四川昭覺竹核溫泉水文地球化學特征及成因

盧 麗，陳余道，代俊鴿，王 喆，鄒勝章，樊連杰，林永生，周長松

(1.桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院，廣西 桂林 541006；2.中國地質(zhì)科學院 巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學廣西隱伏金屬礦產(chǎn)勘查重點實驗室，廣西 桂林 541006)

0 引 言

地熱資源是寶貴的可再生資源，具有較大的地熱能開發(fā)利用潛力[1]。川西地區(qū)作為我國主要的地熱資源富集區(qū)域之一，其地熱資源量極為豐富[2-3]，僅天然出露溫泉就高達196處，地熱資源總量約為4.26×1016kJ[4]。在金沙江斷裂、甘孜—理塘斷裂、鮮水河斷裂等三大主控斷裂帶的控制下[5]，區(qū)內(nèi)溫泉多沿斷裂構(gòu)造帶集中分布，并形成了三大地熱帶，分別為德格—巴塘—鄉(xiāng)城地熱帶、甘孜—新龍—理塘地熱帶、爐霍—道孚—康定地熱帶[6]。前人已對川西地區(qū)開展了相關(guān)研究，主要集中在地熱資源分布特征[7-8]、熱儲層及成藏條件[9-10]、溫泉成因模式[11-12]、地球物理探測應用[13-14]等方面，但多數(shù)研究仍屬于“定性”分析階段，少數(shù)定量化研究集中在巴塘、康定等地熱帶[15-16]，作為三大地熱帶之一的甘孜—新龍—理塘地熱帶的研究較少。此外，許多學者也對該區(qū)域的熱水水化學方面開展過研究，主要集中在地熱水的水文地球化學及同位素特征分析[17-19]、水文地球化學過程模擬[20-21]以及基于水化學分析的實際應用研究[22]等方面。

四川昭覺縣作為甘孜—新龍—理塘地熱帶的延伸區(qū)域，也擁有豐富的地熱資源，但其利用率卻不到8%。作為國務(wù)院扶貧辦掛牌督戰(zhàn)的全國52個貧困縣之一，如何利用好豐富的地熱資源，也是當?shù)鼐珳史鲐毜闹饕蝿?wù)。基于此，本文選擇四川省昭覺縣的竹核溫泉為研究對象，并結(jié)合前人研究理論基礎(chǔ)，對昭覺竹核溫泉進行全面的水文地球化學特征分析；利用水化學數(shù)據(jù)，探討竹核溫泉的水來源，分析補給溫度及補給高程，計算熱儲溫度、冷水混入比例及熱循環(huán)深度，總結(jié)溫泉成因模式，為揭示川西甘孜—新龍—理塘地熱帶的熱循環(huán)機理提供技術(shù)依據(jù)，同時對當?shù)氐責豳Y源的開發(fā)利用、助力扶貧攻堅提供規(guī)劃參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上揚子古陸塊的四川昭覺斷陷盆地內(nèi)，盆地內(nèi)為志留—二疊系濱淺海相碎屑巖、碳酸鹽巖、火山巖巖系和三疊—侏羅系陸相碎屑巖系，巖漿活動強烈，主體構(gòu)造線近南北向，少許北東向，壓性斷裂發(fā)育，背斜緊密而向斜開闊，為古生代末形成的斷陷盆地。區(qū)內(nèi)出露地層主要為志留系黃葛溪組(S1hg)、嘶風崖組(S2sf)、大路寨組(S2d)，二疊系陽新組(P2y)、峨眉山玄武巖組(P3em)，侏羅系沙溪廟組(J2s)，第四系更新統(tǒng)(Qp)、全新統(tǒng)(Qh)，巖性主要以泥晶灰?guī)r、塊狀玄武巖及砂巖為主。區(qū)內(nèi)河流較發(fā)育，主要發(fā)育有東西向的牛洛河、哈啦黨拉打河，以及南北向的打拉古洛河，其中牛洛河和打拉古洛河是哈啦黨拉打河的兩個支流(圖1)。

