川藏鐵路康定隧址區(qū)地?zé)崴梢蚣捌涔こ逃绊懛治?/h1>
2021-09-16 02:05:30張?jiān)戚x徐正宣常興旺
水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2021年5期
張?jiān)戚x ，李 曉 ，徐正宣, ，常興旺 ，黃 珣 ，多 吉
（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）
鮮水河斷裂是我國(guó)川西地區(qū)典型的左行走滑活動(dòng)斷裂，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，大地?zé)崃髦蹈?，為地?zé)崴男纬商峁┝擞欣臈l件[1]。迄今，在地表已發(fā)現(xiàn)大量溫泉露頭，沿著鮮水河斷裂呈串珠狀分布，自北向南形成了道孚、中谷、康定和磨西等多個(gè)熱水區(qū)，地?zé)豳Y源豐富[2]。
近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)鮮水河斷裂的地?zé)豳Y源開展了大量的研究，取得了豐碩成果。張健等[3]、Zhang等[4]、Tang等[5]綜合利用重力、地震、航磁和電法等地球物理方法查明了川西地區(qū)深部地?zé)峤Y(jié)構(gòu)。Li等[6]分析對(duì)比鮮水河斷裂帶各個(gè)熱水區(qū)的水文地球化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)不同熱水區(qū)的地?zé)崴梢虼嬖谝欢ú町?。此外，前人針?duì)典型熱水點(diǎn)進(jìn)行了研究，對(duì)出露溫泉的地質(zhì)特征、主要陰陽(yáng)離子和氫氧同位素進(jìn)行一系列分析，認(rèn)為地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源以高山冰雪融水為主[7-9]，熱儲(chǔ)為二疊系變質(zhì)巖熱儲(chǔ)[10-12]，熱源來(lái)自于花崗巖放射性生熱、深部熔融體導(dǎo)熱和斷裂摩擦生熱[13-15]。
擬建川藏鐵路在康定折多山穿越鮮水河斷裂帶（圖1），沿?cái)嗔殉雎侗姸鄿厝?。為了能順利穿越折多山，減小地質(zhì)不利因素和熱害的影響，在地質(zhì)選線過(guò)程中，進(jìn)行過(guò)多種方案的比選，不同方案之間的地質(zhì)不利因素和熱害的影響具有一定的差異。鑒于川藏鐵路康定段高溫?zé)崴赡艹蔀樗淼拦こ痰闹萍s性影響因素，且地?zé)崴芯砍潭容^低，亟需提升隧址區(qū)的地?zé)崴芯克?，以期降低高溫水熱活?dòng)對(duì)鐵路隧道建設(shè)的不良影響。因此，本文在川藏鐵路康定隧址區(qū)內(nèi)地?zé)崴某雎短卣?、水化學(xué)和氫氧同位素分析的基礎(chǔ)上，探討地?zé)崴乃畮r作用過(guò)程、熱儲(chǔ)特征和補(bǔ)給來(lái)源，揭示其成因模式，并利用FEFLOW數(shù)值模擬軟件反演研究區(qū)地溫場(chǎng)特征，以期為康定隧道的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。
圖1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)圖（根據(jù)文獻(xiàn)[16]修改）Fig.1 Geological and geothermal map with the sampling locations (modified from Ref.[16])
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)處在鮮水河斷裂、龍門山斷裂和小江斷裂的“Y”字型交匯部位，位于鮮水河斷裂南段，受左旋走滑作用影響較大。研究區(qū)主要出露的地層包括沉積地層和變質(zhì)地層，上覆第四系沉積物，沉積地層主要由古老的震旦系、志留系和三疊系地層組成；變質(zhì)地層主要包括泥盆系和二疊系地層（圖1）。研究區(qū)內(nèi)巖漿侵入活動(dòng)強(qiáng)烈，出露有澄江—晉寧期、印支期和燕山期多期次的花崗巖。研究區(qū)地層和巖體中發(fā)育北東-南西向的張性裂隙（圖2）。
圖2 研究區(qū)剖面圖（根據(jù)文獻(xiàn)[16]修改）Fig.2 A-A’ section of study area (modified from Ref.[16])
大氣降水是研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，局部地區(qū)存在河水補(bǔ)給地下水的現(xiàn)象。地下水徑流受構(gòu)造活動(dòng)影響，在谷坡險(xiǎn)峻區(qū)具有徑流途徑短的特點(diǎn)，主要以泉的形式排泄。研究區(qū)隸屬康定—爐霍地?zé)釒隙?，區(qū)域水文地質(zhì)資料顯示，區(qū)內(nèi)出露溫泉或溫泉群50余處，沿著鮮水河斷裂及其次級(jí)斷裂出露的溫泉或溫泉群達(dá)到38處，構(gòu)成南北長(zhǎng)約70 km、東西寬約7 km的康定—磨西溫泉（或熱泉）帶，各泉點(diǎn)的流量差別較大，為0.3～103.0 L/s，合計(jì)流量約226.0 L/s。川藏鐵路康定隧道主要途經(jīng)中谷、康定和折多塘3個(gè)熱水區(qū)，每個(gè)熱水區(qū)內(nèi)均出露不同數(shù)量的溫泉或溫泉群，溫泉出露溫度為37～84 ℃。
