青海省曲乃亥溫泉地質(zhì)特征及成因分析

王 軼, 童 玨, 李曉龍, 樊江飛,鄧羅榮, 漆 琳

(1.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九〇一地質(zhì)大隊(duì)，江西 萍鄉(xiāng) 337000；2.江西省九龍地質(zhì)建設(shè)工程院，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

眾所周知，地?zé)豳Y源是一種可再生的環(huán)保能源，也是一種特殊的礦產(chǎn)資源，開發(fā)利用前景廣闊。隨著國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略對(duì)清潔能源的需求，地?zé)峥辈殚_發(fā)更加重要(肖則佑等，2018)。曲乃亥溫泉水最高溫度達(dá)96.6 ℃，是青海省第一高溫泉水。對(duì)該溫泉成因的研究一直停留在區(qū)域性推斷、簡要分析等階段，未開展過具有針對(duì)性的實(shí)物工作。

可控源音頻大地電磁探測(cè)是近年快速發(fā)展起來的一種新興物探方法，因其施工相對(duì)方便、高效、數(shù)據(jù)采集量大、探測(cè)深度和精度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、工程勘察及災(zāi)害調(diào)查等方面(魏鴻等，2012；林建勇等，2020；任宏等，2017)。

陽離子溫標(biāo)法是利用熱液成分中陽離子之間的比值與溫度之間的關(guān)系計(jì)算深部熱儲(chǔ)溫度的方法。自1976年至1988年間，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了7種計(jì)算公式，主要包括Na-K、Na-K-Ca、K-Mg溫標(biāo)等(Fournier et al.,1973；Truesdell，1976；Fournier，1979；Amorsson，1983；Giggenbach，1988；Verma et al.,1997)。

Craig(1961)提出大氣降水中的D和18O的含量呈線性關(guān)系。周海燕等(2008)對(duì)廣東從化溫泉進(jìn)行水化學(xué)與同位素特征研究發(fā)現(xiàn)，熱水中D與18O的含量呈線性關(guān)系，說明熱水的補(bǔ)給來源于大氣降水。因此可用此方法來判別曲乃亥溫泉的補(bǔ)給來源。

本次采用地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、陽離子溫標(biāo)法、氘氧同位素及14C測(cè)年等方法，在綜合分析曲乃亥溫泉地質(zhì)、水文地質(zhì)、地球物理特征和水化學(xué)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其地?zé)岬刭|(zhì)特征及成因機(jī)制進(jìn)行了較為系統(tǒng)地分析。此研究可為該地?zé)釁^(qū)后續(xù)的勘查開發(fā)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)背景

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)地層屬東昆侖秦嶺地層分區(qū)中的興海-同仁地層及祁連地層小區(qū)。出露巖性主要有印支期中酸性侵入巖、三疊系砂板巖、侏羅系砂礫巖、白堊系砂礫巖，古-新近系泥巖夾砂巖，第四系洪沖積巨礫-細(xì)礫礫石、砂礫石。

研究區(qū)整體大地構(gòu)造單元屬于秦祁昆斷褶系東昆侖、西秦嶺造山帶接合部位(吳向農(nóng)等，1991)，但在地質(zhì)構(gòu)造、巖漿作用、地貌特征上受到兩個(gè)造山帶的改造，形成傳統(tǒng)意義上的“共和缺口”。共和盆地周邊均受山前深大斷裂的控制，挽近期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，從而形成了瓦洪山、瓦里貢山-多禾茂走滑斷裂帶及與之相關(guān)的巖漿巖和地?zé)岱植?圖1)。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.1 Regional geological structure sketch

1.2 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件

沿北北西向瓦里貢山-多禾茂走滑擠隆構(gòu)造帶由南到北依次出露有曲庫乎溫泉群(最高溫度46.6 ℃)、蘭采溫泉群(最高溫度82.2 ℃)、新街溫泉群(最高溫度67 ℃)、貴德扎倉溫泉群(最高溫度89.2 ℃)、曲乃亥溫泉群(最高溫度96.6 ℃)等隆起山地?cái)嗔研蜏厝?/p>

