貴州省劍河溫泉水化學(xué)特征及形成機(jī)制淺析

孟凡濤，楊元麗

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550008； 2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550004)

貴州省劍河溫泉水化學(xué)特征及形成機(jī)制淺析

孟凡濤1，楊元麗2

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550008； 2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550004)

以貴州省變質(zhì)巖區(qū)典型的劍河溫泉為研究對(duì)象，從溫泉所在區(qū)域地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)背景入手，分析了劍河溫泉的水文地球化學(xué)和氫氧同位素特征，結(jié)果表明：溫泉具有斷裂(裂隙)型溫泉特征，溫泉的不具巖漿熱源，主要是靠正常的區(qū)域大地?zé)崃髁縼?lái)提供熱和維持，補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，劍補(bǔ)給區(qū)的高程在1050～1150m之間，熱儲(chǔ)溫度約為68.3℃，地?zé)崴h(huán)深度約2890m。溫泉的形成主要受巖性及區(qū)域性斷裂控制，大氣降水通過斷裂破碎帶向下入滲、運(yùn)移，并不斷被加熱，至革東斷層后上升，在地勢(shì)低洼處出露形成溫泉。

變質(zhì)巖；溫泉；水化學(xué)；氫氧同位素；形成機(jī)制

貴州東部有較大面積變質(zhì)巖分布(約27000km2)，地層主要為變質(zhì)巖地層，地?zé)犷愋蜑棰?隙(帶)狀熱儲(chǔ)，該區(qū)域天然溫泉較少，僅在黃平縣、劍河縣有零星出露(僅出露3處溫泉)，天然出露的地?zé)豳Y源量較小，目前在該區(qū)域開展地?zé)峥辈楣ぷ饕草^少(僅實(shí)施了2口地?zé)徙@孔)，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要相比，地?zé)豳Y源供需矛盾突出。

因此，通過研究貴州變質(zhì)巖區(qū)典型的劍河溫泉地?zé)崴瘜W(xué)及形成條件、機(jī)理，對(duì)進(jìn)一步豐富變質(zhì)巖區(qū)地?zé)嵝纬衫碚?，為有效地開發(fā)我省變質(zhì)巖區(qū)地?zé)豳Y源提供了科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)概況

1.1 溫泉基本特征

劍河溫泉位于黔東南州劍河新縣城東側(cè)約4.0km處，地理坐標(biāo)N26°45′、E108°29′。屬地?zé)崃黧w天然露頭，水溫50℃，屬低溫溫?zé)崴?，涌水量約860m3/d，水溫高，流量大，溫泉出露帶可見6個(gè)地?zé)崃黧w的天然露頭出水點(diǎn)，從以往調(diào)查中，該溫泉水溫和流量很少變化。

1.2 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位處貴州高原東部，新華夏系第三隆起帶南端，江南陸梁和武陵陸槽的中間地帶，褶皺、斷裂構(gòu)造以北東向發(fā)育為主，區(qū)內(nèi)的主要斷裂革東斷層，該斷層為區(qū)域性挽近期活動(dòng)斷層，控制震旦系及中下寒武統(tǒng)的相變，破壞加里東期的褶皺，切斷下第三系地層等，說(shuō)明其形成于雪峰期，在加里東、燕山期和喜馬拉雅期曾有活動(dòng)，斷距在1000m以上；主要褶皺為崇梭溪背斜，該褶皺總長(zhǎng)約20km，核部由板溪群變質(zhì)巖地層組成，兩翼由震旦系-寒武系地層組成。

劍河溫泉出露在革東斷層北西盤、崇梭溪背斜近核部位置，出露地層為板溪群清水江組變質(zhì)巖地層，巖性為絹云母板巖、變余凝灰?guī)r、變余砂巖等。

1.3 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.3.1 熱儲(chǔ)層

劍河溫泉出露于上板溪群變質(zhì)巖分布地區(qū)，熱儲(chǔ)層由崇梭溪背斜軸部發(fā)育的裂隙帶及斷裂帶構(gòu)成，熱儲(chǔ)層分沿背斜軸及斷裂帶延伸，具有斷裂(裂隙)型溫泉特征。

1.3.2 蓋層

劍河溫泉地?zé)崴x存、出露的變質(zhì)巖由板巖、凝灰?guī)r、變余砂巖等組成，其巖性不同的導(dǎo)熱率造成了巖層導(dǎo)熱能力的差異，導(dǎo)熱能力相對(duì)較差的巖層構(gòu)成了隔溫層。此外，崇梭溪背斜兩翼完整性較好的變質(zhì)巖也能形成相對(duì)隔熱的保溫層。

