滇西某溫泉成因模式研究

王永輝，楊　建

(中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

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滇西某溫泉成因模式研究

王永輝，楊建

(中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

[摘要]在對(duì)溫泉所處地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)背景、水文地球化學(xué)特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究與溫泉形成密切相關(guān)的熱源、水源、熱儲(chǔ)、循環(huán)深度、通道、蓋層等必備條件。根據(jù)分析研究成果確定了溫泉的成因模式為：大氣降水在研究區(qū)西部1 800 m左右的山區(qū)順區(qū)域性斷裂向地殼深部徑流。在運(yùn)移過程中，地下水不斷從巖石中獲取熱量并逐漸被加熱，當(dāng)循環(huán)至約1 870 m深度時(shí)水溫增至83℃左右，形成深部熱儲(chǔ)。地下水在水頭和密度差作用下順F1斷層向地表運(yùn)移并在地形有利部位出露形成了溫泉群。

[關(guān)鍵詞]溫泉；水文地球化學(xué)；成因模式

研究溫泉呈線狀分布于河流右岸，由8個(gè)泉點(diǎn)組成，出露高程主要集中于830～833 m，水溫為37℃～59℃，總流量約17 L/s。泉水具承壓性，屬上升泉。每年農(nóng)歷正月，散居各地的少數(shù)民族群眾都要扶老攜幼匯集到這里沐浴，他們用圣潔的溫泉水洗去一年的污穢，迎接新年?，F(xiàn)如今，這項(xiàng)活動(dòng)已成為本地一處獨(dú)特的人文景觀。

從溫泉出露的區(qū)域地質(zhì)背景、水化學(xué)及同位素特征入手，在分析其熱源、水源、熱儲(chǔ)、循環(huán)深度、通道、蓋層等要素的基礎(chǔ)上提出了溫泉的成因模式。本研究成果可為本區(qū)地?zé)峒皽厝Y源的合理開發(fā)、妥善保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)[1～3]。

1區(qū)域地質(zhì)背景

本區(qū)地處云貴高原西部邊緣地帶，屬高山深切峽谷地貌，地勢(shì)總體北高南低，主要山脈和水系近南北向展布。兩岸山脈高程3 500～3 900 m，河床高程為800～1 000 m，相對(duì)高差達(dá)2 000～3 000 m。

區(qū)域內(nèi)地層較為齊全，從元古界到第四系均有出露，地層總體呈南北向分布，受構(gòu)造控制明顯。研究區(qū)所涉及的地層主要有元古界高黎貢山群(Ptgl)條帶、條痕狀混合巖夾眼球狀花崗質(zhì)混合巖；寒武系上統(tǒng)保山組(∈3b)板巖、微晶片巖、變質(zhì)砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、條帶狀大理巖；石炭系下統(tǒng)鋪門前組(C1p)灰?guī)r或大理巖夾生物灰?guī)r、含燧石結(jié)核；石炭系上統(tǒng)丁家寨組(C3d)礫巖、砂巖、泥巖及生物結(jié)晶灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)臥牛寺組(C3w)玄武巖；三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)白云巖、灰質(zhì)白云巖；侏羅系中統(tǒng)勐嘎組(J2m)紫紅色砂礫巖、粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r；第四系(Q)坡積、崩積、滑坡堆積、洪積及沖積物。其中，除石炭系下統(tǒng)鋪門前組(C1p)和石炭系上統(tǒng)丁家寨組(C3d)未出露外，其余地層在研究區(qū)內(nèi)均有出露。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為斷裂。斷裂構(gòu)造的體系和序次較明顯，近南北向的斷裂被近東西向的斷裂錯(cuò)斷，主干斷裂、派生斷裂配套清晰。構(gòu)造體系間的復(fù)合作用明顯，造成了斷裂性狀多不穩(wěn)定的特點(diǎn)。本區(qū)發(fā)育的Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)面有5條，分別為近南北向展布于河流西岸的FA、FB斷裂，東岸的FC斷裂和近東西向展布的FD、FE斷裂。區(qū)內(nèi)Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面僅1條，為近南北向展布的F1斷層。

溫泉群位于FE斷裂與F1斷層交匯部位，斷裂的相互切割使得巖體破碎，裂隙發(fā)育。此處F1斷層以西為三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)白云巖、灰質(zhì)白云巖；F1斷層以東為石炭系臥牛寺組(C3w)玄武巖。溫泉正是出露在F1斷層所形成的兩種透水性差異較大巖體的分界部位(圖1)。

圖1　研究區(qū)地質(zhì)地貌簡(jiǎn)圖

2水文地球化學(xué)特征

地下水的水文地球化學(xué)特征是水巖長期相互作用的結(jié)果，由于地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件在時(shí)、空上的差異，最終導(dǎo)致其水化學(xué)特征存在一定的差異，因此研究地下水的水文地球化學(xué)特征，有助于了解其循環(huán)交替過程。