2011年以來，共和恰卜恰地區(qū)實(shí)施的地?zé)峥碧娇捉沂?，共和恰卜恰地區(qū)2 200 m以深溫度達(dá)到150 ℃以上，滿足干熱巖溫度要求(嚴(yán)維德，2015)；2013年貴德扎倉溝實(shí)施的ZR1鉆孔，于3 050.68 m深處探獲151.34 ℃的干熱巖資源(雷玉德等，2017)；綜合分析認(rèn)為，瓦里貢山-多禾茂構(gòu)造擠隆帶是控制著區(qū)內(nèi)巖漿巖及地?zé)豳Y源分布的區(qū)域熱源(圖2)。

圖2 區(qū)域地?zé)岱植紙D(李小林等，2016)Fig.2 Regional geothermal distribution

2 曲乃亥溫泉地?zé)岬刭|(zhì)特征

2.1 地?zé)犸@示特征

曲乃亥溫泉出露于浪麻河高山峽谷區(qū)，沿浪麻河兩側(cè)線狀展布，泉水伴隨氣體和蒸汽自巖壁噴射而出，在長約600 m的溝谷中還廣泛發(fā)育有懸掛溫泉(圖3a)、放熱地面、水熱蝕變等豐富的地?zé)岬刭|(zhì)現(xiàn)象。曲乃亥泉水無色、透明，臭雞蛋氣味濃郁，溫度最高達(dá)96.6 ℃(圖3b)，為青海省第一高溫，自巖壁噴射而出，最低溫度為33.2 ℃，呈泉涌出。初步估算，曲乃亥溫泉出露有134處較為穩(wěn)定的泉眼，估測(cè)其總體流量為3.05 L/s左右(圖4)。泉口標(biāo)高2 522 m，當(dāng)?shù)貧鈮褐?5 kPa，與其相對(duì)應(yīng)的水沸點(diǎn)為92.0 ℃，所以泉水最高溫度不能代表地?zé)崃黧w溫度，推測(cè)深部應(yīng)存在更高的熱源體。

圖3 溫泉野外照片F(xiàn)ig.3 Field photo of hot springa.溝谷兩側(cè)發(fā)育懸掛溫泉；b.96.6 ℃泉水自巖壁噴射而出

圖4 曲乃亥溫泉平面分布圖Fig.4 Plane distribution of Qunaihai hot spring

2.2 地球物理特征

根據(jù)曲乃亥溫泉處實(shí)施的近東西向1—1′和近南北向2—2′可控源音頻大地電磁測(cè)深剖面解譯結(jié)果，在浪麻河溝口處發(fā)育有一條近北北西向展布斷層(FK1)和一條近東西向展布斷層(FK2)。結(jié)合區(qū)域資料分析，F(xiàn)K1斷層與調(diào)查的曲乃亥斷層吻合，F(xiàn)K2斷層則為溫泉區(qū)近東西向下多隆斷層的延伸。根據(jù)FK1、FK2兩者的組合關(guān)系可知，曲乃亥斷層具右旋走滑性質(zhì)，將東西向FK2斷層切成兩段(圖5)。

圖5 CASMT推測(cè)解譯平面圖Fig.5 Speculated Interpretation floor plan of the CASMT1.第四系洪沖積巨礫-細(xì)礫礫石、砂礫石；2.新近系貴德群雜色泥巖、粉砂-細(xì)砂巖；3.三疊系拉果組灰色長石砂巖；4.印支期第二期花崗閃長巖；5.CSAMT測(cè)線及編號(hào)；6.溫泉群；7.等高線；8.河流；9.公路；10.實(shí)測(cè)斷層；11.物探推測(cè)斷層及編號(hào)

2.3 溫泉區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)特征

據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及物探解譯資料可知，曲乃亥溫泉受北北西向瓦力貢山-多禾茂走滑擠隆構(gòu)造帶控制，出露部位在北北西向曲乃亥斷層與近東西向下多隆斷層交匯的共用上盤處。曲乃亥斷層傾向西，傾角76°，破碎帶寬約50～70 m，具右行走滑性質(zhì)，是區(qū)域?qū)針?gòu)造；下多隆斷層傾向北，傾角45°，破碎帶寬約10 m，在東側(cè)浪麻河口被曲乃亥斷層錯(cuò)斷，為張扭性斷層，是區(qū)域地下水賦存徑流通道。

