青海省曲乃亥温泉地质特征及成因分析

王 轶, 童 珏, 李晓龙, 樊江飞,邓罗荣, 漆 琳

(1.江西省地质矿产勘查开发局九〇一地质大队，江西 萍乡 337000；2.江西省九龙地质建设工程院，江西 萍乡 337000)

众所周知，地热资源是一种可再生的环保能源，也是一种特殊的矿产资源，开发利用前景广阔。随着国家生态环境保护战略对清洁能源的需求，地热勘查开发更加重要(肖则佑等，2018)。曲乃亥温泉水最高温度达96.6 ℃，是青海省第一高温泉水。对该温泉成因的研究一直停留在区域性推断、简要分析等阶段，未开展过具有针对性的实物工作。

可控源音频大地电磁探测是近年快速发展起来的一种新兴物探方法，因其施工相对方便、高效、数据采集量大、探测深度和精度高等优点而被广泛应用于矿产勘查、工程勘察及灾害调查等方面(魏鸿等，2012；林建勇等，2020；任宏等，2017)。

阳离子温标法是利用热液成分中阳离子之间的比值与温度之间的关系计算深部热储温度的方法。自1976年至1988年间，国内外学者先后提出了7种计算公式，主要包括Na-K、Na-K-Ca、K-Mg温标等(Fournier et al.,1973；Truesdell，1976；Fournier，1979；Amorsson，1983；Giggenbach，1988；Verma et al.,1997)。

Craig(1961)提出大气降水中的D和18O的含量呈线性关系。周海燕等(2008)对广东从化温泉进行水化学与同位素特征研究发现，热水中D与18O的含量呈线性关系，说明热水的补给来源于大气降水。因此可用此方法来判别曲乃亥温泉的补给来源。

本次采用地热地质调查、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、阳离子温标法、氘氧同位素及14C测年等方法，在综合分析曲乃亥温泉地质、水文地质、地球物理特征和水化学特征的基础上，对其地热地质特征及成因机制进行了较为系统地分析。此研究可为该地热区后续的勘查开发工作提供基础数据及地质依据。

1 区域地热地质背景

1.1 地质背景

研究区地层属东昆仑秦岭地层分区中的兴海-同仁地层及祁连地层小区。出露岩性主要有印支期中酸性侵入岩、三叠系砂板岩、侏罗系砂砾岩、白垩系砂砾岩，古-新近系泥岩夹砂岩，第四系洪冲积巨砾-细砾砾石、砂砾石。

研究区整体大地构造单元属于秦祁昆断褶系东昆仑、西秦岭造山带接合部位(吴向农等，1991)，但在地质构造、岩浆作用、地貌特征上受到两个造山带的改造，形成传统意义上的“共和缺口”。共和盆地周边均受山前深大断裂的控制，挽近期构造活动强烈，从而形成了瓦洪山、瓦里贡山-多禾茂走滑断裂带及与之相关的岩浆岩和地热分布(图1)。

图1 区域地质构造略图Fig.1 Regional geological structure sketch

1.2 区域地热地质条件

沿北北西向瓦里贡山-多禾茂走滑挤隆构造带由南到北依次出露有曲库乎温泉群(最高温度46.6 ℃)、兰采温泉群(最高温度82.2 ℃)、新街温泉群(最高温度67 ℃)、贵德扎仓温泉群(最高温度89.2 ℃)、曲乃亥温泉群(最高温度96.6 ℃)等隆起山地断裂型温泉。

2011年以来，共和恰卜恰地区实施的地热勘探孔揭示，共和恰卜恰地区2 200 m以深温度达到150 ℃以上，满足干热岩温度要求(严维德，2015)；2013年贵德扎仓沟实施的ZR1钻孔，于3 050.68 m深处探获151.34 ℃的干热岩资源(雷玉德等，2017)；综合分析认为，瓦里贡山-多禾茂构造挤隆带是控制着区内岩浆岩及地热资源分布的区域热源(图2)。

