張云輝，李 曉，許 模，多 吉，巫錫勇，肖 勇，黃 珣

(1.西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756；2.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

鮮水河斷裂是位于川西地區(qū)深切地殼的深大斷裂，北起甘孜，經(jīng)爐霍、道孚、康定，向南延展至石棉地區(qū)，受印度板塊向歐亞板塊擠壓碰撞的影響，鮮水河斷裂發(fā)生強烈的左行走滑活動，新構造運動活躍，大地熱流值高，為地熱水的形成提供了有利的條件，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，形成了著名的鮮水河地熱帶。地熱水的形成是地形、地層、構造、巖漿、地下水等多種內(nèi)外地質(zhì)環(huán)境因素耦合作用的過程和結果，導致其呈現(xiàn)的科學現(xiàn)象變得極為復雜。也正因為此，才吸引著國內(nèi)外學者廣泛、持久、深入地對其進行研究，對地熱水的成因追根尋源。

近年來，學者們對鮮水河地熱帶開展了廣泛的研究，梳理了地熱水的分布、溫度、流量和氣體等特征，并基于重、震、磁、氦同位素資料，結合水文地球化學證據(jù)，構建了鮮水河地熱帶的深部地熱地質(zhì)結構。此外，學者們還通過水文地球化學和氣體同位素手段開展了鮮水河地熱帶內(nèi)地熱水的成因研究，將康定北部雅拉鄉(xiāng)與南部老榆林地劃分為兩套熱儲性質(zhì)不同的地熱系統(tǒng)。Zhang等綜合傳統(tǒng)水化學和多元統(tǒng)計分析方法揭示了康定地區(qū)冷水和熱水的水文地球化學演化過程；Li等基于水化學特征推測康定地區(qū)地熱水的熱源為深部巖漿體的加熱；張云輝通過對鮮水河斷裂康定-磨西段地熱系統(tǒng)的熱儲、通道、蓋層、熱量來源和補給來源進行分析，初步構建了其成因模式。近年來，前人對鮮水河地熱帶內(nèi)典型熱水點進行了針對性的研究，例如康定二道橋-榆林宮地區(qū)地下熱水、康定地熱田地下熱水、草科溫泉、熱水塘溫泉和海螺溝溫泉。

目前學者們對鮮水河地熱帶內(nèi)地熱水的水文地球化學特征等進行了大量的研究，但多集中于區(qū)域地熱地質(zhì)背景的研究，或是專注于鮮水河地熱帶南部康定地區(qū)地熱水的研究，對于鮮水河地熱帶北部道孚地區(qū)地熱水的研究相對較少。為此，本文以鮮水河地熱帶道孚地區(qū)為研究區(qū)，分析研究區(qū)地熱水的水化學和氫氧同位素特征，計算地熱水的熱儲溫度，探明地熱水的補給來源和補給高程，為道孚地區(qū)地熱水的開發(fā)與利用提供理論支撐和科學依據(jù)。

1 區(qū)域地熱地質(zhì)背景

道孚地區(qū)位于青藏高原東部邊緣，為高原山原地貌，地形總趨勢為北高南低、中部隆起，受區(qū)域地質(zhì)構造的控制，山脊一般沿構造線延伸，山巒起伏，地形起伏較大。區(qū)內(nèi)最低點鮮水河出境處高程為1 889 m，最高點大雪山主峰高程為5 782 m，相對高差達3 893 m，屬于高山峽谷地貌，見圖1。

圖1 鮮水河地熱帶空間展布圖(a)、道孚區(qū)域地質(zhì)圖與采樣分布圖(b)、道孚區(qū)域A—A′地質(zhì)剖面圖(c)Fig.1 Spatial map of the Xianshuihe geothermal belt(a),regional geological map of the Daofu area with sampling locations(b), A—A′ geological section of Daofu area(c)

