鲜水河断裂热水焓–质关系对隧道工程热害的指示

利满霖，徐正宣，漆继红*，许 模，易 磊，李 潇

(1.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；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

川藏铁路建设是中国交通强国策略中拓展投资空间的重要举措之一，其穿越的鲜水河断裂带不仅是中国著名的活动性强震带，也是川西最强烈的地热活动带之一，其中，康定至道孚段分布有30个以上的温泉群。水热活动会对铁路施工及后续的运行产生不利影响，是川藏铁路穿越鲜水河断裂带需要考虑的重要因素之一。研究鲜水河断裂带的水热活动模式、运移过程及理化性质不仅可为隧道选线提供依据，也能为该地区未来地下工程建设的热害预测及防治提供一定的参考。

目前，大部分观点认为鲜水河断裂带上的热水不是相互孤立的水热系统。众多学者通过不同方法对鲜水河断裂带的热水成因做出了一定判断。赵庆生通过分析康定榆林宫至道孚段的热水水质，总结出该段热水具有地球化学分带性，认为该段的热水来自共同热储。陈喜昌通过热水理化性质分析，认为康定地区热水属于柱状汇流型成因机制。罗来麟和梁云甫等分析温泉出露位置及构造部位，认为川西温泉主要出露于主断裂与次级断裂交汇处。此外，刘艳明通过可控源音频大地电磁法推测康定驷马桥小热水地区存在一个分布不均匀的带状热储；Zhang、李午阳等利用重力异常、航磁异常及地震S波进行分析，得出鲜水河断裂带康定地区深部约17.5 km处存在一个东西向的大型侵入岩浆囊，可能是鲜水河断裂带热水成因的重要热源之一。李晓等通过水化学和氢氧同位素分析，总结出康定至道孚段的热水水化学规律和水热活动强弱特征，认为热源与岩浆侵入有关。

上述对鲜水河断裂水热系统的分析，多数都离不开对水热系统热焓–溶质关系的研究。焓的物理表征为水热系统的温度；溶质体现在水中组分的含量，如阴、阳离子含量，偏硅酸浓度等。热焓–溶质关系的研究即为使用Na–K–Mg平衡关系图解判断热水达到平衡状态后，运用阳离子温标推算热储温度，以及使用硅–焓特征推算冷、热水混合程度的过程。除此之外，在其他水热系统特征研究中，使用氯–焓特征绕过温标法受化学平衡条件的限制，以及冷水混合的影响，对热水冷却过程进行分析。如：Mutlu、Guo等使用氯–焓图分别对土耳其阿菲永地区、中国西藏羊易地区、中国西南地区的热水冷却过程和热储温度进行分析。

目前，尚无综合运用上述多类热焓–溶质关系，分析鲜水河断裂水热运移过程、水热通道特征的研究。本文通过鲜水河断裂带水热活动中热焓–溶质的内在联系，剖析热水冷却过程及运移模式，讨论热水汇流特征，建立康定至道孚段多级次、多类型热水运移、冷却的概念模型，识别工程区热害类型和特征，探讨川藏铁路隧道选址的合理性，为隧道施工提供建议。

1 研究区地质背景及水热活动

研究区位于中国西南部，地处四川西部与西藏东部交界。鲜水河断裂带位于青藏高原东缘，大致呈北西走向，与东侧北东走向的龙门山断裂及南侧南北走向的安宁河断裂共同构成了“Y”字型构造。鲜水河断裂是一条板块内大型左旋走滑活动断裂带，大地构造上位于松潘—甘孜地槽褶皱系内部，其北东侧和南西侧分别为巴颜喀拉块体和川滇块体，如图1（a）所示。鲜水河断裂带分为北西段、中段及南东段。研究区展布的次级断裂有鲜水河断裂北西段的左旋次级断裂—乾宁断裂（F）；鲜水河断裂中段近于平行展布的3条北西向次级断裂，分别为雅拉河断裂（F）、色哈拉断裂（F）和折多塘断裂（F），以及鲜水河断裂南东段（F），如图1（b）所示。

