四川吉魚溫泉水文地球化學特征及成因機制分析

柯 斌，吳 勇，田夢莎，李存旺，宋 鵬

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000；2.成都理工大學地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；3.四川省環(huán)境政策研究與規(guī)劃院，四川 成都 610041)

地熱資源是賦存于地球深部的一種能源，它與石油、天然氣、煤等不可再生能源不同，地熱資源是作為一種新興的環(huán)保能源，不論是從環(huán)保角度還是經(jīng)濟角度考慮地熱資源都存在巨大的開發(fā)潛力[1]。四川開發(fā)了都江堰侏羅紀溫泉、雅安周公山溫泉、峨眉山靈秀溫泉、安縣羅浮山溫泉及西部大峽谷溫泉等多個頂級溫泉，獨特的盆地氣候和地熱地質(zhì)條件為溫泉的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)[2]。

目前，對于龍門山斷裂帶地熱成因模式的研究，主要集中在龍門山前緣地帶，如較為典型的綿竹釀春池溫泉，對于龍門山后山斷裂的地熱成因模式研究相對較少。從八十年代以來，在四川地熱水的研究中，對龍門山斷裂帶地區(qū)地熱資源的研究較為貧瘠，主要是集中在川南和川西松潘甘孜地區(qū)[3]。因此，本文以出露于茂汶斷裂(又稱龍門山后山斷裂)上盤白云巖地層中的吉魚溫泉為研究對象，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，分析其水文地球化學特征、水-巖作用程度及熱儲特征，淺析吉魚溫泉的成因機制，豐富龍門山后山斷裂帶地熱成因模式的研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及地熱異常特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

區(qū)域上位于四川省西北部、阿壩藏族羌族自治州東南部，地處青藏高原向川西平原過渡地帶。區(qū)內(nèi)地勢總體上呈現(xiàn)為西北高、東南低，岷江河谷兩岸山勢雄偉，河谷、溝谷深切多呈“V”字型，主要地貌類型存在極高山地貌、高山地貌、剝蝕-侵蝕中山地貌、第四系松散堆積地貌。區(qū)內(nèi)氣候總體上屬高原型季風氣候，降水量在各地區(qū)分配不均，年降水量均在500～800 mm之間。區(qū)內(nèi)河流分屬岷江水系和涪江水系，各級支流多呈樹枝狀。吉魚溝為岷江的一級支溝，為“V”字型深切窄谷，干流長8.5 km，流域面積約15.2 km2，前人實測枯水期最小流量為0.4 m3/s，洪水期最大流量為0.7 m3/s。

區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了晉寧運動、加里東運動、華力西運動、印支運動、燕山運動等多次地殼運動，并相應(yīng)產(chǎn)生了多時代的巖漿巖。涉及吉魚溫泉形成的巖漿巖活動為元古代晉寧-澄江期巖漿巖活動，為區(qū)內(nèi)最強烈的一次巖漿活動，形成了元古代晉寧-澄江第四期黑云花崗巖(γ2(4))，分布于牟托一帶以“牟托巖體”獨立產(chǎn)出，被震旦系燈影組白云巖圍繞呈“馬蹄形”分布(圖1)。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)略圖

1.2 區(qū)域地熱異常特征

根據(jù)區(qū)域布格重力異常圖(圖2)，區(qū)域圖及資料反映境內(nèi)龍門山地區(qū)的布格重力異常變化明顯，均為負值，整體上呈現(xiàn)由西北向東南逐漸升高的趨勢，同時也說明地殼厚度呈現(xiàn)逐漸減小的整體趨勢。根據(jù)區(qū)域布格重力異常圖及資料從松潘至龍門山前緣重力值從-300×105m/s2增大至-150×105m/s2，形成了線狀密集的重力梯級帶，龍門山斷裂帶重力值在-190×105～160×105m/s2之間，重力異常等值線走向與龍門山斷裂帶走向大致相同，等值線分布均勻，無重力高及突變部位。

