向上传导的热量和放射性元素衰变释放的热量作为热源,加热储集层围岩;大气降水经高山补给区入渗至储集层,吸收热量并与围岩发生水岩作用,使得同位素、水化学成分发生改变,形成地热水。在断裂发育部位,热水沿断裂带向上运动,最终在地表出露成温泉。