云南尼格地区热泉成因研究

2022-01-06张家文马鑫文

科学技术与工程 2021年34期

张家文，吴勇*，刘琴，马鑫文

(1.成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059;2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

热泉是自然界长期演化的产物，是地热活动的直接表现形式，同时蕴含着丰富的地热信息和水文地质信息。其分布多沿断裂带展布，受断裂构造带的控制。云南地区作为中国主要的地热资源富集区域之一，该地区热泉资源极其丰富，天然出露的热泉达1 000多处。但丰富的地热资源也为交通、水利水电工程建设带来不少困难。现如今在地热资源丰富的地区开展隧道工程建设过程中，高地温高水温问题是建设过程中主要的难点问题之一。热泉是地热资源的排泄出口，连通地下热源，从热泉成因着手来对高地温高水温地区的热源进行探查，可起到追根溯源之效。

前人已对区域性地热状况[1-2]、温泉成因模式[3-4]做了大量研究。大多数研究认为在地下热水中水文地球化学方法和同位素分析是解决该类型问题的重要方法。Belhai等[5]运用水化学方法和同位素数据，研究了阿尔及利亚东北部热泉的形成机理，认为在该地区的大气降水通过导水通道，经地下热储加热后沿导水通道溢流成泉。Haile等[6]通过构建区域地下热水流动模型，结合地下热水中水化学和同位素进行分析，探讨了美国西海岸平原含水层地下热水的化学演化模型。徐成华等[7]、高宗军等[8]通过分析地下热水中的离子成分以及水岩相互作用特征，探讨了地下热储的赋存状况以及地下热水的循环演化模式。王志祥等[9]利用阳离子温标法计算渝东南地区地下热储温度。白玉鹏等[10]利用云南弥勒红河谷温泉的水文化学特征对其成因进行探讨，认为该地区温泉属中低温热泉。高芳芳等[11]在通过分析瓦纳温泉的发育特征以及实测隧道岩温数据，对铁路隧道周边高地温风险地区进行预判。余鸣潇等[12]通过水化学方法，认为大控蚌温泉为大气降水经地壳内部深循环加热，最终沿断裂带溢流成泉。闫佰忠[13]构建了长白山玄武岩区热泉成因体系，提出了多种类型的温泉成因模式，并对典型温泉成因模式进行了细致阐述，大体分为火山岩浆型、沉积盆地型和构造断裂型三类成因模式。

基于此，现以云南尼格隧道在开挖过程中，隧道内出现的高地温高水温现象为研究对象，在查明尼格地区构造地质和水文地质条件的基础上，结合同位素和水化学特征资料以及该区域放射性元素测试结果，分析和总结尼格地区三个典型热泉出露特征，开展研究区热泉演化模式的研究，探究该地区热泉形成过程的热水来源、演变过程、水岩作用等特征，揭示该地区热泉成因模式及其循环演化过程。以期为揭示云南尼格地区地下热水的热循环机理提供技术依据，同时为当地隧道工程建设和地热资源的开发利用提供参考。

1 水文地质概况

1.1 地质构造背景

研究区地壳运动剧烈，新生代经历多次火山活动，引发燕山中、晚期花岗岩的重熔重塑作用，在这个过程中大量基性火山岩和酸性岩侵入地壳之中，深部的地幔热异常体为其提供热源，上覆的花岗岩地层是地热流体的热储层，喷出的熔岩起保温盖层的作用，使得区内有着丰富的地热资源。

大地构造位于华南褶皱系、杨子淮地台西缘的个旧断褶束南部、红河深大断裂带北东侧(图1)。研究区周边发育三组构造作用形成的张扭性裂隙，以及相对较微观的密集风化裂隙，地质构造条件极其复杂，断裂带呈现陡峻的深切河谷地貌，跌水发育[14](图2)。

图1 尼格地区大地构造位置Fig.1 Geotectonic positionin Niger area

图2 尼格地区地质简图Fig.2 Geological mapin Nige area

1.2 水文地质条件

研究区地下水类型整体划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶含水以及基岩裂隙水。

(2)碳酸盐岩岩溶含水。含水层为三叠系中统个旧组上段(T2g2)灰岩以及三叠系中统法郎组(T2f)灰岩，岩溶裂隙、岩溶管道发育，具有径流短、排泄快、水位动态变化显著的特点。

