川西巴塘地區(qū)富鋰溫泉的同位素特征及其成因探討

胡志華，田建吉，呂菲，劉暢，雷鳴宇，萬漢平，郝偉林，張松，高洪雷，吳儒杰

1 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

2 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

3 川藏鐵路技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，四川 成都 610200

鋰（Li）是21 世紀(jì)的能源金屬［1］，是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)，地?zé)嵝弯囐Y源的綠色開發(fā)對(duì)保障戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源供應(yīng)鏈的穩(wěn)定具有重要意義［2-3］。其兩種同位素6Li和7Li 相對(duì)質(zhì)量差可達(dá)17 %，在地質(zhì)作用過程中因物理-化學(xué)條件的變化會(huì)發(fā)生顯著的同位素質(zhì)量分餾，地球上不同儲(chǔ)庫δ7Li 差異可達(dá)60 %［4］，具有極大的地球化學(xué)示蹤價(jià)值和潛力［3-5］，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了從地表到地幔的流體與礦物之間的相互作用［5］，已在板塊俯沖和殼幔物質(zhì)演化、成礦機(jī)制、地表風(fēng)華、碳循環(huán)與人類活動(dòng)等地學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用［4］。

地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)在空間上往往重疊，具有緊密共生關(guān)系，其形成機(jī)制可以被認(rèn)為是同源的或具有因果關(guān)系［6］。川西巴塘地區(qū)地震活動(dòng)頻發(fā)，區(qū)內(nèi)茶洛—德達(dá)地段在約900 km2的區(qū)域內(nèi)集中發(fā)育章柯沸泉、茶洛沸泉、查青卡溫泉、奪格溫沸泉和措納柯溫泉等5 個(gè)溫（沸）泉，章柯沸泉、茶洛沸泉和查青卡溫泉為富鋰溫（沸）泉，溫（沸）泉水的鋰含量高達(dá)1 353.00～3 592.00 μg·L-1，溫（沸）泉沉積物中Li、Be 等礦化比較普遍［7］。地?zé)崃黧w中鋰元素濃度和同位素組成受水-巖反應(yīng)控制，也受巖石物質(zhì)組成和體系溫度的影響［8-9］。該5 個(gè)溫泉都位于金沙江斷裂帶上，處于巴塘、理塘斷裂夾持區(qū)域，受斷裂控制明顯；都是出露于燕山晚期、喜山期花崗巖體和三疊系附近，具有相似的巖石物質(zhì)組成。章柯、茶洛沸泉屬于高溫地?zé)嵯到y(tǒng)［8-10］，查青卡、奪格、措納柯溫泉屬于中溫地?zé)嵯到y(tǒng)［9-10］。鋰同位素的應(yīng)用結(jié)合其他穩(wěn)定同位素示蹤方法的應(yīng)用，可以進(jìn)一步揭示該區(qū)富鋰溫（沸）泉的成因。這五個(gè)溫（沸）泉具有相似的構(gòu)造、巖石物質(zhì)組成環(huán)境，但溫泉水鋰含量、溫度高低不同，成為富鋰溫（沸）泉成因研究的良好對(duì)象。前人對(duì)茶洛、查青卡和奪格溫泉已開展了較全面的地質(zhì)特征、地球化學(xué)特征和成因機(jī)制的研究［8-10］，但章柯沸泉、措納柯溫泉的研究較弱，鋰同位素結(jié)合其他同位素的綜合示蹤研究不足，也未將該聚集區(qū)的溫泉做為整體進(jìn)行研究，溫泉與區(qū)內(nèi)地震的關(guān)系認(rèn)識(shí)不足，在溫泉成因認(rèn)識(shí)上需進(jìn)一步深化。本文以茶洛—德達(dá)地段章柯沸泉、茶洛沸泉、查青卡溫泉、奪格溫泉和措納柯溫泉等5個(gè)溫（沸）泉為研究對(duì)象，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展了氫、氧、碳和鋰等同位素特地球化學(xué)特征研究，剖析了溫泉的流體、鋰來源和熱源，闡述了地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)的關(guān)系，探討了該區(qū)富鋰溫泉的成因，以期提高川西地區(qū)富鋰溫泉的成因認(rèn)識(shí)，促進(jìn)富鋰溫泉的勘查開發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

巴塘茶洛—德達(dá)地區(qū)處于青藏高原“東構(gòu)造結(jié)”的東南緣，羌塘—昌都陸塊與松潘—甘孜造山帶的拼合部位，義敦島弧的中部，地中海-喜馬拉雅地?zé)峄顒?dòng)帶的東緣［11］，是我國大陸地殼新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最活躍和地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、最密集的地區(qū)［12-13］，是典型的溫泉活躍與地?zé)岙惓В?4］，也是義敦島弧中部銀錫多金屬礦集區(qū)［15］。同時(shí)也位于川滇活動(dòng)塊體北部，川滇塊體西邊界金沙江斷裂帶和塊體內(nèi)部理塘斷裂帶所夾持的區(qū)域［16］（圖1）。溫泉主要沿?cái)嗔褞Ъ昂庸鹊貐^(qū)發(fā)育［11］。

圖1 巴塘—理塘地區(qū)區(qū)域構(gòu)造圖和主要溫泉與活動(dòng)斷裂分布圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［21］修改）Fig. 1 Regional tectonic map and distribution map of main hot springs and active faults in Batang-Litang area（modified after reference ［21］）

青藏高原東部的擠壓作用導(dǎo)致川滇菱形塊體的形成［17-18］。金沙江斷裂帶曾經(jīng)是一條強(qiáng)烈活動(dòng)的超巖石圈斷裂帶，也是切穿整個(gè)地殼深入地幔的巨型深斷裂帶［19］，主要由西界斷裂（金沙江縫合帶西界）、東界斷裂（中咱推覆體東界）和金沙江斷裂等3 條主要斷裂和西支斷裂、巴塘斷裂以及其他一些近SN 向次級(jí)斷裂組成，寬介于50～60 km 之間，總體走向近SN向，控制不同構(gòu)造層的邊界［19-20］。

