鲜水河断裂带康定至道孚段热水化学与同位素特征

李 晓, 王金金, 黄 珣, 余中友

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

鲜水河断裂带是四川西部地热活动最强烈的地区之一，从康定至道孚沿构造带分布有超过30处温泉群，地热资源十分丰富，拥有较大的地热资源开发潜力。但长期以来的热能利用率很低，其原因一是地下热水露头多分布在交通不便的川西地区，开发地热资源的难度较大；二是对川西地下热水的形成机制研究不够。沿鲜水河断裂出露的温泉及温泉群常常呈串珠状沿断裂分布，这些沿深大断裂发育的温泉的成因，目前主要有两种观点：一种是温泉顺断裂发育，具有共同热源和水源；另一种观点是这些串珠状温泉属不同体系。研究这些温泉的形成及关系，对地热开发利用或绕避地热危害具有重要的理论意义和实用价值。

对鲜水河断裂热水的研究已持续了数十年时间，不少学者从地质、构造和地球化学方面进行研究。赵友年等对鲜水河断裂的几何学特征、运动学特征和地震活动性进行过研究[1-3]；杨永林等通过对鲜水河断裂的GPS观测研究其活动性、活动速率，认为鲜水河断裂带现今活动仍以左旋走滑为主，局部具有挤压性质，北段的滑动速率明显高于南段[4]；何梅兴等通过大地电磁测探及重磁测量研究鲜水河断裂带深浅呈现出不同的特征，认为该区域中下地壳广泛发育壳内高导层，同时鲜水河断裂带的走滑剪切作用对折多山花岗岩的形成有重要影响[5]。李志红等通过岩相学、矿物学、岩石地球化学和地质年龄资料，研究了鲜水河断裂侵入岩的入侵时代[6-10]。何京生等讨论了鲜水河断裂的温泉分布，热水点的分布与构造的关系[11-15]。濮本进对鲜水河断裂热水分布、热量释放及化学成分进行了分析[16]。张健根据氦同位素数据、地震、航磁、重力资料,分析了川西高温水热活动区控热构造、壳幔热结构、深部热背景[17]。赵庆生等通过水化学、同位素资料，研究鲜水河断裂地区地下水热水形成、热储温度等[18-21]。杨立铮等通过断裂带温泉的水化学和稳定碳同位素数据，研究康定温泉CO2来源，认为有深源CO2成因，也有幔源、壳源及其混合成因[22-23]。赵庆生等认为鲜水河断裂带各区热水是来自共同热储，由康定地区深部的岩浆熔融体加热地表入渗冷水并储存在上下两层热储中，在热对流与地应力场驱动下沿深大断裂运移[18]。林正良等认为雅拉河段的温泉是由大气降水与季节性冰雪融水沿雅拉河断裂与色拉哈断裂之间区域的地表裂隙下渗，并经深部热源加热后沿地势相对较低的雅拉河断裂上涌形成的[24]。

作者在搜集前人研究资料的基础上，补充采集了部分地热水，利用水化学组分和氢氧同位素资料，结合地热水出露及分布特征，分析研究地下热水的补给来源,估算热储温度，讨论鲜水河断裂康定至道孚段的几个水热活动区的形成条件和联系。

1 地质背景

鲜水河断裂带是青藏高原东缘一条大型的板内活动断裂，广义的鲜水河断裂带北起甘孜东谷，向南东延伸经朱倭、炉霍、道孚、八美、康定、磨西，直达石棉[1]。道孚至康定位于鲜水河断裂带中段，全长150 km，在该段，鲜水河断裂由系列雁列式断裂组成，有雅拉河断裂、色拉哈断裂、折多塘断裂和次级的七色海断裂等(图1)。鲜水河断裂带早期为压性微具顺扭，第四纪以来川西构造应力场变为以东西向为主，使鲜水河断裂发生左旋走滑。鲜水河断裂切割了该地区的地层、岩体和构造形迹，断裂带及附近岩体遭受了强烈的挤压切割，成为地下水储存和深循环运移的良好场所。由断裂活动形成的应力集中与释放可生成大量热能，而断裂构造同时也可成为良好的导热储热体[25]。

