鮮水河斷裂南段溫泉水文地球化學(xué)特征*

王逸凌，穆文清，史浙明

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

0 引言

作為地殼流體運移的重要通道，地殼淺部的斷裂帶控制了區(qū)域地下水熱活動、成礦成藏、地震活動等一系列地質(zhì)過程(Benseetal，2013)，其中，對水熱活動的控制尤為明顯(Curewitz，Karson，1997)。大多數(shù)溫泉往往沿著斷裂帶出露，且水熱活動的強弱與斷裂帶的地震活動存在一定的聯(lián)系(Martinelli，Dadomo，2017；Shi，Wang，2017；王云等，2018)。對于區(qū)域性深大斷裂，斷裂帶不同部位的水熱流體由于受控于斷裂帶不同的水文地質(zhì)條件及構(gòu)造活動，往往具有不同的水循環(huán)特征，從而導(dǎo)致其出露的溫泉表現(xiàn)出不同的水化學(xué)及熱儲特征(林元武，1993)。因此，通過對斷裂帶不同部位出露溫泉的水化學(xué)及熱儲特征分析，可以獲得斷裂帶不同區(qū)段的活動特征(Shi，Wang，2017)。已有的研究大多以斷裂帶溫泉的水化學(xué)特征及演化，或溫泉的熱儲特征為主要研究對象(張彧齊等，2018；Guoetal，2017；Shietal，2017；Maoetal，2015；龍汨等，2014；崔冬雪等，2019；李其林等，2019)，較少關(guān)注斷裂帶不同部位出露溫泉的差異性以及可能的構(gòu)造活動意義。

鮮水河斷裂帶地處青藏高原東緣，是我國重要的地震活動帶，水熱活動發(fā)育。趙慶生(1984)研究了鮮水河斷裂帶的水化學(xué)特征，提出該斷裂帶的熱水從康定一帶向北移動，構(gòu)成統(tǒng)一的水熱系統(tǒng)；李曉等(2018)研究康定—道孚熱水段4個水熱區(qū)的溫泉水化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)4個水熱區(qū)中水化學(xué)及氫氧同位素特征具有明顯分帶性；Luo等(2017)研究了康定地?zé)釁^(qū)的水熱活動特征，發(fā)現(xiàn)康定南部的榆林宮地區(qū)熱儲溫度高于康定北部的中谷地區(qū)；Zhou等(2015)基于鮮水河斷裂帶上的溫泉逸出氣的稀有氣體同位素特征，發(fā)現(xiàn)鮮水河斷裂帶不同部位深源物質(zhì)含量明顯不同，顯示出明顯分帶性。上述研究均表明鮮水河斷裂帶不同部位的水熱特征具有一定分帶性，但分帶性與斷裂帶構(gòu)造活動之間的關(guān)系向缺乏深入研究。

本文選取鮮水河斷裂帶南段(康定—摩西斷裂帶)出露的溫泉為研究對象，基于溫泉水化學(xué)組分，分析了研究區(qū)溫泉的水化學(xué)特征，對該區(qū)的溫泉選用多種地?zé)釡貥?biāo)進行了熱儲計算，對溫泉水化學(xué)特征及熱儲溫度進行了分類，探討了該區(qū)地?zé)崴难h(huán)特征及其與斷裂帶活動性之間的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鮮水河斷裂為左旋走滑斷裂帶，長度超過1 000 km，為一深切斷裂，主要出露三疊系淺變質(zhì)砂質(zhì)板巖。該斷裂帶至少發(fā)生過10次7級以上的地震(龍德雄等，2006；曹云等，2006)。本文研究區(qū)位于青藏高原東南緣的川西地區(qū)，溫泉主要沿著鮮水河斷裂帶的南段——康定—摩西斷裂出露。研究區(qū)從北邊的甘孜一直往南延伸到石棉地區(qū)，斷裂帶總體走向為NW-SE，并在康定附近發(fā)生轉(zhuǎn)折，在康定以南逐漸過渡到SN走向。這些斷裂帶沿近似NNE向展布，并在局部形成分散的次級斷裂(圖1)。區(qū)內(nèi)地層總體呈NNE向條帶狀分布，主要出露三疊系地層，其它為少量二疊系地層等，侏羅系與白堊系地層缺失。三疊系地層巖性主要為砂巖、粉砂巖、板巖、千枚巖等(王凱，2011)；在康定北東、爐霍、道孚一帶零星出露二疊系砂質(zhì)板巖和灰?guī)r；在乾寧、康定、磨西、折多塘等地方，沿斷裂帶出露晚新生代花崗巖及燕山后期閃長巖巖體(周榮軍等，2001)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖(a)及其位置示意圖(b)(據(jù)Qi et al，2017修改)