巴塘茶洛—德達(dá)溫泉聚集區(qū)主要發(fā)育NNE 向巴塘斷裂、NW 向理塘斷裂帶和金沙江斷裂帶的近SN 向次級(jí)斷裂，以及一些近EW 向次級(jí)斷裂［13］（圖1）。其中巴塘斷裂與理塘斷裂為共軛剪切斷裂［22］。巴塘斷裂斜切金沙江構(gòu)造帶主體，在航磁和重力資料上反映十分清楚，顯示該斷裂切割較深，影響較大［12］。該斷裂在1870 年發(fā)生過巴塘7 級(jí)地震［12］。理塘斷裂帶是川滇塊體內(nèi)部一條重要的活動(dòng)斷裂帶［23］，是與其北東側(cè)的鮮水河斷裂近平行展布的全新世走滑活動(dòng)斷裂［21］（圖1），是調(diào)節(jié)青藏高原內(nèi)部物質(zhì)向東擠出的重要活動(dòng)斷裂之一［24］。理塘斷裂帶北西段整體傾向WS，南東段整體傾向NE，活動(dòng)強(qiáng)度有從北向南增強(qiáng)的趨勢［25］。近EW 向次級(jí)斷裂是NNE 向巴塘斷裂和NW 向理塘斷裂共軛剪切所派生的張性正斷層，是1989 年巴塘震群的地震破裂帶［21］。

溫泉區(qū)出露地層有泥盆系、二疊系、上三疊統(tǒng)、古近系—新近系和第四系，巖性以變質(zhì)巖為主，主要有淺變質(zhì)砂巖、板巖、千枚巖、灰?guī)r和變質(zhì)砂巖［9］，夾基性火山巖和中酸性火山巖。巖漿巖大量發(fā)育，主要為燕山晚期花崗巖和喜山期花崗巖。

該區(qū)是Ag-Pb-Zn-Cu-Mo 等多金屬礦產(chǎn)聚集區(qū)，最近發(fā)現(xiàn)偉晶巖型Be-Rb-La-Cs-Li礦化和矽卡巖型Sn-W 礦化［15］，偉晶巖型鈹?shù)V點(diǎn)、細(xì)晶巖型鈹-鈮-鉭-銣礦化點(diǎn)和偉晶巖型鉭-鈮-鋰-鈹-銣礦點(diǎn)［26］。

2 溫泉基本特征

巴塘茶洛—德達(dá)地區(qū)集中發(fā)育章柯沸泉、茶洛沸泉、查青卡溫泉、奪格溫泉和措納柯溫泉（圖2）。溫泉位于NNE 向巴塘斷裂與NW 向理塘斷裂夾持區(qū)域，其中茶洛、查青卡和措納柯溫（沸）泉沿近SN 向查龍—然布斷裂發(fā)育，出露于斷裂與近EW 向斷裂的交匯區(qū)域。溫泉出露于斷裂河谷地區(qū)，受斷裂構(gòu)造控制明顯。

圖2 巴塘地區(qū)茶洛—德達(dá)地段地質(zhì)簡圖及樣品分布圖Fig. 2 Geological map and sample distribution map of Chaluo-Deda section in Batang area

章柯沸泉處于NW 向理塘斷裂與NEE 向熱坑斷裂交匯區(qū)域，位于茶洛鄉(xiāng)東章柯盆地南部章柯與章德二谷地的交匯處，麻曲河北岸，出露于南北長150 m、東西寬100 m、頂部高出谷底8～10 m 之間的泉華丘（硅-鈣質(zhì)）上，出露泉口17 處，溫度介于84～94 ℃之間，總流量2.656 L·s-1，具有濃烈的H2S 氣味［27］。泉華丘周邊為第四系，基底巖石為三疊系上統(tǒng)圖姆溝組板巖、礫巖夾中酸性火山巖。

茶洛沸泉位于茶洛鄉(xiāng)茶洛村與熱坑村之間，巴曲上游麻曲兩岸谷坡上，泉眼海拔介于3 530～3 570 m 之間［9］。泉區(qū)沿河谷展布，長約1 km，寬介于0.1～0.3 km 之間，面積約0.15 km2。該泉是間歇泉，是西藏境外唯一的間歇噴泉區(qū)［27］，共有間歇噴泉4 個(gè)，還有大量沸噴泉、沸泉、噴汽孔、冒汽地面、熱溫泉以及大規(guī)模的硅-鈣華沉積、泉膠礫石層等。由西到東，水熱活動(dòng)減弱。溫泉位于若洛隆斑狀花崗巖西南側(cè)外接觸帶［28］，圍巖為上三疊統(tǒng)曲嘎寺組灰黑色灰?guī)r、板巖。發(fā)育NNW 向納拉—沖達(dá)斷裂和NEE 向熱坑斷裂，NNW 向斷裂為逆沖推覆斷裂，NEE 向斷裂具右行走滑性質(zhì)［8］。溫泉點(diǎn)沿?cái)嗔殉蚀闋罘植肌?/p>

查青卡溫泉位于德達(dá)鄉(xiāng)三〇五道班西南0.5 km，德曲河南北兩岸山腳下。泉眼順山坡呈階梯狀分布，溫度介于63.7～67 ℃之間。泉口有鈣華沉積。泉口附近出露花崗巖，但補(bǔ)給水來源于晚三疊世石灰?guī)r。