研究区内地层岩性以三叠系杂谷脑组变质砂岩为主，其次为板岩和千枚岩。侵入岩分布以大雪山-农戈山断裂为界，东部主要出露晋宁时期的侵入岩(康定杂岩)，西部为西康群变质岩和印支期—燕山期侵入岩(折多山花岗岩)。岩浆岩有5期，康定二道桥附近出露有海西期辉绿岩；断裂西部主要以燕山早期及晚期的黑云母花岗岩、二长花岗岩为主，局部有印支期黑云母花岗岩出露；沿大雪山-农戈山断裂两侧，燕山晚期混合岩大面积出露[26]。

图1 鲜水河断裂带康定至道孚段温泉分布图Fig.1 The distribution of hot springs along Xianshuihe fault zone in the Kangding-Daofu section1.澄江期-晋宁期康定杂岩; 2.燕山早期二长花岗岩; 3.燕山晚期黑云母花岗岩; 4.燕山晚期混合岩; 5.印支期黑云母花岗岩; 6.走滑断层; 7.温泉出露点; 8.温泉取样点及编号。F1.鲜水河断裂北西段; F2.雅拉河断裂; F3.色拉哈-康定断裂; F4.折多塘断裂; F5.磨西断裂; F6.七色海断裂

鲜水河断裂带地下冷水主要为基岩裂隙水，受大气降水和高山冰雪融水的入渗补给。水化学类型普遍为HCO3-Ca型，矿化度一般<0.3 g/L，pH值为6～8。区域背景水为强烈淋滤作用形成的弱酸-弱碱性重碳酸盐型淡水。沿鲜水河断裂带出露的温泉严格受断裂的控制，大多数温泉出露在主干断裂与次级断裂交汇的位置。

2 热水出露与分布特征

调查发现从康定至道孚，沿鲜水河断裂，热水出露点主要集中在康定榆林宫至二道桥、中谷至大盖、八美热水塘和道孚，每个集中出露带之间相隔数千米无温泉出露。从宏观上看，这些温泉犹如串珠状沿断裂分布。每个集中出露带内，有数个或数十个温泉群组成，每个温泉群内有若干泉眼。根据温泉出露和分布特征，将鲜水河断裂带康定至道孚段分为4个水热活动区，即康定榆林宫-二道桥水热活动区、雅拉中谷水热活动区、八美水热活动区、道孚水热活动区(图1)。

a.康定榆林宫-二道桥水热活动区

水热活动区范围从康定榆林宫至二道桥，长15 km左右。该区在构造上处于雅拉河断裂与色拉哈断裂交汇部位，热水活动强烈，有50余个温泉，水温29～140℃。温泉集中在榆林宫、驷马桥、龙洞沟、毛纺厂及金家河坝，以单个温泉或温泉群形式出露，温泉出露的海拔高度在2.6～3.1 km。例如榆林宫热矿泉群分布于驷马桥与老榆林之间的榆林河下游谷底，在南北长4.8 km、东西宽0.4 km、面积约2 km2的范围内，出露12个泉与泉群，泉点出露的海拔高度为2.8～3 km，水温多在60℃以上，水量0.24～6.34 L/s。2009-2010年间，四川省地矿局909水文地质工程地质大队与地矿部门的相关单位，在甘孜藏族自治州康定新城区榆林宫一带，勘探开发出6眼地热蒸汽井[24]。2013年在康定钻探的ZK201井，深度267 m，井口温度140℃，井底温度达208℃，流量约为150 m3/h，属于高温热泉。