2 水文地球化學(xué)特征分析

2.1 水化學(xué)分析及測試

表1 溫泉樣品采集信息表

表2 溫泉樣品主要和微量成分含量

采用Piper三線圖對水樣品進行水化學(xué)分析(圖2)，結(jié)果顯示：部分水樣屬于HCO3-Na和HCO3-Na-K型水，少數(shù)水樣落在菱形區(qū)上方，CK的水化學(xué)類型為SO4-Ca型水，EDQ屬于HCO3，CO3-Mg型水。

圖2 溫泉水樣Piper圖

2.2 多元統(tǒng)計分析

為了解不同溫泉水化學(xué)組分之間的內(nèi)在聯(lián)系及其演化過程，運用多元統(tǒng)計方法對其進行聚類分析和因子分析。

2.2.1 聚類分析

聚類分析是對水樣進行分類的一種多元統(tǒng)計分析方法，根據(jù)各自特性進行合理分類，本文采用層次聚類分析中的Q聚類。Q聚類是對水樣樣本(個案)進行分類，并根據(jù)樣本間的相似性及相關(guān)性進行分組分類。

Q聚類分析結(jié)果如圖3所示，研究區(qū)溫泉可分為4組。A組：GY，BM和LTG等3個溫泉，均為HCO3-Na型水，TDS為1.34～2.72 g/L；B組：ZG1，ZG2，ZG3，YLSS，YLSS2，LPG1，LPG2，GD1，GD3，GD2和EDQ 11個溫泉，主要為HCO3-Na-K型水，TDS為0.5～1.15 g/L；C組：MMQ，JWQ，GH，EHY，GZ，ZDT，TWH和XX 8個溫泉，為HCO3-Na型水，TDS為0.44～1.04 g/L；D組：SM，GYH，CK1和CK主要4個溫泉，為HCO3-Na型水，TDS為0.14～0.37 g/L。由圖1可見：A組溫泉樣品位于康定斷裂帶北部道孚附近；B組溫泉樣品位于康定斷裂帶中北部；C組溫泉位于康定斷裂帶中南部；D組溫泉樣品采集于康定斷裂帶南部磨西附近。

圖3 溫泉水樣點的Q聚類分析

2.2.2 因子分析

因子分析由研究原始變量相關(guān)矩陣內(nèi)部的依賴關(guān)系出發(fā)，可以將復(fù)雜的多個因素進行簡化，提取出主要影響因素，揭示本質(zhì)，簡化分析。通過抓住主要影響因素進行分析，對多個變量進行線性變換，選出具有代表性的少數(shù)綜合指標(biāo)，是一種降維處理方法。

本文利用SPSS軟件對溫泉水的8大離子進行因子分析，根據(jù)表3的計算結(jié)果，按照SPSS軟件默認的特征值大于l的提取原則，提取前3個離子K+，Na+，Ca+作為公共因子。同時由因子的貢獻率可以得出，前3個離子的累積方差貢獻率為95.685%，即綜合了8個因子95.685%的信息，這說明前3個離子是控制水化學(xué)組分的主要因子，比較充分地概括了大部分因素，能夠反映樣本數(shù)據(jù)的本質(zhì)信息。不同離子間的相關(guān)性分析如表4所示，相關(guān)性最好的是K+和Cl+，相關(guān)性達95.2%。