道孚地區(qū)出露的基巖包括燕山期花崗巖，古生界二疊系玄武巖、混雜巖，三疊系中統(tǒng)雜古腦組變質(zhì)砂板巖夾少量碳酸鹽巖、三疊系上統(tǒng)侏倭組和新都橋組砂板巖，巖性復雜，橫向變化大；第四系有更新統(tǒng)、全新統(tǒng)沖積砂卵石層和殘坡(崩)積碎塊石層。區(qū)內(nèi)構造主要為鮮水河斷裂及其次級斷裂，整體呈NE向展布。

道孚地區(qū)的地下水類型主要為基巖構造裂隙水和松散巖類孔隙潛水。其中，基巖構造裂隙水主要賦存于變質(zhì)巖層和元古代、燕山-喜山期花崗巖中的構造裂隙中，其賦存受到基巖片理、裂隙和斷層構造的影響，并受降水、地表水補給的影響，主要在淺部循環(huán)，富集于溝谷地帶，屬潛水性質(zhì)，流量為0.1～1.0 L/s，水化學類型為Ca-(Mg)-HCO型；松散巖類孔隙潛水集中賦存于大渡河及支流水系的河谷地帶，單井出水量一般為10～100 m/d，含水層為第四系松散的漂石砂卵石，表現(xiàn)出孔隙潛水特征，主要以溝谷兩側溢出或浸出的方式出露，泉流量較小，水化學類型為Ca-HCO型。冰雪融水和大氣降水是研究區(qū)地下水的主要補給來源，局部地區(qū)存在河水補給地下水的現(xiàn)象；地下水徑流受挽近構造活動的影響，上升幅度大、谷坡險峻的影響，以途徑短為其特點；地下水主要以泉的形式排泄，包括3種排泄形式，即集中匯流式排泄、線狀排泄、面狀滲流。

道孚地區(qū)隸屬鮮水河地熱帶的北部，地熱水發(fā)育較為豐富，在區(qū)內(nèi)發(fā)育多處溫泉露頭，地熱水的含水層主要由三疊系中統(tǒng)雜古腦組變質(zhì)砂板巖地層組成，地熱水的出露位置受構造控制明顯，主要出露于主干斷裂與次級斷裂交匯的位置。

2 樣品采集與測試

3 結果與分析

3.1 地熱水的水化學組分分析

鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水的水化學特征參數(shù)測試結果，見表1和圖2。

表1 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水的水化學特征參數(shù)測試結果Table 1 Hydrochemical parameters test results of geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt

圖2 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水的Schoeller圖Fig.2 Schoeller diagram of geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt注：溫度T的單位為℃；TDS和水化學組分的單位為mg/L。

由表1和圖2可以看出：

(1) 研究區(qū)地熱水pH值的范圍為6.3～8.0(平均值為7.0)，呈弱堿性；地熱水溫度的范圍為30.0～54.0℃(平均值為42.5℃)；地熱水中TDS的含量范圍為640.80～1 446.60 mg/L(平均值為944.81 mg/L)。

圖3 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水的Piper三線圖Fig.3 Piper triangle diagram of geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt

道孚地區(qū)地熱水中主要陰、陽離子的相關關系圖，見圖4。

圖4 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水中主要陰、陽離子的相關關系圖Fig.4 Correlation of major anions and cations from geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt

道孚地區(qū)的地熱水主要出露于三疊系雜谷腦組變質(zhì)砂板巖地層中，結合地熱水中主要陰、陽離子相關性分析結果可知，硅酸鹽礦物(鈉長石、鉀長石和黑云母)的溶解是地熱水中陽離子(Na、Ca、Mg和K)和SiO的主要來源。因此，道孚地區(qū)的地熱水中主要陰、陽離子來源于硅酸鹽礦物的溶解以及深部CO成分的混入。