2 吉魚溫泉的出露特征及水樣采集及分析

吉魚溫泉出露于吉魚溝右岸坡腳處，溫泉出露部位距213國道約1.5 km，距茂縣縣城公路距離約18.0 km。吉魚溫泉共有兩個出露點，兩個出露點直線距離約10 m，根據(jù)吉魚溝流向命名為：吉魚溫泉1#號，吉魚溫泉2#號。L兩個出露點均出露于茂汶斷裂帶上盤震旦系燈影組白云巖地層中，吉魚溫泉1#出露于一條寬約0.5～1.0 m的斷層破碎帶中，泉點出露高程1 640 m，水溫26.0℃，流量約0.5 L/s；吉魚溫泉2#亦沿裂隙流出，泉點出露高程1 643 m，水溫34.0℃，流量約0.4 L/s；溫泉兩個出露部位H2S氣體味均較濃，2#出露處尤為明顯。

為對比分析地熱水、冷泉、地表水各自的水文地球化學特征，分別對吉魚溫泉(地熱水)、周邊冷泉及溪溝水(地表水)規(guī)范取樣進行水質(zhì)全分析，現(xiàn)場測定每件樣品pH及溫度。此外，還收集到1件岷江水質(zhì)數(shù)據(jù)資料同時進行對比分析。

圖2 區(qū)域布格重力異常圖

表1 水化學測試結(jié)果統(tǒng)計表

3 吉魚溫泉的水文地球化學特征

3.1 水化學特征

地熱水、冷泉、地表水各自其水化學成分、地下水循環(huán)深度、水-巖作用時長各有不同，反映為地熱水、冷泉、地表水不同的水化學特征及類型。對比分析地熱水以及近源冷泉、地表水水文地球化學特征有利于理解溫泉與周邊水體的補、徑、排關(guān)系，更加深入認識溫泉的形成模式，從而有助于更加深入的認識溫泉形成的成因模式[4-14]。采取水樣由專業(yè)實驗中心進行測試分析，根據(jù)電中性方程，計算得出陰陽離子總量百分誤差在5%以內(nèi)，測試結(jié)果準確，可用于水樣分析，其結(jié)果如表1所示。運用AquaChem軟件，導入各水樣常量組分Cl-、SO42-、HCO3-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+的含量，得出各類水樣在Piper圖中的分布位置(圖3)，得出溫泉水、冷泉水、溪溝水及岷江江水的水化學類型。

圖3 吉魚溫泉水、冷泉水、溪溝水、岷江江水Piper圖

溫泉水、溪溝水、岷江江水呈現(xiàn)出各自不同的水化學特征，也反映了不同的形成環(huán)境及條件。從常規(guī)離子含量分析：溫泉水中陽離子以Ca2+為主，占陽離子毫克當量百分數(shù)在50%左右；冷泉以及地表水以Ca2+、Mg2+為主，占陽離子毫克當量百分數(shù)的比例均在80%～95%，含量占比優(yōu)勢明顯。溫泉水中陰離子以SO42-為主，SO42-占陰離子毫克當量百分數(shù)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個數(shù)量級；冷泉以及地表水以HCO3-為主，HCO3-占陰離子毫克當量百分數(shù)在60%～80%，溫泉水中HCO3-所占比例相對較小，但溫泉水HCO3-的含量依然較冷泉水、溪溝水大，其原因主要是來自深循環(huán)的溫泉水的礦化度均比淺循環(huán)以及地表水大1～2數(shù)量級，各種離子溶解在溫泉水中的量均占絕對優(yōu)勢。