表3 因子貢獻率表總方差解釋

表4 不同離子間的相關(guān)性矩陣

3 熱儲溫度的計算

在地下熱水研究和開發(fā)利用中，熱儲溫度是劃分地?zé)嵯到y(tǒng)成因類型和評價地?zé)豳Y源潛力不可缺少的重要參數(shù)，但在通常情況下難以被直接測量(王瑩等，2007)，地?zé)釡貥?biāo)方法是提供這一參數(shù)的有效手段。然而，不同的地?zé)釡貥?biāo)具有各自的適用條件(Houetal，2018)。SiO2溫標(biāo)、陽離子溫標(biāo)(Na-K，Na-K-Ca，K-Mg)是目前常用的地?zé)釡貥?biāo)。SiO2溫標(biāo)如玉髓和石英，常常廣泛地應(yīng)用于低焓地?zé)嵯到y(tǒng)；Na-K溫標(biāo)主要應(yīng)用于大于150℃的高溫地?zé)嵯到y(tǒng)，在低溫系統(tǒng)中采用該溫標(biāo)則可能出現(xiàn)較大誤差；Na-K-Ca溫標(biāo)適用于Ca2+較高的熱儲(史杰等，2018)。筆者根據(jù)本次所收集的資料對上述幾種溫標(biāo)進行了計算，計算結(jié)果見表5。

表5 SiO2溫標(biāo)及陽離子溫標(biāo)計算的熱儲溫度值

地?zé)釡貥?biāo)法主要是根據(jù)經(jīng)驗公式估算熱儲溫度，計算結(jié)果有時會有較大誤差?；诘?zé)嵯到y(tǒng)的多組分化學(xué)平衡模擬法則能給出系統(tǒng)平衡態(tài)的有效信息，為熱儲溫度的計算提供有效預(yù)測。本文采用Fix-Al方法，通過SOLVEQ-XPT程序來獲得熱儲溫度(Pang，Reed，1998)。具體計算時，使用校正脫氣盡可能還原地下熱水的性質(zhì)，從而得到比較準(zhǔn)確的熱儲溫度值。依據(jù)各個溫泉點周圍地層巖性的特征，本文主要選取了霰石、方解石、玉髓、石英、白云石、菱鎂礦、滑石、高嶺石、蛇紋石、微斜長石和鈣蒙脫石共11種礦物計算了康定地區(qū)的13個溫泉的熱儲特征，結(jié)果如圖4所示。這些溫泉的熱儲溫度是160℃～250℃：康定中部MMQ，EDQ，JWQ，LTG，GD1，GD2和GD3溫泉點的熱儲溫度在210℃～230℃；北部ZG1，ZG2，ZG3，YLSS和YLSS2溫泉點的熱儲溫度在160℃～180℃；南部CK1溫泉點的熱儲溫度在180℃左右。

圖4 使用Fif-Al法計算13個溫泉的熱儲溫度

對比地?zé)釡貥?biāo)法和礦物平衡法計算所得的熱儲溫度可以發(fā)現(xiàn)，同一水樣采用不同溫標(biāo)方法所得的計算結(jié)果差別很大，這說明不同地?zé)釡貥?biāo)的適用條件各不相同，前人提出的各種溫標(biāo)方法的溫度范圍只具有一般性意義。陽離子溫標(biāo)給出的是考慮單個參數(shù)的影響因素，得到確定的唯一值，低于礦物平衡法得到的值，有時甚至?xí)a(chǎn)生較大誤差。綜合來看，在選取適當(dāng)?shù)牡V物組分的情況下，用礦物平衡法得到的地?zé)釡貥?biāo)更適合計算研究區(qū)各溫泉的熱儲溫度。結(jié)合各種熱儲計算方法的結(jié)果得出：研究區(qū)北部的熱儲溫度為150℃～165℃，中北部的熱儲溫度為180℃～250℃，中南部的熱儲溫度為170℃～200℃，南部的熱儲溫度為150℃左右。