措納柯溫泉位于列衣鄉(xiāng)杠日隆東側(cè)支流措納柯北岸邊。泉水出露于第四紀(jì)坡積-沖積物上。該溫泉由5 個(gè)泉眼（群）構(gòu)成，由北東向南西大致呈245°方位排列。泉口溫度介于50～65 ℃之間，流量1.5 L·s-1左右。2 個(gè)主泉眼位于中部，溫度達(dá)65 ℃、流量為0.7 L·s-1。溫泉冒大量氣泡，較濃烈的硫醇味。

奪格溫泉位于波戈溪鄉(xiāng)奪格村西，在318國道東側(cè)，海拔3 194 m。該泉有2 個(gè)主泉眼，溫度介于47～61 ℃之間，發(fā)育鈣華沉積，見老鈣華臺(tái)地。圍巖為灰?guī)r。

3 樣品采集及分析方法

采集的樣品主要有章柯沸泉、茶洛沸泉、查青卡溫泉、奪格溫泉和措納柯溫泉等代表性溫（沸）泉水樣10 件；同時(shí)采集措普湖水、措納柯裂隙水和熱坑裂隙水3 件，采集附近花崗巖樣品2 件，樣品信息列于表1。

表1 巴塘地區(qū)溫泉水、冷水氫、氧、碳同位素組成表Table 1 The isotopic composition of hot spring water, cold water, hydrogen, oxygen and carbon in Batang region

溫泉水采集于各溫泉的代表性泉眼。BT6-2 取自措納柯溫泉東部主泉眼，溫度62 ℃；BT6-3 取自中部主泉眼，溫度65 ℃。BT14 樣品取自章柯沸泉主泉眼，溫度83.1℃；BT15 取自主泉眼南側(cè)地?zé)峋谶?，溫?1.3 ℃。BT17 取自茶洛沸泉南岸公路邊泉眼，溫度83.8 ℃；BT18 取自南岸涼亭邊泉眼，溫度83.2 ℃。BT21-1 取自查青卡溫泉下方溫泉池邊泉眼，溫度58 ℃；BT22-1 取自最頂部泉眼，溫度63.7 ℃。BT23 取自奪格溫泉北側(cè)公路邊泉眼，溫度61.5 ℃；BT24 取自南側(cè)山坡上泉華臺(tái)中泉眼，溫度62.9 ℃。作為對(duì)比水樣，在措納柯附近德達(dá)隧道采集裂隙水BT4，在熱坑附近義敦隧道采集裂隙水BT31，在措普湖采集湖水BT13。同時(shí)，采集附近花崗巖體新鮮巖石樣品M43-7和M46-4，作為圍巖樣品進(jìn)行對(duì)比研究。

對(duì)樣品開展了微量元素、氫氧同位素、碳同位素和鋰同位素等分析測試工作。全部分析測試工作在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試中心完成。水樣的氫、氧和碳同位素采用氣體同位素質(zhì)譜法測定，測試儀器為MAT-253 氣體同位素質(zhì)譜計(jì)。鋰同位素采用多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，分析儀器為Nu Plasma II 多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。水樣的微量元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定，分析儀器為NexION300D 等離子體質(zhì)譜儀。巖石微量元素采用等離子體質(zhì)譜法測定，分析儀器為ELEMENT XR 等離子體質(zhì)譜儀。

4 溫泉水同位素地球化學(xué)特征

4.1 氫、氧同位素特征

溫泉水的氫、氧同位素可以示蹤地下水的來源。大氣降水的同位素組成和地下水深部循環(huán)過程中的水-巖作用強(qiáng)度的差異，會(huì)造成氫氧同位素組成上的變化。由于巖石的氫元素含量很少，水-巖反應(yīng)時(shí)一般無氫同位素交換，溫泉水的氫同位素組成與大氣降水保持一致［14］；而水-巖反應(yīng)過程中，發(fā)生氧同位素交換，溫泉水氧同位素組成向巖石的氧同位素組成（δ18O 值介于5 ‰～13 ‰之間）演化［29］。

巴塘地區(qū)主要溫泉水和措普湖水、裂隙水的氫、氧同位素組成列于表1。措普湖水、裂隙水的氫同位素δ2HV-SMOW值介于-130.0 ‰～-149.2 ‰之間，氧同位素δ18OV-SMOW值介于-18.8 ‰～-19.0 ‰之間；溫泉水的氫同位素δ2HV-SMOW值介于-155.1 ‰～-165.9 ‰之間，氧同位素δ18OV-SMOW值介于-17.1 ‰～-21.7 ‰之間，溫泉水的氫、氧同位素組成低于地表冷水。溫泉水的氫、氧同位素組成與巖漿水、深部流體相差較大，指示溫泉水來源主要為大氣降水，巖漿水和深部流體混入的比例較少。在δ2H-δ18O 關(guān)系圖（圖3）中，溫泉水和措普湖水、裂隙水都落于大氣降水線右側(cè)附近區(qū)域，表明溫泉水具有大氣降水來源特征；相對(duì)中國西南大氣降水線，溫泉水樣品發(fā)生一定程度的“18O 漂移”，表明地下水在深循環(huán)過程中與巖石發(fā)生了較強(qiáng)的18O 交換作用，發(fā)生了較強(qiáng)的水-巖反應(yīng)。查清卡溫泉、奪格溫泉、措納柯溫泉和措普湖水、裂隙水投點(diǎn)的趨勢線與中國西南大氣降水線近平行，指示這三個(gè)溫泉的水來源主要為大氣降水；章柯沸泉、茶洛沸泉投點(diǎn)的趨勢線指向巖漿水區(qū)域，投點(diǎn)落于冰雪融水與巖漿水混合區(qū)域，指示這兩個(gè)溫泉的水來源具有巖漿水來源特征，是大氣降水與巖漿水的混合物。

圖3 巴塘地區(qū)溫泉水氫氧同位素關(guān)系圖Fig.3 Hydrogen and oxygen isotopes of hot spring water in Batang region