鲜水河断裂带是川西地热活动最强烈的地区之一，如图1（b）所示。康定至道孚温泉出露频繁，热水沿断裂带与次级断裂交汇部位出露，形成康定、中谷、八美和道孚4个水热活动区，呈串珠状分布，且各水热活动区之间无典型温泉群出露。康定水热活动区处于雅拉河断裂（F）和色哈拉断裂（F）交汇处，南北大致以榆林宫和二道桥为界，温泉多于河谷谷底出露；中谷水热活动区位于康定水热活动区西北方，处于雅拉河断裂（F）上，该活动区温泉多出露于雅拉河两侧河谷；八美水热活动区处于鲜水河断裂带北西段乾宁断裂（F）和中段交接部位，热水平均出露高程相对前两个活动区较高，且温泉出露的数量明显减少；道孚水热活动区温泉主要沿次级北东向张扭性断层分散出露，平均出露高程最高。各水热活动区内热水出露特征大致相同，均表现为活动区内含多个温泉群，且各温泉群内有泉眼若干。

研究区内大面积出露变质岩，岩性以变质砂岩为主。以侵入岩为主的岩浆岩包括晋宁期康定杂岩、印支期黑云母花岗岩和燕山期黑云母花岗岩与混合岩，主要以块状–带状分布，大面积出露在鲜水河断裂带各次级断裂两侧。此外，志留系的灰岩、大理岩及泥盆系的结晶灰岩沿二道桥至大渡河流域呈条带状分布，如图1（b）所示。

图1 研究区构造纲要及水热活动区分Fig. 1 Tectonic outline and hydrothermal activity division of the study area

表1为鲜水河断裂带康定榆林宫至道孚热水水化学数据。

如表1所示，榆林宫热水类型为HCO·Cl–Na型，矿化度最高为2 968 mg/L，Cl含量最高为895.7 mg/L，最高出露温度为84 ℃；二道桥热水类型为HCO–Ca型，Ca含量最高，最高矿化度为1 306 mg/L，Cl含量最高为54.5 mg/L，出露温度最高为44 ℃；中谷热水类型为HCO–Na型，矿化度最高为1 315 mg/L，Cl含量最高为99.3 mg/L，出露温度最高为62 ℃；八美热水类型为HCO–Na型，最高矿化度为706 mg/L，Cl含量最高为35.5 mg/L，出露温度最高为66 ℃；道孚热水水化学类型多变，但以HCO–Na型为主，最高矿化度为1 447 mg/L，Cl含量最高为23.8 mg/L，出露温度最高为54 ℃。总体上，榆林宫至道孚的热水出露温度和Cl含量由南至北逐渐减小，呈现出水热活动由南至北逐渐减弱的特征。

表1 鲜水河断裂带康定榆林宫至道孚热水水化学数据
Tab. 1 Hydrothermal hydrochemical data from Yulingong to Daofu in Kangding, Xianshuihe fault zone

