西藏谷露地?zé)崽锼疅嵯到y(tǒng)成因機(jī)制

萬漢平，張松，高洪雷，郝偉林，胡志華，胡先才，吳儒杰

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)地?zé)峥辈榧夹g(shù)研究中心，北京 100029）

地?zé)崮苁且环N清潔、安全、穩(wěn)定的可再生能源，合理開采不但會(huì)得到熱源的不斷補(bǔ)充，而且具有不排放溫室氣體，不受季節(jié)、氣候、晝夜變化等外界因素影響的優(yōu)點(diǎn)，是一種現(xiàn)實(shí)可行且極具競爭力的清潔能源。高溫地?zé)岚l(fā)電是地?zé)崮芾玫闹匾问剑淦骄茉蠢眯矢哌_(dá)73 %［1-2］，在國家雙碳目標(biāo)及清潔能源戰(zhàn)略的大背景下，高溫地?zé)崮荛_發(fā)對(duì)節(jié)能減排、改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。

我國大陸高溫地?zé)豳Y源主要分布于青藏高原腹地藏南以及川西地區(qū)［3］，也即著名的地中海—喜馬拉雅地?zé)釒|段，該區(qū)域地?zé)豳Y源十分豐富，尤其是高溫水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)廣泛發(fā)育。然而截至目前，我國僅開發(fā)了西藏羊八井和羊易兩個(gè)高溫地?zé)崽?，羊易地?zé)犭娬狙b機(jī)容量16 MW，羊八井地?zé)犭娬狙b機(jī)容量25.18 MW，但由于發(fā)電機(jī)組超期服役及產(chǎn)能衰減等原因，目前羊八井地?zé)犭娬疽淹Ｖ惯\(yùn)行。我國高溫地?zé)崮荛_發(fā)程度低，一方面是由于西藏地區(qū)交通及電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施落后，開發(fā)難度較大；另一方面是地質(zhì)勘查及科研投入不足，對(duì)高溫水熱型地?zé)豳Y源成因機(jī)理、控?zé)嵋?、勘查技術(shù)方法等研究程度較低［4］，難以提供可靠的可開發(fā)的高溫地?zé)豳Y源。

西藏谷露地?zé)崽锱c羊八井、羊易地?zé)崽锞挥诓啬系膩問|—谷露裂谷帶上，自2019 年開始，中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司針對(duì)谷露地?zé)崽锏馁Y源開發(fā)開展了大量地?zé)岬刭|(zhì)勘查及科技研發(fā)工作，取得了重大找礦突破［5-11］。本文從谷露地?zé)崽锷畈繜釀?dòng)力研究出發(fā)，系統(tǒng)剖析了熱田構(gòu)造演化及其控?zé)嶙饔?，結(jié)合水動(dòng)力條件及特征元素分析，探討了深部地?zé)崃黧w的受控要素，從而構(gòu)建了谷露地?zé)崽锼疅嵯到y(tǒng)成因機(jī)制。

1 深部熱動(dòng)力學(xué)背景

谷露地?zé)崽镂挥趤問|—谷露裂谷帶北部，該裂谷帶是藏南水熱活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)，裂谷帶內(nèi)分布有續(xù)邁、安崗、羊易、羊八井、谷露、那曲和玉寨等26 個(gè)中高溫地?zé)犸@示區(qū)，這些地?zé)犸@示區(qū)均出露于山前“串珠”狀斷陷盆地內(nèi)，整體受念青唐古拉東南麓活動(dòng)斷裂控制［12］，地表斷裂活動(dòng)、地?zé)岱植寂c地球深部熱動(dòng)力學(xué)過程具有密切的成因聯(lián)系［13-15］。