1.3.3 熱流通道

貴州省境內(nèi)熱礦水的形成主要受控于多期復(fù)活的北東組走滑斷裂束和東西向多期復(fù)活斷裂，水熱活動(dòng)明顯，斷裂帶有較多的熱泉分布，劍河縣境內(nèi)的劍河溫泉就是上述構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。區(qū)內(nèi)的革東斷裂屬北東東向深大斷裂，是主要導(dǎo)熱斷裂，也是地?zé)崴畯搅?、排泄的主要通道?/p>

2 地?zé)崴瘜W(xué)特征

劍河溫泉水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

2.1 水化學(xué)組分

2.1.1 主要陽(yáng)離子

1)Na+離子。劍河溫泉水中Na+離子為主要陽(yáng)離子，占陽(yáng)離子總量的90%以上，溫泉水中Na+離子主要來(lái)源于區(qū)內(nèi)分布的板溪群變質(zhì)巖地層中含鈉礦物的溶解。

表1 溫泉水化學(xué)成分分析表

劍河溫泉Na+/Cl-為51.6，說(shuō)明溫泉水經(jīng)過了較長(zhǎng)時(shí)間的溶濾，發(fā)生過劇烈的水巖反應(yīng)，從而增加了Na+的濃度。

2)K+離子。劍河溫泉水中的含量為1.88mg/L，在熱水中K+離子比Na+離子活躍，K+離子會(huì)把部分Na+離子置換出來(lái)，從而顯示溫泉水中Na+離子含量遠(yuǎn)大于K+離子。

3)Ca+離子與Mg+離子。劍河溫泉水中的Ca+離子含量為2.90mg/L，Mg+離子含量均為0.75mg/L，溫泉水中Ca+離子的濃度主要由白云石、方解石及螢石溶解而決定，Mg+離子濃度主要受白云石的溶解控制。Ca+離子與Mg+離子含量低的原因?yàn)椋簻厝械腃a+離子與Mg+離子的主要來(lái)源為地?zé)崴谏畈垦h(huán)過程中經(jīng)過碳酸鹽巖地層溶解，區(qū)內(nèi)分布地層主要為板溪群變質(zhì)巖地層；水化學(xué)中偏硅酸含量較高，因?yàn)橛泄杷崆闆r下，Mg2+可能與圍巖中礦物發(fā)生圍巖相互作用，且Mg2+易被植物吸收，因此地下水系統(tǒng)中可能消耗Mg2+[1]；Ca+離子與Mg+離子在水巖反應(yīng)過程中與Na+離子發(fā)生置換反應(yīng)，一部分被圍巖吸附，因而造成了溫泉水中Ca+離子與Mg+離子含量偏低。

2.1.2 主要陰離子

2)Cl-離子。劍河溫泉水中的含量為1.65mg/L，一般地?zé)崴械腃l-離子的含量常<10 mg/L，與巖漿巖有關(guān)的地?zé)崴瓹l-離子的含量一般>100mg/L。溫泉的Cl-離子含量極低，一種原因是地?zé)崴鹘?jīng)途徑過短，來(lái)不及溶解圍巖中的Cl-離子，另一種原因是地?zé)崴\(yùn)移過程中無(wú)巖漿巖。

2.1.3 其他組分

1)pH。劍河溫泉的pH值為8.0，呈弱堿性。分析認(rèn)為，劍河溫泉具有微弱還原性，所以會(huì)有微弱的H2S氣體。

劍河溫泉的SiO2/K+為24.7，Na+/K+為45.3，呈高值，而Cl-/F-為0.98，Cl-/ SiO2為0.04，呈低值，說(shuō)明劍河溫泉有冷水混入的跡象。

2.1.4 有益組分

溫泉水中有益于身體健康的組分有二氧化碳、總硫化氫、氟、溴、鐵、偏硅酸等，根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范(GB/T 11615-2010)》(附錄E理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn))，其中劍河溫泉中氟含量為1.68mg/L、偏硅酸為60.47mg/L、水溫50℃，上述指標(biāo)到達(dá)理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的醫(yī)療價(jià)值。

