張家文，吳 勇*，劉 琴，馬鑫文

(1.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都 610059;2.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

熱泉是自然界長期演化的產(chǎn)物，是地熱活動的直接表現(xiàn)形式，同時蘊含著豐富的地熱信息和水文地質信息。其分布多沿斷裂帶展布，受斷裂構造帶的控制。云南地區(qū)作為中國主要的地熱資源富集區(qū)域之一，該地區(qū)熱泉資源極其豐富，天然出露的熱泉達1 000多處。但豐富的地熱資源也為交通、水利水電工程建設帶來不少困難?，F(xiàn)如今在地熱資源豐富的地區(qū)開展隧道工程建設過程中，高地溫高水溫問題是建設過程中主要的難點問題之一。熱泉是地熱資源的排泄出口，連通地下熱源，從熱泉成因著手來對高地溫高水溫地區(qū)的熱源進行探查，可起到追根溯源之效。

前人已對區(qū)域性地熱狀況[1-2]、溫泉成因模式[3-4]做了大量研究。大多數(shù)研究認為在地下熱水中水文地球化學方法和同位素分析是解決該類型問題的重要方法。Belhai等[5]運用水化學方法和同位素數(shù)據(jù)，研究了阿爾及利亞東北部熱泉的形成機理，認為在該地區(qū)的大氣降水通過導水通道，經(jīng)地下熱儲加熱后沿導水通道溢流成泉。Haile等[6]通過構建區(qū)域地下熱水流動模型，結合地下熱水中水化學和同位素進行分析，探討了美國西海岸平原含水層地下熱水的化學演化模型。徐成華等[7]、高宗軍等[8]通過分析地下熱水中的離子成分以及水巖相互作用特征，探討了地下熱儲的賦存狀況以及地下熱水的循環(huán)演化模式。王志祥等[9]利用陽離子溫標法計算渝東南地區(qū)地下熱儲溫度。白玉鵬等[10]利用云南彌勒紅河谷溫泉的水文化學特征對其成因進行探討，認為該地區(qū)溫泉屬中低溫熱泉。高芳芳等[11]在通過分析瓦納溫泉的發(fā)育特征以及實測隧道巖溫數(shù)據(jù)，對鐵路隧道周邊高地溫風險地區(qū)進行預判。余鳴瀟等[12]通過水化學方法，認為大控蚌溫泉為大氣降水經(jīng)地殼內部深循環(huán)加熱，最終沿斷裂帶溢流成泉 。閆佰忠[13]構建了長白山玄武巖區(qū)熱泉成因體系，提出了多種類型的溫泉成因模式，并對典型溫泉成因模式進行了細致闡述，大體分為火山巖漿型、沉積盆地型和構造斷裂型三類成因模式。

基于此，現(xiàn)以云南尼格隧道在開挖過程中，隧道內出現(xiàn)的高地溫高水溫現(xiàn)象為研究對象，在查明尼格地區(qū)構造地質和水文地質條件的基礎上，結合同位素和水化學特征資料以及該區(qū)域放射性元素測試結果，分析和總結尼格地區(qū)三個典型熱泉出露特征，開展研究區(qū)熱泉演化模式的研究，探究該地區(qū)熱泉形成過程的熱水來源、演變過程、水巖作用等特征，揭示該地區(qū)熱泉成因模式及其循環(huán)演化過程。以期為揭示云南尼格地區(qū)地下熱水的熱循環(huán)機理提供技術依據(jù)，同時為當?shù)厮淼拦こ探ㄔO和地熱資源的開發(fā)利用提供參考。

1 水文地質概況

1.1 地質構造背景

研究區(qū)地殼運動劇烈，新生代經(jīng)歷多次火山活動，引發(fā)燕山中、晚期花崗巖的重熔重塑作用，在這個過程中大量基性火山巖和酸性巖侵入地殼之中，深部的地幔熱異常體為其提供熱源，上覆的花崗巖地層是地熱流體的熱儲層，噴出的熔巖起保溫蓋層的作用，使得區(qū)內有著豐富的地熱資源。

大地構造位于華南褶皺系、楊子淮地臺西緣的個舊斷褶束南部、紅河深大斷裂帶北東側(圖1)。研究區(qū)周邊發(fā)育三組構造作用形成的張扭性裂隙，以及相對較微觀的密集風化裂隙，地質構造條件極其復雜，斷裂帶呈現(xiàn)陡峻的深切河谷地貌，跌水發(fā)育[14](圖2)。