巴塘地區(qū)溫泉水主要來源于大氣降水，大氣降水的氫、氧同位素具有高程效應(yīng)［30］。由于溫泉水在循環(huán)過程中發(fā)生水-巖反應(yīng)，具有18O交換，而氫同位素基本未發(fā)生交換，宜采用氫同位素值進(jìn)行高程估算。本次采用于津生等（1997）的經(jīng)驗(yàn)公式［31］：

式（1）中：H—補(bǔ)給區(qū)高程，m；δ2H—水樣的δ2H值，‰。

計(jì)算結(jié)果（表1）顯示，章柯沸泉水的補(bǔ)給高程介于4 873.1～4 996.2 m 之間，茶洛沸泉水的補(bǔ)給高程介于5 030.8～5 188.5 m 之間，查青卡溫泉水補(bǔ)給高程介于5 080.8～5 138.5 m 之間，奪格溫泉水補(bǔ)給高程介于4 846.2～4 961.5 m之間，措納柯溫泉水補(bǔ)給高程介于4 803.8～5 219.2 m 之間。該區(qū)溫泉水補(bǔ)給高程介于4 846～5 219 m 之間，溫泉水補(bǔ)給主要來源于附近高山大氣降水和冰雪融水。

4.2 碳同位素特征

巴塘茶洛—德達(dá)溫泉區(qū)溫泉水化學(xué)類型主要屬于HCO32-·Na 型［8-9］，對(duì)溫泉水開展碳同位素分析，對(duì)溫泉成因研究具有重要意義。目前國內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家普遍認(rèn)為，碳主要有三種可能來源：1）地幔射氣或巖漿來源，地幔射氣和巖漿來源的碳同位素組成具有一致的特征，其δ13CV-PDB變化范圍介于-9 ‰ ～-3 ‰ 之間［35］；2）沉積巖中碳酸鹽巖的脫氣或含鹽鹵水與泥質(zhì)巖相互作用，這種來源的碳同位素組成具有重碳同位素特征，其δ13CV-PDB變化范圍介于-2 ‰ ～+2 ‰ 之間，海相碳酸鹽的δ13CV-PDB大多穩(wěn)定在零左右［36］；3）各種巖石中的有機(jī)碳一般富集12C，因而碳同位素組成很低，其δ13CV-PDB變化范圍介于-30 ‰～-10 ‰之間，平均-22 ‰［37］。巴塘地區(qū)溫泉水的碳同位素組成分析結(jié)果見表1。措納柯溫泉水的碳同位素組成δ13CV-PDB值介于-2.8 ‰ ～-3.1 ‰之間，章柯沸泉水的碳同位素組成δ13CV-PDB值達(dá)-0.9 ‰，茶洛溫泉水的碳同位素組成δ13CV-PDB值介于-1 ‰～-2.5 ‰之間，查青卡溫泉的碳同位素組成δ13CV-PDB值介于1.7 ‰～2.3 ‰之間，奪格溫泉水的碳同位素組成δ13CV-PDB值介于1.6 ‰～1.7 ‰之間，總體范圍介于-3.1 ‰～2.3 ‰之間，具有沉積巖中碳酸鹽巖的脫氣或含鹽鹵水與泥質(zhì)巖相互作用來源的碳同位素組成特征。該區(qū)廣泛發(fā)育三疊紀(jì)碳酸鹽巖、板巖，推測溫泉水中的碳主要來自三疊紀(jì)碳酸鹽巖。

4.3 鋰元素及鋰同位素特征

4.3.1 鋰濃度及鋰同位素組成

該區(qū)溫泉水的鋰元素濃度列于表2。章柯沸泉鋰元素濃度介于2 736～2 847 μg·L-1之間，茶洛沸泉鋰元素濃度介于3 438～3 592 μg·L-1之間，查青卡溫泉的鋰元素濃度介于1 353～1 392 μg·L-1之間，奪格溫泉的鋰元素濃度介于958～1 025 μg·L-1之間，措納柯溫泉的鋰元素濃度介于286～288 μg·L-1之間（圖4）。章柯沸泉、茶洛沸泉和查青卡溫泉為富鋰溫（沸）泉，其鋰含量明顯高于奪格溫泉和措納柯溫泉，也高于全國溫泉水鋰含量的均值（2.10 mg·L-1）和中值（0.32 mg·L-1）［3］，但是低于西藏羊八井、谷露和曲才等高溫?zé)崽铮?8-40］。該區(qū)溫泉水富含鋰元素指示該區(qū)存在富鋰地質(zhì)體，這與鋰地球化學(xué)異常分布相符［41］。近年該區(qū)偉晶巖型鋰礦化的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了該推論［15，26］。

表2 巴塘地區(qū)溫泉、冷水、巖石的鋰含量、鋰同位素組成和鋰同位素溫標(biāo)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of hot springs, cold water， lithium content of rocks, lithium isotope composition and lithium isotope temperature scale in Batang region

圖4 茶洛—德達(dá)溫泉區(qū)溫泉水的鋰含量-鋰同位素組成圖Fig. 4 Lithium content-lithium isotope composition map of hot spring water in Chaloo-Deda hot spring area