溫泉附近出露巖性以晚三疊世花崗閃長巖、下三疊統(tǒng)拉果組砂巖、板巖為主，其頂部大部被新近系砂巖、泥巖所覆蓋?；◢忛W長巖裂隙及構(gòu)造破碎帶為含水層熱儲(chǔ)系統(tǒng)，下三疊統(tǒng)砂板巖和新近系泥巖構(gòu)成隔溫蓋層，斷裂破碎帶構(gòu)成熱源通道(圖6)。

圖6 曲乃亥溫泉區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.6 Geological structure sketch of Qunaihai hot spring1.溫泉群；2.沖積礫石、卵石、砂；3.洪沖積巨礫-細(xì)礫礫石、砂礫石；4.沖積粗礫石夾含中砂礫石、亞砂土；5.沖積巨粒礫石、中細(xì)粒礫石、含礫亞砂土；6.冰積漂礫、巖塊、角礫夾砂礫石；7.土灰色礫巖夾砂巖；8.土紅色礫巖、粉砂巖互層；9.雜色泥巖夾砂礫巖；10.棕紅色泥巖夾砂巖；11.灰色長石砂巖、巖屑長石砂巖；12.灰色粉晶灰?guī)r、泥質(zhì)微晶灰?guī)r；13.印支期第二期花崗閃長巖；14.地質(zhì)界線；15.實(shí)測(cè)、推測(cè)斷層及傾角；16.走滑斷層

3 水化學(xué)特征

通過對(duì)曲乃亥溫泉水進(jìn)行取樣分析可知，溫泉水中主要陽離子有Na+、Ca2+、K+、Mg2+，主要陰離子為Cl-、SO42-、HCO3-，礦化度為1.69 g/L，屬微咸水，pH值為8.24，屬弱堿性水，水化學(xué)類型屬Cl-Na型水(表1)。另外，溫泉水中氟(F)含量為4.0 mg/L，根據(jù)GB/T 11615—2010《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(全國國土資源標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，2011)，曲乃亥溫泉水達(dá)到了醫(yī)療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可命名為氟水，具有一定的醫(yī)療保健作用。

表1 曲乃亥溫泉水化學(xué)特征Table 1 Hydrochemical characteristics of Qunaihai hot spring

氘氧同位素分析結(jié)果顯示曲乃亥溫泉水D和18O的含量呈線性關(guān)系(圖7)，說明該溫泉的補(bǔ)給來源是大氣降水。曲乃亥溫泉水與當(dāng)?shù)卮髿饨邓?吳華武等，2014)相比，出現(xiàn)了氧漂移現(xiàn)象，主要因?yàn)槿疁囟?96.6 ℃)高于當(dāng)?shù)厮悬c(diǎn)(92.0 ℃)，地?zé)崴谘h(huán)運(yùn)移過程中發(fā)生了蒸發(fā)濃縮作用(王恒純，1991)。

圖7 曲乃亥溫泉水及大氣降水中δ18O和δD關(guān)系Fig.7 The correlation of δ18O and δD in precipitation and hot spring water, Qunaihai

4 熱儲(chǔ)溫度及天然放熱量估算

4.1 熱儲(chǔ)溫度估算

在地?zé)豳Y源勘探過程中，熱儲(chǔ)溫度是評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源不可缺少的重要參數(shù)。一般在野外實(shí)地觀測(cè)得到的溫度是熱水出露地表后的溫度，利用地?zé)釡貥?biāo)方法可以估算地下熱水的熱儲(chǔ)溫度(胡靜等，2012)。由于曲乃亥溫泉水中未檢測(cè)出SiO2含量，因此選用陽離子溫標(biāo)法進(jìn)行深部熱儲(chǔ)溫度估算。通過收集分析前人資料可知，陽離子溫標(biāo)法計(jì)算公式有7種(表2)，以研究區(qū)附近的貴德扎倉溝地?zé)崽飳?shí)測(cè)熱儲(chǔ)溫度為佐證，分別運(yùn)用這7種溫標(biāo)計(jì)算公式計(jì)算扎倉溝溫的熱儲(chǔ)溫度。通過實(shí)測(cè)熱儲(chǔ)溫度與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，選取計(jì)算結(jié)果誤差最小的公式作為曲乃亥溫泉熱儲(chǔ)溫度的計(jì)算公式(表3)。

