川藏铁路康定隧址区地热水成因及其工程影响分析

2021-09-16张云辉徐正宣常兴旺

水文地质工程地质 2021年5期

张云辉，李晓，徐正宣, ，常兴旺，黄珣，多吉

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 611756；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

鲜水河断裂是我国川西地区典型的左行走滑活动断裂，新构造运动活跃，大地热流值高，为地热水的形成提供了有利的条件[1]。迄今，在地表已发现大量温泉露头，沿着鲜水河断裂呈串珠状分布，自北向南形成了道孚、中谷、康定和磨西等多个热水区，地热资源丰富[2]。

近年来，很多学者对鲜水河断裂的地热资源开展了大量的研究，取得了丰硕成果。张健等[3]、Zhang等[4]、Tang等[5]综合利用重力、地震、航磁和电法等地球物理方法查明了川西地区深部地热结构。Li等[6]分析对比鲜水河断裂带各个热水区的水文地球化学特征，发现不同热水区的地热水成因存在一定差异。此外，前人针对典型热水点进行了研究，对出露温泉的地质特征、主要阴阳离子和氢氧同位素进行一系列分析，认为地热水的补给来源以高山冰雪融水为主[7-9]，热储为二叠系变质岩热储[10-12]，热源来自于花岗岩放射性生热、深部熔融体导热和断裂摩擦生热[13-15]。

拟建川藏铁路在康定折多山穿越鲜水河断裂带（图1），沿断裂出露众多温泉。为了能顺利穿越折多山，减小地质不利因素和热害的影响，在地质选线过程中，进行过多种方案的比选，不同方案之间的地质不利因素和热害的影响具有一定的差异。鉴于川藏铁路康定段高温热水可能成为隧道工程的制约性影响因素，且地热水研究程度较低，亟需提升隧址区的地热水研究水平，以期降低高温水热活动对铁路隧道建设的不良影响。因此，本文在川藏铁路康定隧址区内地热水的出露特征、水化学和氢氧同位素分析的基础上，探讨地热水的水岩作用过程、热储特征和补给来源，揭示其成因模式，并利用FEFLOW数值模拟软件反演研究区地温场特征，以期为康定隧道的安全建设和运营提供科学依据。

图1 研究区地热地质图（根据文献[16]修改）Fig.1 Geological and geothermal map with the sampling locations (modified from Ref.[16])

1 研究区概况

研究区处在鲜水河断裂、龙门山断裂和小江断裂的“Y”字型交汇部位，位于鲜水河断裂南段，受左旋走滑作用影响较大。研究区主要出露的地层包括沉积地层和变质地层，上覆第四系沉积物，沉积地层主要由古老的震旦系、志留系和三叠系地层组成；变质地层主要包括泥盆系和二叠系地层（图1）。研究区内岩浆侵入活动强烈，出露有澄江—晋宁期、印支期和燕山期多期次的花岗岩。研究区地层和岩体中发育北东-南西向的张性裂隙（图2）。

图2 研究区剖面图（根据文献[16]修改）Fig.2 A-A’ section of study area (modified from Ref.[16])

大气降水是研究区地下水的主要补给来源，局部地区存在河水补给地下水的现象。地下水径流受构造活动影响，在谷坡险峻区具有径流途径短的特点，主要以泉的形式排泄。研究区隶属康定—炉霍地热带南段，区域水文地质资料显示，区内出露温泉或温泉群50余处，沿着鲜水河断裂及其次级断裂出露的温泉或温泉群达到38处，构成南北长约70 km、东西宽约7 km的康定—磨西温泉（或热泉）带，各泉点的流量差别较大，为0.3～103.0 L/s，合计流量约226.0 L/s。川藏铁路康定隧道主要途经中谷、康定和折多塘3个热水区，每个热水区内均出露不同数量的温泉或温泉群，温泉出露温度为37～84 ℃。

2 研究方法

2018年11月在甘孜藏族自治州康定市榆林宫、中谷、折多塘等地区进行样品采集，其中地热水13组，冷泉水2组，地表水2组，进行常规水化学特征分析。在现场使用手持GPS、便携式水质分析仪（HACH-SL1000）对温泉的出露高程、pH、温度和流量进行测定。采用格兰氏滴定法现场测量。水样采用容量为550 mL的无色聚乙烯瓶保存，采样前先用待采水样润洗三遍，在取样过程中尽量保证水样装满取样瓶，防止瓶中产生气泡，采样完成后及时蜡封，并编号标记。为了消除误差设置了对照试验，每组样品均采集2份。样品采集后48 h内送至成都理工大学地质灾害防护与地质环境保护国家重点实验室测试。用于测试金属阳离子和微量元素的水样，取样后需滴加浓盐酸至水样pH＜2。用于测试F-、Cl-、等阴离子的水样不做酸化处理，采用离子色谱仪（ICS-1100）测定。K+、Na+、Ca2+、Mg2+等主要阳离子采用直读光谱ICP-OES（ICAP6300）测定。阴阳离子平衡检验在-4.3%～7.7%之间，说明测试结果可靠。氢氧同位素采用平衡法测CO2、锌法测H2，质谱计为MAT251EM型，分析精度为±0.12‰。