2 研究方法
2018年11月在甘孜藏族自治州康定市榆林宮、中谷、折多塘等地區(qū)進(jìn)行樣品采集，其中地?zé)崴?3組，冷泉水2組，地表水2組，進(jìn)行常規(guī)水化學(xué)特征分析。在現(xiàn)場(chǎng)使用手持GPS、便攜式水質(zhì)分析儀（HACH-SL1000）對(duì)溫泉的出露高程、pH、溫度和流量進(jìn)行測(cè)定。采用格蘭氏滴定法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。水樣采用容量為550 mL的無(wú)色聚乙烯瓶保存，采樣前先用待采水樣潤(rùn)洗三遍，在取樣過(guò)程中盡量保證水樣裝滿取樣瓶，防止瓶中產(chǎn)生氣泡，采樣完成后及時(shí)蠟封，并編號(hào)標(biāo)記。為了消除誤差設(shè)置了對(duì)照試驗(yàn)，每組樣品均采集2份。樣品采集后48 h內(nèi)送至成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。用于測(cè)試金屬陽(yáng)離子和微量元素的水樣，取樣后需滴加濃鹽酸至水樣pH＜2。用于測(cè)試F-、Cl-、等陰離子的水樣不做酸化處理，采用離子色譜儀（ICS-1100）測(cè)定。K+、Na+、Ca2+、Mg2+等主要陽(yáng)離子采用直讀光譜ICP-OES（ICAP6300）測(cè)定。陰陽(yáng)離子平衡檢驗(yàn)在-4.3%～7.7%之間，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果可靠。氫氧同位素采用平衡法測(cè)CO2、鋅法測(cè)H2，質(zhì)譜計(jì)為MAT251EM型，分析精度為±0.12‰。
3 結(jié)果與分析
3.1 水化學(xué)類型
對(duì)水樣進(jìn)行Piper三線圖分析，結(jié)果表明地表水、冷泉水中主要陽(yáng)離子為Ca2+、Mg2+，主要陰離子為地?zé)崴闹饕?yáng)離子為Na+，主要陰離子為總體水化學(xué)類型可以劃分為HCO3·Cl—Na型、HCO3—Na型，康定、中谷和折多塘地區(qū)的溫泉表現(xiàn)出明顯分區(qū)差異（圖3）。
圖3 研究區(qū)水樣Piper三線圖Fig.3 Piper diagrams for the water samples
（1）HCO3·Cl—Na型地?zé)崴?/p>
5件樣品的水化學(xué)類型為HCO3·Cl—Na型，此類地?zé)崴雎兜貛Щ緸榭刀ā芰謱m一帶。
此類地?zé)崴畃H值為6.5～8.7（平均值為7.6）。溶解性總固體為1 002.4～1 949.7 mg/L，（平均值為1 431.8 mg/L）。地?zé)崴兄饕?yáng)離子為Na+，含量為330.0～650.0 mg/L（平均值為454.0 mg/L），主要陰離子為，含量為530.9～1 304.3 mg/L（平均值為830.8 mg/L）。
（2）HCO3—Na型地?zé)崴?/p>
8件樣品的水化學(xué)為HCO3—Na型，中谷地區(qū)、折多塘地區(qū)的地?zé)崴畼铀瘜W(xué)類型均為HCO3—Na型。
此類地?zé)崴畃H值為6.7～7.8（平均值為7.0）。溶解性總固體為388.9～1 315.8 mg/L，（平均值為1 040.4 mg/L）。地?zé)崴兄饕?yáng)離子為Na+，含量為140.0～390.0 mg/L（平均值為297.1 mg/L）；主要陰離子為含量為372.2～1 305.8 mg/L（平均值為951.9 mg/L）。
3.2 水巖作用分析
地?zé)崴哂休^高的Na/Cl值，其中尤以折多塘溫泉最明顯，高達(dá)15.8，但水中的SiO2的含量較低（圖4），表明與其他水熱區(qū)相比，折多塘水熱區(qū)地?zé)崴c圍巖的水-巖作用程度和機(jī)制均存在較大差異。
圖4 研究區(qū)水樣TDS含量與 及SiO2含量與Na/Cl濃度比值關(guān)系圖Fig.4 Relationship between TDS and concentrations and SiO2 concentration and Na/Cl concentration ratio of the water samples
3.3 熱儲(chǔ)溫度估算
在估算熱儲(chǔ)溫度前，首先利用Giggenbach Na-KMg三角圖解判斷地?zé)崴乃畮r平衡狀態(tài)圖[17-18]。研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴畼悠肪湓谖闯墒靺^(qū)域，說(shuō)明其與礦物并未達(dá)到水-巖平衡，地?zé)崴诔雎哆^(guò)程中受到了淺部冷水的混合（圖5）。本次在使用陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲(chǔ)溫度時(shí)結(jié)果偏差較大，故而不宜采用。本研究采用SiO2地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲(chǔ)溫度。在估算熱儲(chǔ)溫度時(shí)，需要注意淺部冷水混合作用的影響。