巴塘地區(qū)溫泉、措普湖水、裂隙水和附近花崗巖體的鋰同位素組成見表2。溫泉的鋰同位素組成與湖水、裂隙水存在較大差異，溫泉之間的鋰同位素組成也存在一定的差異。措納柯溫泉附近的裂隙水鋰同位素組成δ7Li 為8.37 ‰，措普湖水的鋰同位素組成為11.06 ‰。措納柯溫泉水的鋰同位素組成介于7.41 ‰～8.26 ‰之間，奪格溫泉的鋰同位素組成介于3.37 ‰～3.46 ‰之間，查青卡溫泉水的鋰同位素組成介于1.70 ‰～1.74 ‰之間，茶洛沸泉的鋰同位素組成介于0.94 ‰～1.56 ‰之間（圖4），章柯沸泉的鋰同位素組成介于-0.53 ‰～0.98 ‰之間。措納柯溫泉水的鋰同位素組成與裂隙水、措普湖水的鋰同位素組成相近，指示其地?zé)崴饕纱髿饨邓捅┤谒畼?gòu)成，鋰主要來自于在地?zé)崴h(huán)過程中的圍巖。查青卡溫泉、茶洛沸泉和章柯沸泉的鋰同位素組成明顯低于裂隙水、措普湖水的鋰同位素組成（圖4），與西藏羊八井、谷露和曲才等高溫?zé)崽锏牡責(zé)崴囃凰亟M成相近［38-39］，與上地殼鋰同位素組成（δ7Li 值0±2 ‰）［4-5］相近，與花崗巖的鋰同位素組成（δ7Li 值介于0.70 ‰～1.84 ‰之間）一致，指示這些溫泉水中的鋰來源與花崗巖體密切相關(guān)。

4.3.2 鋰同位素反應(yīng)體系溫度與深度

水-巖反應(yīng)中流體的鋰同位素組成除受初始流體和參與反應(yīng)巖體的鋰同位素組成的制約外，也受到反應(yīng)體系溫度的影響［8］。反應(yīng)體系溫度與流體鋰同位素組成δ7Li 值具有線性關(guān)系［42］，其關(guān)系式為：

利用公式（2）對(duì)巴塘地區(qū)溫泉水的鋰同位素水-巖反應(yīng)體系溫度進(jìn)行估算，結(jié)果見表2。措納柯溫泉水的鋰同位素溫標(biāo)介于84.65～104.42 ℃之間，奪格溫泉水的鋰同位素溫標(biāo)介于196.28～198.37 ℃之間，查青卡溫泉的鋰同位素溫標(biāo)介于236.28～237.21 ℃之間，茶洛沸泉水的鋰同位素溫標(biāo)介于240.40～254.88 ℃之間，章柯沸泉的鋰同位素溫標(biāo)介于253.95～289.07 ℃之間。

地?zé)崴h(huán)深度依據(jù)體系溫度和地溫梯度估算公式［43］計(jì)算：

式（3）中：H——循環(huán)深度，m；h—恒溫帶深度，m；T—反應(yīng)體系溫度，℃；T0—平均氣溫，℃。該區(qū)年平均氣溫為15 ℃，恒溫帶溫度為3 ℃，恒溫帶厚度達(dá)20 m［10］。巴塘—理塘地區(qū)居里面埋深在17 km左右［44］，居里面溫度介于575～585℃之間，估算該區(qū)地溫梯度介于33.65～34.26 ℃·km-1之間，本次計(jì)算取均值33.94 ℃·km-1，結(jié)果列于表2。章柯沸泉的循環(huán)深度介于7 414.04～8 448.69 m之間（均值7 931.36 m），茶洛沸泉的循環(huán)深度介于7 016.62～7 441.44 m之間（均值7 229.03 m），查青卡溫泉的循環(huán)深度介于6 893.28～6 920.69 m之間（均值6 906.98 m），奪格溫泉的循環(huán)深度介于5 714.73～5 776.40 m 之間（均值5 745.56 m），措納柯溫泉的循環(huán)深度介于2 425.75～3 008.17 m之間（均值2 716.96 m）。章柯、茶洛和查青卡溫（沸）泉水發(fā)生較強(qiáng)的水-巖反應(yīng)的區(qū)域主要在6 900～8 500 m范圍。章柯沸泉、茶洛沸泉和查青卡溫泉、奪格溫泉的鋰同位素反應(yīng)體系深度位于該區(qū)地震孕震層位，與震源深度相當(dāng)。

5 討 論

5.1 溫泉水化學(xué)特征

該區(qū)溫泉水地球化學(xué)特征研究成果［8-10］顯示，溫泉水化學(xué)類型主要為HCO3-Na 型，而地表水和冷地下水為HCO3-Ca 型；溫泉水富含H2SiO3、K+、Na+、F-和微量元素Li、Rb、Cs、Sr 和W 等。溫泉水化學(xué)特征指示地下水循環(huán)過程中與深部花崗巖發(fā)生了水-巖相互作用和陽離子交換反應(yīng)［45］，具有深循環(huán)熱水對(duì)流補(bǔ)給的特點(diǎn)［28］。

5.2 鋰元素來源

作為流體活動(dòng)性元素，Li 在地表和地幔深部與流體相關(guān)的活動(dòng)中表現(xiàn)出超常富集［4］。地?zé)嵯到y(tǒng)鋰含量及鋰同位素取決于熱儲(chǔ)溫度、儲(chǔ)層巖石性質(zhì)、流體類型或蝕變程度［4-5，8，46］。茶洛—德達(dá)地段位于東義敦島弧的中段［15］，地層主要為三疊紀(jì)復(fù)理石沉積和晚三疊世鈣堿性火山巖，巖漿巖主要為白堊紀(jì)花崗巖（措莫隆—哈嘎拉花崗巖帶鋯石U-Pb 年齡介于100～90 Ma 之間［15］）和古近紀(jì)花崗巖，白堊紀(jì)花崗巖體中發(fā)育富鋰偉晶巖脈［15，26］。溫泉水鋰同位素組成位于火山島弧鋰同位素組成范圍（-11 ‰～20 ‰）內(nèi)，章柯、茶洛和查青卡溫（沸）泉水的鋰同位素組成與燕山晚期花崗巖鋰同位素組成（0.70 ‰～1.84 ‰）相近。