3 结果与分析

3.1 水化学类型

对水样进行Piper三线图分析，结果表明地表水、冷泉水中主要阳离子为Ca2+、Mg2+，主要阴离子为地热水的主要阳离子为Na+，主要阴离子为总体水化学类型可以划分为HCO3·Cl—Na型、HCO3—Na型，康定、中谷和折多塘地区的温泉表现出明显分区差异（图3）。

图3 研究区水样Piper三线图Fig.3 Piper diagrams for the water samples

（1）HCO3·Cl—Na型地热水

5件样品的水化学类型为HCO3·Cl—Na型，此类地热水出露地带基本为康定—榆林宫一带。

此类地热水pH值为6.5～8.7（平均值为7.6）。溶解性总固体为1 002.4～1 949.7 mg/L，（平均值为1 431.8 mg/L）。地热水中主要阳离子为Na+，含量为330.0～650.0 mg/L（平均值为454.0 mg/L），主要阴离子为，含量为530.9～1 304.3 mg/L（平均值为830.8 mg/L）。

（2）HCO3—Na型地热水

8件样品的水化学为HCO3—Na型，中谷地区、折多塘地区的地热水样水化学类型均为HCO3—Na型。

此类地热水pH值为6.7～7.8（平均值为7.0）。溶解性总固体为388.9～1 315.8 mg/L，（平均值为1 040.4 mg/L）。地热水中主要阳离子为Na+，含量为140.0～390.0 mg/L（平均值为297.1 mg/L）；主要阴离子为含量为372.2～1 305.8 mg/L（平均值为951.9 mg/L）。

3.2 水岩作用分析

地热水均具有较高的Na/Cl值，其中尤以折多塘温泉最明显，高达15.8，但水中的SiO2的含量较低（图4），表明与其他水热区相比，折多塘水热区地热水与围岩的水-岩作用程度和机制均存在较大差异。

图4 研究区水样TDS含量与及SiO2含量与Na/Cl浓度比值关系图Fig.4 Relationship between TDS and concentrations and SiO2 concentration and Na/Cl concentration ratio of the water samples

3.3 热储温度估算

在估算热储温度前，首先利用Giggenbach Na-KMg三角图解判断地热水的水岩平衡状态图[17-18]。研究区内地热水样品均落在未成熟区域，说明其与矿物并未达到水-岩平衡，地热水在出露过程中受到了浅部冷水的混合（图5）。本次在使用阳离子地热温标估算热储温度时结果偏差较大，故而不宜采用。本研究采用SiO2地热温标估算热储温度。在估算热储温度时，需要注意浅部冷水混合作用的影响。

图5 研究区地热水的Na-K-Mg三角图[17]Fig.5 Na-K-Mg triangle diagram for the geothermal waters

本次研究采用SiO2矿物地热温标估算地热水的热储温度。在估算前先判别不同SiO2矿物在地热水中的平衡状态，采用Phreeqc软件模拟得到SiO2矿物石英和玉髓的饱和指数分别为0.58～1.12和0.15～0.69，说明石英在地热水中的饱和程度更高，故本次研究采用石英地热温标估算地热水的热储温度，计算结果为104～172 ℃。选用浅部冷泉的温度15 ℃和SiO2平均含量8 mg/L，通过Fournier硅-焓方程[19]估算深部初始地热水温度为195～260 ℃，冷水混合比例为0.56～0.81（表1）。

表1 研究区水样的水化学和同位素测试分析结果Table 1 Hydrochemical and isotopic constituents of the water samples in the study area

3.4 补给来源分析

地下水样品的δD-δ18O值可以用来查明其补给来源[20]。根据测试结果建立研究区地热水δD-δ18O关系直线图（图6），可知大部分地热水样数据点均落在大气降水线右下方，地热水的δD和δ18O值与地表水相比都更低，说明地热水补给高程较地表水的取样点高程高。中谷温泉及研究区沟水、河水水样数据点均落于大气降水线左上方，说明这些地区相对蒸发强烈，海拔纬度相对较低。