圖5 研究區(qū)地?zé)崴腘a-K-Mg三角圖[17]Fig.5 Na-K-Mg triangle diagram for the geothermal waters
本次研究采用SiO2礦物地?zé)釡貥?biāo)估算地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度。在估算前先判別不同SiO2礦物在地?zé)崴械钠胶鉅顟B(tài)，采用Phreeqc軟件模擬得到SiO2礦物石英和玉髓的飽和指數(shù)分別為0.58～1.12和0.15～0.69，說(shuō)明石英在地?zé)崴械娘柡统潭雀?，故本次研究采用石英地?zé)釡貥?biāo)估算地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度，計(jì)算結(jié)果為104～172 ℃。選用淺部冷泉的溫度15 ℃和SiO2平均含量8 mg/L，通過(guò)Fournier硅-焓方程[19]估算深部初始地?zé)崴疁囟葹?95～260 ℃，冷水混合比例為0.56～0.81（表1）。
表1 研究區(qū)水樣的水化學(xué)和同位素測(cè)試分析結(jié)果Table 1 Hydrochemical and isotopic constituents of the water samples in the study area
3.4 補(bǔ)給來(lái)源分析
地下水樣品的δD-δ18O值可以用來(lái)查明其補(bǔ)給來(lái)源[20]。根據(jù)測(cè)試結(jié)果建立研究區(qū)地?zé)崴腄-δ18O關(guān)系直線圖（圖6），可知大部分地?zé)崴畼訑?shù)據(jù)點(diǎn)均落在大氣降水線右下方，地?zé)崴摩腄和δ18O值與地表水相比都更低，說(shuō)明地?zé)崴a(bǔ)給高程較地表水的取樣點(diǎn)高程高。中谷溫泉及研究區(qū)溝水、河水水樣數(shù)據(jù)點(diǎn)均落于大氣降水線左上方，說(shuō)明這些地區(qū)相對(duì)蒸發(fā)強(qiáng)烈，海拔緯度相對(duì)較低。
圖6 研究區(qū)地?zé)崴摩腄-δ18O關(guān)系Fig.6 Plot of oxygen and hydrogen isotopes of the water samples
Craig[21]認(rèn)為在地?zé)嵯到y(tǒng)的高溫狀態(tài)下，深部循環(huán)的地?zé)崴蛧鷰r之間發(fā)生氧同位素交換，表現(xiàn)出“氧同位素漂移”，巖石礦物中的氫元素含量很少，水巖間的氫同位素交換無(wú)從進(jìn)行，因而地?zé)崴摩腄與大氣降水一致。
根據(jù)δD的高程效應(yīng)計(jì)算補(bǔ)給高程，確定補(bǔ)給區(qū)域，補(bǔ)給高程計(jì)算公式為：
式中：H—地?zé)崴难a(bǔ)給高程/m；
h—地?zé)崴叱?m；
δD—地?zé)崴摩腄/‰（SMOW）；
δD0—地表河水的δD/‰（SMOW）；
graD—δD隨高程遞減梯度。
我國(guó)西南地區(qū)δD的高程遞減梯度為-2.6‰/100 m[22]?；讦腄計(jì)算補(bǔ)給高程，結(jié)果為3 768～4 926 m。
3.5 成因模式分析
研究區(qū)控制地?zé)崴l(fā)育的斷裂主要為雅拉河斷裂，其次為色哈拉斷裂和玉龍溪斷裂。地?zé)崴饕匮爬訑嗔殉蚀闋畛雎?，在色哈拉斷裂和玉龍溪斷裂上零星分布。因此，研究區(qū)的水熱活動(dòng)在雅拉河斷裂最強(qiáng)，向西逐步減弱，向東無(wú)溫泉出露，是地?zé)崂鋮^(qū)。地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水化學(xué)和氫氧同位素分析結(jié)果表明，研究區(qū)地?zé)崴h(huán)深度大，補(bǔ)給高程高，補(bǔ)給區(qū)為折多山西南方向的貢嘎山北坡海拔4 000 m以上區(qū)域，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、融雪水和淺層地下水。地下水通過(guò)北東—南西向的張性裂隙朝北東方向下滲和運(yùn)移，在雅拉河斷裂帶3 000～4 000 m深度受熱形成高溫地?zé)崴?，地?zé)崴纬珊笱財(cái)嗔呀粎R部位上升，最終在地表出露形成溫泉。研究區(qū)的地?zé)崴梢蚰Ｊ饺鐖D7所示，屬于這一成因模式的溫泉水溫一般受兩組結(jié)構(gòu)面交匯深度控制，深度較大，水溫較高、流量較穩(wěn)定。研究區(qū)內(nèi)出露溫度60 ℃以上的溫泉，大多屬于該成因模式。
圖7 研究區(qū)地?zé)崴梢蚰Ｊ綀DFig.7 Genetic mode of geothermal waters in the tunnel area
3.6 地?zé)崴畬?duì)鐵路建設(shè)的影響分析
高溫?zé)岷?wèn)題會(huì)嚴(yán)重干擾隧道施工的進(jìn)度與隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此研究地?zé)崴畬?duì)隧道的潛在危害十分必要[23]。