溫度是控制鋰同位素分餾的最主要因素［4］。在低溫地球系統(tǒng)中，鋰同位素的分餾非常強(qiáng)烈［47-48］，然而，鋰同位素在溫度高于350 ℃情況下的分餾作用相對(duì)較弱［49-50］。將溫泉水、冷水樣品投圖于鋰含量、鋰同位素溫標(biāo)關(guān)系圖（圖5）。查青卡溫泉、奪格溫泉、措納柯溫泉和裂隙水投點(diǎn)呈良好的線性關(guān)系，溫泉水鋰濃度與鋰同位素反應(yīng)體系溫度呈正相關(guān)性，指示這些溫泉水的鋰主要來自于圍巖，在地下水循環(huán)過程中發(fā)生了較強(qiáng)的水-巖反應(yīng)，溫泉水鋰含量隨鋰同位素反應(yīng)體系溫度的升高而增高；而章柯沸泉、茶洛沸泉的樣品點(diǎn)位于該趨勢線的右側(cè)較遠(yuǎn)區(qū)域，指示溫泉水的鋰除來自熱儲(chǔ)圍巖外，還具有其他來源。

圖5 巴塘地區(qū)溫泉水Li 濃度-Li 同位素溫標(biāo)關(guān)系圖Fig.5 Li concentration-Li isotope temperature map of hot spring water in Batang region

章柯沸泉、茶洛沸泉地表發(fā)育大規(guī)模硅華，與西藏羊八井、谷露地?zé)崽锇l(fā)育大規(guī)模硅華［41，51-52］類似，證實(shí)有較多的SiO2從地?zé)崴形龀龀恋?。溫泉水鋰濃度與鋰同位素反應(yīng)體系溫度呈正相關(guān)性表明，在高溫水-巖反應(yīng)過程中，高溫?zé)崃黧w與圍巖已達(dá)到鋰元素、鋰同位素平衡，在向淺部上升過程中，低于該溫度的水-巖反應(yīng)不再從巖石中萃取鋰元素或萃取量大大地降低（圖5），使流體鋰同位素組成基本無變化；而SiO2在上升過程中，隨著溫度的降低，SiO2沉淀，導(dǎo)致應(yīng)用地表溫泉水SiO2溫標(biāo)計(jì)算的溫度偏低（表2）。

在鋰含量、鋰同位素溫標(biāo)關(guān)系圖（圖5）中，將查青卡溫泉、奪格溫泉、措納柯溫泉和裂隙水投點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，獲得公式（4）為：

式（4）中：T—鋰同位素溫標(biāo)，℃，Li—溫泉水的鋰濃度，μg·L-1。

結(jié)合式（2）可獲得在鋰同位素溫標(biāo)下水-巖反應(yīng)平衡時(shí)溫泉水中的鋰濃度與溫泉水鋰同位素組成的關(guān)系式：

式（5）中：Li水-巖—體系溫度下水-巖反應(yīng)平衡時(shí)的水中鋰濃度，μg·L-1。

依據(jù)公式（5），估算了巴塘地區(qū)溫泉在鋰同位素溫標(biāo)下水中的鋰濃度，列于表2。措納柯溫泉中BT6-3 樣品估算的鋰同位素溫標(biāo)下的鋰濃度與溫泉水的鋰濃度基本一致，而BT6-2 樣品濃度相差較大，可能與BT2 泉口出露于第四系、淺地表水的混入相關(guān)。查青卡溫泉、奪格溫泉樣品估算的鋰同位素溫標(biāo)下的鋰濃度與溫泉水的鋰濃度相近，表明溫泉水從深部熱儲(chǔ)上升至地表排泄過程中混合的淺地表水較少，這與溫泉直接由基巖裂隙出露的情況相符。章柯沸泉、茶洛沸泉樣品估算的鋰同位素溫標(biāo)下的鋰濃度明顯低于溫泉水實(shí)際的鋰濃度，指示溫泉水中的鋰除來自圍巖外，還有其他來源。

在低溫地球系統(tǒng)中，鋰同位素的分餾非常強(qiáng)烈［47-48］，水-巖反應(yīng)后的水富集7Li；然而，鋰同位素在溫度高于350 ℃的情況下的分餾作用相對(duì)較弱［47-48］，水-巖反應(yīng)后的水的鋰同位素組成與巖石相似。大氣降水從地表循環(huán)到深部被加熱（＜350 ℃），與圍巖發(fā)生水-巖反應(yīng)后，其鋰同位素組成將富集7Li，高于圍巖。而本次測得章柯沸泉、茶洛沸泉和查青卡溫泉的鋰同位素組成低于新鮮花崗巖的鋰同位素組成（δ7Li 值介于0.70 ‰～1.84 ‰之間）或兩者相近，指示在地下深部發(fā)生了高溫（＞350 ℃）水-巖反應(yīng)，形成富鋰元素、低7Li 同位素的高溫地?zé)崃黧w。該區(qū)花崗巖的鋰含量介于84.40～67.40 μg·g-1之間，鋰同位素組成介于0.70 ‰～1.84 ‰之間，碳酸鹽巖地層鋰含量介于0.21～1.57 μg·g-1之間。在高溫水-巖反應(yīng)過程中，圍巖花崗巖和碳酸鹽巖為地?zé)崴峁┝瞬糠咒囋?，同時(shí)降低了水中的鋰同位素組成δ7Li 值。其中，查青卡溫泉、奪格溫泉和措納柯溫泉的鋰主要為水-巖反應(yīng)過程中巖石釋放的鋰，章柯沸泉、茶洛沸泉的鋰除圍巖來源外，還有其他來源的鋰混入。