圖1 尼格地區(qū)大地構造位置Fig.1 Geotectonic positionin Niger area

圖2 尼格地區(qū)地質簡圖Fig.2 Geological mapin Nige area

1.2 水文地質條件

研究區(qū)地下水類型整體劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶含水以及基巖裂隙水。

(2)碳酸鹽巖巖溶含水。含水層為三疊系中統(tǒng)個舊組上段(T2g2)灰?guī)r以及三疊系中統(tǒng)法郎組(T2f)灰?guī)r，巖溶裂隙、巖溶管道發(fā)育，具有徑流短、排泄快、水位動態(tài)變化顯著的特點。

(3)基巖裂隙水。主要賦存于燕山期花崗巖 [γ53(a)]基巖裂隙中，研究區(qū)主要為帶狀富水，沿斷裂帶分布，在張扭性斷層以及斷層交匯帶處形成富水帶。

2 水文地球化學特征

2.1 水化學特征分析

由表1數(shù)據(jù)繪制尼格地區(qū)熱泉Piper圖(圖3)，尼格溫泉和老虎灘溫泉為HCO3-Na型水，是由于花崗巖中含大量的硅酸鹽礦物例如鈉長石，其在水循環(huán)過程中發(fā)生溶濾作用。另外老虎灘溫泉中偏硅酸含量相對較高，是由于該溫泉發(fā)育在燕山期花崗巖[γ53(a)]中，燕山期花崗巖[γ53(a)]主要的氧化物為SiO2，熱泉在深層地殼運移、循環(huán)演化過程中，不斷溶濾其中的SiO2，使得水中的SiO2相對其他水樣含量偏高；丫沙底溫泉和尼格隧道內巖溶水水質類型為HCO3-Na·Ca型水，是由于這兩個地區(qū)為碳酸鹽地區(qū)，Ca2+的濃度受方解石、石膏等礦物的控制，所以該地區(qū)地下水中Ca2+含量相對較高。整體來說，研究區(qū)的大氣降水在花崗巖地區(qū)沿深大斷裂帶進入地殼內部，花崗巖中鈉長石礦物由于溶濾作用，不斷溶解，在花崗巖地區(qū)形成HCO3-Na型水，花崗巖地區(qū)的HCO3-Na型水在深部水循環(huán)過程中流經(jīng)碳酸鹽地區(qū)，在這個過程中，碳酸鹽地區(qū)的方解石、石膏等礦物中的Ca2+由于溶濾作用不斷進入水中，最終形成HCO3-Na·Ca型水。

圖3 尼格地區(qū)熱泉Piper圖Fig.3 Piper diagram of hot springs in Nige area

2.2 同位素特征分析

H和O作為H2O中重要的組成部分，這兩種元素參與水循環(huán)過程中，水的蒸散發(fā)、水的混合作用以及各種各樣的水巖相互作用，其穩(wěn)定同位素δ18O和δD能夠反應水在不同作用下不同緯度中的演化規(guī)律。穩(wěn)定同位素δ18O和δD在這些規(guī)律中呈現(xiàn)出極強的相關性，能夠將其作為特定的示蹤劑，反應地下水補給、徑流、排泄特征及其演化規(guī)律。利用穩(wěn)定同位素(δ18O和δD)確定研究區(qū)熱泉的補給特征，通過前人建立的全球大氣降水回歸方程[15]進行計算。

全球大氣降水回歸方程為

δD=8δ18O+10

(1)

利用研究區(qū)不同水樣δ18O和δD穩(wěn)定同位素的檢測數(shù)據(jù)(表2)，繪制δ18O-δD 穩(wěn)定同位素關系曲線(圖4)。研究區(qū)中4個熱泉水樣點均散落在全球大氣降水回歸方程周邊，表明其補給來源均為大氣降水，通過深大斷裂帶入滲補給地下水。從圖4中還發(fā)現(xiàn)，這些水樣點出現(xiàn)輕微的O漂移現(xiàn)象，說明該區(qū)域水巖作用不強烈。

根據(jù)前人研究，大氣降水中的穩(wěn)定同位素(δ18O和δD)的分布具有明顯的高程效應[15]，常用該效應對熱泉的補給高程進行計算。中國西部地區(qū)大氣降水中δ18O和δD同位素與高程的線性回歸式[12]為

表1 尼格地區(qū)熱泉水化學檢測數(shù)據(jù)Table 1 Chemicalanalyses of hot springs in Nige area

δ18O=-0.003 1h-6.19

(2)

δD=-0.026h-30.2

(3)