本次研究表明，川藏鐵路在康定地區(qū)主要穿越折多塘、康定和中谷3個(gè)熱水區(qū)，其中康定和中谷熱水區(qū)的溫泉露頭數(shù)量較多，折多塘僅發(fā)現(xiàn)一處典型溫泉露頭。水化學(xué)分析結(jié)果表明，3個(gè)熱水區(qū)的水巖反應(yīng)過(guò)程各異，具有不同的地?zé)釡貥?biāo)，中谷和康定的熱儲(chǔ)溫度較高，由于中谷熱水區(qū)距離鐵路較遠(yuǎn)，對(duì)隧道修建的影響較??；康定熱水區(qū)距離鐵路隧道較近，在隧道修建時(shí)應(yīng)該做好高溫防治工作。
地球內(nèi)部的熱能通過(guò)巖層傳導(dǎo)和地?zé)崃黧w的對(duì)流作用不斷向地表散失，熱流方向總是垂直于地面，因此大地?zé)崃髦悼梢员碚鳠崃鳡顩r[24]。通過(guò)搜集研究區(qū)大地?zé)崃鲄R編數(shù)據(jù)以及巖石導(dǎo)熱率數(shù)據(jù)[25]，研究區(qū)地溫場(chǎng)為：
式中：Ts—常溫帶溫度；
d0—常溫帶深度；
q—大地?zé)崃髦担?/p>
Kr—巖石導(dǎo)熱率；
z—深度；
T—溫度。
本次采用FEFLOW軟件對(duì)隧道區(qū)域地溫場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，此次模擬范圍約2 298.82 km2，共剖分50 000個(gè)網(wǎng)格，運(yùn)用Heat模塊，計(jì)算研究區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)，見(jiàn)圖8。
圖8 隧址區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)模擬圖Fig.8 Simulated geothermal field at a depth of 100 m in the tunnel area
由圖8可知，研究區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)溫度為35.4～95.1 ℃?？刀ā⒄鄱嗵?、中谷均為溫度較高區(qū)域，其中康定地區(qū)溫度最高，為95.1 ℃，折多塘地區(qū)溫度為83.3 ℃，中谷地區(qū)溫度為80.0 ℃。地溫場(chǎng)模擬圖顯示，在鐵路線路穿越地區(qū)有部分相對(duì)低溫區(qū)域，成為有利于隧道修建的相對(duì)低溫通道。
此外，根據(jù)鉆探資料分析，鮮水河斷裂帶折多山地?zé)崦黠@受構(gòu)造控制，水熱活動(dòng)區(qū)展布方向與鮮水河斷裂方向基本一致，鮮水河斷裂帶的主體構(gòu)造為研究區(qū)內(nèi)的主要導(dǎo)熱構(gòu)造，是深部熱源上升對(duì)流的主要通道，次級(jí)分支斷裂與節(jié)理密集帶是主要的導(dǎo)水通道，分支斷裂與主體構(gòu)造的交匯部位一般巖石破碎、裂隙發(fā)育，為地?zé)崴倪\(yùn)移、儲(chǔ)存提供了有利條件，決定著溫泉的出露與分布情況。在宏觀上，研究區(qū)內(nèi)各熱水區(qū)沿鮮水河斷裂帶呈串珠狀分布，每個(gè)熱水區(qū)內(nèi)，有數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)溫泉群組成，每個(gè)溫泉群內(nèi)有若干泉眼，各個(gè)地?zé)崴谐雎秴^(qū)之間間隔數(shù)公里。因此，綜合分析認(rèn)為，在各熱水區(qū)間，存在有利于隧道修建的相對(duì)低溫通道。
4 結(jié)論
本次研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、水文地球化學(xué)和數(shù)值模擬分析，對(duì)川藏鐵路康定隧址區(qū)開展了地?zé)崴梢蚰Ｊ胶凸こ逃绊懛治鲅芯?，得出以下結(jié)論：
（1）川藏鐵路康定隧址區(qū)溫泉水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl—Na、HCO3—Na型，HCO3·Cl—Na型溫泉主要分布于康定熱水區(qū)，HCO3—Na型溫泉主要分布于中谷和折多塘熱水區(qū)。
（2）研究區(qū)地?zé)崴疄槲闯墒焖?，熱?chǔ)溫度為104～172 ℃，深部初始地?zé)崴疁囟葹?86～250 ℃，冷水混合比例為0.56～0.81。地?zé)崴a(bǔ)給高程較高，為3 768～4 926 m。
（3）溫泉水出露的水熱活動(dòng)區(qū)地下水徑流循環(huán)途徑暢通，地?zé)崴?jīng)過(guò)了強(qiáng)烈的水巖作用，受多斷裂交匯構(gòu)造帶控制，在地表形成溫泉。鮮水河斷裂主體構(gòu)造作為導(dǎo)熱構(gòu)造，是深部熱源向上傳導(dǎo)熱量的通道；次級(jí)斷裂與斷層破碎帶作為導(dǎo)水構(gòu)造，為地?zé)崴难h(huán)運(yùn)移提供了有利空間。