图6 研究区地热水的δD-δ18O关系Fig.6 Plot of oxygen and hydrogen isotopes of the water samples

Craig[21]认为在地热系统的高温状态下，深部循环的地热水和围岩之间发生氧同位素交换，表现出“氧同位素漂移”，岩石矿物中的氢元素含量很少，水岩间的氢同位素交换无从进行，因而地热水的δD与大气降水一致。

根据δD的高程效应计算补给高程，确定补给区域，补给高程计算公式为：

式中：H—地热水的补给高程/m；

h—地热水高程/m；

δD—地热水的δD/‰（SMOW）；

δD0—地表河水的δD/‰（SMOW）；

graD—δD随高程递减梯度。

我国西南地区δD的高程递减梯度为-2.6‰/100 m[22]。基于δD计算补给高程，结果为3 768～4 926 m。

3.5 成因模式分析

研究区控制地热水发育的断裂主要为雅拉河断裂，其次为色哈拉断裂和玉龙溪断裂。地热水主要沿雅拉河断裂呈串珠状出露，在色哈拉断裂和玉龙溪断裂上零星分布。因此，研究区的水热活动在雅拉河断裂最强，向西逐步减弱，向东无温泉出露，是地热冷区。地质结构、水化学和氢氧同位素分析结果表明，研究区地热水循环深度大，补给高程高，补给区为折多山西南方向的贡嘎山北坡海拔4 000 m以上区域，补给来源主要为大气降水、融雪水和浅层地下水。地下水通过北东—南西向的张性裂隙朝北东方向下渗和运移，在雅拉河断裂带3 000～4 000 m深度受热形成高温地热水，地热水形成后沿断裂交汇部位上升，最终在地表出露形成温泉。研究区的地热水成因模式如图7所示，属于这一成因模式的温泉水温一般受两组结构面交汇深度控制，深度较大，水温较高、流量较稳定。研究区内出露温度60 ℃以上的温泉，大多属于该成因模式。

图7 研究区地热水成因模式图Fig.7 Genetic mode of geothermal waters in the tunnel area

3.6 地热水对铁路建设的影响分析

高温热害问题会严重干扰隧道施工的进度与隧道结构的稳定性，因此研究地热水对隧道的潜在危害十分必要[23]。

本次研究表明，川藏铁路在康定地区主要穿越折多塘、康定和中谷3个热水区，其中康定和中谷热水区的温泉露头数量较多，折多塘仅发现一处典型温泉露头。水化学分析结果表明，3个热水区的水岩反应过程各异，具有不同的地热温标，中谷和康定的热储温度较高，由于中谷热水区距离铁路较远，对隧道修建的影响较小；康定热水区距离铁路隧道较近，在隧道修建时应该做好高温防治工作。

地球内部的热能通过岩层传导和地热流体的对流作用不断向地表散失，热流方向总是垂直于地面，因此大地热流值可以表征热流状况[24]。通过搜集研究区大地热流汇编数据以及岩石导热率数据[25]，研究区地温场为：

式中：Ts—常温带温度；

d0—常温带深度；

q—大地热流值；

Kr—岩石导热率；

z—深度；

T—温度。

本次采用FEFLOW软件对隧道区域地温场进行二维数值模拟计算，此次模拟范围约2 298.82 km2，共剖分50 000个网格，运用Heat模块，计算研究区100 m深度地温场，见图8。

图8 隧址区100 m深度地温场模拟图Fig.8 Simulated geothermal field at a depth of 100 m in the tunnel area

由图8可知，研究区100 m深度地温场温度为35.4～95.1 ℃。康定、折多塘、中谷均为温度较高区域，其中康定地区温度最高，为95.1 ℃，折多塘地区温度为83.3 ℃，中谷地区温度为80.0 ℃。地温场模拟图显示，在铁路线路穿越地区有部分相对低温区域，成为有利于隧道修建的相对低温通道。

此外，根据钻探资料分析，鲜水河断裂带折多山地热明显受构造控制，水热活动区展布方向与鲜水河断裂方向基本一致，鲜水河断裂带的主体构造为研究区内的主要导热构造，是深部热源上升对流的主要通道，次级分支断裂与节理密集带是主要的导水通道，分支断裂与主体构造的交汇部位一般岩石破碎、裂隙发育，为地热水的运移、储存提供了有利条件，决定着温泉的出露与分布情况。在宏观上，研究区内各热水区沿鲜水河断裂带呈串珠状分布，每个热水区内，有数个或数十个温泉群组成，每个温泉群内有若干泉眼，各个地热水集中出露区之间间隔数公里。因此，综合分析认为，在各热水区间，存在有利于隧道修建的相对低温通道。