(3)基岩裂隙水。主要赋存于燕山期花岗岩 [γ53(a)]基岩裂隙中，研究区主要为带状富水，沿断裂带分布，在张扭性断层以及断层交汇带处形成富水带。

2 水文地球化学特征

2.1 水化学特征分析

由表1数据绘制尼格地区热泉Piper图(图3)，尼格温泉和老虎滩温泉为HCO3-Na型水，是由于花岗岩中含大量的硅酸盐矿物例如钠长石，其在水循环过程中发生溶滤作用。另外老虎滩温泉中偏硅酸含量相对较高，是由于该温泉发育在燕山期花岗岩[γ53(a)]中，燕山期花岗岩[γ53(a)]主要的氧化物为SiO2，热泉在深层地壳运移、循环演化过程中，不断溶滤其中的SiO2，使得水中的SiO2相对其他水样含量偏高；丫沙底温泉和尼格隧道内岩溶水水质类型为HCO3-Na·Ca型水，是由于这两个地区为碳酸盐地区，Ca2+的浓度受方解石、石膏等矿物的控制，所以该地区地下水中Ca2+含量相对较高。整体来说，研究区的大气降水在花岗岩地区沿深大断裂带进入地壳内部，花岗岩中钠长石矿物由于溶滤作用，不断溶解，在花岗岩地区形成HCO3-Na型水，花岗岩地区的HCO3-Na型水在深部水循环过程中流经碳酸盐地区，在这个过程中，碳酸盐地区的方解石、石膏等矿物中的Ca2+由于溶滤作用不断进入水中，最终形成HCO3-Na·Ca型水。

图3 尼格地区热泉Piper图Fig.3 Piper diagram of hot springs in Nige area

2.2 同位素特征分析

H和O作为H2O中重要的组成部分，这两种元素参与水循环过程中，水的蒸散发、水的混合作用以及各种各样的水岩相互作用，其稳定同位素δ18O和δD能够反应水在不同作用下不同纬度中的演化规律。稳定同位素δ18O和δD在这些规律中呈现出极强的相关性，能够将其作为特定的示踪剂，反应地下水补给、径流、排泄特征及其演化规律。利用稳定同位素(δ18O和δD)确定研究区热泉的补给特征，通过前人建立的全球大气降水回归方程[15]进行计算。

全球大气降水回归方程为

δD=8δ18O+10

(1)

利用研究区不同水样δ18O和δD稳定同位素的检测数据(表2)，绘制δ18O-δD 稳定同位素关系曲线(图4)。研究区中4个热泉水样点均散落在全球大气降水回归方程周边，表明其补给来源均为大气降水，通过深大断裂带入渗补给地下水。从图4中还发现，这些水样点出现轻微的O漂移现象，说明该区域水岩作用不强烈。

根据前人研究，大气降水中的稳定同位素(δ18O和δD)的分布具有明显的高程效应[15]，常用该效应对热泉的补给高程进行计算。中国西部地区大气降水中δ18O和δD同位素与高程的线性回归式[12]为

表1 尼格地区热泉水化学检测数据Table 1 Chemicalanalyses of hot springs in Nige area

δ18O=-0.003 1h-6.19

(2)

δD=-0.026h-30.2

(3)

式中：h为补给高程，m。

利用式(2)和式(3)计算得到补给区各热泉的补给高程，结果如表3所示，用δ18O相关方程计算得到的补给高程明显低于用δD相关方程计算得到的补给高程，是由于在深循环过程中，δ18O易与周边围岩发生反应，没有δD稳定。因此综合两种方程的计算结果求取该地区热泉的补给高程，更切合实际补给区情况。结果表明尼格地区热泉的补给高程在1 853.77～2 004.33 m。推测补给区大致位于尼格隧道东北方向的花岗岩地区，处于南-北(S-N)方向的小江地震带与南-西(N-W)方向的红河断裂地震带交汇处，该区域整体呈现X型展布，为大气降水入渗补给地下水提供了良好的条件[16]。

理论上存在这种性质的地热温标均可用于估算热储温度，这里选用SiO2温标法对该地区热储温度进行估算[13]，计算公式如下。

表2 热泉水样δ18O和δD同位素检测结果Table 2 Results of δ18O and δD isotopes of hot springs

图4 热泉水样的δ18O-δD关系图Fig.4 Plot of δ18O-δD of hot springs

表3 尼格地区热泉的补给高程Table 3 Estimated temperature of hot springs in Nige area

石英温标-无蒸汽分离或混合作用：

T=-42.198+0.288 31SiO2-3.668 6×

10-4(SiO2)2+3.166 5×10-7(SiO2)3+

77.034lgSiO2

(4)

石英温标-无蒸汽损失(0～250 ℃)：

(5)

石英温标-最大蒸汽损失在100 ℃(0～250 ℃)：

(6)