3.2 地熱水的水-巖平衡狀態(tài)分析

地熱水在上升的過程中，其水化學組分會隨著溫度的降低而變化，或者是與冷水發(fā)生混合作用，導致地熱水的水化學組分發(fā)生水-巖再平衡作用。在估算地熱水的熱儲溫度時，常常因為地熱水的水-巖再平衡作用而導致誤差的產(chǎn)生，因此為了精確地估算結果，在計算地熱水的熱儲溫度之前，有必要對地熱水的水-巖平衡狀態(tài)進行分析，以驗證所使用的地熱溫標是否可靠。

3.2.1 Na-K-Mg三線圖判別法

綜合Na+K和K-Mg地熱溫標可以建立地熱水的Na-K-Mg三角圖(見圖5)，用來判斷地熱水水-巖作用的平衡狀態(tài)和區(qū)別不同平衡狀態(tài)的水樣。其原理為：Na-K-Mg在水-巖作用中具有不同的再平衡速率，即

v

<

v

<

v

，所以Na-K地熱溫標可以指示地熱水較完全的平衡，其結果對應地熱水水-巖作用平衡時最高的溫度，而K-Mg地熱溫標則可以指示地熱水較淺的平衡，其結果對應地熱水水-巖作用平衡時最低的溫度。

圖5 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水的Na-K-Mg 三角圖Fig.5 Na-K-Mg trilinear equilibrium diagram of the geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt

地熱水主要分布在不成熟水區(qū)域，說明其水-巖作用未達到平衡狀態(tài)，可能其在淺表受到了大量淺部冷水的混合，在使用陽離子地熱溫標時會存在一定的偏差，需要運用其他地熱溫標計算地熱水的熱儲溫度。

3.2.2 礦物飽和指數(shù)分析

礦物的溶解作用導致巖石中某些成分溶解到水體中，以至于不同地下水的水化學成分可能相差較大，發(fā)生不同的水文地球化學演化作用，而水文地球化學演化作用往往受到水-巖作用的控制。本文選取美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的PHREEQC軟件作為分析工具。PHREEQC軟件作為一款目前在國際上廣泛應用的水文地球化學模擬軟件，可以計算地下水在不同控制條件下的礦物飽和指數(shù)(Saturation Index，SI)，通過對地下水中不同礦物的飽和指數(shù)進行計算，可以查明其在地下水中的平衡狀態(tài)，進一步發(fā)現(xiàn)控制地下水化學成分的反應礦物。礦物飽和指數(shù)(

SI

)的計算公式為

SI

=lg(

IAP)

/

K

(1)

式中：

IAP

代表離子活度

;K

代表平衡常數(shù)。當

SI

值

<

0時，該礦物在地下水中沒有達到飽和狀態(tài)，因此當含水層中存在該礦物時，其會被地下水所溶解；當

SI

值

>

0時，該礦物在地下水中則處于過飽和狀態(tài)，從而該礦物可能為非反應性礦物；當

SI

值的范圍在-0.2～0.2之間時，該礦物在地下水中大多表現(xiàn)為準平衡狀態(tài)。本文利用PHREEQC軟件計算了道孚地區(qū)地熱水中無水石膏、文石、方解石、玉髓、溫石絨、白云石、石膏、石鹽、石英、海泡石和滑石等主要礦物的

SI

值，其計算結果見圖6。

圖6 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水中主要礦物的飽和 指數(shù)圖Fig.6 Saturation Indices of minerals in geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt

由圖6可見，道孚地區(qū)地熱水中主要礦物整體表現(xiàn)出未飽和的特征，為未成熟水。其中，石英處于輕度過飽和狀態(tài)；玉髓、方解石和白云石處于部分飽和狀態(tài)；大多數(shù)礦物處于未飽和狀態(tài)，如文石、溫石絨、海泡石和滑石部分處于溶解未飽和狀態(tài)，部分處于溶解過飽和狀態(tài)，無水石膏、石膏和石鹽均處于溶解未飽和狀態(tài)。由于研究區(qū)地熱水中SiO礦物中僅有石英處于過飽和狀態(tài)，故而石英SiO地熱溫標適合計算研究區(qū)地熱水的熱儲溫度。