始新世以來，印度板塊向歐亞板塊俯沖碰撞，導(dǎo)致地殼在南北方向縮短增厚，俯沖到歐亞板塊下部的印度板塊邊緣部分被加熱熔融，并沿上板片的構(gòu)造薄弱地帶上浮，為西藏高原地?zé)峄顒?dòng)形成發(fā)展提供了大地構(gòu)造和熱源條件［16］。23 Ma 左右，藏南地區(qū)開始發(fā)生大規(guī)模EW 向伸展作用，形成了一系列NS 向裂谷［17］（圖1a），盆-山邊界活動(dòng)斷裂的發(fā)育為深部巖漿熔體上升侵位提供了通道［12］，同時(shí)又有效溝通了深部熱源與淺部環(huán)境，誘發(fā)了強(qiáng)烈的現(xiàn)代水熱活動(dòng)，形成了著名的喜馬拉雅大型地?zé)釒?，在這其中規(guī)模最大、活動(dòng)性最強(qiáng)的即為亞東—谷露裂谷帶。20 世紀(jì)70 年代在青藏高原內(nèi)實(shí)施的INDEPTH 項(xiàng)目與近年來針對(duì)亞東—谷露裂谷帶開展的一系列地球物理研究成果表明［18-23］，在安崗、羊八井、當(dāng)雄、寧中和谷露等地區(qū)，在地殼15～20 km 深度范圍內(nèi)存在局部熔融體（圖1b），被認(rèn)為是熱田形成的深部熱源。

2 構(gòu)造演化與控?zé)嶙饔?/h2>

谷露地?zé)崽镂挥趤問|—谷露裂谷帶北段，熱田形成整體受盆地西側(cè)九子拉—桑雄斷裂控制。九子拉―桑雄斷裂全長約52 km，近SN走向，傾向E，并從西側(cè)雪山向盆地中心不斷遷移，呈階梯狀排列（圖2）。

圖2 谷露盆地構(gòu)造地貌Fig.2 Structural landforms of Gulu basin

谷露地?zé)崽飪?nèi)主要發(fā)育NS 向、NE 向和EW向3 組斷裂（圖3）。NS 向斷裂為區(qū)域張性斷裂，導(dǎo)通深部熱源，是深部熱流體上移的重要通道；NE 向斷裂自西南向北東穿越熱田，將盆地西側(cè)念青唐古拉雪山與熱田相互聯(lián)通，是熱田地下水的補(bǔ)給通道；EW 向斷裂是熱田南北邊界，對(duì)熱田形成具有限制作用。

圖3 谷露地?zé)崽飻嗔褬?gòu)造與地?zé)嵝污EFig.3 Structure and geothermal traces of Gulu Geothermal Field

2.1 NS 向斷裂

谷露熱田范圍內(nèi)，主要發(fā)育3 條NS 向斷裂（F4-1～F4-3），其中F4-1斷裂位于盆地西側(cè)花崗巖中，在地表呈NS 向斷層陡坎地貌（圖4a）；F4-2斷裂在地表特征最為明顯，沿桑曲河西岸發(fā)育，斷層傾向E，傾角介于60°～70°之間（圖4b），熱水活動(dòng)皆分布于F4-2斷裂上盤；F4-3斷裂位于桑曲東岸，長約2 km，走向介于10°～15°之間，在地表斷層傾角近陡立，以西傾為主，錯(cuò)斷泉膠礫巖層，沿?cái)鄬訜崴劬€狀出露（圖4c）。地表地?zé)犸@示集中分布于F4-2和F4-3斷裂的夾持區(qū)域。

圖4 谷露地?zé)崽颪S 向、NE 向斷裂特征Fig.4 NS，NE trending fault characteristics of Gulu Geothermal Field

在EW 向L1寬頻大地電磁剖面上（圖5），清晰反映了F4-1～F4-3斷裂的深部形態(tài)，其表現(xiàn)為顯著的低電阻率異常，產(chǎn)狀陡立，切割深度大，是熱田內(nèi)導(dǎo)通深部熱源的導(dǎo)熱通道，同時(shí)，沿?cái)嗔汛瓜蜓由旆较蚓植堪l(fā)育的低阻體推測為有利的熱儲(chǔ)賦存空間。

圖5 L1寬頻大地電磁剖面反演地電斷面Fig.5 Inversed derived geoelectric section by magnetotelluric profile L1

