四川吉鱼温泉水文地球化学特征及成因机制分析

2022-11-29田梦莎李存旺

地下水 2022年6期

柯斌，吴勇，田梦莎，李存旺，宋鹏

(1.核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610000；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；3.四川省环境政策研究与规划院，四川成都 610041)

地热资源是赋存于地球深部的一种能源，它与石油、天然气、煤等不可再生能源不同，地热资源是作为一种新兴的环保能源，不论是从环保角度还是经济角度考虑地热资源都存在巨大的开发潜力[1]。四川开发了都江堰侏罗纪温泉、雅安周公山温泉、峨眉山灵秀温泉、安县罗浮山温泉及西部大峡谷温泉等多个顶级温泉，独特的盆地气候和地热地质条件为温泉的开发奠定了基础[2]。

目前，对于龙门山断裂带地热成因模式的研究，主要集中在龙门山前缘地带，如较为典型的绵竹酿春池温泉，对于龙门山后山断裂的地热成因模式研究相对较少。从八十年代以来，在四川地热水的研究中，对龙门山断裂带地区地热资源的研究较为贫瘠，主要是集中在川南和川西松潘甘孜地区[3]。因此，本文以出露于茂汶断裂(又称龙门山后山断裂)上盘白云岩地层中的吉鱼温泉为研究对象，在前人研究成果的基础上，分析其水文地球化学特征、水-岩作用程度及热储特征，浅析吉鱼温泉的成因机制，丰富龙门山后山断裂带地热成因模式的研究。

1 区域地质背景及地热异常特征

1.1 区域地质背景

区域上位于四川省西北部、阿坝藏族羌族自治州东南部，地处青藏高原向川西平原过渡地带。区内地势总体上呈现为西北高、东南低，岷江河谷两岸山势雄伟，河谷、沟谷深切多呈“V”字型，主要地貌类型存在极高山地貌、高山地貌、剥蚀-侵蚀中山地貌、第四系松散堆积地貌。区内气候总体上属高原型季风气候，降水量在各地区分配不均，年降水量均在500～800 mm之间。区内河流分属岷江水系和涪江水系，各级支流多呈树枝状。吉鱼沟为岷江的一级支沟，为“V”字型深切窄谷，干流长8.5 km，流域面积约15.2 km2，前人实测枯水期最小流量为0.4 m3/s，洪水期最大流量为0.7 m3/s。

区内经历了晋宁运动、加里东运动、华力西运动、印支运动、燕山运动等多次地壳运动，并相应产生了多时代的岩浆岩。涉及吉鱼温泉形成的岩浆岩活动为元古代晋宁-澄江期岩浆岩活动，为区内最强烈的一次岩浆活动，形成了元古代晋宁-澄江第四期黑云花岗岩(γ2(4))，分布于牟托一带以“牟托岩体”独立产出，被震旦系灯影组白云岩围绕呈“马蹄形”分布(图1)。

图1 区域水文地质略图

1.2 区域地热异常特征

根据区域布格重力异常图(图2)，区域图及资料反映境内龙门山地区的布格重力异常变化明显，均为负值，整体上呈现由西北向东南逐渐升高的趋势，同时也说明地壳厚度呈现逐渐减小的整体趋势。根据区域布格重力异常图及资料从松潘至龙门山前缘重力值从-300×105m/s2增大至-150×105m/s2，形成了线状密集的重力梯级带，龙门山断裂带重力值在-190×105～160×105m/s2之间，重力异常等值线走向与龙门山断裂带走向大致相同，等值线分布均匀，无重力高及突变部位。

2 吉鱼温泉的出露特征及水样采集及分析

吉鱼温泉出露于吉鱼沟右岸坡脚处，温泉出露部位距213国道约1.5 km，距茂县县城公路距离约18.0 km。吉鱼温泉共有两个出露点，两个出露点直线距离约10 m，根据吉鱼沟流向命名为：吉鱼温泉1#号，吉鱼温泉2#号。L两个出露点均出露于茂汶断裂带上盘震旦系灯影组白云岩地层中，吉鱼温泉1#出露于一条宽约0.5～1.0 m的断层破碎带中，泉点出露高程1 640 m，水温26.0℃，流量约0.5 L/s；吉鱼温泉2#亦沿裂隙流出，泉点出露高程1 643 m，水温34.0℃，流量约0.4 L/s；温泉两个出露部位H2S气体味均较浓，2#出露处尤为明显。