3.3 地熱水的熱儲溫度計算

3.3.1 SiO礦物經(jīng)驗公式

地熱水在由深部熱儲向淺表上升的過程中，SiO的溶解含量會隨著溫度降低而減少，與石英的溶解曲線規(guī)律一致，而地熱水上升時雖然溫度降低，但地熱水中SiO含量十分穩(wěn)定，不會因為溫度降低而大量沉淀，因此SiO礦物常被用來計算地熱水的熱儲溫度。

SiO地熱溫標的建立主要依據(jù)SiO礦物在地熱水中的溶解情況，具有較大的適用性，但是在實際計算時，應該考慮其地熱溫標計算的實用范圍為20～250℃，最佳范圍為150～225℃，而在熱儲溫度高于250℃時，地熱水中的SiO礦物會形成沉淀，計算的結果則會偏離實際的溫度，導致較大的誤差。自然界中SiO礦物較多，包括石英、玉髓、非晶質(zhì)SiO和方英石等，并且各SiO礦物的溶解度不同，因此應用SiO地熱溫標時需要判斷是哪一類SiO礦物影響了地熱水中SiO的溶解度。

在研究區(qū)地熱水中主要礦物

SI

值計算結果中，SiO礦物中僅有石英礦物的

SI

值均大于0，因此石英被選為SiO地熱溫標的合適礦物。地熱水石英地熱溫標的計算結果表明：道孚地區(qū)地熱水的熱儲溫度大多約在83～139℃之間。由于地熱水在上升出露的過程中容易受到淺部冷水混合的影響，使地熱水中SiO含量降低，導致SiO地熱溫標的計算結果偏小，故其僅能代表淺部地熱水的熱儲溫度。初始地熱水的熱儲溫度需要利用硅焓方程和硅焓圖解法來做進一步的分析。

3.3.2 硅焓方程分析

地下初始熱水從深部熱儲向淺表上升的過程中，常常會受到淺部冷水的混合稀釋，冷水加入后會導致不同的水-巖作用，因此傳統(tǒng)的水化學地熱溫標估算出的熱儲溫度會產(chǎn)生較大的誤差。地熱水在向上運移時，隨著溫度的下降，SiO的含量也隨之降低，但是SiO的沉淀速度與溫度的降低速度相比具有一定的“滯后性”，因此其標志著相當長一段時間的地熱水溫度，即初始時的深部熱儲溫度。在理想情況下，基于地熱水和淺部冷水兩者的出露溫度和SiO含量，可以較為準確地估算出地熱水的初始溫度(即熱儲溫度)和冷水混合加入的比例。地熱水在沿著張性斷裂通道上升的過程中，不斷受到了淺部冷水的混合，導致了地熱水的溫度、焓值和SiO含量均發(fā)生了變化，最后形成出露在地表的溫泉，溫泉熱水則代表了地下初始(深部)熱水受到淺部冷水混合后的最終特征。

為了計算地熱水的初始溫度(即熱儲溫度)和冷水混合加入的比例，F(xiàn)ournier等建立了硅焓方程法，將地熱水的溫度、焓值和SiO含量之間對應的數(shù)值關系用以下公式表示：

H

X

+

H

(

1-

X)=H

(2)

Si

X

+

Si

(

1-

X)=Si

(3)

上式中：

H

為熱水焓值

(

J/g

)

；

H

為冷水焓值

(

J/g

);H

為溫泉熱水焓

(

J/g

)

；

X

為冷水混合比例

(

無量綱

)

；

Si

為熱水中SiO含量(mg/L);

Si

為冷水中SiO含量(mg/L)。

通過求解公式(2)和(3)，得到以下公式：

(4)

(5)

公式(4)和(5)中，

X

和

X

為對應溫度

T

的兩條曲線，當兩條曲線相交時，其交點則為估算的地熱水的熱儲溫度和冷水混合的比例；當兩條曲線不相交時，說明初始地熱水和地表冷水在混合前就已經(jīng)失去了熱量。鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水的硅焓方程混合曲線模型見圖7。