地点 热水点编号位置出露温度/℃ 矿化度/(mg·L–1)常量元素含量/(mg·L–1)水化学类型Ca2+ Mg2+ Na+K+HCO-3SO2-4Cl– SiO2榆林宫S01榆林村白湾841 002.44.00.6 340.0 40.0 530.9 25.1 223.4 101.0HCO3·Cl–Na S02灌顶温泉811 430.8 40.1 14.6 400.0 55.0 720.0 75.8 294.3 178.3HCO3·Cl–Na S03龙头沟温泉701 649.6 12.0 29.2 550.0 56.0 1 019.0 0.1 260.6 93.6HCO3·Cl–Na S04榆林村温泉641 949.77.07.3 650.0 75.0 1 304.3 16.4 340.4 95.6HCO3·Cl–Na ZK05老榆林2092 868.03.51.9 954.0 96.5 895.4 22.2 875.1 171.2HCO3·Cl–Na ZK06老榆林1722 958.00.20.6 963.0 100.1 909.2 24.4 895.7 175.3HCO3·Cl–Na ZK07老榆林2102 427.00.11.9 840.1 86.5 1 006.9 39.9 705.7 154.0HCO3·Cl–Na二道桥S08清泉村温泉401 147.1 320.6 30.4 74.0 12.0 1 281.4 11.5 46.1 93.1HCO3–Ca S09二道桥44903.7 251.0 35.0 98.8 13.6 953.0 10.2 53.3 50.9HCO3–Ca S10二道桥421 306.5 368.5 41.5 99.6 13.4 1 432.0 11.8 54.5 54.9HCO3–Ca S11热水塘1471 009.3 71.1 16.4 270.0 30.0 897.06.564.9 96.5HCO3–Na S12热水塘2621 315.8 80.2 13.4 340.0 32.0 1 128.8 5.083.3 114.5HCO3–Na S13亚拉乡1451 297.5 98.2 20.7 390.0 38.0 1 281.4 10.0 99.3 96.2HCO3–Na S14亚拉乡2501 222.0 90.2 21.3 370.0 36.0 1 305.8 2.985.1 85.2HCO3–Na S15大盖137805.434.1 9.1 280.0 31.0 762.78.958.5 81.5HCO3–Na S16大盖2461 132.0 45.1 7.9 290.0 34.0 915.38.676.2 104.5HCO3–Na八美S17热水塘48584.140.1 4.3 185.0 12.0 549.23.035.5 75.0HCO3–Na S18亚拉神山66706.113.0 1.2 158.0 6.6344.88.716.0 129.7HCO3–Na中谷道孚S19道孚二村温泉54640.846.1 7.3 165.0 16.5 616.39.49.278.8HCO3–Na S20七其沟温泉321 188.9 182.4 35.3 195.0 20.0 1 080.0 146.4 23.8 40.6HCO3–Ca·Na S21新江沟温泉491 446.6 28.1 20.7 530.0 20.0 1 543.8 22.20.450.2HCO3–Na S22龙晋沟1号温泉42956.261.1 18.2 280.0 15.0 1 012.9 4.516.7 52.8HCO3–Ca·Na S23苍龙沟温泉41777.784.6 48.0 130.0 20.0 863.0 14.03.944.5 HCO3–Na·Ca·Mg

2 数据处理及分析

2.1 数据分析思路

利用焓–质关系对热水数据进行筛选后，可估算热水的热储温度、混合程度及冷却过程，具体思路如下：1）利用Na–K–Mg平衡关系筛选处于部分平衡状态以上的热水，并利用阳离子温标估算其直接热储温度；2）使用硅–焓关系估算处于非平衡状态的热水的直接热储温度及混合程度；3）将前两步估算的直接热储温度与氯–焓关系相结合，推测热水的冷却过程及热水系统的深部热储温度。数据分析路线如图2所示，其中，直接热储为离地表热水最近的热储，深部热储为母地热流体来源的热储。

图2 数据分析路线Fig. 2 Data analysis roadmap

2.2 热水平衡状态分析

图3为研究区热水点Na–K–Mg三角平衡图解。如图3所示：康定榆林宫ZK05、ZK06、ZK07这3个钻孔的热水达到部分平衡；康定榆林宫S01处于部分平衡区下边界，其余热水点均为不平衡水。在Na–K–Mg三角平衡图中，大部分热水集中分布在三角图的Mg端，说明研究区大部分热水受到较多的冷水混合作用；此外，从Na–K–Mg三角平衡图中可大致读出处于平衡状态的热水热储温度约为240 ℃。

图3 研究区热水点Na–K–Mg三角平衡图解Fig. 3 Diagram of Na–K–Mg triangular equilibrium of hot water points in the study area

Na–K温标公式如式（1）所示：

式中：

t

为温度，℃；

c

和

c

分别为Na和K浓度，mg/L。

相比于其他温标公式，式（1）的计算结果受稀释和蒸汽分离的影响很小。在已知研究区热水均来自高温热储环境的情况下，Na–K温标法的计算结果相对较好。ZK05、ZK06、ZK07这3个钻孔的钻孔深度依次为267、109和2 010 m，运用式（1）估算平衡热水热储温度，结果见表2。

表2 平衡热水Na–K温标热储温度及焓值
Tab. 2 Equilibrium hot water Na–K temperature scale thermal reservoir temperature and enthalpy values

编号 出露温度/℃ 孔深/m Na–K温标热储温度/℃ 焓/（kJ·kg-1）S0184.00—245.621 064.5 ZK05209.00267233.241 005.2 ZK06172.00109235.431 015.6 ZK07210.002 010234.671 012.0

