滇西某温泉成因模式研究

王永辉，杨　建

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)



滇西某温泉成因模式研究

王永辉，杨建

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

[摘要]在对温泉所处地区的区域地质背景、水文地球化学特征进行分析的基础上，研究与温泉形成密切相关的热源、水源、热储、循环深度、通道、盖层等必备条件。根据分析研究成果确定了温泉的成因模式为：大气降水在研究区西部1 800 m左右的山区顺区域性断裂向地壳深部径流。在运移过程中，地下水不断从岩石中获取热量并逐渐被加热，当循环至约1 870 m深度时水温增至83℃左右，形成深部热储。地下水在水头和密度差作用下顺F1断层向地表运移并在地形有利部位出露形成了温泉群。

[关键词]温泉；水文地球化学；成因模式

研究温泉呈线状分布于河流右岸，由8个泉点组成，出露高程主要集中于830～833 m，水温为37℃～59℃，总流量约17 L/s。泉水具承压性，属上升泉。每年农历正月，散居各地的少数民族群众都要扶老携幼汇集到这里沐浴，他们用圣洁的温泉水洗去一年的污秽，迎接新年。现如今，这项活动已成为本地一处独特的人文景观。

从温泉出露的区域地质背景、水化学及同位素特征入手，在分析其热源、水源、热储、循环深度、通道、盖层等要素的基础上提出了温泉的成因模式。本研究成果可为本区地热及温泉资源的合理开发、妥善保护提供科学依据[1～3]。

1区域地质背景

本区地处云贵高原西部边缘地带，属高山深切峡谷地貌，地势总体北高南低，主要山脉和水系近南北向展布。两岸山脉高程3 500～3 900 m，河床高程为800～1 000 m，相对高差达2 000～3 000 m。

区域内地层较为齐全，从元古界到第四系均有出露，地层总体呈南北向分布，受构造控制明显。研究区所涉及的地层主要有元古界高黎贡山群(Ptgl)条带、条痕状混合岩夹眼球状花岗质混合岩；寒武系上统保山组(∈3b)板岩、微晶片岩、变质砂岩夹泥质灰岩、条带状大理岩；石炭系下统铺门前组(C1p)灰岩或大理岩夹生物灰岩、含燧石结核；石炭系上统丁家寨组(C3d)砾岩、砂岩、泥岩及生物结晶灰岩；石炭系上统卧牛寺组(C3w)玄武岩；三叠系中统河湾街组(T2h)白云岩、灰质白云岩；侏罗系中统勐嘎组(J2m)紫红色砂砾岩、粉砂质泥岩夹泥灰岩；第四系(Q)坡积、崩积、滑坡堆积、洪积及冲积物。其中，除石炭系下统铺门前组(C1p)和石炭系上统丁家寨组(C3d)未出露外，其余地层在研究区内均有出露。

区内构造形迹主要表现为断裂。断裂构造的体系和序次较明显，近南北向的断裂被近东西向的断裂错断，主干断裂、派生断裂配套清晰。构造体系间的复合作用明显，造成了断裂性状多不稳定的特点。本区发育的Ⅰ级结构面有5条，分别为近南北向展布于河流西岸的FA、FB断裂，东岸的FC断裂和近东西向展布的FD、FE断裂。区内Ⅱ级结构面仅1条，为近南北向展布的F1断层。

温泉群位于FE断裂与F1断层交汇部位，断裂的相互切割使得岩体破碎，裂隙发育。此处F1断层以西为三叠系中统河湾街组(T2h)白云岩、灰质白云岩；F1断层以东为石炭系卧牛寺组(C3w)玄武岩。温泉正是出露在F1断层所形成的两种透水性差异较大岩体的分界部位(图1)。

图1　研究区地质地貌简图

2水文地球化学特征

地下水的水文地球化学特征是水岩长期相互作用的结果，由于地下水的补给、径流、排泄条件在时、空上的差异，最终导致其水化学特征存在一定的差异，因此研究地下水的水文地球化学特征，有助于了解其循环交替过程。