2.1水化學(xué)特征

本次研究于溫泉泉口取水樣進(jìn)行了全分析，通過測(cè)試成果確定溫泉水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，總礦化度為836.94 mg/L，說明水巖交互作用較為充分。溫泉水中主要陽離子為鈣離子(Ca2+)，而Ca2+往往來源于碳酸鹽類巖石的溶解。綜合研究區(qū)地層巖性特征，判斷溫泉水中的Ca2+來源于地下水與石炭系鋪門前組(C1p)灰?guī)r、大理巖及生物灰?guī)r和三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)白云巖、灰質(zhì)白云巖發(fā)生的溶解作用。同時(shí)，斷裂帶控制了溫泉的運(yùn)移速度及部分物理化學(xué)條件，也帶給了溫泉水深部的化學(xué)成分。

2.2同位素特征

為明確溫泉水的補(bǔ)給來源、補(bǔ)給高程及年齡，本次研究同時(shí)取水樣進(jìn)行了氫氧同位素測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：δD‰為-77.0、δ18O‰為-10.95‰、3H為8.47TU。其中，δD和δ18O可用于后續(xù)補(bǔ)給來源及補(bǔ)給高程的計(jì)算。

溫泉水的氚值3H為8.47TU，介于5～15TU之間。按經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行估算，其循環(huán)時(shí)間為5～10 a。說明泉水在地下的循環(huán)時(shí)間相對(duì)較短，屬現(xiàn)代水。

3溫泉成因模式

溫泉的形成必須具備熱源、水源和熱通道三個(gè)空間條件。熱源一般由地球的內(nèi)熱提供，一方面是以特殊局部的熱源來加熱地下水，諸如出露在現(xiàn)代火山區(qū)或地下有年輕侵入體存在地區(qū)的溫泉；另一方面是地球的內(nèi)熱作為熱源來加熱地下水。溫泉水的最主要來源是大氣降水，此外還有巖漿水和古海洋殘留水等。強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地層的斷裂、錯(cuò)動(dòng)、上升、下陷，從而在巖體中形成不同方向、不同類型的斷裂帶、破碎帶等一系列溫泉出露的“通道”。同時(shí)溫泉的出露又受地形地貌的限制。

3.1熱源及水源

熱源主要來自于地殼深部。根據(jù)西南地區(qū)巖石圈地溫分布特征，本區(qū)屬于高溫型地塊，地殼上地幔特定深度溫度、莫霍面溫度及各結(jié)構(gòu)面地溫梯度均為云南省最高值。以550℃代表居里面溫度，則其埋深最淺為16.7 km。巖石圈底界溫度為1 460℃～1 526℃。上述溫度反映了該單元強(qiáng)烈的高地?zé)岜尘昂拖鄳?yīng)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)。本區(qū)附近地殼淺部無年輕巖漿侵入體，故不存在巖漿熱等附加熱源。因此，分析認(rèn)為地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產(chǎn)生的地殼熱流構(gòu)成了溫泉地?zé)嵯到y(tǒng)的熱源[4～6]。

氫氧同位素組成是尋找地下水補(bǔ)給源的天然示蹤劑。根據(jù)一個(gè)地區(qū)地下水的同位素組成在δD-δ18O關(guān)系圖上是否落在當(dāng)?shù)亟邓€上，可判定地下水的起源是大氣降水還是其它來源[7]。將溫泉水樣氫氧同位素組成投到δD-δ18O關(guān)系圖上可以看到，結(jié)果緊靠在西南降水線附近(圖2)，說明溫泉水受大氣降水補(bǔ)給。

圖2　δD-δ18O關(guān)系圖

研究表明，大氣降水的氫氧同位素組成常呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化，即海拔越高，水中的δD和δ18O含量就越低。因此，根據(jù)δ18O的高程效應(yīng)，利用公式(1)可對(duì)溫泉水補(bǔ)給高程進(jìn)行推算。

(1)

式中：H為溫泉水補(bǔ)給區(qū)高程(m)；δs為溫泉δ18O含量(‰)；δp為參照水體δ18O含量(‰)；K為δ18O梯度(‰/100m)；h為參照水體補(bǔ)給高程(m)。

室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得溫泉群δ18O含量為-10.95‰，以本區(qū)地表水作為參照水體，其δ18O值為-14.72‰。據(jù)于津生等人對(duì)川西及藏東地區(qū)δ18O高程效應(yīng)的研究，梯度值為-0.26‰/100m[8]，故K取-0.26‰/100m。已知地表水補(bǔ)給高程h為3 255 m。將以上數(shù)據(jù)帶入公式(1)，計(jì)算求得溫泉水補(bǔ)給高程為1 805 m。因此，溫泉群補(bǔ)給區(qū)高程在1 800 m左右。