表2 陽離子溫標(biāo)法計(jì)算公式一覽表Table 2 The list of cationic temperature standard calculation formula

表3 各類陽離子溫標(biāo)法估算的溫泉區(qū)深部熱儲(chǔ)溫度Table 3 The geothermal reservoir temperatures of hot spring area estimated by different cationic geothemomenters /℃

貴德扎倉溝ZR1地?zé)峥碧姐@孔實(shí)測(cè)含水層最高溫度為143 ℃。該實(shí)測(cè)溫度與地球化學(xué)溫標(biāo)估算熱儲(chǔ)溫度139.85 ℃對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Na-K-Ca溫標(biāo)法估算的熱儲(chǔ)溫度與實(shí)測(cè)熱儲(chǔ)溫度誤差小于5 ℃，具有較高的可信度。因此，通過計(jì)算選取165.08 ℃作為曲乃亥溫泉區(qū)的深部熱儲(chǔ)溫度(王瑩等，2007)。

4.2 天然放熱量

曲乃亥溫泉為常年較穩(wěn)定的上升泉水，隨季節(jié)變化不大，經(jīng)長期觀測(cè)流量較穩(wěn)定，為263.52 m3/d，依據(jù)DZ40—85《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》(中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1985)計(jì)算溫泉天然放熱量，計(jì)算公式為：

QW=365QρWcW(tw-t0)

(1)

式中，QW為溫泉的天然放熱量(J/a)；Q為溫泉總流量(m3/d)；ρW為水的密度(kg/m3)；cW為水的比熱容[J/(kg·℃)]；tw為熱水溫度(℃)；t0為基準(zhǔn)溫度(℃，取貴德縣年平均氣溫7.3 ℃)。經(jīng)計(jì)算，該溫泉天然放熱量為3 604.22×107kJ/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤為1 230 t/a。

5 成因機(jī)制分析及熱源討論

5.1 熱源討論

溫泉水的循環(huán)深度按照地?zé)釡囟茸兓瘉砉浪?，?jì)算公式如下(李娟等，2007)：

Z=G(T2-T0)+Z0

(2)

式中，Z為地?zé)崴h(huán)深度(m)；G為地?zé)嵩鰷丶?jí)，取經(jīng)驗(yàn)值10.52 m/℃；T2為離子溫標(biāo)計(jì)算出來的熱儲(chǔ)溫度(165.08 ℃)；T0為補(bǔ)給區(qū)年平均氣溫(7.3 ℃)；Z0為多年常溫帶深度，取平均深度20 m。運(yùn)用公式(2)計(jì)算得曲乃亥地區(qū)的地下熱水循環(huán)深度為1 679.85 m。據(jù)此推算地溫梯度為4.13 ℃/100 m。根據(jù)此地溫梯度計(jì)算該區(qū)深部3 km處地溫達(dá)220.37 ℃(童玨等，2018)，說明曲乃亥地區(qū)深部可能存在干熱巖。本次采集曲乃亥地區(qū)地表代表性花崗閃長巖樣品，送由國家安全生產(chǎn)長沙礦用安全儀器檢測(cè)檢驗(yàn)中心進(jìn)行測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果U含量為13.00×10-6，Th含量為22.20×10-6，K含量為4.39%，巖石密度2.58 g/cm3。利用生熱率估算公式(3)(Rybach，1988)計(jì)算生熱率為5.05 μW/m3，該數(shù)值是中國大陸地殼放射性生熱率背景豐度值(1.3 μW/m3)的4倍左右(汪洋等，2001)。

H= 0.01ρ(9.52CU+ 2.56CTh+ 3.48CK)

(3)

式中，H為生熱率(μW/m3)，ρ為密度(g /cm3)，CU，CTh，CK分別為U(10-6)、Th(10-6)、K(10-2)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。初步分析認(rèn)為，曲乃亥地區(qū)深部具有高放射性生熱是該溫泉熱的主要來源。