（4）研究區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)溫度為35.4～95.1 ℃，地?zé)崴谐雎缎纬?個(gè)熱水區(qū)，不同熱水區(qū)之間存在低溫通道。隧道建設(shè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注康定熱水區(qū)的高溫?zé)岷Α?/p>
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（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）
鮮水河斷裂是我國(guó)川西地區(qū)典型的左行走滑活動(dòng)斷裂，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，大地?zé)崃髦蹈?，為地?zé)崴男纬商峁┝擞欣臈l件[1]。迄今，在地表已發(fā)現(xiàn)大量溫泉露頭，沿著鮮水河斷裂呈串珠狀分布，自北向南形成了道孚、中谷、康定和磨西等多個(gè)熱水區(qū)，地?zé)豳Y源豐富[2]。
近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)鮮水河斷裂的地?zé)豳Y源開展了大量的研究，取得了豐碩成果。張健等[3]、Zhang等[4]、Tang等[5]綜合利用重力、地震、航磁和電法等地球物理方法查明了川西地區(qū)深部地?zé)峤Y(jié)構(gòu)。Li等[6]分析對(duì)比鮮水河斷裂帶各個(gè)熱水區(qū)的水文地球化學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)不同熱水區(qū)的地?zé)崴梢虼嬖谝欢ú町?。此外，前人針?duì)典型熱水點(diǎn)進(jìn)行了研究，對(duì)出露溫泉的地質(zhì)特征、主要陰陽(yáng)離子和氫氧同位素進(jìn)行一系列分析，認(rèn)為地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源以高山冰雪融水為主[7-9]，熱儲(chǔ)為二疊系變質(zhì)巖熱儲(chǔ)[10-12]，熱源來(lái)自于花崗巖放射性生熱、深部熔融體導(dǎo)熱和斷裂摩擦生熱[13-15]。
擬建川藏鐵路在康定折多山穿越鮮水河斷裂帶（圖1），沿?cái)嗔殉雎侗姸鄿厝?。為了能順利穿越折多山，減小地質(zhì)不利因素和熱害的影響，在地質(zhì)選線過(guò)程中，進(jìn)行過(guò)多種方案的比選，不同方案之間的地質(zhì)不利因素和熱害的影響具有一定的差異。鑒于川藏鐵路康定段高溫?zé)崴赡艹蔀樗淼拦こ痰闹萍s性影響因素，且地?zé)崴芯砍潭容^低，亟需提升隧址區(qū)的地?zé)崴芯克?，以期降低高溫水熱活?dòng)對(duì)鐵路隧道建設(shè)的不良影響。因此，本文在川藏鐵路康定隧址區(qū)內(nèi)地?zé)崴某雎短卣?、水化學(xué)和氫氧同位素分析的基礎(chǔ)上，探討地?zé)崴乃畮r作用過(guò)程、熱儲(chǔ)特征和補(bǔ)給來(lái)源，揭示其成因模式，并利用FEFLOW數(shù)值模擬軟件反演研究區(qū)地溫場(chǎng)特征，以期為康定隧道的安全建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。
圖1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)圖（根據(jù)文獻(xiàn)[16]修改）Fig.1 Geological and geothermal map with the sampling locations (modified from Ref.[16])
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)處在鮮水河斷裂、龍門山斷裂和小江斷裂的“Y”字型交匯部位，位于鮮水河斷裂南段，受左旋走滑作用影響較大。研究區(qū)主要出露的地層包括沉積地層和變質(zhì)地層，上覆第四系沉積物，沉積地層主要由古老的震旦系、志留系和三疊系地層組成；變質(zhì)地層主要包括泥盆系和二疊系地層（圖1）。研究區(qū)內(nèi)巖漿侵入活動(dòng)強(qiáng)烈，出露有澄江—晉寧期、印支期和燕山期多期次的花崗巖。研究區(qū)地層和巖體中發(fā)育北東-南西向的張性裂隙（圖2）。
圖2 研究區(qū)剖面圖（根據(jù)文獻(xiàn)[16]修改）Fig.2 A-A’ section of study area (modified from Ref.[16])
大氣降水是研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，局部地區(qū)存在河水補(bǔ)給地下水的現(xiàn)象。地下水徑流受構(gòu)造活動(dòng)影響，在谷坡險(xiǎn)峻區(qū)具有徑流途徑短的特點(diǎn)，主要以泉的形式排泄。研究區(qū)隸屬康定—爐霍地?zé)釒隙?，區(qū)域水文地質(zhì)資料顯示，區(qū)內(nèi)出露溫泉或溫泉群50余處，沿著鮮水河斷裂及其次級(jí)斷裂出露的溫泉或溫泉群達(dá)到38處，構(gòu)成南北長(zhǎng)約70 km、東西寬約7 km的康定—磨西溫泉（或熱泉）帶，各泉點(diǎn)的流量差別較大，為0.3～103.0 L/s，合計(jì)流量約226.0 L/s。川藏鐵路康定隧道主要途經(jīng)中谷、康定和折多塘3個(gè)熱水區(qū)，每個(gè)熱水區(qū)內(nèi)均出露不同數(shù)量的溫泉或溫泉群，溫泉出露溫度為37～84 ℃。