图2 区域地热分布图(李小林等，2016)Fig.2 Regional geothermal distribution

2 曲乃亥温泉地热地质特征

2.1 地热显示特征

曲乃亥温泉出露于浪麻河高山峡谷区，沿浪麻河两侧线状展布，泉水伴随气体和蒸汽自岩壁喷射而出，在长约600 m的沟谷中还广泛发育有悬挂温泉(图3a)、放热地面、水热蚀变等丰富的地热地质现象。曲乃亥泉水无色、透明，臭鸡蛋气味浓郁，温度最高达96.6 ℃(图3b)，为青海省第一高温，自岩壁喷射而出，最低温度为33.2 ℃，呈泉涌出。初步估算，曲乃亥温泉出露有134处较为稳定的泉眼，估测其总体流量为3.05 L/s左右(图4)。泉口标高2 522 m，当地气压值75 kPa，与其相对应的水沸点为92.0 ℃，所以泉水最高温度不能代表地热流体温度，推测深部应存在更高的热源体。

图3 温泉野外照片Fig.3 Field photo of hot springa.沟谷两侧发育悬挂温泉；b.96.6 ℃泉水自岩壁喷射而出

图4 曲乃亥温泉平面分布图Fig.4 Plane distribution of Qunaihai hot spring

2.2 地球物理特征

根据曲乃亥温泉处实施的近东西向1—1′和近南北向2—2′可控源音频大地电磁测深剖面解译结果，在浪麻河沟口处发育有一条近北北西向展布断层(FK1)和一条近东西向展布断层(FK2)。结合区域资料分析，FK1断层与调查的曲乃亥断层吻合，FK2断层则为温泉区近东西向下多隆断层的延伸。根据FK1、FK2两者的组合关系可知，曲乃亥断层具右旋走滑性质，将东西向FK2断层切成两段(图5)。

图5 CASMT推测解译平面图Fig.5 Speculated Interpretation floor plan of the CASMT1.第四系洪冲积巨砾-细砾砾石、砂砾石；2.新近系贵德群杂色泥岩、粉砂-细砂岩；3.三叠系拉果组灰色长石砂岩；4.印支期第二期花岗闪长岩；5.CSAMT测线及编号；6.温泉群；7.等高线；8.河流；9.公路；10.实测断层；11.物探推测断层及编号

2.3 温泉区地热地质特征

据野外地质调查及物探解译资料可知，曲乃亥温泉受北北西向瓦力贡山-多禾茂走滑挤隆构造带控制，出露部位在北北西向曲乃亥断层与近东西向下多隆断层交汇的共用上盘处。曲乃亥断层倾向西，倾角76°，破碎带宽约50～70 m，具右行走滑性质，是区域导热构造；下多隆断层倾向北，倾角45°，破碎带宽约10 m，在东侧浪麻河口被曲乃亥断层错断，为张扭性断层，是区域地下水赋存径流通道。

温泉附近出露岩性以晚三叠世花岗闪长岩、下三叠统拉果组砂岩、板岩为主，其顶部大部被新近系砂岩、泥岩所覆盖。花岗闪长岩裂隙及构造破碎带为含水层热储系统，下三叠统砂板岩和新近系泥岩构成隔温盖层，断裂破碎带构成热源通道(图6)。

图6 曲乃亥温泉区地质构造略图Fig.6 Geological structure sketch of Qunaihai hot spring1.温泉群；2.冲积砾石、卵石、砂；3.洪冲积巨砾-细砾砾石、砂砾石；4.冲积粗砾石夹含中砂砾石、亚砂土；5.冲积巨粒砾石、中细粒砾石、含砾亚砂土；6.冰积漂砾、岩块、角砾夹砂砾石；7.土灰色砾岩夹砂岩；8.土红色砾岩、粉砂岩互层；9.杂色泥岩夹砂砾岩；10.棕红色泥岩夹砂岩；11.灰色长石砂岩、岩屑长石砂岩；12.灰色粉晶灰岩、泥质微晶灰岩；13.印支期第二期花岗闪长岩；14.地质界线；15.实测、推测断层及倾角；16.走滑断层

3 水化学特征

通过对曲乃亥温泉水进行取样分析可知，温泉水中主要阳离子有Na+、Ca2+、K+、Mg2+，主要阴离子为Cl-、SO42-、HCO3-，矿化度为1.69 g/L，属微咸水，pH值为8.24，属弱碱性水，水化学类型属Cl-Na型水(表1)。另外，温泉水中氟(F)含量为4.0 mg/L，根据GB/T 11615—2010《地热资源地质勘查规范》(全国国土资源标准化技术委员会，2011)，曲乃亥温泉水达到了医疗热矿水水质标准，可命名为氟水，具有一定的医疗保健作用。