3.2熱儲(chǔ)及循環(huán)深度

通過對(duì)地?zé)釡貥?biāo)的測(cè)定，可計(jì)算出深部熱儲(chǔ)溫度。地球化學(xué)地?zé)釡貥?biāo)法的原理是地?zé)崃黧w與礦物在一定溫度條件下達(dá)到化學(xué)平衡，在隨后地?zé)崃黧w溫度降低時(shí)，流體中的化學(xué)成分仍保持不變。根據(jù)溫泉水中SiO2的含量利用公式(2)可對(duì)其熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：t為熱儲(chǔ)溫度(℃)；SiO2為二氧化硅的含量(mg/L)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫泉中SiO2含量為32.81 mg/L，由此計(jì)算熱儲(chǔ)溫度為82.8℃。

根據(jù)上述熱儲(chǔ)溫度利用公式(3)對(duì)溫泉水的循環(huán)深度進(jìn)行估算[9]。

(3)

式中：D為循環(huán)深度(m)；t為熱儲(chǔ)溫度(℃)；t0為恒溫帶溫度(℃)；G為地溫梯度(℃/100m)；d0為恒溫帶深度(m)。

熱儲(chǔ)溫度t取82.8℃；恒溫帶溫度t0取當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁兀瑸?8℃；本區(qū)屬高熱流背景區(qū)，地溫梯度偏高，G取3.5℃/100m；恒溫帶深度d0取20 m。計(jì)算求得溫泉水循環(huán)深度為1 871 m。

圖3　溫泉群形成模式圖

3.3通道及蓋層

作為區(qū)域性斷裂的FA、FB不僅控制了區(qū)內(nèi)的沉積建造及構(gòu)造格局，而且為大氣降水向地殼深部的運(yùn)移提供了通道。F1斷層則成為地下熱水的排泄通道。上述三條斷層相互組合，為地下水進(jìn)行深循環(huán)并在沿途吸收深部的熱量，然后在水頭和密度差作用下向地表運(yùn)移提供了必要的通道，起到了導(dǎo)水、導(dǎo)熱的作用。

研究區(qū)西部三疊系中統(tǒng)河灣街組(T2h)之下的石炭系上統(tǒng)丁家寨組(C3d)地層巖性為礫巖、砂巖、泥巖及生物結(jié)晶灰?guī)r。這類地層具有滲透性差和熱傳導(dǎo)率低的特點(diǎn)，組成了深部熱儲(chǔ)的良好蓋層。

3.4成因模式

綜上所述，溫泉成因模式為：大氣降水在研究區(qū)西部1 800 m左右的山區(qū)順區(qū)域性斷裂FA和FB向地殼深部徑流。在運(yùn)移過程中，地下水不斷從巖石中獲取熱量并逐漸被加熱，當(dāng)循環(huán)至約1 870 m深度時(shí)水溫增至83℃左右，形成深部熱儲(chǔ)。最后，地下水在水頭和密度差作用下順F1斷層向地表運(yùn)移并在地形有利部位出露形成了溫泉群(圖3)。

4結(jié)語

(1)溫泉水溫為37℃～59℃，屬溫水～溫?zé)崴?。水化學(xué)類型為HCO3-Ca型，總礦化度為836.94 mg/L，屬低礦化度淡水

(2)溫泉成因模式為：大氣降水在研究區(qū)西部1 800 m左右的山區(qū)順區(qū)域性斷裂FA和FB向地殼深部徑流。在運(yùn)移過程中，地下水不斷從巖石中獲取熱量并逐漸被加熱，當(dāng)循環(huán)至約1 870 m深度時(shí)水溫增至83℃左右，形成深部熱儲(chǔ)。最后，地下水在水頭和密度差作用下順F1斷層向地表運(yùn)移并在地形有利部位出露形成了溫泉群。

(3)溫泉屬上升泉，其形成與區(qū)域地下水的深循環(huán)有關(guān)，這一循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，只是在泉水上升排泄過程中，與淺表地下水發(fā)生了混合。

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Study on the Genetic Model of a Certain Hot Spring in Western Yunnan Province

WANG Yong-hui，YANGJian

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited,Kunming 650051,Yunnan)

Abstract:This paper researched the heat source, water, heat storage, circulation depth, channel, cover and other essential conditions,which is closely related to the formation of hot spring on the basis of analysis in the area of the regional geological background, the hydrogeochemical characteristics of hot springs. According to the results of the analysis, the cause of the genetic model of the hot spring is determined.Atmospheric precipitation runoffs to the deep crust of the earth in the study area of the western region of the 1800m around the region of the regional fault.The groundwater is getting heat from the rock and gradually heated in the process of migration.The water temperature is increased to 83 degrees when it cycled to about 1870m depth and formed deep geothermal reservoir.In the end, the groundwater transports to the surface by F1 fault and becomes hot springs in the favorable terrain under the action of water head and density difference.

Key words:Hot spring；hydrogeochemical characteristics and genetic model

[中圖分類號(hào)]P314.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0019-03

[作者簡(jiǎn)介]王永輝(1985-)，男，甘肅臨夏人，工程師，主要從事水電工程地質(zhì)方面的工作。

[收稿日期]2015-11-16