5.2 成因機(jī)制分析

曲乃亥溫泉處有晚三疊世花崗閃長巖侵入，且節(jié)理十分發(fā)育。沉積地層以下三疊統(tǒng)拉果組(T1Lg3)為主，巖性主要為砂巖、板巖，且上覆有厚約50～70 m的新近系貴德組(N2Gd4)砂礫巖、泥巖地層，通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)大量沿構(gòu)造帶呈帶狀分布的古泉華脈體和水熱蝕變礦物。水熱蝕變礦物以方解石、高嶺土為主。分析認(rèn)為受青藏高原隆升影響，因熱田水溫、壓力變化，導(dǎo)致裂隙系統(tǒng)發(fā)生礦物結(jié)晶并充填，構(gòu)成自封閉蓋層，結(jié)合上覆的三疊系砂巖、板巖和新近系泥巖地層構(gòu)成溫泉區(qū)熱儲(chǔ)蓋層，起到較好的保溫效果。

從區(qū)域地質(zhì)角度分析，曲乃亥溫泉位于受瓦里貢山-多禾茂走滑擠隆帶控制的近北北西向展布的曲乃亥斷層。據(jù)實(shí)測(cè)資料可知，曲乃亥斷層傾向西，傾角76°，破碎帶寬約50～70 m，具右行走滑性質(zhì)，是區(qū)域熱源所在；近東西向下多隆斷層傾向北，傾角45°，破碎帶寬約10 m，在東側(cè)浪麻河口被曲乃亥斷層錯(cuò)段，為張扭性斷層，是區(qū)域地下水賦存徑流通道。

綜合分析區(qū)域地質(zhì)資料及筆者調(diào)查結(jié)果可知，曲乃亥溫泉主要接受北西側(cè)遠(yuǎn)處山區(qū)大氣降水補(bǔ)給，沿東西向張性下多隆斷層及節(jié)理裂隙經(jīng)深循環(huán)運(yùn)移至此，受近北北西向曲乃亥斷層傳導(dǎo)深部干熱巖熱源加熱后，繼續(xù)受此逆沖斷層下盤相對(duì)阻水阻隔，于兩條斷層交匯的共用上盤地勢(shì)較低處出露成泉?？煽卦匆纛l大地電磁測(cè)深1—1′剖面的二維反演視電阻率解譯結(jié)果清楚地反映了出露關(guān)系(圖8)(崔江偉等，2015)；曲乃亥溫泉成因概念模型如圖9所示。

圖8 CSAMT 1—1′二維反演視電阻率解譯圖Fig.8 2D inverse apparent resistivity interpretation of CSAMT 1—1′

圖9 曲乃亥溫泉成因概念模型圖Fig.9 The conceptual model of Qunaihai hot spring1.第四系；2.新近系貴德群；3.三疊系拉果組；4.印支期第二次花崗閃長巖；5.砂礫石；6.泥巖、砂巖互層；7.微晶灰?guī)r；8.花崗閃長巖

6 結(jié)論

(1)曲乃亥溫泉受區(qū)域熱源所在的瓦里貢山-多禾茂構(gòu)造擠隆帶控制，出露于曲乃亥斷層與下多隆斷層交匯的共用上盤處；花崗閃長巖裂隙及構(gòu)造破碎帶構(gòu)成含水層熱儲(chǔ)系統(tǒng)，自封閉蓋層和下三疊統(tǒng)砂板巖、新近系泥巖構(gòu)成隔溫蓋層，斷裂破碎帶構(gòu)成熱源通道。

(2)曲乃亥溫泉水中的陽離子主要為Na+、Ca2+、K+、Mg2+，陰離子主要為Cl-、SO42-、HCO3-，礦化度為1.69 g/L，pH值為8.24，水化學(xué)類型屬Cl-Na型水。溫泉水中氟含量達(dá)到了醫(yī)療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可命名為氟水，具有一定的醫(yī)療保健作用。陽離子溫標(biāo)法估算該地?zé)釁^(qū)深部熱儲(chǔ)溫度為165.08 ℃；溫泉的天然放熱量為3 604.22×107kJ/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 230 t/a。

(3)曲乃亥溫泉熱源來自于深部高放射性的干熱巖；溫泉主要接受北西側(cè)遠(yuǎn)處山區(qū)大氣降水補(bǔ)給，沿東西向張性下多隆斷層及節(jié)理裂隙經(jīng)深循環(huán)運(yùn)移至此，受近北北西向曲乃亥斷層傳導(dǎo)深部干熱巖熱源加熱后，繼續(xù)受此逆沖斷層下盤相對(duì)阻水阻隔，于兩條斷層交匯的共用上盤地勢(shì)較低處出露成泉。