通过上述公式对研究区热储温度进行估算，尼格地区地下热储的温度大致在98.68～125.71 ℃，计算结果如表4所示，研究区内尼格隧道在开挖过程中出现最高地温是88.8 ℃，考虑到热泉循环深度比隧道最大埋深更深，认为数据该计算结果可靠，同时热泉沿着断层破碎带上升的过程，与浅层地下水混合，使得SiO2的浓度被稀释，利用现有SiO2浓度计算得到热储温度比实际地下热储温度会偏低一些。

2.3 循环深度

根据研究区所处的地质构造特征以及氢氧同位素特征，该区域热泉出露受断裂构造控制。可利用式(7)估算热水循环深度：

(7)

式(7)中：H为热泉循环深度；Ts为热储温度；T0为当地多年平均气温，取值16 ℃；K为热导率，取值2.933 W/(m·k)[16]；Q为热流密度，取值0.173 W/m2；H0为恒温层深度，取值30 m。

式(7)计算结果如表5所示，研究区热泉循环深度为1 431.70～1 890.07 m，平均循环深度为1 660.89 m。循环深度相对较浅，表明该处热泉主要热量来源并不依靠地热增温，而是存在深部热异常体或其他形式的热量来源。

表4 尼格地区热泉的热储温度Table 4 reservoir temperature of hot springs in Nige area

表5 尼格地区热泉的循环深度Table 5 Circulation depth of hot springs in Nige area

2.4 冷热水混合比例

研究区内岩溶裂隙、断裂构造发育，地下水的径流排泄条件好，当地下热泉沿着断层破碎带上升的过程，会与浅表部地下水相互混合，使得热泉中SiO2的浓度被稀释。热泉与浅表地下水混合会导致深部热水的初焓和SiO2的初始含量下降到热水出露时的终焓和 SiO2含量。现假设冷水混入量占泉水量的比例为X，则可得到硅-焓方程计算冷热水相互混合的比例[17]。

ScX+Sh(1-X1)=Ss

(8)

SiO2cX+SiO2h(1-X2)=SiO2S

(9)

式中：X、X1、X2为冷水混入泉水量的比例；Sc为近地表处冷水的焓，取当地年平均气温16 ℃；Sh为深部热水的初焓；Ss为泉水终焓；SiO2c为近地表处冷水SiO2含量，近地表处冷水SiO2含量23.07 mg/L；SiO2h为深部热水中SiO2含量；SiO2s为泉水中SiO2含量，是Sh的函数。将方程化简后得

(10)

(11)

将表6中热水温度、焓和SiO2含量的相关关系[18]，代入式(10)和式(11)中，就能够得到表7一系列的X1和X2值，由该数据绘制图5，各曲线的交点即为该处泉点的冷热水混合后的比例。结果显示，丫沙底温泉、尼格温泉和老虎滩温泉混合比例分别为35%、43%和80%，热储温度分别为130.18、108.19、216 ℃。其中丫沙底温泉和尼格温泉使用冷热水混合法估算的热储温度与二氧化硅温标法估算得到热储温度基本一致。老虎滩温泉冷热水混合比在80%左右，冷热水混合比例大，表明其在上升过程中混入了大量的冷水，这也就能解释为何老虎滩温泉中SiO2的含量最多，而出水口水温却表现为相对低水温。另外，该处温泉使用冷热水混合法计算得到的热储温度为216 ℃，而使用SiO2温标法估算得到的热储温度在125.71 ℃。这是由于冷热水混合法计算时采用的是理想状态下的参数，实际地壳深部的热储情况错综复杂，地壳深部SiO2与理想状态略有偏差，由冷热水混合法计算得到的结果偏大，故采用二氧化硅温标法估算得到的热储温度作为该泉点的地下热储温度。

3 热泉成因机制分析

3.1 盖层

图5 冷热水混合比例Fig.5 Mixing ratio of hot and cold water

表6 热水温度、焓和 SiO2含量关系Table 6 Relationship between temperature,enthalpy and SiO2 contents

表7 尼格地区热泉X1和X2计算结果Table 7 Results of X1 and X2 of hot springs in Nige area

3.2 导热通道

导热通道连接水源、热储和热源，是该区域水热循环的运移通道。一方面断裂构造作为导热通道，将上地幔热能沿断裂带从地壳深部传导到浅部地层，使得浅表地层具有较高的地温，形成高温地热异常区；另一方面，断裂构造带为热泉运移通道，控制着水热活动，对其循环、分布起着引导作用。