2.2 水化學(xué)類型

圖1為劍河溫泉的的piper三線圖，從圖中可以看出劍河溫泉的水化學(xué)類型為HCO3-Na。

圖1 地?zé)崴甈iper三線圖

3 劍河溫泉形成機(jī)制分析

3.1 熱源分析

1)根據(jù)水化學(xué)資料分析。根據(jù)溫泉地?zé)崴瘜W(xué)資料分析，溫泉地?zé)崴瘜W(xué)類型有HCO3-Na，與第四系巖漿巖侵入活的和火山作用有關(guān)的高溫地下熱水水化學(xué)類型HCO3·Cl-Na、Cl-Na和Cl·SO4-Na型水不同。相比可知，溫泉區(qū)內(nèi)的地下熱水在循環(huán)過程中無(wú)巖漿侵入活動(dòng)和火山作用有關(guān)的成分?jǐn)y入。

2)溫泉區(qū)缺少巖漿侵入活動(dòng)和火山作用有關(guān)的大量CO2等氣體成分。

3)研究區(qū)遠(yuǎn)離地殼板塊邊緣，地處地殼增厚帶，地殼厚度43～46km，無(wú)年輕巖漿存在，因此不存在特殊熱源。

綜合以上分析，溫泉區(qū)內(nèi)地?zé)岵痪邘r漿熱源。主要是靠正常的區(qū)域大地?zé)崃髁縼?lái)提供熱和維持。

3.2 水源分析

3.2.1 地?zé)崴畞?lái)源

同位素研究是研究地新興的學(xué)科，已成為一種重要的研究手段，地下水的起源主要為大氣降水及地表水的滲入，氫氧同位素的組成主要受兩方面原因控制，一是雨水與地表水的同位素特征，二是水體進(jìn)入地下后不同水之間的混合、水-巖反應(yīng)等[10]。

劉進(jìn)達(dá)等在1997年通過全國(guó)多個(gè)監(jiān)測(cè)站的大氣降雨同位素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，求得了西南地區(qū)大氣降雨線(圖2)，從圖中可看出，劍河溫泉地?zé)崴畾溲跬凰鼐挥诖髿饨邓€上，認(rèn)為溫泉地?zé)崴饕獮榇髿饨邓鹪?。且溫泉不存在“氧漂移”現(xiàn)象，說(shuō)明區(qū)內(nèi)溫泉深部熱儲(chǔ)溫度均不高，均屬深循環(huán)中低溫?zé)醿?chǔ)系統(tǒng)。

圖2 地?zé)崴瓺與18O關(guān)系圖(西南地區(qū)降雨線圖)

3.2.2 地?zé)崴a(bǔ)給高程

劍河溫泉區(qū)豐富的降雨為地?zé)崴峁┝顺渥愕乃?。溫泉區(qū)地勢(shì)高低起伏，為大氣降水的入滲提供了足夠的水動(dòng)力。

大氣降水的δD與δ18O隨海拔高程的增高而減少的現(xiàn)象稱為高程效應(yīng)。通常來(lái)說(shuō)，高程和降水δ值一般呈線性關(guān)系。于津生等(1984年)提出了我國(guó)川黔藏一帶大氣降雨的組成與海拔高程之間的關(guān)系[9]，見式(1)，式(2)。

(1)

δD=-0.026H(m)-30.2

(2)

將劍河溫泉的δ18O與δD分別帶入式(1)與式(2)，得出溫泉的補(bǔ)給區(qū)的海拔高程，結(jié)果見表2。

表2 劍河溫泉補(bǔ)給區(qū)海拔高程/m

根據(jù)表2可知，根據(jù)δ18O計(jì)算的補(bǔ)給區(qū)的高程明顯偏低，與研究區(qū)的地形地貌條件明顯不符，故采用δD計(jì)算的結(jié)果作為溫泉補(bǔ)給區(qū)的高程。劍河溫泉的補(bǔ)給區(qū)位于北部的山區(qū)，高程1050～1150m之間。

3.3 地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度、熱儲(chǔ)深度

3.3.1 地?zé)崴芤?礦物的平衡狀態(tài)分析

所謂地球化學(xué)溫標(biāo)方法是指在地下一定溫度的條件下產(chǎn)生的水巖平衡使流體中的化學(xué)、同位素、氣體成分保持相應(yīng)的含量，這種“記憶”在流體達(dá)到地表的過程中可以保存下來(lái)，即不隨外界條件的改變立即產(chǎn)生逆平衡，因此據(jù)此記憶可以推求出地?zé)崃黧w在地下蘊(yùn)集或起源的溫度。但是在運(yùn)用地?zé)釡貥?biāo)時(shí)偶爾會(huì)產(chǎn)生偏差，其原因在于運(yùn)用溫標(biāo)計(jì)算時(shí)，不符合溶液-礦物間的平衡條件。因此，在利用化學(xué)溫標(biāo)估算地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度時(shí)，必須首先確定溶液-礦物間的平衡狀態(tài)[9]。