为对比分析地热水、冷泉、地表水各自的水文地球化学特征，分别对吉鱼温泉(地热水)、周边冷泉及溪沟水(地表水)规范取样进行水质全分析，现场测定每件样品pH及温度。此外，还收集到1件岷江水质数据资料同时进行对比分析。

图2 区域布格重力异常图

表1 水化学测试结果统计表

3 吉鱼温泉的水文地球化学特征

3.1 水化学特征

地热水、冷泉、地表水各自其水化学成分、地下水循环深度、水-岩作用时长各有不同，反映为地热水、冷泉、地表水不同的水化学特征及类型。对比分析地热水以及近源冷泉、地表水水文地球化学特征有利于理解温泉与周边水体的补、径、排关系，更加深入认识温泉的形成模式，从而有助于更加深入的认识温泉形成的成因模式[4-14]。采取水样由专业实验中心进行测试分析，根据电中性方程，计算得出阴阳离子总量百分误差在5%以内，测试结果准确，可用于水样分析，其结果如表1所示。运用AquaChem软件，导入各水样常量组分Cl-、SO42-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+的含量，得出各类水样在Piper图中的分布位置(图3)，得出温泉水、冷泉水、溪沟水及岷江江水的水化学类型。

图3 吉鱼温泉水、冷泉水、溪沟水、岷江江水Piper图

温泉水、溪沟水、岷江江水呈现出各自不同的水化学特征，也反映了不同的形成环境及条件。从常规离子含量分析：温泉水中阳离子以Ca2+为主，占阳离子毫克当量百分数在50%左右；冷泉以及地表水以Ca2+、Mg2+为主，占阳离子毫克当量百分数的比例均在80%～95%，含量占比优势明显。温泉水中阴离子以SO42-为主，SO42-占阴离子毫克当量百分数的70%以上，比冷泉水、地表水SO42-所占比例高出2～4倍，含量上差到1～2个数量级；冷泉以及地表水以HCO3-为主，HCO3-占阴离子毫克当量百分数在60%～80%，温泉水中HCO3-所占比例相对较小，但温泉水HCO3-的含量依然较冷泉水、溪沟水大，其原因主要是来自深循环的温泉水的矿化度均比浅循环以及地表水大1～2数量级，各种离子溶解在温泉水中的量均占绝对优势。

特殊组分主要分析氟和偏硅酸这两种在温泉水中极具代表性的指标。一般在相同围岩条件情况下，地下热水温度与热水中F-的溶解能力存在一定正相关关系[14]，吉鱼温泉1#、2#温泉水中氟的含量分别为2.23 mg/L、3.15 mg/L，冷泉水中含量较低，相差近一个数量级，亦反映了地热水温度越高氟的含量越大的特征。偏硅酸的含量受温度的影响亦较大，也呈现出温度越高含量越高的特征，吉鱼温泉1#、2#温泉水中偏硅酸的含量分别为34.18 mg/L、66.98 mg/L，冷泉水、溪沟水中含量在8.00～12.00 mg/L。

地热水、冷泉、地表水水化学类型方面，吉鱼温泉1#、冷泉水、溪沟水的水化学类型均为SO4·HCO3-Ca·Mg型，吉鱼温泉2#水化学类型为SO4-Ca·Mg型，吉鱼温泉1#的水化学类型与其近源冷水一致，表现为吉鱼温泉两个出露点不同的水化学类型。根据水化学特征及温泉两出露点的出露特征分析，其原因主要为吉鱼温泉1#泉点在其径流排泄途中混入较多近源冷水，因此呈现出与近源冷水相同的水化学类型，同时也降低了温泉出露点的出水温度。