2 研究方法
2018年11月在甘孜藏族自治州康定市榆林宮、中谷、折多塘等地區(qū)進(jìn)行樣品采集，其中地?zé)崴?3組，冷泉水2組，地表水2組，進(jìn)行常規(guī)水化學(xué)特征分析。在現(xiàn)場(chǎng)使用手持GPS、便攜式水質(zhì)分析儀（HACH-SL1000）對(duì)溫泉的出露高程、pH、溫度和流量進(jìn)行測(cè)定。采用格蘭氏滴定法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。水樣采用容量為550 mL的無(wú)色聚乙烯瓶保存，采樣前先用待采水樣潤(rùn)洗三遍，在取樣過(guò)程中盡量保證水樣裝滿取樣瓶，防止瓶中產(chǎn)生氣泡，采樣完成后及時(shí)蠟封，并編號(hào)標(biāo)記。為了消除誤差設(shè)置了對(duì)照試驗(yàn)，每組樣品均采集2份。樣品采集后48 h內(nèi)送至成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。用于測(cè)試金屬陽(yáng)離子和微量元素的水樣，取樣后需滴加濃鹽酸至水樣pH＜2。用于測(cè)試F-、Cl-、等陰離子的水樣不做酸化處理，采用離子色譜儀（ICS-1100）測(cè)定。K+、Na+、Ca2+、Mg2+等主要陽(yáng)離子采用直讀光譜ICP-OES（ICAP6300）測(cè)定。陰陽(yáng)離子平衡檢驗(yàn)在-4.3%～7.7%之間，說(shuō)明測(cè)試結(jié)果可靠。氫氧同位素采用平衡法測(cè)CO2、鋅法測(cè)H2，質(zhì)譜計(jì)為MAT251EM型，分析精度為±0.12‰。
3 結(jié)果與分析
3.1 水化學(xué)類型
對(duì)水樣進(jìn)行Piper三線圖分析，結(jié)果表明地表水、冷泉水中主要陽(yáng)離子為Ca2+、Mg2+，主要陰離子為地?zé)崴闹饕?yáng)離子為Na+，主要陰離子為總體水化學(xué)類型可以劃分為HCO3·Cl—Na型、HCO3—Na型，康定、中谷和折多塘地區(qū)的溫泉表現(xiàn)出明顯分區(qū)差異（圖3）。
圖3 研究區(qū)水樣Piper三線圖Fig.3 Piper diagrams for the water samples
（1）HCO3·Cl—Na型地?zé)崴?/p>
5件樣品的水化學(xué)類型為HCO3·Cl—Na型，此類地?zé)崴雎兜貛Щ緸榭刀ā芰謱m一帶。
此類地?zé)崴畃H值為6.5～8.7（平均值為7.6）。溶解性總固體為1 002.4～1 949.7 mg/L，（平均值為1 431.8 mg/L）。地?zé)崴兄饕?yáng)離子為Na+，含量為330.0～650.0 mg/L（平均值為454.0 mg/L），主要陰離子為，含量為530.9～1 304.3 mg/L（平均值為830.8 mg/L）。
（2）HCO3—Na型地?zé)崴?/p>
8件樣品的水化學(xué)為HCO3—Na型，中谷地區(qū)、折多塘地區(qū)的地?zé)崴畼铀瘜W(xué)類型均為HCO3—Na型。
此類地?zé)崴畃H值為6.7～7.8（平均值為7.0）。溶解性總固體為388.9～1 315.8 mg/L，（平均值為1 040.4 mg/L）。地?zé)崴兄饕?yáng)離子為Na+，含量為140.0～390.0 mg/L（平均值為297.1 mg/L）；主要陰離子為含量為372.2～1 305.8 mg/L（平均值為951.9 mg/L）。
3.2 水巖作用分析
地?zé)崴哂休^高的Na/Cl值，其中尤以折多塘溫泉最明顯，高達(dá)15.8，但水中的SiO2的含量較低（圖4），表明與其他水熱區(qū)相比，折多塘水熱區(qū)地?zé)崴c圍巖的水-巖作用程度和機(jī)制均存在較大差異。
圖4 研究區(qū)水樣TDS含量與 及SiO2含量與Na/Cl濃度比值關(guān)系圖Fig.4 Relationship between TDS and concentrations and SiO2 concentration and Na/Cl concentration ratio of the water samples
3.3 熱儲(chǔ)溫度估算
在估算熱儲(chǔ)溫度前，首先利用Giggenbach Na-KMg三角圖解判斷地?zé)崴乃畮r平衡狀態(tài)圖[17-18]。研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴畼悠肪湓谖闯墒靺^(qū)域，說(shuō)明其與礦物并未達(dá)到水-巖平衡，地?zé)崴诔雎哆^(guò)程中受到了淺部冷水的混合（圖5）。本次在使用陽(yáng)離子地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲(chǔ)溫度時(shí)結(jié)果偏差較大，故而不宜采用。本研究采用SiO2地?zé)釡貥?biāo)估算熱儲(chǔ)溫度。在估算熱儲(chǔ)溫度時(shí)，需要注意淺部冷水混合作用的影響。