4 討論

本文通過對收集的26個溫泉樣品資料的分析發(fā)現(xiàn)，斷裂帶不同部位出露的溫泉具有不同的水化學(xué)特征。研究區(qū)的北部向南，水化學(xué)類型雖然以HCO3-Na型水為主，但不同部位的溫泉其組分仍然有一定的變化，而TDS的含量從北往南則呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。

從溫泉水化學(xué)及熱儲溫度的計算結(jié)果可以看出，沿著斷裂帶不同部位的溫泉具有不同的性質(zhì)。根據(jù)該地區(qū)的地溫梯度(趙慶生，1984)，可以估算出這些溫泉的循環(huán)深度大致在3～5 km。從震源深度來看，鮮水河斷裂帶中南段(石棉—道孚)大震的震源深度一般較深(>12 km)，而多數(shù)小震的震源深度集中在5 km以內(nèi)(易桂喜等，2006)。因此，小震活動與水熱循環(huán)深度可能存在一定的聯(lián)系。根據(jù)前人關(guān)于鮮水河斷裂帶中—南段地震活動水平的分析可知，康定北部的道孚八美等地(A組)相對應(yīng)力水平偏高，康定—磨西地區(qū)(B，C組)相對應(yīng)力水平偏低，南部地區(qū)(D組)應(yīng)力水平中等(易桂喜等，2005)?？偟膩碚f，從斷裂現(xiàn)今活動習(xí)性來講，康定—磨西段處于小震滑動段，而其他部位處于閉鎖狀態(tài)，因此也反映了康定—磨西段斷裂帶的滲透性可能較其他部位要高，使得該部位深部熱能更易上涌，從而導(dǎo)致該段熱儲溫度總體偏高，地?zé)峄顒有云珡?。因此，地?zé)峄顒有缘膹娙跖c地震活動性之間存在一定的關(guān)聯(lián)性，地震活動頻次較高的地段往往具有較高的地?zé)峄顒有?，這與前人的發(fā)現(xiàn)是一致的(Martinelli，Dadomo，2017；Shi，Wang，2017)。因此，沿著斷裂帶不同部位出露的溫泉為研究斷裂帶的滲透性及活動性提供了一定的指示意義，也有助于認識地殼深部的信息。

5 結(jié)論

本文對鮮水河斷裂帶南段(康定—摩西斷裂帶)出露的26個溫泉進行了水化學(xué)組分分析，利用多元統(tǒng)計方法和地?zé)釡貥?biāo)計算，對溫泉水化學(xué)特征及熱儲溫度進行了分類分析，得到以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)溫泉可被分為4組，其中A組溫泉樣品采集于康定斷裂帶北部道孚附近，均為HCO3-Na型水；B組溫泉樣品采集于康定斷裂帶中北部，主要為HCO3-Na-K型水；C組溫泉樣品采集于康定斷裂帶中南部，為 HCO3-Na型水；D組溫泉樣品采集于康定斷裂帶南部磨西附近，均為HCO3-Na型水。總體上，研究區(qū)溫泉以HCO3-Na型水為主，且TDS的含量從北往南呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。

(2)研究區(qū)北部的熱儲溫度為150℃～165℃，中北部的熱儲溫度為180℃～250℃，中南部的熱儲溫度為170℃～200℃，南部的熱儲溫度為150℃左右?？傮w來看，研究區(qū)中部的熱儲溫度高于南北兩側(cè)。地?zé)峄顒有缘膹娙跖c地震活動性之間在空間上存在一定的關(guān)聯(lián)性。