b.雅拉中谷水热活动区

雅拉中谷水热活动区位于康定中谷乡，距康定水热活动区西北边界二道桥12 km。该水热活动区范围从中谷热水塘至亚拉神山景区南部入口，长12 km，温泉主要集中在中谷热水塘、中谷乡、大盖一带，沿雅拉河出露，出露的海拔高度为2.8～3.2 km。出露于河床的温泉多达100多个，水温37～62℃，泉水散发出较浓的硫化氢气味。

c.八美水热活动区

八美水热活动区有2处温泉，一是八美热水塘，在1 km范围内有3处高中温泉群，20多个泉眼，最高水温73℃；二是亚拉神山热水，出露在海拔高度4.1 km的位置，有10余个泉眼，水温最高56℃。八美水热活动区泉的出露数量明显较中谷水热活动区少，水温较中谷水热活动区低，水热活动强度较中谷水热活动区弱。

d.道孚水热活动区

温泉出露在主断裂北侧派生的北东向张扭性断层，温泉出露点相对分散。道孚水热区有4处中低温泉群，10多个泉口，出露的海拔高度为3.1～4.1 km，是4个水热活动区中位置最高的一个水热活动区。最高水温52℃，泉水有硫化氢味。

从康定至道孚，温泉出露的数量逐步减少，温度逐步降低，水热活动的强度逐步减弱，其原因是从康定至道孚构造活动性逐步减弱和岩浆侵入活动减弱。

3 水文地球化学特征

鲜水河断裂带热水样品采集于2017年5月10日至20日，并且搜集了康定和道孚的部分2013年热水调查分析资料，水质分析结果见表1。

3.1 水化学特征

由水样分析结果(表1)和水样Piper三线图(图2)分析，4个水热活动区热水具有下列特征。

图2 鲜水河断裂带地热水化学三线图Fig.2 Trilinear chart of hydrochemical hot water in Xianshuihe fault zone

c.八美热水塘水热活动区热水的水化学类型为HCO3-Na型，矿化度为584.1～706.1 mg/L， pH值为6.8～7.7，H2SiO3质量浓度为97.54～168.6 mg/L。

道孚水热活动区热水的水化学类型变化较大，以HCO3-Na型为主，矿化度为640.8～1 446.6 mg/L，pH值为6.9～8.0，H2SiO3质量浓度为52.74～102.4 mg/L。

4个水热活动区的水化学组成从水化学类型、主要离子含量、痕量元素含量均有明显变化。

a.据Piper三线图(图2)，4个水热活动区水化学类型有明显区别，康定水化学类型为HCO3·Cl-Na型，中谷和八美为HCO3-Na型，道孚为HCO3-Na型和HCO3-Ca型。

b.4个水热活动区热水中Cl-的含量有明显的差异，康定水热活动区除二道桥温泉外，Cl-质量浓度>100 mg/L，而道孚地区的温泉Cl-质量浓度为0.53～23.76 mg/L，相差很大。4个水热活动区热水H2SiO3含量从康定至道孚逐步减少，H2SiO3浓度与热储温度成明显的正相关关系。

c.4个水热活动区热水中偏硼酸、锂和锶含量具有明显差异。中谷水热活动区热水偏硼酸浓度最高，测试的5组水样中，除热水塘1号温泉极低外，其他的样品偏硼酸质量浓度在23.16～26.71 mg/L；康定水热活动区热水偏硼酸含量变化较大。水化学组成差异揭示热水形成条件具有差异。

据热水离子之间相关性图(图3)，可得知：(1)热水的矿化度(TDS)与Na+有明显的线性相关，Na来源于钠长石的水-岩反应，是该区域主要阳离子；(2)热水Cl-与TDS关系，康定水热活动区热水表现为非常明显的线性关系，但其他区域则关系不明显；(3)Na+与Cl-相关性差，表明热水中Na+与Cl-是不同反应的产物；(4)热水的Cl-与Li+在康定水热活动区明显线性相关，其他区域关系不明显。上述4个水热活动区热水在离子关系图上表现出明显分区特征，揭示各区热水形成条件和环境的差异。