特殊組分主要分析氟和偏硅酸這兩種在溫泉水中極具代表性的指標。一般在相同圍巖條件情況下，地下熱水溫度與熱水中F-的溶解能力存在一定正相關(guān)關(guān)系[14]，吉魚溫泉1#、2#溫泉水中氟的含量分別為2.23 mg/L、3.15 mg/L，冷泉水中含量較低，相差近一個數(shù)量級，亦反映了地熱水溫度越高氟的含量越大的特征。偏硅酸的含量受溫度的影響亦較大，也呈現(xiàn)出溫度越高含量越高的特征，吉魚溫泉1#、2#溫泉水中偏硅酸的含量分別為34.18 mg/L、66.98 mg/L，冷泉水、溪溝水中含量在8.00～12.00 mg/L。

地熱水、冷泉、地表水水化學類型方面，吉魚溫泉1#、冷泉水、溪溝水的水化學類型均為SO4·HCO3-Ca·Mg型，吉魚溫泉2#水化學類型為SO4-Ca·Mg型，吉魚溫泉1#的水化學類型與其近源冷水一致，表現(xiàn)為吉魚溫泉兩個出露點不同的水化學類型。根據(jù)水化學特征及溫泉兩出露點的出露特征分析，其原因主要為吉魚溫泉1#泉點在其徑流排泄途中混入較多近源冷水，因此呈現(xiàn)出與近源冷水相同的水化學類型，同時也降低了溫泉出露點的出水溫度。

綜上，地熱水與冷泉水、地表水相比，地熱水水中常量組分和特殊組分的絕對含量都具絕對優(yōu)勢；地熱水中特殊組分氟和偏硅酸在相同圍巖條件情況下，地下熱水溫度與熱水中氟和偏硅酸的含量存在一定正相關(guān)關(guān)系。整體上地下熱水與圍巖的作用時間及程度均較強烈，在地下水的徑流-運移過程中，地下熱水相對冷泉水和地表水而言，在水熱作用下地熱水中常量組分和特殊組分的富集能力較強。

3.2 水-巖作用及熱儲溫度

在地熱資源勘探評價過程中，深部熱儲溫度是評價地熱資源的重要參數(shù)，在野外實地測試得到的溫度是熱水出露后的溫度，而非熱儲溫度，目前通常利用地熱溫標方法來估算地下熱水的熱儲溫度。常用的地熱溫標有石英溫標、陽離子溫標和同位素溫標三類。在對溫泉的熱儲溫度進行估算前，需先用Giggenbach于1988提出的Na-K-Mg三角形圖解法[15]對地下熱水的平衡狀態(tài)和類型進行劃分。吉魚溫泉水樣點位于未成熟區(qū)內(nèi)(圖4)，處在Na-K-Mg三角圖中Mg離子的右下方角落處，表明水-巖作用未達到平衡。吉魚溫泉1#、2#出水點水樣分布位置不同，溫泉1#出水點水樣位置與周邊冷泉水樣點在Na-K-Mg三角圖中所處位置幾乎重合，這也進一步說明吉魚溫泉1#徑流、運移過程中混入較多近源冷水。

圖4 吉魚溫泉、冷泉水、溪溝水、

通過對吉魚溫泉水-巖作用程度的判斷，吉魚溫泉熱水屬于“未成熟水”，即水-巖作用尚未達到平衡狀態(tài)，不適合使用陽離子溫標法估算地熱溫標，宜采用無蒸汽損失的二氧化硅溫標進行熱儲溫度計算[16]。

根據(jù)無蒸汽損失的二氧化硅溫標公式(1)計算出的吉魚溫泉熱儲溫度結(jié)果(表2)如下：

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

(1)

通過計算，吉魚溫泉1#、2#熱儲溫度分別為74.05℃、103.22℃，根據(jù)《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB11615-2010)，吉魚溫泉屬中溫地熱資源。由于吉魚溫泉1#徑流、運移過程中混入了較多近源冷水，導致計算所得的熱儲溫度偏低，因此吉魚溫泉所處的熱儲溫度與吉魚溫泉2#出水點更為接近和準確。