2.2 NE 向斷裂

NE 向斷裂在熱田西側(cè)表現(xiàn)為一系列線性溝谷，溝谷內(nèi)第四系覆蓋嚴(yán)重，斷裂活動(dòng)特征不明顯（圖4d）。野外地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在泉華臺(tái)西側(cè)山區(qū)出露的基底花崗巖中發(fā)育一組密集的剪性節(jié)理，走向NE，傾向NW，產(chǎn)狀332°∠65°（圖4e），節(jié)理面上發(fā)育擦痕（圖4f），指示后期具有伸展拉張?zhí)卣?，?jié)理延伸方向正對(duì)泉華臺(tái)。同時(shí)，泉華臺(tái)表面發(fā)育大量構(gòu)造裂隙，裂隙內(nèi)水熱活動(dòng)強(qiáng)烈（圖4g），對(duì)泉華臺(tái)表面裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表明泉華臺(tái)表面裂隙走向集中分布在60°左右（圖4h），與花崗巖中節(jié)理走向基本一致，推測泉華臺(tái)表面發(fā)育的裂隙是基底NE向構(gòu)造的反映。

為揭露NE 向裂隙的規(guī)模及其水理性質(zhì)，在盆地西側(cè)部署了2 條NW 向大地電磁剖面，根據(jù)電磁測深反演結(jié)果（圖6、7），NE 向裂隙群表現(xiàn)為顯著的低電阻率特征，產(chǎn)狀陡立，主斷面地表位置并不清晰，但其具有較大的垂向延伸（＞1.5 km），同時(shí)也表明泉華臺(tái)西側(cè)山區(qū)花崗巖中發(fā)育的NE向節(jié)理與泉華臺(tái)上發(fā)育的NE 向裂隙是同一組構(gòu)造。NE 向斷裂對(duì)現(xiàn)今地表水熱活動(dòng)具有顯著的控制作用，綜合研究表明：NE 向斷裂是谷露地?zé)崽锏叵滤a(bǔ)給與熱水運(yùn)移的重要通道。

圖6 NW1 寬頻大地電磁剖面反演地電斷面Fig.6 Inversed derived geoelectric section by magnetotelluric profile NW1

圖7 NW2 寬頻大地電磁剖面反演地電斷面Fig.7 Inversed derived geoelectric section by magnetotelluric profile NW2

2.3 EW 向斷裂

EW 向F1-1和F1-3斷裂為谷露地?zé)崽锬媳边吔?。F1-1斷裂全長約5 km，貫穿整個(gè)谷露盆地，沿?cái)嗔寻l(fā)育EW 向河流，由東向西匯入桑曲；F1-3斷裂從泉華臺(tái)地北側(cè)通過，同樣貫穿盆地，向西可一直延伸到念青唐古拉雪山，在盆地西側(cè)表現(xiàn)為寬緩的斷層谷地，南北最寬處約900 m，谷地內(nèi)大面積分布中上更新統(tǒng)沖洪積地層（圖8）。此外，在南泉華臺(tái)南側(cè)發(fā)育F1-2隱伏斷裂（圖3），其在多條SN 向電磁剖面上反映為連續(xù)的低阻異常，該隱伏斷裂可能對(duì)淺層地下水向南運(yùn)移起到了一定阻隔，控制了南部泉華臺(tái)的形成。

3 水文和水化學(xué)特征

3.1 地表水熱顯示

谷露地?zé)崽锏責(zé)犸@示主要有泉華、沸泉、溫?zé)崛?、冒汽地面，沿桑曲兩岸分布（圖3）。熱田內(nèi)共發(fā)育溫泉點(diǎn)（群）42 處，其中桑曲西岸33處，東岸9 處，大部分為熱、沸泉，泉口處有H2S氣泡逸出，泉水溫度介于23.1～88.2 ℃之間，溫泉流量介于0.001～0.482 L·s-1之間，熱顯示區(qū)內(nèi)溫、熱泉的總流量為7.95 L·s-1。谷露地?zé)崽飪?nèi)共發(fā)育有大小泉華丘7 個(gè)，桑曲西岸發(fā)育泉華臺(tái)地，泉華以硅質(zhì)為主，東岸主要發(fā)育泉華膠結(jié)的礫巖層，其中桑曲西岸Ⅱ號(hào)泉華臺(tái)規(guī)模最大，表面熱水活動(dòng)最為強(qiáng)烈。泉華臺(tái)上發(fā)育一系列NE 向、NNE 向裂隙，沸泉、溫?zé)崛饕剡@些裂隙展布。