2.3 热水的硅–焓特征

因大部分热水受到冷水不同程度的混合而未达到新的水–岩平衡，故无法使用阳离子温标法对其热储温度进行估算。本文使用二氧化硅混合模型，即硅–焓图解对未平衡热水的热储温度进行估算。当热水满足混合后，无传导冷却且混合前后二氧化硅都未曾发生过沉积现象时，二氧化硅混合模型得到的结果合理，但即使不满足上述条件，该模型的应用结果仍然较好。因为高温水热体系存在一定蒸汽损失，热储温度应处于石英溶解线和最大蒸汽损失线之间，但取样热水未达到当地沸点，热水蒸汽损耗的比重较低，故利用石英溶解曲线估算热储温度，得到榆林宫、二道桥、中谷、八美和道孚的热储温度分别为234、228、242、219、184 ℃，如图4所示。从图4可以看出，二道桥地区的温泉冷水混合比例最大，约为82%。

图4 热水硅–焓图解Fig. 4 Silicon–enthalpy diagram of hot water

2.4 热水氯–焓特征

图5为康定至道孚地热系统氯–焓图。如图5所示：A～F代表各处温泉氯、焓数据分布，I点为深部热储水汽分离点，线段AI表示深部热储通过绝热冷却形成钻孔热水的过程。冷水点G、榆林宫温泉B点和榆林宫钻孔A点在同一混合线上，榆林宫温泉相比钻孔热水表现出明显的混合作用，与Na–K–Mg三角图中表现出的冷水混合的结果一致，认为榆林宫钻孔A为深部热水经绝热冷却而得，其热储位置应处于线AI上。

图5 康定至道孚地热系统氯–焓图Fig. 5 Chlorine–enthalpy diagram of geothermal system from Kangding to Daofu

榆林宫热水的硅–焓图和Na–K地热温标的计算结果显示,其直接热储的温度约为235 ℃（对应焓值为1 014 kJ/kg），在图5中用水平直线①表示，直线①与AI的交点H代表榆林宫热水的直接热储位置。

同理，由二道桥、中谷、八美和道孚的硅–焓图解可求出其直接热储温度，依次对应图5中的水平直线②、③、④和⑤。在图5中做出各地温泉点与冷水点G的连线，GJ、GK、GL、GM表示热水上溢至地表时与冷水混合的过程。研究认为，各系统温泉来自榆林宫下部的共同热储，二道桥热水在混合前可能与榆林宫钻孔水有一段相同的绝热冷却过程，在地壳某深度处从榆林宫热水通道分离，分离点位置分析如下。

如图5所示，假设二道桥热水分离位置为N点或位于N点与O点之间，热水需要经过混合作用才可到达J点，而NO也为榆林宫热水的上升途经，这说明榆林宫的热水在到达榆林宫分离点前已发生冷水混合，与图5显示的榆林宫热水从A点开始发生混合不符。所以，二道桥热水经过的点应在OI之间或重合于点O。假设二道桥的分离点V为OI之间的任意一点，V点与O点重合与不重合的区别在于，后者代表更深的分离深度，且在后者情况下，可能存在一段热水上溢的绝热冷却过程，即图5中的UJ段。两种情况下，热水均在J点与二道桥可溶岩层中的冷水混合。二道桥热水的分离点V是在榆林宫绝热冷却通道中浮动的点。

与二道桥分析同理，中谷热水在线HI上的分离点不在线段PO之间，应在V点之上，或与V点重合。假设中谷的分离点R与V点重合时，图5表示中谷和二道桥的热水经过相同传导冷却后，中谷热水将先于二道桥热水上溢，这与两地实际位置关系矛盾。故中谷的分离点不会与二道桥的分离点重合，两个水热系统的分离点处于不同深度。

八美和道孚的热水循环运移距离长，热储点在AI上应处于一个较高的位置，两地热水水化学特征相近，Cl和Na含量不高，绝热冷却过程较短；同时，长距离运移使其温度较低，推测八美和道孚的热水均自S点，经传导冷却，先后在L和M点上溢与冷水混合，分别形成八美温泉和道孚温泉，此时中谷的分离位置R点可能位于V与S点之间，或与S点重合，两种情况的不同之处在于中谷热水分离点的位置不同。八美、道孚热水可能来自于相似的分离位置，但位置不能确定。