圖7 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水的硅焓方程混合曲線模型Fig.7 Silica-enthalpy mixing curve model of the geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt

由圖7可見，研究區(qū)初始熱水的熱儲溫度為130～245℃，冷水混合的比例為71%～86%。

3.3.3 考慮最大蒸汽損失的硅焓圖解法

假設地熱水在混合前沒有發(fā)生熱損失，且地熱水中SiO的初始含量只受到石英溶解度的控制，地表冷水混合前或混合后均沒有發(fā)生SiO溶解和沉淀，則不同SiO含量和焓值的水混合會表現(xiàn)出較好的線性關系。因此，本文基于Truesdell等提出的考慮最大蒸汽損失的硅焓圖解法，探討了道孚地區(qū)地熱水中的混合作用和熱儲溫度。

假設在初始地熱水和淺部冷水混合前未發(fā)生蒸汽損失：①將淺部冷水的焓值和SiO含量投到硅焓圖中作為點

a

；②將出露地熱水的焓值和SiO含量投到圖中取其平均值作為點

b

；③在點

a

和點

b

間做一條直線，作為淺部冷水和地熱水的混合線，并且將混合線

ab

延伸至石英溶解曲線相交于點

c

，點

c

即為初始地熱水的初焓；④直線

bc

和直線

ac

長度的比值即為淺部冷水混入到地熱水中的比例，點

d

的

x

軸坐標即為初始熱水的熱儲溫度?？紤]最大蒸汽損失的道孚地區(qū)地熱水的硅焓模型圖，見圖8。

圖8 考慮最大蒸汽損失的鮮水河地熱帶道孚地區(qū) 地熱水的硅焓模型圖[30]Fig.8 Silica-enthalpy plot of the geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt considering the maximum steam loss[30]

由圖8可見，道孚地區(qū)地熱水的冷水混合比例約為70%～85%，初始熱水的熱儲溫度為135～247℃，與研究區(qū)地熱水硅焓方程混合曲線模型(見圖7)擬合得出的結果基本一致(熱儲溫度為130～245℃，冷水混合比例為71%～86%)。

假設在初始熱水和淺部冷水混合前發(fā)生了蒸汽損失：①在水的沸點溫度(100℃)所對應的焓值處做豎直直線；②取直線

ac

和

T

=100℃豎直直線的交點為

d

；③將

d

點向右平移至最大蒸汽損失曲線，相交得到點

e

，點

e

橫坐標值代表沸騰前的地熱水的初焓，本次共得到點

d

、

d

、

d

和

e

、

e

、

e

，換算后初始熱水的熱儲溫度為117～161℃；④直線

cd

與最大蒸汽損失線相交于點

f

，在

f

點做豎直直線與石英溶解線相交于點

g

，本次共得到點

f

、

f

、

f

和

g

、

g

,

估算得到蒸汽損失的質(zhì)量百分比為

x

=1-SiO(

g

點)/SiO(

f

點)=5%～12%(見圖8)。

綜上所述，道孚地區(qū)的地熱水在上升過程中受到了淺部冷水混合的影響，經(jīng)計算，混入的冷水比例約為70%～85%，蒸汽損失質(zhì)量百分比約為5%～12%，無蒸汽損失和最大蒸汽損失的初始熱水熱儲溫度分別為135～247℃和117～161℃。

3.4 地熱水的補給來源分析

本文測試分析了道孚地區(qū)8個地熱水樣品的

δ

D和

δ

O同位素，測試結果顯示：

δ

O值為-16.14‰～-17.63‰，平均值為-17.63‰，

δ

D值為-117.10‰～-145.20‰，平均值為-135.06‰(見表1)。在

δ

D與

δ

O二元散點圖中，道孚地區(qū)8個地熱水樣品整體沿全球大氣降水線分布，表現(xiàn)為大氣降水的來源。宋春林等通過對貢嘎山區(qū)5～10月份雨水樣品的測試，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)大氣降水的