表1 曲乃亥温泉水化学特征Table 1 Hydrochemical characteristics of Qunaihai hot spring

氘氧同位素分析结果显示曲乃亥温泉水D和18O的含量呈线性关系(图7)，说明该温泉的补给来源是大气降水。曲乃亥温泉水与当地大气降水(吴华武等，2014)相比，出现了氧漂移现象，主要因为泉水温度(96.6 ℃)高于当地水沸点(92.0 ℃)，地热水在循环运移过程中发生了蒸发浓缩作用(王恒纯，1991)。

图7 曲乃亥温泉水及大气降水中δ18O和δD关系Fig.7 The correlation of δ18O and δD in precipitation and hot spring water, Qunaihai

4 热储温度及天然放热量估算

4.1 热储温度估算

在地热资源勘探过程中，热储温度是评价地热资源不可缺少的重要参数。一般在野外实地观测得到的温度是热水出露地表后的温度，利用地热温标方法可以估算地下热水的热储温度(胡静等，2012)。由于曲乃亥温泉水中未检测出SiO2含量，因此选用阳离子温标法进行深部热储温度估算。通过收集分析前人资料可知，阳离子温标法计算公式有7种(表2)，以研究区附近的贵德扎仓沟地热田实测热储温度为佐证，分别运用这7种温标计算公式计算扎仓沟温的热储温度。通过实测热储温度与计算结果对比，选取计算结果误差最小的公式作为曲乃亥温泉热储温度的计算公式(表3)。

表2 阳离子温标法计算公式一览表Table 2 The list of cationic temperature standard calculation formula

表3 各类阳离子温标法估算的温泉区深部热储温度Table 3 The geothermal reservoir temperatures of hot spring area estimated by different cationic geothemomenters /℃

贵德扎仓沟ZR1地热勘探钻孔实测含水层最高温度为143 ℃。该实测温度与地球化学温标估算热储温度139.85 ℃对比发现，Na-K-Ca温标法估算的热储温度与实测热储温度误差小于5 ℃，具有较高的可信度。因此，通过计算选取165.08 ℃作为曲乃亥温泉区的深部热储温度(王莹等，2007)。

4.2 天然放热量

曲乃亥温泉为常年较稳定的上升泉水，随季节变化不大，经长期观测流量较稳定，为263.52 m3/d，依据DZ40—85《地热资源评价方法》(中华人民共和国地质矿产部，1985)计算温泉天然放热量，计算公式为：

QW=365QρWcW(tw-t0)

(1)

式中，QW为温泉的天然放热量(J/a)；Q为温泉总流量(m3/d)；ρW为水的密度(kg/m3)；cW为水的比热容[J/(kg·℃)]；tw为热水温度(℃)；t0为基准温度(℃，取贵德县年平均气温7.3 ℃)。经计算，该温泉天然放热量为3 604.22×107kJ/a，折合标准煤为1 230 t/a。

5 成因机制分析及热源讨论

5.1 热源讨论

温泉水的循环深度按照地热温度变化来估算，计算公式如下(李娟等，2007)：

Z=G(T2-T0)+Z0

(2)

式中，Z为地热水循环深度(m)；G为地热增温级，取经验值10.52 m/℃；T2为离子温标计算出来的热储温度(165.08 ℃)；T0为补给区年平均气温(7.3 ℃)；Z0为多年常温带深度，取平均深度20 m。运用公式(2)计算得曲乃亥地区的地下热水循环深度为1 679.85 m。据此推算地温梯度为4.13 ℃/100 m。根据此地温梯度计算该区深部3 km处地温达220.37 ℃(童珏等，2018)，说明曲乃亥地区深部可能存在干热岩。本次采集曲乃亥地区地表代表性花岗闪长岩样品，送由国家安全生产长沙矿用安全仪器检测检验中心进行测试。其测试结果U含量为13.00×10-6，Th含量为22.20×10-6，K含量为4.39%，岩石密度2.58 g/cm3。利用生热率估算公式(3)(Rybach，1988)计算生热率为5.05 μW/m3，该数值是中国大陆地壳放射性生热率背景丰度值(1.3 μW/m3)的4倍左右(汪洋等，2001)。