3.3 熱水循環(huán)深度的估算

根據(jù)溫泉水熱儲溫度及當?shù)仄骄責嵩鰷靥荻瓤梢源笾峦扑愕責崴难h(huán)深度，引用公式2[17]，其計算結(jié)果可表示在正常地熱增溫條件下，地下熱水的循環(huán)深度：

H=(t-ta)/G0-h

(2)

式中：H為熱水循環(huán)深度；t為熱儲溫度；ta為當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁兀?1.0℃；G0為當?shù)仄骄販靥荻?，?.03℃/100m；h為常溫帶厚度(一般為覆蓋層厚度)，取0m。

通過計算表明：吉魚溫泉1#和吉魚溫泉2#的熱水循環(huán)深度分別為2 080 m、3 043 m。由于吉魚溫泉1#在徑流、排泄過程中混入了較多近源冷水，致使吉魚溫泉1#溫泉水中偏硅酸含量降低，計算所得的循環(huán)深度較吉魚溫泉2#較小，因此計算所得的吉魚溫泉2#熱水循環(huán)深度更能代表吉魚溫泉熱水循環(huán)深度。在此，需要說明的是在地下熱水的徑流、運移過程中，一般還存在其他熱源對其進行供熱，因此計算所的熱水循環(huán)深度可視為最大熱水循環(huán)深度，即吉魚溫泉熱水循環(huán)深度在3 000 m左右，熱儲溫度可達100℃左右。

4 吉魚溫泉的成因模式

4.1 吉魚溫泉的形成條件

熱源是形成溫泉的必要條件之一，而熱源類別是確定溫泉成因的主要因素之一。區(qū)內(nèi)涉及的巖漿巖牟托巖體為元古代晉寧-澄江第四期黑云花崗巖(γ2(4))，元古代花崗巖距今已有500 Ma以上，并出露地表且存在變質(zhì)現(xiàn)象。湯集旸研究表明[18]：100 Ma以前的侵入體，其溫度已恢復到圍巖的環(huán)境溫度，因此巖漿巖熱源不能成為吉魚溫泉地熱水的熱源。區(qū)內(nèi)涉及活動性斷裂主要為茂汶斷裂，又稱龍門山后山斷裂，為龍門山斷裂帶的三大主干斷裂之一，該斷裂活動頻繁，活動斷裂和地震產(chǎn)生的機械摩擦熱對大地熱流值存在一定的貢獻。綜合分析可知，吉魚溫泉熱源沒有巖漿熱源等特殊熱源，主要熱源是來自深部的地幔熱源，總體上吉魚溫泉屬正常地溫梯度增溫。

根據(jù)吉魚溫泉水、冷泉水、溪溝水、岷江江水各水樣的常量離子，繪制Schoeller圖(圖5)，溫泉水、冷泉水、溪溝水各離子變化趨勢基本一致，僅在垂向上因不同類型水的離子含量變化存在一定差異，即反映溫泉水、冷泉水、溪溝水的補給來源均為大氣降水及區(qū)內(nèi)高山冰雪融水，且在徑流、運移過程中存在混合情況[19]。趨勢圖在垂向上存在的差異主要是由于各類水不同的循環(huán)深度、不同的徑流途徑以及不同的水力交替速度等因素致使水化學特征的不同，亦說明溫泉補給源不是來源于周邊的地表水淺循環(huán)補給，而是來源于外圍高山區(qū)的降水或融雪深循環(huán)補給，同時亦表現(xiàn)在補給高程上的差別。

圖5 離子變化趨勢圖

熱儲是指地熱流體相對富集，具有有效空隙和滲透性的巖層或巖體破碎帶。根據(jù)載熱流體賦存空間的不同，熱儲一般分為層狀熱儲和帶狀熱儲[20]。從吉魚溫泉出露的地質(zhì)條件和吉魚溫泉推算的循環(huán)深度分析，吉魚溫泉地熱水主要賦存于斷裂帶震旦系燈影組(Zbdn)白云巖和晉寧-澄江期牟托花崗巖體破碎帶以及構(gòu)造裂隙之中，屬帶狀熱儲。