2.1水化学特征

本次研究于温泉泉口取水样进行了全分析，通过测试成果确定温泉水化学类型为HCO3-Ca型，总矿化度为836.94 mg/L，说明水岩交互作用较为充分。温泉水中主要阳离子为钙离子(Ca2+)，而Ca2+往往来源于碳酸盐类岩石的溶解。综合研究区地层岩性特征，判断温泉水中的Ca2+来源于地下水与石炭系铺门前组(C1p)灰岩、大理岩及生物灰岩和三叠系中统河湾街组(T2h)白云岩、灰质白云岩发生的溶解作用。同时，断裂带控制了温泉的运移速度及部分物理化学条件，也带给了温泉水深部的化学成分。

2.2同位素特征

为明确温泉水的补给来源、补给高程及年龄，本次研究同时取水样进行了氢氧同位素测试，测试结果为：δD‰为-77.0、δ18O‰为-10.95‰、3H为8.47TU。其中，δD和δ18O可用于后续补给来源及补给高程的计算。

温泉水的氚值3H为8.47TU，介于5～15TU之间。按经验法进行估算，其循环时间为5～10 a。说明泉水在地下的循环时间相对较短，属现代水。

3温泉成因模式

温泉的形成必须具备热源、水源和热通道三个空间条件。热源一般由地球的内热提供，一方面是以特殊局部的热源来加热地下水，诸如出露在现代火山区或地下有年轻侵入体存在地区的温泉；另一方面是地球的内热作为热源来加热地下水。温泉水的最主要来源是大气降水，此外还有岩浆水和古海洋残留水等。强烈的地质构造运动造成地层的断裂、错动、上升、下陷，从而在岩体中形成不同方向、不同类型的断裂带、破碎带等一系列温泉出露的“通道”。同时温泉的出露又受地形地貌的限制。

3.1热源及水源

热源主要来自于地壳深部。根据西南地区岩石圈地温分布特征，本区属于高温型地块，地壳上地幔特定深度温度、莫霍面温度及各结构面地温梯度均为云南省最高值。以550℃代表居里面温度，则其埋深最浅为16.7 km。岩石圈底界温度为1 460℃～1 526℃。上述温度反映了该单元强烈的高地热背景和相应的岩石圈热结构。本区附近地壳浅部无年轻岩浆侵入体，故不存在岩浆热等附加热源。因此，分析认为地幔热流和上地壳含放射性元素衰变产生的地壳热流构成了温泉地热系统的热源[4～6]。

氢氧同位素组成是寻找地下水补给源的天然示踪剂。根据一个地区地下水的同位素组成在δD-δ18O关系图上是否落在当地降水线上，可判定地下水的起源是大气降水还是其它来源[7]。将温泉水样氢氧同位素组成投到δD-δ18O关系图上可以看到，结果紧靠在西南降水线附近(图2)，说明温泉水受大气降水补给。

图2　δD-δ18O关系图

研究表明，大气降水的氢氧同位素组成常呈现出有规律的变化，即海拔越高，水中的δD和δ18O含量就越低。因此，根据δ18O的高程效应，利用公式(1)可对温泉水补给高程进行推算。

(1)

式中：H为温泉水补给区高程(m)；δs为温泉δ18O含量(‰)；δp为参照水体δ18O含量(‰)；K为δ18O梯度(‰/100m)；h为参照水体补给高程(m)。

室内试验测得温泉群δ18O含量为-10.95‰，以本区地表水作为参照水体，其δ18O值为-14.72‰。据于津生等人对川西及藏东地区δ18O高程效应的研究，梯度值为-0.26‰/100m[8]，故K取-0.26‰/100m。已知地表水补给高程h为3 255 m。将以上数据带入公式(1)，计算求得温泉水补给高程为1 805 m。因此，温泉群补给区高程在1 800 m左右。