本文采用Na-K-Mg三角圖解法和SiO2溶解度曲線法，分析溫泉地?zé)崴芤?礦物平衡狀態(tài)。

1)Na-K-Mg三角圖解。Na-K-Mg三角圖解法將水分為完全平衡、部分平衡和未成熟水三種類型。該方法對(duì)地?zé)崴瘜W(xué)平衡的判斷取決于式(3)、式(4)。三角圖的坐標(biāo)計(jì)算公式見式(5)～(7)。

(3)

8K長(zhǎng)石+1.6H2O+Mg2+=0.8K云母

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)圖3可知，地?zé)崴當(dāng)?shù)據(jù)位于Mg角區(qū)域，屬于未成熟水，主要原因：一是劍河溫泉地?zé)崴催_(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)；二是可能受淺表地下水的混合造成地?zé)崴械脑睾孔兊?。故不能采用?yáng)離子溫標(biāo)來(lái)估算熱儲(chǔ)溫度，適合采用SiO2溫標(biāo)估算劍河溫泉的熱儲(chǔ)溫度。

圖3 地?zé)崴甆a-K-Mg三角圖

2)SiO2溶解度分析。眾多學(xué)者提出了不同的SiO2地?zé)釡貥?biāo)函數(shù)，包括100℃下蒸汽足量散失的石英溫標(biāo)、無(wú)蒸汽分離或混合作用的石英溫標(biāo)、玉髓溫標(biāo)、無(wú)蒸汽散失的石英溫標(biāo)、α-方英石溫標(biāo)、β-方英石溫標(biāo)及無(wú)定型SiO2溫標(biāo)，適宜溫度區(qū)間為0～250℃。由于SiO2地?zé)釡貥?biāo)計(jì)算方法很多，在選用SiO2溫標(biāo)時(shí)，應(yīng)先判斷地?zé)崴蠸iO2含量是何種SiO2礦物控制的[3]。

本文采用SiO2溶解度曲線法判斷地?zé)崴蠸iO2的含量是何種礦物控制的。由圖4可知，溫泉水樣數(shù)據(jù)位于玉髓曲線附近，說(shuō)明玉髓可能是控制溫泉地?zé)崴蠸iO2平衡的主要礦物[3]。

圖4 地?zé)崴甋iO2溶解度曲線

3.3.2 熱儲(chǔ)溫度估算

鑒于溫泉水中SiO2的含量主要受玉髓控制，故采用1977年Fournier提出的玉髓溫標(biāo)公式進(jìn)行熱儲(chǔ)溫度估算[9]，見式(8)。

(8)

式中：CSiO2為地?zé)崴蠸iO2含量(mg/L)；t為熱儲(chǔ)溫度(℃)。

溫泉水中SiO2含量為46.52mg/l，由式(8)估算出溫泉地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度約68.3℃?？紤]到溫泉水可能有淺表地下水的混合，其熱儲(chǔ)溫度還會(huì)更高，因此地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度應(yīng)大于估算溫度。

3.3.3 熱儲(chǔ)深度估算

1)地溫增溫率。地?zé)嵩鰷芈手傅孛嬉韵虏皇艽髿鉁囟扔绊懙牡貙訙囟入S深度增加的增長(zhǎng)率[3]，根據(jù)區(qū)域資料顯示，劍河溫泉區(qū)域地?zé)嵩鰷芈始s為1.8℃/100m。

2)熱儲(chǔ)深度。劍河溫泉按式(9)推算熱儲(chǔ)深度，區(qū)內(nèi)地溫梯度取1.8℃/100m，常溫點(diǎn)深度h取30m，常溫點(diǎn)溫度t2取16.7℃，前已估算出溫泉熱儲(chǔ)溫度為68.3℃，可算出劍河溫泉地?zé)崴h(huán)深度約為2890m。

(9)

式中：H為熱儲(chǔ)深度(m)；t1為熱儲(chǔ)溫度(℃)；t2為常溫點(diǎn)溫度(℃)；G為地?zé)嵩鰷芈?℃/100m)；h為常溫點(diǎn)深度(m)。