圖1 西川昭覺竹核溫泉地質(zhì)簡圖Fig.1 Simplified geologic map of Zhuhe hot springs in Zhaojue, Sichuan Province1.志留系黃葛溪組；2.志留系嘶風崖組；3.志留系大路寨組；4.二疊系陽新組；5.二疊系峨眉山玄武巖組二段；6.二疊系峨眉山玄武巖組三段；7.三疊系飛仙關(guān)組；8.三疊系銅街子組；9.三疊系嘉陵江組；10.三疊系雷口坡組；11.三疊系須家河組一段；12.三疊系須家河組二段；13.三疊系須家河組三段；14.侏羅系自流井組；15.中更新統(tǒng)冰水堆積；16.晚更新統(tǒng)冰水堆積；17.坡積；18.沖洪積；19.沖積；20.斷層；21.河流；22.產(chǎn)狀；23.溫泉；24.冷泉

竹核溫泉位于四川省大涼山?jīng)錾揭妥遄灾沃菡延X縣竹核鄉(xiāng)東側(cè)，竹核溫泉包括大溫泉(QB13)和小溫泉(QB13-1)，其出露高程分別為1 892 m、1 968 m，水溫分別為48 ℃、43 ℃。竹核溫泉發(fā)育在二疊系峨眉山組玄武巖二段內(nèi)(P3em2)，熱儲為玄武巖的構(gòu)造破碎帶或裂隙帶，主要受木佛山斷層(F2)和竹核斷層(F6)控制，木佛山斷層為逆斷層，北段為東傾，南段為西傾，傾角32°～85°，破碎帶寬5～50 m；竹核斷層為逆斷層，傾向北西，傾角70°，具有明顯的平錯性質(zhì)，斷距為0.5～1.5 km。

2 樣品采集與測試

研究區(qū)共采集溫泉水樣2個、地表冷泉水樣1個，采集的樣品后送至自然資源部巖溶地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心進行水質(zhì)全分析以及氫氧同位素分析，采樣點的水化學和同位素測試結(jié)果見表1和表2。水質(zhì)全分析根據(jù)《國家標準飲用天然礦泉水檢驗方法》(GB/T8 538—2008)進行檢測，其中陰離子采用離子色譜分析(Dionex-500)，陽離子采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)進行分析，全分析的測試精度控制在3%以內(nèi)，檢測限為0.02 mg/L。水同位素利用Picarro L1102-I液體同位素激光測試儀進行檢測，測試結(jié)果以維也納標準平均海洋水(V-SMOW)作為標準，用δD和δ18O(δ=(Rsample/Rstandard-1)×1000‰)的形式表示，檢測精度：δD為±0.5‰，δ18O為±0.1‰?，F(xiàn)場利用便攜式儀器測試采樣點水溫和pH。

表1 研究區(qū)水樣水化學測試數(shù)據(jù)

表2 研究區(qū)水樣水溫及同位素測試數(shù)據(jù)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 水化學特征

竹核溫泉水質(zhì)良好，總體上為Ⅲ類水質(zhì)，水無色透明無異味，水溫常年保持在40～50 ℃之間。水化學類型為HCO3-Na型，pH值范圍為7.91～8.09，屬弱堿性水。溫泉水中陽離子以Na+為主，含量40.74～50.62 mg/L，其次為Ca2+、

K+、Mg2+等元素；陰離子以HCO3-為主，含量155.23～166.87 mg/L，其次為SO42-、Cl-等元素。除此外，溫泉水中還富含人體所必需的多種微量元素，如鍶、偏硅酸等。其中偏硅酸(53.85～57.12 mg/L)和鍶(0.25～0.26 mg/L)均達到我國《飲用天然礦泉水》(GB8537—2018)的界值標準，可將其命名為偏硅酸、鍶型復合天然飲用礦泉水。因QB13-1(小溫泉)水中氟化物(1.59 mg/L)超標，可采用黏土、明礬吸附法來減少溫泉水中的氟含量[23]，使溫泉水達到飲用水Ⅱ類水質(zhì)標準。