δ

O和

δ

D同位素高程效應顯著，驗證了在該地區(qū)利用

δ

O和

δ

D同位素來推導大氣降水補給高程的可行性，并計算得到貢嘎山地區(qū)大氣降水的

δ

D梯度值為-2.41‰/100 m，

δ

O梯度值為0.30‰/100 m。由于在

δ

D與

δ

O的關系圖中發(fā)生了一定的“氧同位素漂移”，說明地熱水在循環(huán)過程中發(fā)生了水-巖作用，導致了氧同位素分餾。因此，本文選取

δ

D值作為地熱水補給高程的計算指標，具體計算公式為

(6)

式中：

H

為補給區(qū)高程(m)；

h

為大氣降水的海拔高度(m);

R

為地熱水的

δ

D或

δ

O值(‰)；

R

′為大氣降水的

δ

D或

δ

O值(‰)；

ρ

為貢嘎山區(qū)大氣降水的

δ

D或

δ

O梯度值(‰/100 m)。本次研究引用文獻[18]中折多山區(qū)淺部冷水的

δ

D值(-63.52‰)、

δ

O值(-9.89‰)和高程(1 936 m)，結合道孚地區(qū)地熱水的

δ

D值(-117.10‰～-145.20‰)和

δ

O值(-16.14‰～-17.63‰)，將其代入公式(6)可計算得到研究區(qū)地熱水的補給高程。通過

δ

D和

δ

O值分別計算得到道孚地區(qū)地熱水的補給高程為4 159～5 325 m和4 019～4 869 m(見表1)。其中，通過

δ

D值求得的研究區(qū)地熱水的補給高程更大，這可能是由于道孚地區(qū)的地熱水樣品發(fā)生了輕微的向右漂移現(xiàn)象(見圖9)，說明斷裂破碎帶為地熱水的運移提供了良好的通道條件，使地熱水循環(huán)較快，滯留時間較短，在運移過程中與圍巖發(fā)生了輕微的

δ

O交換作用。因此，本文選取通過

δ

D值求得的地熱水補給高程作為道孚地區(qū)地熱水的補給高程。

圖9 鮮水河地熱帶道孚地區(qū)地熱水δD與δ18O的關系圖Fig.9 Plot of δD-δ18O for the geothermal waters in the Daofu area of the Xianshuihe geothermal belt

道孚地區(qū)位于鮮水河高山峽谷內(nèi)(高程為1 889～5 782 m)，最高點為大雪山主峰，因此道孚地區(qū)地熱水的補給區(qū)域為大雪山高程4 159～5 325 m的區(qū)域，陡峻的高山峽谷地形為地下水的下滲提供了理想的水動力條件，大雪山的冰雪融水通過斷裂或裂隙向下運移至深部熱儲層，地熱水受熱上升在斷裂破碎帶等有利部位出露形成溫泉。

4 結 論

本次研究對鮮水河地熱帶道孚地區(qū)的8個地熱水露頭的水化學和氫氧同位素特征進行了分析，得到以下結論：

(2) 地熱水的主要陰、陽離子含量受到硅酸鹽礦物溶解的控制以及深部CO組分的混入。

(3) 地熱水在上升出露的過程中初始地熱水與淺部冷水混合，混合前初始熱水的熱儲溫度分別為130～245℃(硅焓方程)、135～247℃(硅焓圖解)和117～161 ℃(考慮最大蒸汽損失的硅焓圖解)，混入的冷水比例約為70%～85%，蒸汽損失質(zhì)量百分比約為5%～12%。

(4) 氫氧同位素證據(jù)表明，地熱水僅發(fā)生輕微的氧同位素漂移，其補給來源為大氣降水，補給區(qū)域為大雪山高程4 159～5 325 m的區(qū)域。