综上，地热水与冷泉水、地表水相比，地热水水中常量组分和特殊组分的绝对含量都具绝对优势；地热水中特殊组分氟和偏硅酸在相同围岩条件情况下，地下热水温度与热水中氟和偏硅酸的含量存在一定正相关关系。整体上地下热水与围岩的作用时间及程度均较强烈，在地下水的径流-运移过程中，地下热水相对冷泉水和地表水而言，在水热作用下地热水中常量组分和特殊组分的富集能力较强。

3.2 水-岩作用及热储温度

在地热资源勘探评价过程中，深部热储温度是评价地热资源的重要参数，在野外实地测试得到的温度是热水出露后的温度，而非热储温度，目前通常利用地热温标方法来估算地下热水的热储温度。常用的地热温标有石英温标、阳离子温标和同位素温标三类。在对温泉的热储温度进行估算前，需先用Giggenbach于1988提出的Na-K-Mg三角形图解法[15]对地下热水的平衡状态和类型进行划分。吉鱼温泉水样点位于未成熟区内(图4)，处在Na-K-Mg三角图中Mg离子的右下方角落处，表明水-岩作用未达到平衡。吉鱼温泉1#、2#出水点水样分布位置不同，温泉1#出水点水样位置与周边冷泉水样点在Na-K-Mg三角图中所处位置几乎重合，这也进一步说明吉鱼温泉1#径流、运移过程中混入较多近源冷水。

图4 吉鱼温泉、冷泉水、溪沟水、

通过对吉鱼温泉水-岩作用程度的判断，吉鱼温泉热水属于“未成熟水”，即水-岩作用尚未达到平衡状态，不适合使用阳离子温标法估算地热温标，宜采用无蒸汽损失的二氧化硅温标进行热储温度计算[16]。

根据无蒸汽损失的二氧化硅温标公式(1)计算出的吉鱼温泉热储温度结果(表2)如下：

tSiO2=1 309/(5.19-LgCSiO2)-273.15

(1)

通过计算，吉鱼温泉1#、2#热储温度分别为74.05℃、103.22℃，根据《地热资源地质勘查规范》(GB11615-2010)，吉鱼温泉属中温地热资源。由于吉鱼温泉1#径流、运移过程中混入了较多近源冷水，导致计算所得的热储温度偏低，因此吉鱼温泉所处的热储温度与吉鱼温泉2#出水点更为接近和准确。

3.3 热水循环深度的估算

根据温泉水热储温度及当地平均地热增温梯度可以大致推算地热水的循环深度，引用公式2[17]，其计算结果可表示在正常地热增温条件下，地下热水的循环深度：

H=(t-ta)/G0-h

(2)

式中：H为热水循环深度；t为热储温度；ta为当地多年平均气温，取11.0℃；G0为当地平均地温梯度，取3.03℃/100m；h为常温带厚度(一般为覆盖层厚度)，取0m。

通过计算表明：吉鱼温泉1#和吉鱼温泉2#的热水循环深度分别为2 080 m、3 043 m。由于吉鱼温泉1#在径流、排泄过程中混入了较多近源冷水，致使吉鱼温泉1#温泉水中偏硅酸含量降低，计算所得的循环深度较吉鱼温泉2#较小，因此计算所得的吉鱼温泉2#热水循环深度更能代表吉鱼温泉热水循环深度。在此，需要说明的是在地下热水的径流、运移过程中，一般还存在其他热源对其进行供热，因此计算所的热水循环深度可视为最大热水循环深度，即吉鱼温泉热水循环深度在3 000 m左右，热储温度可达100℃左右。