3.2 氫氧穩(wěn)定同位素特征分析

3.2.1 溫泉水來源

地下水氫氧同位素特征分析是判斷地下水來源的重要方法之一，依托此方法可以進一步地確定地下水的補給條件，以及大氣降水與地下水之間的水循環(huán)方式及循環(huán)程度。

在20世紀80年代初，我國水文地質(zhì)專家鄭淑彗等[24]修正了我國的大氣降水線為δD=7.9δ18O+8.2。但在不同緯度地區(qū)的水循環(huán)過程中，由于同位素成分的熱力分餾作用程度相同，導致各地區(qū)的大氣降水線也存在較大差異[25]。根據(jù)張貴玲等[26]和李娜等[27]的綜合分析，川西地區(qū)的大氣降水線為：

δD=7.96δ18O+9.52

(1)

竹核溫泉水樣的δD-δ18O關(guān)系如圖2所示，從中可以看出，竹核溫泉點基本落在大氣降水線附近，表明研究區(qū)內(nèi)溫泉水的主要來源為大氣降水；同時也可以看出溫泉點出現(xiàn)了輕微的“負氧漂移”現(xiàn)象，反映地下熱水與圍巖發(fā)生了一定的水-巖作用。

圖2 研究區(qū)水樣δD-δ18O關(guān)系圖Fig.2 δD vs. δ18O plot for the Zhuhe water samples

3.2.2 補給溫度及補給高程

一般來說，來自補給區(qū)的水體溫度可以影響溫泉水中同位素的組成以及水中具體元素含量大小[28]，因此本文采用大氣降水中δ18O的溫度效應理論來估算研究區(qū)溫泉水補給區(qū)的平均溫度。因為研究區(qū)平均海拔較高，且靠近青藏高原，屬于半干旱的高原季風氣候區(qū)，因此本文選擇同緯度的青藏高原東部地區(qū)納木錯流域的降水δ18O值和平均溫度的關(guān)系式[29]作為經(jīng)驗公式。根據(jù)陳飛等[30]的研究成果，納木錯流域冰川融水的補給比例僅為10.02%，降水仍是該流域的主要補給來源，這與研究區(qū)相似，所以該經(jīng)驗公式在研究區(qū)內(nèi)有代表性，具體公式為：

δ18O=0.59t-16.9

(2)

式中：t為平均溫度，℃。

通過上式計算出來的補給區(qū)溫度在13.31～16.10 ℃之間，平均值為14.71 ℃。

大氣降水的氫氧穩(wěn)定同位素δD、δ18O具有高程效應：當降水高程逐漸增大時，穩(wěn)定同位素逐漸虧損，即δD、δ18O減小?？梢岳眠@種高程效應來計算地下水的補給高程，進而判斷地下水的可能補給區(qū)[31-33]。由于在高溫作用下，溫泉水中的δ18O常會出現(xiàn)氧漂移現(xiàn)象，因此在計算溫泉水補給高程的過程中，一般選擇δD值計算更為準確，而不采用δ18O值。溫泉水補給高程的計算公式為：

δD=-0.02hALT-27

(3)

式中：hALT為補給高程，m。

通過上式可以計算出竹核溫泉的補給高程為3 345～3 560 m。在溫泉北西側(cè)方向約13 km處的木佛山一帶的平均高程3 400～3 600 m，出露峨眉山玄武巖組地層(P3em)，基本符合竹核溫泉的補給區(qū)條件，推測其補給區(qū)位于木佛山一帶。

3.3 冷熱水混合比例

隨著對淺層地下水與地熱水的開發(fā)利用力度不斷增強，地熱水在上升的過程中經(jīng)常出現(xiàn)被淺層地下水(冷水)混合的情況，從而改變地熱水的化學組分，增加TDS含量；因此，研究混合比例是十分必要的。