地質(zhì)構(gòu)造分析是研究地熱水成因機制的基礎(chǔ)，大地構(gòu)造位置決定了地熱系統(tǒng)的熱背景，小構(gòu)造環(huán)境控制地熱系統(tǒng)的斷裂及裂隙發(fā)育、地下熱水的補給、徑流及排泄條件以及熱水上涌通道的細節(jié)等條件[18]。經(jīng)前人勘察，吉魚溫泉所處的小構(gòu)造環(huán)境為吉魚溫泉出露處分布的一條斜穿溪溝的斷層發(fā)育并與茂汶斷層交匯，前人將其命名為吉魚溝斷層(圖6)，吉魚溝斷層走向為35°，傾角40°，與茂汶斷層呈“入”字型相交，形成寬約100 m的白云巖破碎帶，破碎帶內(nèi)巖石裂隙密集(每米為3～5條)，成為吉魚溫泉地熱水上升出露的良好通道。

圖6 吉魚溫泉泉域水文地質(zhì)略圖

圖7 吉魚溫泉成因模式圖

4.2 吉魚溫泉的成因模式

吉魚溫泉淺部不存在年輕巖漿巖體類別的特殊熱源，主要是在略為偏高的區(qū)域地熱背景之下，吉魚溫泉地熱水接受大氣降水以及區(qū)內(nèi)高山冰雪融水補給，通過牟托巖體花崗巖斷裂及茂汶斷裂下滲進行深循環(huán)，沿破碎帶及裂隙運移至茂汶斷裂帶與吉魚溝斷裂交匯處，在地形和構(gòu)造有利部位排泄。通過對吉魚溫泉出露特征、水文地球化學特征、形成條件等綜合分析，吉魚溫泉屬于典型的深循環(huán)中低溫對流型地熱系統(tǒng)，屬隆起帶深循環(huán)地熱水型。

綜上所述，吉魚溫泉的地質(zhì)成因模式可概括如下：在略為偏高的區(qū)域地熱背景之下，高山區(qū)的降水或雪水通過深大斷裂破碎帶和裂隙體系下滲進入深循環(huán)，并沿破碎帶、裂隙構(gòu)造運移和循環(huán)。在地下水運移過程中，隨著循環(huán)深度的增加，地下水從巖石中不斷吸收存儲熱量，在2 000～3 000 m深處地下水溫度可能達到70.0℃～100.0℃。熱儲中地熱水擇地質(zhì)條件有利的部位運移，即沿破碎帶以及裂隙運移，運移至茂汶斷裂帶與吉魚溝斷裂交匯處，并

與近源地下水混合后，在有利的地形地貌部位出露成為吉魚溫泉，泉口高程為1 640 m，泉水溫度34.0℃，流量1.0 L/s(圖7)。

5 結(jié)語

(1)吉魚溫泉出露于茂汶斷裂上盤震旦系燈影組白云巖地層中，吉魚溝斷層與茂汶斷裂呈“入”字型相交，形成規(guī)模較大的白云巖破碎帶，破碎帶內(nèi)巖體裂隙密集，構(gòu)成吉魚溫泉形成的小構(gòu)造環(huán)境。

(2)吉魚溫泉水溫32.5℃～34℃，流量約1.0 L/s，水化學類型為SO4-Ca-Mg型。利用Na-K-Mg平衡圖解判斷吉魚溫泉屬于“未成熟水”，即水-巖作用尚未達到平衡狀態(tài)；運用石英溫標估算熱儲溫標為103.22℃，熱水循環(huán)深度約3 000 m左右。

(3)通過對吉魚溫泉出露特征、水文地球化學特征、形成條件等綜合分析可知：吉魚溫泉屬于典型的深循環(huán)中低溫對流型地熱系統(tǒng)，屬隆起帶深循環(huán)地熱水型。