熱顯示區(qū)周邊冷水以沼澤水和冷泉的形式出露，水化學(xué)類型為HCO3-Ca（Na）或HCO3·Cl-Na，礦化度介于57～1 263 mg·L-1之間，部分冷水具有混合水的特征。溫?zé)崛乃瘜W(xué)類型為HCO3·Cl-Na或Cl·HCO3-Na 型，礦化度介于2.0～2.9 g·L-1之間，是深部地下熱水的直接排泄點(diǎn)［8］。

3.2 氫氧同位素特征

在谷露地?zé)崽锛捌渲苓叢杉畼舆M(jìn)行同位素分析，分析測試結(jié)果顯示（表1），熱水的δD 介于-147.1‰～-132.7‰之間，δ18O 介于-17‰～-15.5‰之間，來自盆地西側(cè)山前冰雪融水的δD為-119.5 ‰，δ18O 為-16.2 ‰。

表1 谷露地?zé)崽铴腄-δ18O 分析結(jié)果Table 1 Analysis results of δD-δ18O in Gulu Geothermal Field

δD-δ18O 關(guān)系圖表明（圖9），谷露地下水均位于西藏降水線下方，谷露雨水在西藏降水線附近，高山融水同位素組成靠近大氣降水線，熱水中δ18O與大氣降水有一定的正偏差，說明地下熱水在深循環(huán)過程中與巖石發(fā)生了交換作用，地表熱泉在上升過程中受到淺層冷水混合影響，更靠近降水線。谷露地?zé)崴难a(bǔ)給來源主要是大氣降水，滲入地下水后，經(jīng)深部加溫而形成地?zé)崴?，而大氣降水是地?zé)崴淖畛鮼碓础?/p>

圖9 谷露地?zé)崽锏摩腄-δ18O 關(guān)系圖Fig.9 δD-δ18O diagram of Gulu Geothermal Field

δD 具有明顯的高程效應(yīng)［24］，計(jì)算該區(qū)地下熱水的補(bǔ)給海拔高度介于4 860～5 200 m 之間，補(bǔ)給區(qū)位于西部和東部高山雪線附近，為近源補(bǔ)給。此外，地下熱水的氚含量均小于1.3 TU，推算熱水在地下滯留時(shí)間大于65 a。

3.3 鋰同位素及特征元素特征

谷露地?zé)崽锏責(zé)崴囃凰卅?Li 值分布于+1.52 ‰～+3.50 ‰之間（表2），鉆孔揭露的高溫地?zé)崴鄬?duì)于出露地表的沸泉具有更低的鋰同位素δ7Li 值，遠(yuǎn)低于海水（+31 ‰）和全球河流輸入的變化范圍（+6 ‰～33 ‰，均值+23 ‰）［25-26］，也低于青藏高原一般河流值，如金沙江、瀾滄江和怒江（＞+5 ‰）［27］。谷露地?zé)崴囃凰亟M成相對(duì)河流具有相對(duì)偏負(fù)的特征。

表2 谷露地?zé)崽镤囃凰睾考捌渫凰亟M成Table 2 Lithium isotopic content and composition of samples in Gulu Geothermal Field

西藏河流具有顯著偏正的鋰同位素組成而較低的鋰濃度，與巖漿活動(dòng)有關(guān)的流體鋰濃度高但其鋰同位素組成顯著偏負(fù)［28］。谷露地?zé)崴摩?Li 值相對(duì)巖漿流體偏正。當(dāng)殘余巖漿流體與參與深部循環(huán)過程的地表水混合時(shí)，致使地?zé)崴匿嚌舛燃眲≡龈?，且鋰同位素組成具有相對(duì)地表水偏負(fù)、相對(duì)巖漿流體偏正的特征。也表明了殘余巖漿流體上涌是谷露地?zé)崴讳嚭推滗囃凰亟M成相對(duì)地表水偏負(fù)、相對(duì)巖漿流體偏正的主控因素。