章柯沸泉、茶洛沸泉的鋰同位素組成δ7Li值明顯偏低，甚至出現(xiàn)負(fù)值，低于新鮮花崗巖的鋰同位素組成，與日本中部火山地區(qū)地震震中地?zé)崴匿囃凰亟M成（δ7Li 值介于-5.17 ‰～1.55 ‰之間）［53］相近，指示可能該區(qū)溫泉流體來源與日本中部地區(qū)地震震中地?zé)崴黧w來源相似，具有下地殼流體的鋰同位素組成特征。因此，章柯沸泉、茶洛沸泉可能有深部富鋰、貧7Li 的高溫流體混入，為地?zé)崴峁┝祟~外的鋰元素。

總之，章柯沸泉、茶洛沸泉的鋰有四部分來源，1）大氣降水自帶的鋰；2）大氣降水（含深循環(huán)地下水）深循環(huán)過程中，巖石發(fā)生中低溫水-巖反應(yīng)釋放到水中的鋰；3）深部高溫水-巖反應(yīng)過程中，巖石釋放的鋰；4）深部流體混合加入的鋰。

5.3 地?zé)崃黧w來源

該區(qū)巖漿巖侵入時(shí)代主要為白堊紀(jì)和古近紀(jì)，已經(jīng)冷卻固結(jié)，無法為現(xiàn)代溫泉提供熱源和流體。氫、氧同位素組成指示該區(qū)溫泉水以大氣降水為主，章柯沸泉、茶洛沸泉具有少量巖漿水混合的特征；碳同位素組成指示溫泉水中的碳來自深部碳酸鹽巖。溫泉水的鋰元素濃度和鋰同位素組成特征指示，查青卡、奪格和措納柯溫泉的水主要來自大氣降水，章柯沸泉、茶洛沸泉的溫泉水除大氣降水來源外還有深部流體來源。溫泉?dú)怏w同位素研究［52］也證實(shí)，理塘斷裂帶是地幔深部流體上升的良好通道。

5.4 熱源分析

川西地區(qū)為“溫殼溫幔”型的深部熱結(jié)構(gòu)［44］，巴塘地區(qū)地殼熱的貢獻(xiàn)達(dá)51.38 %［44］。地殼熱源主要為放射性地層生熱、斷層摩擦生熱以及巖漿余熱和熔融潛熱［44］。

該區(qū)巖漿巖侵入時(shí)代主要為白堊紀(jì)和古近紀(jì)，已經(jīng)冷卻固結(jié)，無法為溫泉提供巖漿余熱。燕山晚期巖體是富鈾巖體，其放射性元素鈾含量介于13.20～25.40 μg·g-1（均值）之間、釷含量介于9.38～31.50 μg·g-1之間（均值）、K2O 含量介于4.49 %～5.90 %之間（均值）［15］。采用放射性生熱率公式［55］計(jì)算，燕山晚期花崗巖體放射性生熱率達(dá)6.03 μW·m-3，顯著高于地殼放射性生熱率［56］。由于巖體厚度、地層厚度暫無精確數(shù)據(jù)支撐，由花崗巖體貢獻(xiàn)的熱流無法進(jìn)行估算，但其顯著的高放射性生熱率指示花崗巖體可以為溫泉提供部分熱源。

茶洛—德達(dá)地段為居里面突起部位，居里面深度在章柯為16.1 km、茶洛為16.4 km，在查青卡、奪格和措納柯為16.7 km 左右［44］。中、下地殼的地震S 波“低速層”上頂界面與居里面深度范圍接近，約介于15～20 km 之間，該低速圈閉可能為川西水熱活動(dòng)區(qū)的深部熱源之一［45］，居里面或地震S 波“低速層”的局部隆起使該區(qū)形成高地溫異常背景。

川西地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震頻發(fā)，溫泉沿活動(dòng)斷裂呈帶狀分布，地?zé)豳Y源與地震活動(dòng)具有共生關(guān)系［6］。利用鋰同位素溫標(biāo)計(jì)算的章柯、茶洛富鋰溫（沸）泉的循環(huán)深度介于7 016.62～8 448.69 m 之間，該深度與2016 年9 月23 日理塘M4.9 和M5.1 地震震源深度介于7～7.5 km之間［16］一致，位于1989 年巴塘6.7 級(jí)強(qiáng)震群震源深度（5～12 km［57］）范圍內(nèi)。川西北塊體5～15 km 的上地殼是地殼脆性孕震層位，是震源深度集中的層位［12］。富鋰沸泉的水循環(huán)深度與地震震源深度的吻合，指示富鋰沸泉的水循環(huán)深度達(dá)到周邊地震震源深度區(qū)域。地震活動(dòng)時(shí)，震源深度附近區(qū)域產(chǎn)生新的破裂，并形成近真空狀態(tài)，淺部的裂隙水進(jìn)入更深的破裂裂隙，被進(jìn)一步加熱，形成高溫裂隙水（或超臨界流體）；同時(shí)，裂隙系統(tǒng)深部新生的破裂，使深部流體上升更加通暢，更多深部高溫流體混入深循環(huán)水中，導(dǎo)致高溫地?zé)崃黧w形成。

地震是地質(zhì)體內(nèi)積聚的應(yīng)變勢能快速釋放的表現(xiàn)形式之一，地震時(shí)的很大部分應(yīng)變勢能在摩擦生熱機(jī)制下轉(zhuǎn)化為熱能，使巖石升溫，并驅(qū)動(dòng)流體運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在升溫過程中巖石局部產(chǎn)生熱變質(zhì)作用，以新生礦物形式將部分能量儲(chǔ)存起來［58-59］。汶川地震WFSD-1 巖心732 m 處的假玄武玻璃熔融體形成的溫度介于1 230～1 720 ℃之間［60］。巴塘斷裂與理塘斷裂為兩組共軛走滑斷層［22］。巴塘斷裂帶是一條全新世強(qiáng)烈活動(dòng)的大型右旋走滑斷裂帶，有史記錄以來有6 級(jí)以上強(qiáng)震7 次，最大為1870 年巴塘71/4 級(jí)地震［12］；理塘斷裂帶是一條全新世強(qiáng)烈活動(dòng)的大型左旋走滑斷裂帶，在近200 年以來至少發(fā)生過3 次7 級(jí)左右地震［61］，1930 年以來發(fā)生4.8～5.7 級(jí)地震達(dá)12 次之多［62］。金沙江斷裂帶和巴塘-理塘共軛走滑斷裂帶頻發(fā)的地震活動(dòng)持續(xù)為地?zé)嵯到y(tǒng)補(bǔ)充熱量，增強(qiáng)斷裂裂隙循環(huán)強(qiáng)度。