圖5 研究區(qū)地?zé)崴腘a-K-Mg三角圖[17]Fig.5 Na-K-Mg triangle diagram for the geothermal waters
本次研究采用SiO2礦物地?zé)釡貥?biāo)估算地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度。在估算前先判別不同SiO2礦物在地?zé)崴械钠胶鉅顟B(tài)，采用Phreeqc軟件模擬得到SiO2礦物石英和玉髓的飽和指數(shù)分別為0.58～1.12和0.15～0.69，說(shuō)明石英在地?zé)崴械娘柡统潭雀?，故本次研究采用石英地?zé)釡貥?biāo)估算地?zé)崴臒醿?chǔ)溫度，計(jì)算結(jié)果為104～172 ℃。選用淺部冷泉的溫度15 ℃和SiO2平均含量8 mg/L，通過(guò)Fournier硅-焓方程[19]估算深部初始地?zé)崴疁囟葹?95～260 ℃，冷水混合比例為0.56～0.81（表1）。
表1 研究區(qū)水樣的水化學(xué)和同位素測(cè)試分析結(jié)果Table 1 Hydrochemical and isotopic constituents of the water samples in the study area
3.4 補(bǔ)給來(lái)源分析
地下水樣品的δD-δ18O值可以用來(lái)查明其補(bǔ)給來(lái)源[20]。根據(jù)測(cè)試結(jié)果建立研究區(qū)地?zé)崴腄-δ18O關(guān)系直線圖（圖6），可知大部分地?zé)崴畼訑?shù)據(jù)點(diǎn)均落在大氣降水線右下方，地?zé)崴摩腄和δ18O值與地表水相比都更低，說(shuō)明地?zé)崴a(bǔ)給高程較地表水的取樣點(diǎn)高程高。中谷溫泉及研究區(qū)溝水、河水水樣數(shù)據(jù)點(diǎn)均落于大氣降水線左上方，說(shuō)明這些地區(qū)相對(duì)蒸發(fā)強(qiáng)烈，海拔緯度相對(duì)較低。
圖6 研究區(qū)地?zé)崴摩腄-δ18O關(guān)系Fig.6 Plot of oxygen and hydrogen isotopes of the water samples
Craig[21]認(rèn)為在地?zé)嵯到y(tǒng)的高溫狀態(tài)下，深部循環(huán)的地?zé)崴蛧鷰r之間發(fā)生氧同位素交換，表現(xiàn)出“氧同位素漂移”，巖石礦物中的氫元素含量很少，水巖間的氫同位素交換無(wú)從進(jìn)行，因而地?zé)崴摩腄與大氣降水一致。
根據(jù)δD的高程效應(yīng)計(jì)算補(bǔ)給高程，確定補(bǔ)給區(qū)域，補(bǔ)給高程計(jì)算公式為：
式中：H—地?zé)崴难a(bǔ)給高程/m；
h—地?zé)崴叱?m；
δD—地?zé)崴摩腄/‰（SMOW）；
δD0—地表河水的δD/‰（SMOW）；
graD—δD隨高程遞減梯度。
我國(guó)西南地區(qū)δD的高程遞減梯度為-2.6‰/100 m[22]?；讦腄計(jì)算補(bǔ)給高程，結(jié)果為3 768～4 926 m。
3.5 成因模式分析
研究區(qū)控制地?zé)崴l(fā)育的斷裂主要為雅拉河斷裂，其次為色哈拉斷裂和玉龍溪斷裂。地?zé)崴饕匮爬訑嗔殉蚀闋畛雎?，在色哈拉斷裂和玉龍溪斷裂上零星分布。因此，研究區(qū)的水熱活動(dòng)在雅拉河斷裂最強(qiáng)，向西逐步減弱，向東無(wú)溫泉出露，是地?zé)崂鋮^(qū)。地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水化學(xué)和氫氧同位素分析結(jié)果表明，研究區(qū)地?zé)崴h(huán)深度大，補(bǔ)給高程高，補(bǔ)給區(qū)為折多山西南方向的貢嘎山北坡海拔4 000 m以上區(qū)域，補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、融雪水和淺層地下水。地下水通過(guò)北東—南西向的張性裂隙朝北東方向下滲和運(yùn)移，在雅拉河斷裂帶3 000～4 000 m深度受熱形成高溫地?zé)崴?，地?zé)崴纬珊笱財(cái)嗔呀粎R部位上升，最終在地表出露形成溫泉。研究區(qū)的地?zé)崴梢蚰Ｊ饺鐖D7所示，屬于這一成因模式的溫泉水溫一般受兩組結(jié)構(gòu)面交匯深度控制，深度較大，水溫較高、流量較穩(wěn)定。研究區(qū)內(nèi)出露溫度60 ℃以上的溫泉，大多屬于該成因模式。
圖7 研究區(qū)地?zé)崴梢蚰Ｊ綀DFig.7 Genetic mode of geothermal waters in the tunnel area
3.6 地?zé)崴畬?duì)鐵路建設(shè)的影響分析
高溫?zé)岷?wèn)題會(huì)嚴(yán)重干擾隧道施工的進(jìn)度與隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此研究地?zé)崴畬?duì)隧道的潛在危害十分必要[23]。