3 热水运移过程及铁路选线研究

3.1 热水运移过程

分析显示，榆林宫存在沟通地表与深部热储的通道，通道的不同部位存在北西向的传导冷却通道；榆林宫地区的温泉直接来自深部热储，其他地区热水则是由该深部热储热水上溢时，自榆林宫通道分离、运移形成。

如上所述，二道桥与中谷的分离点是浮动的，以二道桥分离位置V点与O点重合，以及中谷分离位置R点与S点重合的情况为例进行分析，对康定榆林宫至道孚段的热水运移过程进行推测，如图6所示。

图6 鲜水河断裂带榆林宫至道孚水热运移模式Fig. 6 Model of hydrothermal migration in Xianshuihe fault zone from Yulingong to Daofu

过程①：热水从榆林宫之下的深部热储S沿深大断裂经绝热冷却上升至浅部热储O点，随后继续沿断裂上升至榆林宫地表B，上溢至浅层时受到冷水混合作用；过程②：过程①的热水在上升至B点过程中，在O点以传导冷却方式向北西方向运移至J，接着由J点沿可溶岩含水层向上运移至二道桥形成温泉，该地的温泉受到冷水混合的比例最大，约为82%；过程③：热水从热储S往北西方向以传导冷却运移至T，然后，一部分热水由T点沿次级断裂以绝热冷却方式上溢至K点，继续上溢至中谷地表D的过程中受到冷水混合；过程④：运移至T的另一部分热水继续以传导冷却方式向北西运移至L，随后沿八美地区次级断裂上溢至地表E，上溢过程中受到冷水混合；过程⑤：过程④运移至L点的热水向北西方向以传导冷却方式运移至M后沿断裂上溢至道孚地表F点，上溢过程中受冷水混合。由于问题的复杂性，热储深度难以推测，更准确的信息需要更多资料才能确定，此运移过程仅为概念模式。

3.2 热水运移过程对选线的参考

如图6所示，据上述对水热系统热水运移过程的推断，将康定榆林宫至道孚段分为6个区域（Ⅰ～Ⅵ）。结合热水运移特征，分析隧道穿越各区域时的工程热害条件及热害特征，并对热害危险程度进行判断。

参考冯涛等对隧道热害分析评估的标准，通过热水冷却方式推断热水通道的导热水能力，结合冷水混合程度，得到研究区内各假设穿越区域热害危险程度的相对高低，如表3所示。表3中：Ⅲ和Ⅵ区为隧道热害风险相对低的区域；隧道选择穿越区域Ⅲ具有合理性；区域Ⅵ为榆林宫至道孚段浅层热害危险程度最低的区域，未来有其他工程建设需要从北面穿越鲜水河断裂带，线路设计可优先考虑区域Ⅵ。

表3 热水冷却特征与工程热害关系
Tab. 3 Relationship between hot water cooling characteristics and engineering heat damage