茶洛—德達(dá)地段溫泉的熱源以深部S 波“低速層”局部隆起、花崗巖體高放射性生熱率為高溫?zé)岙惓１尘?，是主要熱源，以地震斷層摩擦熱、深部流體熱為補(bǔ)充熱源，頻發(fā)的地震活動(dòng)持續(xù)為章柯、茶洛地?zé)嵯到y(tǒng)補(bǔ)充熱量，增強(qiáng)地?zé)峄顒?dòng)強(qiáng)度，從而形成高溫地?zé)崃黧w。

5.5 富鋰溫泉成因探討

章柯、茶洛富鋰沸泉成因：在區(qū)域富鋰、鈾的背景下，大氣降水由4 800～5 200 m 的高山區(qū)域經(jīng)斷裂裂隙、巖層向地下深部補(bǔ)給、循環(huán)，其循環(huán)深度介于7 000～8 500 m 之間，在向深部循環(huán)途中被花崗巖放射性衰變熱和大地?zé)崃鞒醪郊訜?，周邊頻發(fā)的地震向地?zé)嵯到y(tǒng)補(bǔ)充斷層摩擦熱、深部流體熱，震源附近的新生破裂使地?zé)崴蚋畈扛邷貐^(qū)域循環(huán)，并進(jìn)一步補(bǔ)充熱量，最終形成深部高溫地?zé)崃黧w（溫度介于240～289 ℃之間）。高溫地?zé)崃黧w與圍巖花崗巖、碳酸鹽巖發(fā)生強(qiáng)烈的水-巖反應(yīng)，大量鋰元素被釋放到地?zé)崃黧w中，深部流體也補(bǔ)充鋰，形成富鋰元素、低7Li 同位素的高溫地?zé)崃黧w。高溫富鋰地?zé)崃黧w沿?cái)嗔哑扑閹虻乇砩仙?，在斷裂谷地出露形成章柯、茶洛等富鋰沸泉?/p>

該區(qū)查青卡溫泉為循環(huán)深度較深的溫泉，其循環(huán)深度達(dá)6 900 m，在向深部循環(huán)途中被花崗巖放射性衰變熱和大地?zé)崃骷訜?，由于循環(huán)深度較大，形成高溫地?zé)崃黧w（溫度達(dá)237 ℃），并發(fā)生高溫水-巖反應(yīng)，從巖石中淋濾出鋰，形成富鋰地?zé)崃黧w，高溫富鋰地?zé)崃黧w沿?cái)嗔哑扑閹虻乇砩仙?，在斷裂谷地出露形成富鋰熱泉。該區(qū)奪格溫泉、措納柯溫泉循環(huán)深度較淺，其循環(huán)深度介于2 400～5 800 m 之間，在向深部循環(huán)途中被花崗巖放射性衰變熱和大地?zé)崃骷訜?，形成?高溫地?zé)崃黧w（溫度介于104～198 ℃之間），并發(fā)生中-高溫水-巖反應(yīng)，從巖石中淋濾出鋰，地?zé)崃黧w沿?cái)嗔哑扑閹虻乇砩仙跀嗔压鹊爻雎缎纬珊嚐崛?。查青卡、奪格和措納柯3 個(gè)溫泉的鋰主要為水-巖反應(yīng)中巖石釋放的鋰，無深部流體鋰的加入，也即無深部流體熱的加入，其主要熱源為富鈾巖體的放射性衰變熱和大地?zé)崃?，所以形成的溫泉溫度相?duì)較低、鋰含量較低。

6 結(jié) 論

1）茶洛—德達(dá)地段發(fā)育章柯、茶洛富鋰沸泉和查青卡富鋰溫泉，鋰含量介于1 353.00～3 592.00 μg·L-1之間，其鋰同位素組成δ7Li 介于-0.53 ‰～1.74 ‰之間。富鋰溫泉的發(fā)育指示該區(qū)存在富鋰地質(zhì)體。

2）該區(qū)富鋰溫泉水主要為周邊4 800～5 200 m 的高山區(qū)域大氣降水來源，溫泉流體循環(huán)深度可達(dá)6 900～8 500 m，與該區(qū)部分地震的震源深度相當(dāng)。

3）富鋰溫泉的深部發(fā)生較強(qiáng)的高溫（溫度236～289 ℃）水-巖反應(yīng)，碳酸鹽巖、富鋰花崗巖等釋放出碳和鋰等元素，形成查青卡富鋰溫泉（1 353～1 392 μg·L-1）；章柯、茶洛沸泉除上述鋰來源外，還有深部高溫富鋰流體混入，從而形成更高溫（240～289 ℃）、更富鋰（2 736～3 592 μg·L-1）的地?zé)崃黧w。

4）該區(qū)章柯、茶洛富鋰沸泉的熱源除以深部（地殼、地幔）熱流為主要熱源外，還有地震斷層摩擦熱、深部流體熱為補(bǔ)充熱源，頻發(fā)的地震活動(dòng)持續(xù)地、脈動(dòng)式地為章柯、茶洛地?zé)嵯到y(tǒng)補(bǔ)充熱量，形成富鋰沸泉。查青卡富鋰溫泉熱源主要為深部（地殼、地幔）熱流，無斷層摩擦熱和深部流體熱補(bǔ)充。