3.4 溫泉形成機(jī)制分析

沿溫泉所在區(qū)域的區(qū)域性斷裂構(gòu)造的延伸方向上，斷裂所涉及范圍內(nèi)，斷裂破碎帶及褶皺構(gòu)造的裂隙帶廣泛接受大氣降水及地表水的補(bǔ)給，補(bǔ)給的地下水沿構(gòu)造裂隙及溶蝕裂隙向下運(yùn)移，當(dāng)?shù)叵滤\(yùn)移的過程中，被周圍的圍巖不斷的加熱，水溫不斷的升高，同時(shí)水壓力不斷的加大，到了循環(huán)的最底部，接觸到了區(qū)域性斷裂傳導(dǎo)的熱量，并與各個(gè)方向流至該點(diǎn)的地?zé)崴旌希纬闪藴囟容^高的地?zé)崴?，?dāng)?shù)責(zé)崴\(yùn)移至區(qū)域性壓性斷層或受變質(zhì)巖、泥頁(yè)巖等隔水層的阻擋，在熱動(dòng)力及地壓力的作用下，地?zé)崴貥?gòu)造線上升，在地貌上選擇優(yōu)勢(shì)區(qū)域出露于地表從而形成溫泉。因地?zé)崴仙俣容^快，組成熱流通道的變質(zhì)巖、泥頁(yè)巖及砂巖等具有良好的隔熱保溫效果，故溫泉熱量損失較小(圖5)。

圖5 劍河溫泉形成機(jī)制示意圖

4 結(jié) 論

1)劍河溫泉的水化學(xué)類型為HCO3-Na型水，屬弱堿性低礦化度淡水；劍河溫泉Na+/Cl-分別為51.6，說(shuō)明溫泉水經(jīng)過了較長(zhǎng)時(shí)間的溶濾，發(fā)生過劇烈的水巖反應(yīng)；劍河溫泉的SiO2/K+為24.7，Na+/K+為45.3，呈高值，而Cl-/F-為0.98，Cl-/ SiO2為0.04，呈低值，說(shuō)明劍河溫泉有冷水混入的跡象。

2)劍河溫泉出露于上板溪群變質(zhì)巖分布地區(qū)，地?zé)豳Y源主要受北北東向發(fā)育的區(qū)域性深大斷裂控制，具有斷裂(裂隙)型溫泉特征。

3)采用Na-K-Mg三角圖解法認(rèn)為溫泉地?zé)崴催_(dá)到平衡狀態(tài)，運(yùn)用SiO2溶解度曲線法認(rèn)為溫泉水中玉髓是控制SiO2平衡的礦物，并通過玉髓地?zé)釡貥?biāo)估算出地?zé)崴疅醿?chǔ)溫度約為68.3℃。

4)溫泉區(qū)內(nèi)地?zé)岵痪邘r漿熱源，主要是靠正常的區(qū)域大地?zé)崃髁縼?lái)提供熱和維持。并通過溫泉?dú)溲跬凰胤治?，認(rèn)為其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，補(bǔ)給區(qū)位于北部的山區(qū)，高程1050～1150m之間。

5)溫泉的形成主要受巖性及區(qū)域性斷裂控制，大氣降水通過斷裂破碎帶向下入滲、運(yùn)移，并不斷被加熱，至革東斷層后上升，在地勢(shì)低洼處出露形成溫泉。

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Hydrochemical characteristics and formation mechanismof Jianhe hot spring in Guizhou

MENG Fan-tao1，YANG Yuan-li2

(1.111 Geological Party，Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Exploitation， Guiyang 550008，China；2.Guizhou Institute of Geo-Environment Monitoring，Guiyang 550004，China)

This paper takes typical Jianhe Hot Spring in Guizhou metamorphic rock area as the research object，starts from the geological and geothermal background of the hot spring area and analyzes the hydrogeochemical，hydrogen and oxygen isotopes characteristics of Jianhe Hot Spring.The results show that Jianhe Hot Spring has the characteristics of fracture (fissure) Hot Spring.The hot spring has no magma heat source，so it mainly relies on the earth heat flow in normal areas to provide heat and survive.The source of replenishment is meteoric waters.The elevation of Jianhe replenishment area is between 1050 and 1150 meters.The geothermal reservoir temperature is 68.3℃.The circulation depth of geothermal water is about 2890m.The formation of hot spring is mainly controlled by lithology and regional faults.Meteoric waters permeate and migrate downward through the fractured zone，gets heated continuously and rises till the Gedong Fault.They emerge in low-lying places and forms hot spring.

metamorphic rock；hot spring；water chemistry；hydrogen and oxygen isotope；formation mechanism

2015-01-15

貴州省東部變質(zhì)巖區(qū)地下熱礦水賦存特征及找礦方法研究項(xiàng)目資助(編號(hào)：黔地礦科[2010]2號(hào))

孟凡濤(1983-)，男，內(nèi)蒙古興安盟突泉人，工程師，工程碩士，主要從事水文地質(zhì)工作。E-mail：302547740@qq.com。

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1004-4051(2015)07-0058-05