水热体系冷却途经隧道穿越时热害分析危险程度选线建议及防控措施榆林宫水热系统S①→O②→A③→B①绝热冷却；②绝热冷却；③混合。①→②的冷却过程为深度绝热冷却过程；表明水热通道贯通，强对流对传热有利，在断裂通道两侧地温高，热害程度呈断裂中心最强，向四周稍微弱。③为混合冷却过程。热水水化学类型为HCO3·Cl–Na型，特征保留了深部热水高Cl–含量的特征，混合程度弱，混合后热水温度依然较高，围岩热害程度较大。若隧道从区域Ⅰ穿越，在断裂通道附近，可能会遭受高温热水带来的高岩温；若隧道揭露导水导热断裂，还会出现高温蒸汽引起的热害。区域Ⅰ–高不建议隧道从此区域穿越二道桥水热系统S①→O②→J③→C①绝热冷却；②传导冷却；③混合。①的绝热冷却过程与榆林宫水热系统一致。②为一个缓慢流动、冷却程度很高的热传导过程，表明该过程通道不畅通，围岩导热能力较强，过程中氯含量没有变化，该过程可能仅有传热过程。③的混合冷却程度高，由水化学类型、硅–焓图解、氯–焓图均能获得此结论，混合程度为82%～85%，这与二道桥岩体破碎、分布碳酸盐地层有关。若隧道从区域Ⅱ穿越，热害程度比区域Ⅰ稍小，但是热害特征表现为分布面积较大，且热水水量大。区域Ⅱ–中等 不推荐隧道从此区域穿越中谷水热系统S①→T②→K③→D①传导冷却；②绝热冷却；③混合。①为一个缓慢流动、冷却程度小的热传导过程，表明该段围岩导热性可能较差。②为热水的快速减压绝热冷却过程，冷却幅度较大，断裂相交部位形成利于热水运移的良好导水导热通道，距离该通道越远，通道周围的热害程度越低。若隧道从区域Ⅲ穿越，由于底部围岩导热性差，浅层冷水混合较强，底部加热弱，浅层范围热害主要受次级导水导热断裂中热水影响。③为冷水混合冷却过程，硅–焓图和氯–焓图显示，冷水混合程度仅次于二道桥水热活动区。若隧道穿越区域Ⅳ，即穿越中谷地区的导水导热断裂，比起二道桥水热活动区，可溶岩不发育，冷水混合比较小，但热水温度较高，区域Ⅳ受高温热水影响。区域Ⅲ–较低隧道可穿越此区域。1）建议减少隧道埋深，避开含水岩层，绕开主要导热水断裂影响范围；2）加强隧道通风，高温段可采取人工制冷降温，做好疏排大量热水的准备；3）通过监测做好热害超前预报，合理规划施工人员作业时长。区域Ⅳ–中等 不推荐隧道从此区域穿越八美水热系统S①→T②→L③→E①传导冷却；②传导冷却；③混合。①过程与中谷水热系统一致。②过程同为传导冷却，但是冷却程度远超过①，表明在T与L点之间的围岩导热能力要强于S与T点之间的围岩导热能力。③为混合冷却过程，冷水混合比在各水热系统为中等，约为74%，热水的温度相比前3个地区较低。若隧道从区域Ⅴ穿越，不仅受到两侧次级导水导热断裂中热水影响，也会受到下部热水向围岩传热的影响，虽然热水水量相对较小，但是围岩温度偏高，且分布范围较广。区域Ⅴ–中等 不推荐隧道从此区域穿越道孚水热系统S①→T②→L③→M④→F①②③为传导冷却；④混合。①②③为传导冷却过程，热水埋深大，运移距离长，冷却程度高，对浅部围岩热害影响低。④为冷水混合过程，冷水混合量偏低，由于距离原始热储较远，热水温度较低。若隧道从区域Ⅵ穿越，整体热水水量不大，热水温度最低，热害主要发生在次级导水导热断裂附近，且热害程度低。区域Ⅵ–低隧道可从此区域穿越。1）建议减少隧道埋深，远离导热断裂；2）加强隧道通风降温措施及热水疏排准备3）通过监测做好热害超前预报，合理规划施工人员作业时长。

4 结 论

通过剖析热焓–溶质关系，加深了对鲜水河断裂带水热体系特征的认识，主要结论如下：

1）探讨了研究区热水的化学平衡，梳理出可利用阳离子温标估算热储温度的对象。

2）运用硅–焓模型估算不平衡水热体系的热储温度，判断热水与冷水的混合比例，得到榆林宫至道孚温泉的热储温度分别为234、228、242、219、184 ℃，二道桥地区冷水混合比例最大，榆林宫最小，分别为82%和68%。

3）通过氯–焓关系讨论热水的冷却过程，建立康定至道孚段的热水运移模式。探讨康定至道孚段隧道穿行区域的热水汇流、运移通道特征及热水冷却过程，认为区域Ⅲ的热害主要来自可溶岩中的热水，热水受冷水混合比例大，温度偏低且集中在可溶岩层中，隧道从区域Ⅲ穿越鲜水河断裂带具有合理性；区域Ⅵ的热害主要是围岩的岩温，但其与热源距离远，围岩受传热影响较小，围岩温度相对低，可作为未来交通工程穿行的优先考虑区域。