此外，谷露地?zé)崽锏責(zé)崴缓琇i、Rb、Cs 和B 等元素（表3）。地?zé)崴艿綆r漿流體來源比例越大，Cs 相對(duì)Rb 越富集，w（Rb）/w（Cs）比值越小［29］。谷露地?zé)崴膚（Rb）/w（Cs）比值介于0.002 5～0.524 4 之間，Cs 遠(yuǎn)比Rb 富集，具貧Rb 富Cs 的水化學(xué)特征，指示了谷露地?zé)崴烊霘堄鄮r漿流體的比例較大。同時(shí)，谷露地?zé)崴畐（B）/w（Li）比值介于1.429 1～1.691 9 之間，比值較高，指示水-巖作用較強(qiáng)烈。

表3 谷露溫泉水部分特征元素含量及其比值Table 3 Contents and ratios of some characteristic elements of Gulu hot spring water

綜上所述，谷露地?zé)崴粌H經(jīng)歷了強(qiáng)烈的水-巖反應(yīng)，還混入了相當(dāng)比例的殘余巖漿流體。

3.4 地下水循環(huán)體系

谷露地?zé)崽锏叵滤哂型暾牡叵滤a(bǔ)-徑-排體系［8］，地下水來源于大氣降水，補(bǔ)給來源于盆地兩側(cè)的高山雪線附近，海拔高程介于4 860～5 200 m 之間，處于九子拉—桑雄斷裂下盤附近。地下水通過基巖裂隙循環(huán)到盆地深部，被深部熱源加熱、與殘余巖漿流體混合后沿著主構(gòu)造破碎帶運(yùn)移到淺層并向南徑流，向地表排泄過程中，進(jìn)一步混合淺層冷水，以溫?zé)崛蜏厮訚傻男问脚判梗▓D10）。

圖10 谷露地?zé)崽锼牡刭|(zhì)單元及補(bǔ)-徑-排體系Fig.10 Hydrogeological unit and recharge-run-off-discharge system of the Gulu Geothermal Field

4 水熱系統(tǒng)成因機(jī)制探討

4.1 谷露水熱系統(tǒng)成因機(jī)制

基于上述區(qū)域熱動(dòng)力學(xué)背景、水文水化學(xué)特征及構(gòu)造控?zé)嶙饔?，?gòu)建了谷露地?zé)崽锼疅嵯到y(tǒng)成因模式（圖11）。谷露地?zé)崽飳儆谂c巖漿囊有關(guān)的高溫水熱型地?zé)嵯到y(tǒng)，深部巖漿囊及殘余巖漿流體（富Li、Cs 和Cl 超臨界流體）向淺部傳遞組分、熱量，谷露盆地西側(cè)高山冰雪融水沿近NS 向、NE 向張性斷裂向深部運(yùn)移，地下水在深循環(huán)過程中發(fā)生了充分的水-巖作用，并被以F4-1、F4-2為主的NS 向?qū)釘嗔鸭訜?，同時(shí)在深部混入了相當(dāng)比例的巖漿流體，形成高溫地?zé)崃黧w。深部地?zé)崃黧w在水頭壓力的驅(qū)使下，主要沿F4-2斷裂及NE 向斷裂的交匯部位向上運(yùn)移，在地表以沸泉、溫?zé)崛刃问匠雎叮⑿纬闪爽F(xiàn)今的泉華臺(tái)地，同時(shí)，深部高溫地?zé)崃黧w也主要賦存于F4-2斷裂及NE 向斷裂交匯的張性空間內(nèi)。

圖11 谷露地?zé)崽锏責(zé)嵯到y(tǒng)概念模型Fig.11 Conceptual model of geothermal system of Gulu Geothermal Field

4.2 鉆探驗(yàn)證及后續(xù)勘查方向

以F4-2斷裂與NE 向斷裂交匯區(qū)域?yàn)榭碧侥繕?biāo)，在桑曲以西共實(shí)施了四口探采一體井（ZK101、ZK1301、ZK901 和ZK401），以F4-3斷裂與NE 向斷裂交匯區(qū)域?yàn)榭碧侥繕?biāo)，在桑曲以東實(shí)施了一口鉆井（ZK301）。根據(jù)鉆探結(jié)果，桑曲以西的四口鉆井均成功揭露到高品位熱儲(chǔ)（表4，圖12），而東部的ZK301 鉆井鉆遇熱儲(chǔ)水量不足、溫度較低，不能作為生產(chǎn)井用于地?zé)岚l(fā)電。