3.3.1 混合模型

為了估算出混入的冷水比例，F(xiàn)ournier等[34]在1974年提出了硅-焓混合模型，即當?shù)叵聼崴械娜芙鈶B(tài)SiO2處于飽和狀態(tài)時，溫泉水的溫度和SiO2含量是深部熱水初焓的兩個不同函數(shù)：

Sc·X+Sh(1-X)=Ss

(4)

SiO2c·X+SiO2h(1-X)=SiO2s

(5)

式中：X為混入的冷水比例, %;Sc為冷泉水的焓，J/g；Sh是深部初始熱水的焓，J/g；Ss是溫泉水的焓，J/g；SiO2c是冷泉水的SiO2含量，mg/L；SiO2h是深部初始熱水的SiO2含量，mg/L；SiO2s是溫泉水的SiO2含量，mg/L。

對以上兩個公式進行適當變化，可推出方程X的表達式：

X1=(Sh-Ss)/(Sh-Sc)

(6)

X2=(SiO2h- SiO2s)/(SiO2h- SiO2c)

(7)

其中：X1和X2分別是基于泉水的溫度和SiO2含量的初焓函數(shù)計算出的冷水比例。根據(jù)表1和表2中竹核溫泉水的溫度、SiO2含量以及冷泉水的溫度、SiO2含量，并結(jié)合深部初始熱水中溫度、焓與SiO2含量的關(guān)系(表3)，估算出竹核溫泉的X1和X2數(shù)據(jù)(表4)，分別繪制X1、X2曲線，曲線相交點所對應的比例即為溫泉水中混合的冷水比例，如圖3所示。

表3 竹核熱水溫度、焓及SiO2含量之間關(guān)系

表4 硅-焓混合模型計算竹核溫泉冷水混入比例的結(jié)果

由圖3得出，竹核溫泉中大溫泉的混入冷水比例約為77%，深部熱水溫度約為171 ℃；小溫泉的混入冷水比例約為81%，深部熱水溫度約為187.0 ℃。

圖3 竹核溫泉中大溫泉 (a)和小溫泉(b)假設(shè)熱水溫度與冷水混入比例的關(guān)系Fig.3 Relations between hypothesized water temperature and cold water incursion ratio for large hot spring (a) and small hot spring (b) at Zhuhe

3.3.2 硅-焓圖解法

將研究區(qū)的冷泉、竹核溫泉中小溫泉和大溫泉的SiO2濃度及焓值投影到硅-焓曲線圖[35-37]上，分別記作點A、B、C，它們幾乎在一條直線上，其延長線與石英溶解度曲線交于點D(圖4)。經(jīng)計算，大溫泉和小溫泉中冷水的混入比例分別為75.95% (CD/AD)、78.61% (BD/AD)。

圖4 竹核溫泉中大溫泉、小溫泉的硅-焓模型Fig.4 Silicon enthalpy model of the large and small hot springs at Zhuhe

綜上所述，利用混合模型和硅-焓圖解法兩種方法算出來的大溫泉和小溫泉中冷水混入比例都偏高，可能是由于二者均位于牛洛河河邊，受地表水入滲的影響較大。

3.4 熱儲熱循環(huán)深度

川西地區(qū)屬于隆起山地型地熱資源，昭覺地熱區(qū)域主要受構(gòu)造和地貌控制[5]。資料顯示，昭覺地區(qū)年平均氣溫為10.9 ℃，地溫梯度為4.75 ℃/hm，恒溫帶厚度為20 m[38]，其估算循環(huán)深度的公式見下式：

H=(t-t0)/T+h

(8)

式中：H為循環(huán)深度，m；t為熱儲溫度，℃；t0為恒溫帶溫度, ℃，取當?shù)仄骄鶜鉁?；h為恒溫帶深度，m；T為地溫梯度，℃/hm，計算結(jié)果見表5。