4 吉鱼温泉的成因模式

4.1 吉鱼温泉的形成条件

热源是形成温泉的必要条件之一，而热源类别是确定温泉成因的主要因素之一。区内涉及的岩浆岩牟托岩体为元古代晋宁-澄江第四期黑云花岗岩(γ2(4))，元古代花岗岩距今已有500 Ma以上，并出露地表且存在变质现象。汤集旸研究表明[18]：100 Ma以前的侵入体，其温度已恢复到围岩的环境温度，因此岩浆岩热源不能成为吉鱼温泉地热水的热源。区内涉及活动性断裂主要为茂汶断裂，又称龙门山后山断裂，为龙门山断裂带的三大主干断裂之一，该断裂活动频繁，活动断裂和地震产生的机械摩擦热对大地热流值存在一定的贡献。综合分析可知，吉鱼温泉热源没有岩浆热源等特殊热源，主要热源是来自深部的地幔热源，总体上吉鱼温泉属正常地温梯度增温。

根据吉鱼温泉水、冷泉水、溪沟水、岷江江水各水样的常量离子，绘制Schoeller图(图5)，温泉水、冷泉水、溪沟水各离子变化趋势基本一致，仅在垂向上因不同类型水的离子含量变化存在一定差异，即反映温泉水、冷泉水、溪沟水的补给来源均为大气降水及区内高山冰雪融水，且在径流、运移过程中存在混合情况[19]。趋势图在垂向上存在的差异主要是由于各类水不同的循环深度、不同的径流途径以及不同的水力交替速度等因素致使水化学特征的不同，亦说明温泉补给源不是来源于周边的地表水浅循环补给，而是来源于外围高山区的降水或融雪深循环补给，同时亦表现在补给高程上的差别。

图5 离子变化趋势图

热储是指地热流体相对富集，具有有效空隙和渗透性的岩层或岩体破碎带。根据载热流体赋存空间的不同，热储一般分为层状热储和带状热储[20]。从吉鱼温泉出露的地质条件和吉鱼温泉推算的循环深度分析，吉鱼温泉地热水主要赋存于断裂带震旦系灯影组(Zbdn)白云岩和晋宁-澄江期牟托花岗岩体破碎带以及构造裂隙之中，属带状热储。

地质构造分析是研究地热水成因机制的基础，大地构造位置决定了地热系统的热背景，小构造环境控制地热系统的断裂及裂隙发育、地下热水的补给、径流及排泄条件以及热水上涌通道的细节等条件[18]。经前人勘察，吉鱼温泉所处的小构造环境为吉鱼温泉出露处分布的一条斜穿溪沟的断层发育并与茂汶断层交汇，前人将其命名为吉鱼沟断层(图6)，吉鱼沟断层走向为35°，倾角40°，与茂汶断层呈“入”字型相交，形成宽约100 m的白云岩破碎带，破碎带内岩石裂隙密集(每米为3～5条)，成为吉鱼温泉地热水上升出露的良好通道。

图6 吉鱼温泉泉域水文地质略图

图7 吉鱼温泉成因模式图

4.2 吉鱼温泉的成因模式

吉鱼温泉浅部不存在年轻岩浆岩体类别的特殊热源，主要是在略为偏高的区域地热背景之下，吉鱼温泉地热水接受大气降水以及区内高山冰雪融水补给，通过牟托岩体花岗岩断裂及茂汶断裂下渗进行深循环，沿破碎带及裂隙运移至茂汶断裂带与吉鱼沟断裂交汇处，在地形和构造有利部位排泄。通过对吉鱼温泉出露特征、水文地球化学特征、形成条件等综合分析，吉鱼温泉属于典型的深循环中低温对流型地热系统，属隆起带深循环地热水型。

综上所述，吉鱼温泉的地质成因模式可概括如下：在略为偏高的区域地热背景之下，高山区的降水或雪水通过深大断裂破碎带和裂隙体系下渗进入深循环，并沿破碎带、裂隙构造运移和循环。在地下水运移过程中，随着循环深度的增加，地下水从岩石中不断吸收存储热量，在2 000～3 000 m深处地下水温度可能达到70.0℃～100.0℃。热储中地热水择地质条件有利的部位运移，即沿破碎带以及裂隙运移，运移至茂汶断裂带与吉鱼沟断裂交汇处，并

与近源地下水混合后，在有利的地形地貌部位出露成为吉鱼温泉，泉口高程为1 640 m，泉水温度34.0℃，流量1.0 L/s(图7)。