断裂带又分张扭性断裂与压扭性断裂，张扭性断裂是良好的导热导水通道，压扭性断裂导水性能极差，具有良好的隔水、隔热性能。研究区内断裂构造发育，热泉多沿断层破碎带分布，具有明显的继承性，一般出露在张扭性和压扭性断裂带的复合地带，整体呈带状分布。研究区内发育多组由于构造作用形成的张扭性裂隙。区域内发育的导热通道有断层Fn1、断层fn1、断层Fn2，共同控制着该区域热泉分布(图2)。

3.3 热源

热泉的形成必须要有热源，其来源主要包括火山岩浆喷发产生的岩浆余热、地壳深处上地幔的传导热和岩石中放射性元素衰变生热等[19]。对于火山岩浆喷发产生的岩浆余热，该类热源主要为新生代(65 Ma至今)、特别是第四纪(1.64 Ma至今)以来岩浆岩活动的余热产生。根据对研究区现场调查结果，尼格地区分布的花岗岩属燕山期花岗岩。燕山期构造期属中生代，岩浆活动形成时间较早，出现岩浆活动余热的可能性较小。尼格地区周边深大断裂，次级断裂等构造发育强烈，其中深大断裂直接连接着地壳深处，具有良好的深成地下环境，区域上地幔热流以热传导的方式向上传导将热量传递给沿深大断裂循环的大气降水。在这个过程中由于H2S的富集会形成H2S气囊(如在尼格隧道施工进程中，揭示出 H2S有毒气囊)，地幔深处属强还原环境，硫化物主要以H2S气体的形式存在，在浅部氧化环境中H2S气体会被转化为更加稳定的S和SO2，因此该处的H2S气体来源于地壳深部。由此推测该区域地幔热流通过热传导作用对热泉进行供热，伴随着H2S气体的富集，上地幔传导热为该区域的重要热源。另外，地壳岩石中放射性元素衰变生热也是区域热泉的重要热源，该区域花岗岩的平均生热率为9.48 μW/m3[16]，高于全球中新代花岗岩放射性元素衰变平均生热率3.09 μW/m3[20]，认为岩石放射性衰变生热同样是该区域热泉的热源之一。

综上所述，该区域热泉的热源为上地幔热流供热与花岗岩中U、Th、K等放射性元素衰变生热，二者相互叠加，形成复合型热源。

3.4 成因机制分析

研究区内热泉特征可概括为：①热源来自上地幔传导热和花岗岩中放射性元素衰变生热，二者相互叠加，形成复合型热源；②热泉出露点受构造控制，特别是张扭性与压扭性断裂的复合地带；③具有良好的盖层和导热通道；④补给来源为大气降水，热储温度在98.68～125.71 ℃，循环深度在1 431.7～1 890.07 m，水循环至地壳浅表部发生冷热水混合作用；⑤热泉的水化学组分来自水岩作用，水化学类型为HCO3-Na·Ca型和HCO3-Na型；⑥热泉的循环深度较浅，且热储温度不高，为中-低温地热系统。

对于该系统而言，大气降水在花岗岩地区沿深大断裂向地壳深部做深循环，与花岗岩岩体发生水岩作用获得其主要离子组分，形成HCO3-Na型水，继续循着断裂带补给碳酸岩地区，获得其主要Ca2+组分，形成HCO3-Na·Ca型水。在这个过程中，上地幔的深部热流沿着Fn1、Fn2深大断裂带向上传导，伴随着燕山期花岗岩中U、Th、K等放射性元素衰变产生的衰变热不断叠加，补给的大气降水被加热形成热泉。综上所述，该地区热泉的成因可概括为：热源为上地幔热流供热与花岗岩中U、Th、K等放射性元素衰变生热一起构成的复合型热源，具备良好的盖层和导热通道，主要接受大气降水补给，沿深大断裂进入地壳内部，受上地幔传导热加热，同时受花岗岩中U、Th、K等放射性元素衰变加热，在水循环过程中与周边岩石发生水岩作用，得到其主要离子组分，水循环至张扭性和压扭性断裂复合地带附近，沿断层破碎带上升，在地壳浅表部与浅表地下水发生水热混合作用，最终在碳酸岩地区或沿断裂带出露于地表(图6)。

图6 热泉成因模式示意图Fig.6 Schematic diagram showing the genesis of hot springs

4 结论

尼格地区热泉的成因模式属断裂构造型。通过对该地区区域水文地质条件、热泉水化学特征以及地下热储特征等进行研究，得出以下结论。

(1)热泉的水化学类型为HCO3-Na·Ca型地下水和HCO3-Na型地下水。其补给来源为大气降水补给，补给高程约1 853.77～2 004.33 m，热储温度大致在98.68～125.71 ℃，循环深度为1 431.7～1 890.07 m，丫沙底温泉、尼格温泉和老虎滩温泉混合比例分别为35%、43%和80%。