3.2 同位素组成

热水同位素样品与水化学样品同时采集，采用平衡法测CO2，锌法测H2。质谱计为MAT251EM型，分析精度为±0.12‰。4个水热活动区部分代表性样品的分析结果见表1。根据测试结果建立研究区地热水δD-δ18O关系直线图(图4)，显示出下列特征。

a.温泉水样中的氢、氧同位素基本落在大气降水线(GMWL)[2]附近，说明温泉水来源于大气降水。热水氢氧同位素组成具有明显的纬度效应，由康定至道孚，热水的δD、δ18O值随纬度的增高而降低。

b.康定水热活动区热水δD为-115.90‰～-135.58‰，δ18O为-14.67‰～-16.79‰；中谷水热活动区热水δD为-113.80‰～-128.7‰，δ18O为-15.94‰～-17‰；八美水热活动区热水δD为-133.80‰～-135.29‰，δ18O为-17.91‰～-18‰；道孚水热活动区热水δD为-134.2‰～-145.2‰，δ18O为-17.27‰～-18.69‰。4个区热水在δD-δ18O关系图上形成较为明显的分区特征，道孚热水同位素组成最贫，康定热水同位素相对较富。热水同位素组成从道孚至康定总体上表现同位素组分逐渐变富，表明热水来源于不同高度的补给区。

c.康定和道孚水热活动区部分热水同位素有轻微的“氧漂移现象”，中谷水热活动区热水“氧漂移现象”不明显。18O漂移值可以作为地热系统深部温度的一个定性指标，18O漂移量越大，深部热储温度越高。从δD-δ18O关系图中的氢氧同位素分布可以看出，康定水热活动区地下热水的18O漂移现象，说明地下热水与围岩发生了较充分的水-岩反应，康定水热区地下热水的热储温度比其他水热活动区地下热水要高。

图5是研究区地热水的δ18O-Cl-关系图，根据δ18O值和Cl-的质量浓度，鲜水河断裂热水可分成3组。康定水热活动区热水 Cl-质量浓度为223.4～340.4 mg/L，富同位素，δ18O为-16.79‰～-115.6‰；中谷热水Cl-质量浓度为58.5～99.27 mg/L，富同位素，δ18O为 -15.34‰～-17‰。 3组八美和道孚热水具有低Cl-贫同位素特征，Cl-质量浓度为0.35～23.76 mg/L，富同位素，δ18O为 -17.27‰～-18.69‰。各水热活动区在δ18O-Cl-关系图上明显分区，说明其热水成因存在较大差异。

3.3 热水补给的海拔高度

根据大气降水的稳定同位素δD和δ18O随着降水高度的增大而减小，即具有高度效应，利用大气降水同位素的这种变化规律可确定地下水的补给区和补给海拔高度。补给海拔高度计算公式如下

式中：H为地下水补给海拔高度；δS为取样点热水δD值；δP为大气降水δD值；k为δD高度梯度值；h为取样点海拔高度。

图3 鲜水河断裂康定至道孚段热水主要离子相关关系图Fig.3 Correlation diagram of main ions of hot water in Xianshuihe fault

图4 鲜水河断裂带地热水的δD-δ18O关系Fig.4 The relationship between δD and δ18O of geothermal water in Xianshuihe fault zone

图5 鲜水河断裂带地热水的δ18O-Cl-关系图Fig.5 The relationship between δ18O and Cl- of geothermal water in Xianshuihe fault zone

据前人研究资料，川、黔、藏氘的高度梯度为-25‰/km；川西高原大气降雨δD值约为-90‰[23]，在康定新店子区域海拔高度约为3 450 m处所取的冷泉水样品中δD为-105.3‰，计算水补给的海拔高度结果如表2所示。