本次研究表明，川藏鐵路在康定地區(qū)主要穿越折多塘、康定和中谷3個(gè)熱水區(qū)，其中康定和中谷熱水區(qū)的溫泉露頭數(shù)量較多，折多塘僅發(fā)現(xiàn)一處典型溫泉露頭。水化學(xué)分析結(jié)果表明，3個(gè)熱水區(qū)的水巖反應(yīng)過(guò)程各異，具有不同的地?zé)釡貥?biāo)，中谷和康定的熱儲(chǔ)溫度較高，由于中谷熱水區(qū)距離鐵路較遠(yuǎn)，對(duì)隧道修建的影響較??；康定熱水區(qū)距離鐵路隧道較近，在隧道修建時(shí)應(yīng)該做好高溫防治工作。
地球內(nèi)部的熱能通過(guò)巖層傳導(dǎo)和地?zé)崃黧w的對(duì)流作用不斷向地表散失，熱流方向總是垂直于地面，因此大地?zé)崃髦悼梢员碚鳠崃鳡顩r[24]。通過(guò)搜集研究區(qū)大地?zé)崃鲄R編數(shù)據(jù)以及巖石導(dǎo)熱率數(shù)據(jù)[25]，研究區(qū)地溫場(chǎng)為：
式中：Ts—常溫帶溫度；
d0—常溫帶深度；
q—大地?zé)崃髦担?/p>
Kr—巖石導(dǎo)熱率；
z—深度；
T—溫度。
本次采用FEFLOW軟件對(duì)隧道區(qū)域地溫場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算，此次模擬范圍約2 298.82 km2，共剖分50 000個(gè)網(wǎng)格，運(yùn)用Heat模塊，計(jì)算研究區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)，見(jiàn)圖8。
圖8 隧址區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)模擬圖Fig.8 Simulated geothermal field at a depth of 100 m in the tunnel area
由圖8可知，研究區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)溫度為35.4～95.1 ℃?？刀ā⒄鄱嗵?、中谷均為溫度較高區(qū)域，其中康定地區(qū)溫度最高，為95.1 ℃，折多塘地區(qū)溫度為83.3 ℃，中谷地區(qū)溫度為80.0 ℃。地溫場(chǎng)模擬圖顯示，在鐵路線路穿越地區(qū)有部分相對(duì)低溫區(qū)域，成為有利于隧道修建的相對(duì)低溫通道。
此外，根據(jù)鉆探資料分析，鮮水河斷裂帶折多山地?zé)崦黠@受構(gòu)造控制，水熱活動(dòng)區(qū)展布方向與鮮水河斷裂方向基本一致，鮮水河斷裂帶的主體構(gòu)造為研究區(qū)內(nèi)的主要導(dǎo)熱構(gòu)造，是深部熱源上升對(duì)流的主要通道，次級(jí)分支斷裂與節(jié)理密集帶是主要的導(dǎo)水通道，分支斷裂與主體構(gòu)造的交匯部位一般巖石破碎、裂隙發(fā)育，為地?zé)崴倪\(yùn)移、儲(chǔ)存提供了有利條件，決定著溫泉的出露與分布情況。在宏觀上，研究區(qū)內(nèi)各熱水區(qū)沿鮮水河斷裂帶呈串珠狀分布，每個(gè)熱水區(qū)內(nèi)，有數(shù)個(gè)或數(shù)十個(gè)溫泉群組成，每個(gè)溫泉群內(nèi)有若干泉眼，各個(gè)地?zé)崴谐雎秴^(qū)之間間隔數(shù)公里。因此，綜合分析認(rèn)為，在各熱水區(qū)間，存在有利于隧道修建的相對(duì)低溫通道。
4 結(jié)論
本次研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、水文地球化學(xué)和數(shù)值模擬分析，對(duì)川藏鐵路康定隧址區(qū)開展了地?zé)崴梢蚰Ｊ胶凸こ逃绊懛治鲅芯?，得出以下結(jié)論：
（1）川藏鐵路康定隧址區(qū)溫泉水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl—Na、HCO3—Na型，HCO3·Cl—Na型溫泉主要分布于康定熱水區(qū)，HCO3—Na型溫泉主要分布于中谷和折多塘熱水區(qū)。
（2）研究區(qū)地?zé)崴疄槲闯墒焖?，熱?chǔ)溫度為104～172 ℃，深部初始地?zé)崴疁囟葹?86～250 ℃，冷水混合比例為0.56～0.81。地?zé)崴a(bǔ)給高程較高，為3 768～4 926 m。
（3）溫泉水出露的水熱活動(dòng)區(qū)地下水徑流循環(huán)途徑暢通，地?zé)崴?jīng)過(guò)了強(qiáng)烈的水巖作用，受多斷裂交匯構(gòu)造帶控制，在地表形成溫泉。鮮水河斷裂主體構(gòu)造作為導(dǎo)熱構(gòu)造，是深部熱源向上傳導(dǎo)熱量的通道；次級(jí)斷裂與斷層破碎帶作為導(dǎo)水構(gòu)造，為地?zé)崴难h(huán)運(yùn)移提供了有利空間。
（4）研究區(qū)100 m深度地溫場(chǎng)溫度為35.4～95.1 ℃，地?zé)崴谐雎缎纬?個(gè)熱水區(qū)，不同熱水區(qū)之間存在低溫通道。隧道建設(shè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注康定熱水區(qū)的高溫?zé)岷Α?/p>
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