由于地熱水在上升過程中冷水混入導致采取的溫泉水樣處于不平衡或部分平衡狀態(tài)，根據(jù)地熱溫標法的熱儲溫度計算的熱循環(huán)深度是中部熱儲的熱循環(huán)深度，經(jīng)過硅-焓模型校正后，此時熱儲溫度計算得到的熱循環(huán)深度才是深部熱儲的最終熱循環(huán)深度。從表5可見，大溫泉和小溫泉最終熱儲溫度為171.0 ℃和187.0 ℃，最終熱儲循環(huán)深度為3 426.38 m和3 766.81 m。

表5 竹核溫泉熱儲熱循環(huán)深度計算結(jié)果

3.5 溫泉成因模式

該地區(qū)主要熱儲層為峨眉山玄武巖(P3em2、P3em3)，整個研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造裂隙較發(fā)育。區(qū)內(nèi)兩條主控斷裂(木佛山斷層和竹核斷層)規(guī)模大、切割深，與其他斷裂相接形成大型斷裂帶，是連通地下水和深部熱源的通道和地熱水的運移賦存空間，斷裂帶上部分巖石硅質(zhì)蝕變，表明斷裂帶地下水熱活動頻繁。

溫泉接收北西方向木佛山地區(qū)的大氣降水補給，大氣降水順著斷裂及各處裂縫向地下入滲，在兩條主控斷裂及分支斷裂中深循環(huán)，大地熱流對補給水進行加熱。兩條主控斷裂即是熱能儲存的場所，也是熱能傳輸和運移的主要通道。在入滲或上升過程中與淺層地下冷水發(fā)生混合，使得熱水水質(zhì)發(fā)生改變。同時在補給水下滲的過程中，會與周圍的圍巖及特殊礦物發(fā)生水-巖反應，萃取出圍巖或礦物中的特殊元素及組分，直至補給水到達循環(huán)深度；在溫壓差的影響下，經(jīng)地熱流體加熱的溫泉水向上逸散，并且沿斷裂帶附近聚集，最終由于地形切割出露地表，形成以“大溫泉、小溫泉”為中心的中-低溫地熱資源(圖5)。

圖5 竹核溫泉成因模式Fig.5 Genetic model of the Zhuhe hot springs1.致密狀玄武巖;2.杏仁狀玄武巖;3.灰?guī)r;4.頁巖;5.細砂巖;6.泥巖;7.斷層;8.熱水流向;9.水-巖反應介質(zhì)交換;10.淺層地下冷水;11.地下冷水混合;12.溫泉

4 結(jié) 論

(1)竹核溫泉的主要熱儲層為峨眉山玄武巖，水化學類型為HCO3-Na型，屬偏硅酸、鍶型復合天然飲用礦泉水。溫泉的氘剩余量較大，表明該區(qū)地下熱水埋深較大，在含水層中的滯留時間長，徑流速度較慢，并與圍巖發(fā)生了強烈的水-巖作用。補給區(qū)的溫度約為14.71 ℃，補給高程為3 345～3 560 m，推測其補給區(qū)位于北西方向的木佛山一帶。

(2)利用混合模型和硅-焓圖解法估算出大溫泉的混入冷水比例分別為77%、75.95%，小溫泉的混入冷水比例分別為81%、78.61%，溫泉的冷水混入比例都偏高，可能是由于二者均位于牛洛河河邊，受地表水入滲的影響較大。研究區(qū)的熱儲熱循環(huán)的深度范圍為3 426.38～3 766.81 m。

(3)竹核溫泉受控于木佛山斷層和竹核斷層等主控斷裂，接收北西方向木佛山地區(qū)的大氣降水補給，然后在深循環(huán)的過程中與淺層冷水發(fā)生混合，與圍巖發(fā)生水-巖反應，最后在溫壓差的影響下地熱水向上逸散，出露地表形成以“大溫泉、小溫泉”為中心的中-低溫地熱資源。

致謝：本文在撰寫過程中得到評審專家的指正和自然資源部南方石山地區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境修復工程技術(shù)創(chuàng)新中心的資助，在此表示衷心感謝。