经计算，康定水热活动区热水补给的海拔高度为3.3～4.05 km；中谷水热活动区热水补给的海拔高度为3.2～3.8 km；八美水热活动区热水补给的海拔高度在4 km左右；道孚水热活动区热水补给的海拔高度为4～4.5 km。从康定至道孚，所处高度依次增加，热水补给高度也逐步增加，表明各水热活动区热水主要来源于附近大气降水、地下水补给。

表2 鲜水河断裂带地下热水补给海拔高度Table 2 The elevation of recharge area of geothermal water in Xianshuihe fault zone

3.4 热储温度

通过热储温度可以分析地热系统形成和热源等特征，地球化学温标常常被用来估算地热系统的热储温度。作为地球化学温标的元素或组分是地下热水在深循环过程中，在一定温度、压力条件下与围岩发生水-岩相互作用，溶滤有关矿物而形成的特殊化学组分。这些特殊组分能作为地球化学温标的前提条件之一是热水与有关矿物的溶解反应达到平衡。根据现场调查温泉出露条件、水温变化，大部分热水在深部向上运移的过程中受到冷水混合。用热水的Na-K-Mg 三角图(图6)对热水系统进行水-岩平衡判断，温泉均落在未成熟区域，说明鲜水河断裂带康定至道孚段热水与矿物并未达到水-岩平衡，所有热水都是混合水，因此研究区热储温度估算要考虑地下冷水的稀释混合作用。为了便于讨论热储温度计算中存在的一些问题，把水样水化学测试结果(表1)中的偏硅酸含量换算成SiO2, 选择玉髓温标、石英传导冷却温标、Na-K温标和硅-焓方程来计算热水的热储温度，计算结果见表 3。

图6 鲜水河断裂带康定至道孚段热水的Na-K-Mg三角图Fig.6 Na-K-Mg ternary diagram of geothermal water in the Xianshuihe fault zone

分析鲜水河断裂道孚至康定水热活动区热水的热储温度(表3)，有如下认识：

a.用硅-焓方程计算热水的热储温度，康定为195～251.9℃,中谷为164.2～183.9℃, 八美为234.3～270.5℃,道孚为175～222.6℃。表3中部分硅-焓方程计算热储温度缺失，是硅-焓方程图解法无法求其交点。原因是热水上升水与冷水混合之前有蒸汽损失及热损失，或者混合水由于与无定形氧化硅或与含有玻璃的岩石相接触，并溶解了附加的SiO2。

b.用Na-K温标计算结果与用硅-焓方程计算的结果接近，用玉髓温标和石英传导冷却温标计算的热储温度较用硅-焓方程计算的热储温度偏低，显示热水的热储温度从康定至道孚有逐步降低的特征。

c.用不同方法计算的热储温度有较大差异，本文用硅-焓方程计算热水的热储温在175～270.5℃范围内，康定、中谷和八美接近，道孚低一些，没有明显差异。结合热水的化学组分，康定水热活动区热水Cl-、Li+含量明显高于其他水热活动区，说明4个水热活动区热储温度从康定至道孚逐步降低的规律是存在的，揭示各水热活动区热源差异及地下水的循环深度不同。

表3 鲜水河断裂康定至道孚段热水热储的SiO2温标估算结果(w/%)Table 3 Estimation of reservoir temperature by silica geothermometers in Xianshuihe fault zone

4 热水的形成与循环模式

根据地质构造、热水地球化学、热水同位素组成特征，康定、中谷、八美和道孚各区热水是鲜水河断裂(主干断裂)与之相交的次级或低序次断裂(节理密集带)相交形成的裂隙体系形成的独立地热系统。鲜水河断裂呈北西向展布，具走滑压性特征，该区近期主应力为南西-北东向，导致南西-北东向张性断裂和节理密集带发育，控制着地表水系具有南西-北东发育的特征，也控制区域地下水的深循环。北西向展布的鲜水河断裂是导热构造，北东向断裂或节理密集带是导水构造，热水主要富集在花岗岩破碎带。各区热水补给来源于附近的大气降水、融雪水和地下水，沿次级断裂或裂隙密集带(主要是北东向)深循环并被加热形成热水，在主断裂与次级断裂交汇带形成热储，上升出露地表形成温泉。其形成模式如图7所示。