表4 谷露地?zé)崽镢@井揭露情況Table 4 Drilling overview in Gulu Geothermal Field

圖12 谷露地?zé)崽镢@井放噴試驗(yàn)Fig.12 Blowout test of drilling in Gulu Geothermal Field

從蝕變特征來看，桑曲西岸的ZK101、ZK1301、ZK901 和ZK401 井硅化蝕變較強(qiáng)，碳酸鹽化較弱，而ZK301 鉆井未見明顯的硅化蝕變，以碳酸鹽化為主，表明桑曲以東水熱活動(dòng)強(qiáng)度弱于桑曲河以西；同時(shí)，NW 向電磁測深剖面探測結(jié)果也表明NE 向構(gòu)造自西向東的構(gòu)造形跡逐漸減弱。此外，從鉆井測溫結(jié)果來看，桑曲以西鉆井揭露的熱儲(chǔ)溫度明顯高于桑曲以東的ZK301 井，而北側(cè)ZK401、ZK101 井的溫度也明顯高于ZK901 及ZK1301井的溫度。

以上表明，F(xiàn)4-3斷裂與NE 向斷裂交匯部位并非有利熱儲(chǔ)賦存空間，深部水熱活動(dòng)主要在桑曲以西，以F4-2斷裂與NE 向斷裂交匯部位為深部熱儲(chǔ)的賦存空間。而F4-1斷裂與NE 向斷裂交匯部位也可能為有利的熱儲(chǔ)賦存區(qū)，但沿F4-1斷裂并未發(fā)現(xiàn)顯著的水熱活動(dòng)痕跡，這一方面可能是F4-1斷裂發(fā)育于西部山區(qū)，地表出露位置的海拔高度大于地下水補(bǔ)給高程所致，另外F4-1斷裂也可能在該區(qū)局部封閉，并非有利的深部熱流體升流通道，但下一步非常必要探索F4-1斷裂的導(dǎo)熱導(dǎo)水性質(zhì)。此外，鉆探結(jié)果還表明：熱田北部水熱活動(dòng)更強(qiáng)，熱儲(chǔ)品位更高，后續(xù)探采一體井的部署應(yīng)重點(diǎn)考慮桑曲以西的區(qū)域，并側(cè)重于熱田北部區(qū)域。

5 結(jié) 論

1）谷露地區(qū)深部發(fā)育的局部熔融體構(gòu)成了谷露熱田的深部熱源條件，而隨著亞東—谷露裂谷的EW 向伸展，盆-山邊界活動(dòng)斷裂的發(fā)育為深部巖漿熔體上升侵位提供了通道，其中，近NS 向的F4-1、F4-2斷裂是熱田內(nèi)最重要的導(dǎo)熱構(gòu)造，有效地溝通了深部熱源與淺部環(huán)境，從而誘發(fā)了現(xiàn)代強(qiáng)烈的水熱活動(dòng)。

2）熱田內(nèi)NE 向斷裂對(duì)現(xiàn)代水熱活動(dòng)具有明顯的控制作用，近NS 向斷裂與NE 向斷裂交匯部位的張性空間是深部地?zé)崃黧w的主要升流通道和賦存空間。

3）水文水化學(xué)特征表明：谷露盆地西側(cè)海拔介于4 860～5 200 m 之間的高山冰雪融水是谷露熱田深部地?zé)崃黧w的主要補(bǔ)給來源，地下水在深循環(huán)過程中，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的水-巖作用，并混入了相當(dāng)比例的殘余巖漿流體。

4）鉆探結(jié)果表明：谷露地?zé)崽锷畈克疅峄顒?dòng)主要發(fā)育于桑曲西岸，同時(shí)熱田北部水熱活動(dòng)更強(qiáng)，熱儲(chǔ)品位更高。