3.2热储及循环深度

通过对地热温标的测定，可计算出深部热储温度。地球化学地热温标法的原理是地热流体与矿物在一定温度条件下达到化学平衡，在随后地热流体温度降低时，流体中的化学成分仍保持不变。根据温泉水中SiO2的含量利用公式(2)可对其热储温度进行计算。

(2)

式中：t为热储温度(℃)；SiO2为二氧化硅的含量(mg/L)。

实验测得温泉中SiO2含量为32.81 mg/L，由此计算热储温度为82.8℃。

根据上述热储温度利用公式(3)对温泉水的循环深度进行估算[9]。

(3)

式中：D为循环深度(m)；t为热储温度(℃)；t0为恒温带温度(℃)；G为地温梯度(℃/100m)；d0为恒温带深度(m)。

热储温度t取82.8℃；恒温带温度t0取当地平均气温，为18℃；本区属高热流背景区，地温梯度偏高，G取3.5℃/100m；恒温带深度d0取20 m。计算求得温泉水循环深度为1 871 m。

图3　温泉群形成模式图

3.3通道及盖层

作为区域性断裂的FA、FB不仅控制了区内的沉积建造及构造格局，而且为大气降水向地壳深部的运移提供了通道。F1断层则成为地下热水的排泄通道。上述三条断层相互组合，为地下水进行深循环并在沿途吸收深部的热量，然后在水头和密度差作用下向地表运移提供了必要的通道，起到了导水、导热的作用。

研究区西部三叠系中统河湾街组(T2h)之下的石炭系上统丁家寨组(C3d)地层岩性为砾岩、砂岩、泥岩及生物结晶灰岩。这类地层具有渗透性差和热传导率低的特点，组成了深部热储的良好盖层。

3.4成因模式

综上所述，温泉成因模式为：大气降水在研究区西部1 800 m左右的山区顺区域性断裂FA和FB向地壳深部径流。在运移过程中，地下水不断从岩石中获取热量并逐渐被加热，当循环至约1 870 m深度时水温增至83℃左右，形成深部热储。最后，地下水在水头和密度差作用下顺F1断层向地表运移并在地形有利部位出露形成了温泉群(图3)。

4结语

(1)温泉水温为37℃～59℃，属温水～温热水。水化学类型为HCO3-Ca型，总矿化度为836.94 mg/L，属低矿化度淡水

(2)温泉成因模式为：大气降水在研究区西部1 800 m左右的山区顺区域性断裂FA和FB向地壳深部径流。在运移过程中，地下水不断从岩石中获取热量并逐渐被加热，当循环至约1 870 m深度时水温增至83℃左右，形成深部热储。最后，地下水在水头和密度差作用下顺F1断层向地表运移并在地形有利部位出露形成了温泉群。

(3)温泉属上升泉，其形成与区域地下水的深循环有关，这一循环系统相对独立，只是在泉水上升排泄过程中，与浅表地下水发生了混合。

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Study on the Genetic Model of a Certain Hot Spring in Western Yunnan Province

WANG Yong-hui，YANGJian

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited,Kunming 650051,Yunnan)

Abstract:This paper researched the heat source, water, heat storage, circulation depth, channel, cover and other essential conditions,which is closely related to the formation of hot spring on the basis of analysis in the area of the regional geological background, the hydrogeochemical characteristics of hot springs. According to the results of the analysis, the cause of the genetic model of the hot spring is determined.Atmospheric precipitation runoffs to the deep crust of the earth in the study area of the western region of the 1800m around the region of the regional fault.The groundwater is getting heat from the rock and gradually heated in the process of migration.The water temperature is increased to 83 degrees when it cycled to about 1870m depth and formed deep geothermal reservoir.In the end, the groundwater transports to the surface by F1 fault and becomes hot springs in the favorable terrain under the action of water head and density difference.

Key words:Hot spring；hydrogeochemical characteristics and genetic model

[中图分类号]P314.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)02-0019-03

[作者简介]王永辉(1985-)，男，甘肃临夏人，工程师，主要从事水电工程地质方面的工作。

[收稿日期]2015-11-16