康定水热活动区在多组断裂交汇部位，中谷热区位于主干断裂与次级断裂或张性断裂密集带交汇位置，八美和道孚热区分布在主干断裂以及侧旁横向张扭性断裂带。地球化学特征揭示康定至道孚沿断裂带分布的4个主要水热活动区热水的温度、水化学组成、痕量元素含量、同位素组成均显示明显不同的特征，特别是氢氧同位素明显与温泉所处的高度相关，揭示各水热活动区热水来源于大气降水补给，沿次级断裂裂隙体系深循环并被加热，在主断裂受阻上升出露地表形成温泉，康定至道孚出现的4个水热区是不同水源补给的热水系统。

主断裂与次级断裂交汇带形成的裂隙带是热水系统的深部热储，热水上升运动过程主要是绝热冷却。深部热储本身可以因裂隙带不同，形成次级热水系统。沿交汇带上升的热水在近地表可以直接在基岩裂隙出露。调查发现鲜水河断裂带的热水通常在河谷的覆盖层形成次级热储，次生热储的热水易受浅部冷水混入，使热水温度和水化学组分常常出较大的变化。

图7 鲜水河断裂带康定至道孚热水成因示意图Fig.7 Schematic diagram showing the cause of hot water in Xianshuihe fault zone from Kangding to Daofu1.第四系砂砾石层; 2.燕山期花岗岩; 3.三叠系石英砂岩; 4.冷水及运移方向; 5.地热流体及运移方向; 6.温泉点; 7.走滑断层; 8.温泉出露点; 9.节理密集带; 10.热水集中出露区域。F1.鲜水河断裂北西段; F2.雅拉河断裂; F3.色拉哈-康定断裂; F4.折多塘断裂; F5.磨西断裂; F6.七色海断裂

5 结 论

a.从康定至道孚，4个水热活动区的温泉出露的数量逐步减少，温度逐步降低，水热活动的强度逐步减弱，是由于从康定至道孚构造活动性和岩浆侵入逐步减弱的影响。

b.4个水热活动区水化学组成和同位素组成有明显差异，热水中Cl-的含量从康定-中谷-八美-道孚逐渐减少，偏硅酸、偏硼酸、锂含量明显减少，揭示热水有不同形成环境和形成条件。热水的氢、氧同位素基本落在大气降水线附近，表明热水主要来源于大气降水。热水在δD、δ18O分布上存在明显差异和明显分区特征，揭示补给区水源不同。

c.鲜水河断裂温泉是主干断裂(鲜水河断裂)与主干断裂相交的次级或低序次断裂相交形成的裂隙体系共同作用形成的。主干断裂深达深部热源，又是深层热水层阻水边界和热水上涌通道。热水系统发育于主断裂的次级或低序次断裂的交汇地带，来源于附近高处大气降水补给，沿次级断裂裂隙体系深循环并被加热，在主断裂受阻上升出露地表形成温泉。康定至道孚出现的康定、中谷、八美、道孚水热区是不同水源补给的4个热水系统。

d.鲜水河断裂地热资源丰富，热水的形成、运移、出露与构造类型和性质、断裂的构造活动性、岩浆岩带(体)形成时代以及不同构造体系的交接复合有关，断裂交汇地带是地热开发的有利区域。对鲜水河断裂地热的研究程度还较低，资料有限，本文主要从热水的水化学和同位素组成差异对康定至道孚4个水热活动区的形成进行分析和探讨，旨在对鲜水河断裂带区域地热开发有所帮助。