H= 0.01ρ(9.52CU+ 2.56CTh+ 3.48CK)

(3)

式中，H为生热率(μW/m3)，ρ为密度(g /cm3)，CU，CTh，CK分别为U(10-6)、Th(10-6)、K(10-2)的质量分数。初步分析认为，曲乃亥地区深部具有高放射性生热是该温泉热的主要来源。

5.2 成因机制分析

曲乃亥温泉处有晚三叠世花岗闪长岩侵入，且节理十分发育。沉积地层以下三叠统拉果组(T1Lg3)为主，岩性主要为砂岩、板岩，且上覆有厚约50～70 m的新近系贵德组(N2Gd4)砂砾岩、泥岩地层，通过野外调查发现大量沿构造带呈带状分布的古泉华脉体和水热蚀变矿物。水热蚀变矿物以方解石、高岭土为主。分析认为受青藏高原隆升影响，因热田水温、压力变化，导致裂隙系统发生矿物结晶并充填，构成自封闭盖层，结合上覆的三叠系砂岩、板岩和新近系泥岩地层构成温泉区热储盖层，起到较好的保温效果。

从区域地质角度分析，曲乃亥温泉位于受瓦里贡山-多禾茂走滑挤隆带控制的近北北西向展布的曲乃亥断层。据实测资料可知，曲乃亥断层倾向西，倾角76°，破碎带宽约50～70 m，具右行走滑性质，是区域热源所在；近东西向下多隆断层倾向北，倾角45°，破碎带宽约10 m，在东侧浪麻河口被曲乃亥断层错段，为张扭性断层，是区域地下水赋存径流通道。

综合分析区域地质资料及笔者调查结果可知，曲乃亥温泉主要接受北西侧远处山区大气降水补给，沿东西向张性下多隆断层及节理裂隙经深循环运移至此，受近北北西向曲乃亥断层传导深部干热岩热源加热后，继续受此逆冲断层下盘相对阻水阻隔，于两条断层交汇的共用上盘地势较低处出露成泉。可控源音频大地电磁测深1—1′剖面的二维反演视电阻率解译结果清楚地反映了出露关系(图8)(崔江伟等，2015)；曲乃亥温泉成因概念模型如图9所示。

图8 CSAMT 1—1′二维反演视电阻率解译图Fig.8 2D inverse apparent resistivity interpretation of CSAMT 1—1′

图9 曲乃亥温泉成因概念模型图Fig.9 The conceptual model of Qunaihai hot spring1.第四系；2.新近系贵德群；3.三叠系拉果组；4.印支期第二次花岗闪长岩；5.砂砾石；6.泥岩、砂岩互层；7.微晶灰岩；8.花岗闪长岩

6 结论

(1)曲乃亥温泉受区域热源所在的瓦里贡山-多禾茂构造挤隆带控制，出露于曲乃亥断层与下多隆断层交汇的共用上盘处；花岗闪长岩裂隙及构造破碎带构成含水层热储系统，自封闭盖层和下三叠统砂板岩、新近系泥岩构成隔温盖层，断裂破碎带构成热源通道。

(2)曲乃亥温泉水中的阳离子主要为Na+、Ca2+、K+、Mg2+，阴离子主要为Cl-、SO42-、HCO3-，矿化度为1.69 g/L，pH值为8.24，水化学类型属Cl-Na型水。温泉水中氟含量达到了医疗热矿水水质标准，可命名为氟水，具有一定的医疗保健作用。阳离子温标法估算该地热区深部热储温度为165.08 ℃；温泉的天然放热量为3 604.22×107kJ/a，折合标准煤1 230 t/a。

(3)曲乃亥温泉热源来自于深部高放射性的干热岩；温泉主要接受北西侧远处山区大气降水补给，沿东西向张性下多隆断层及节理裂隙经深循环运移至此，受近北北西向曲乃亥断层传导深部干热岩热源加热后，继续受此逆冲断层下盘相对阻水阻隔，于两条断层交汇的共用上盘地势较低处出露成泉。