式中：h為補給高程，m。

利用式(2)和式(3)計算得到補給區(qū)各熱泉的補給高程，結果如表3所示，用δ18O相關方程計算得到的補給高程明顯低于用δD相關方程計算得到的補給高程，是由于在深循環(huán)過程中，δ18O易與周邊圍巖發(fā)生反應，沒有δD穩(wěn)定。因此綜合兩種方程的計算結果求取該地區(qū)熱泉的補給高程，更切合實際補給區(qū)情況。結果表明尼格地區(qū)熱泉的補給高程在1 853.77～2 004.33 m。推測補給區(qū)大致位于尼格隧道東北方向的花崗巖地區(qū)，處于南-北(S-N)方向的小江地震帶與南-西(N-W)方向的紅河斷裂地震帶交匯處，該區(qū)域整體呈現(xiàn)X型展布，為大氣降水入滲補給地下水提供了良好的條件[16]。

理論上存在這種性質的地熱溫標均可用于估算熱儲溫度，這里選用SiO2溫標法對該地區(qū)熱儲溫度進行估算[13]，計算公式如下。

表2 熱泉水樣δ18O和δD同位素檢測結果Table 2 Results of δ18O and δD isotopes of hot springs

圖4 熱泉水樣的δ18O-δD關系圖Fig.4 Plot of δ18O-δD of hot springs

表3 尼格地區(qū)熱泉的補給高程Table 3 Estimated temperature of hot springs in Nige area

石英溫標-無蒸汽分離或混合作用：

T=-42.198+0.288 31SiO2-3.668 6×

10-4(SiO2)2+3.166 5×10-7(SiO2)3+

77.034lgSiO2

(4)

石英溫標-無蒸汽損失(0～250 ℃)：

(5)

石英溫標-最大蒸汽損失在100 ℃(0～250 ℃)：

(6)

通過上述公式對研究區(qū)熱儲溫度進行估算，尼格地區(qū)地下熱儲的溫度大致在98.68～125.71 ℃，計算結果如表4所示，研究區(qū)內尼格隧道在開挖過程中出現(xiàn)最高地溫是88.8 ℃，考慮到熱泉循環(huán)深度比隧道最大埋深更深，認為數(shù)據(jù)該計算結果可靠，同時熱泉沿著斷層破碎帶上升的過程，與淺層地下水混合，使得SiO2的濃度被稀釋，利用現(xiàn)有SiO2濃度計算得到熱儲溫度比實際地下熱儲溫度會偏低一些。

2.3 循環(huán)深度

根據(jù)研究區(qū)所處的地質構造特征以及氫氧同位素特征，該區(qū)域熱泉出露受斷裂構造控制?？衫檬?7)估算熱水循環(huán)深度：

(7)

式(7)中：H為熱泉循環(huán)深度；Ts為熱儲溫度；T0為當?shù)囟嗄昶骄鶜鉁兀≈?6 ℃；K為熱導率，取值2.933 W/(m·k)[16]；Q為熱流密度，取值0.173 W/m2；H0為恒溫層深度，取值30 m。

式(7)計算結果如表5所示，研究區(qū)熱泉循環(huán)深度為1 431.70～1 890.07 m，平均循環(huán)深度為1 660.89 m。循環(huán)深度相對較淺，表明該處熱泉主要熱量來源并不依靠地熱增溫，而是存在深部熱異常體或其他形式的熱量來源。

表4 尼格地區(qū)熱泉的熱儲溫度Table 4 reservoir temperature of hot springs in Nige area

表5 尼格地區(qū)熱泉的循環(huán)深度Table 5 Circulation depth of hot springs in Nige area

2.4 冷熱水混合比例

研究區(qū)內巖溶裂隙、斷裂構造發(fā)育，地下水的徑流排泄條件好，當?shù)叵聼崛刂鴶鄬悠扑閹仙倪^程，會與淺表部地下水相互混合，使得熱泉中SiO2的濃度被稀釋。熱泉與淺表地下水混合會導致深部熱水的初焓和SiO2的初始含量下降到熱水出露時的終焓和 SiO2含量?，F(xiàn)假設冷水混入量占泉水量的比例為X，則可得到硅-焓方程計算冷熱水相互混合的比例[17]。

ScX+Sh(1-X1)=Ss

(8)

SiO2cX+SiO2h(1-X2)=SiO2S

(9)

式中：X、X1、X2為冷水混入泉水量的比例；Sc為近地表處冷水的焓，取當?shù)啬昶骄鶜鉁?6 ℃；Sh為深部熱水的初焓；Ss為泉水終焓；SiO2c為近地表處冷水SiO2含量，近地表處冷水SiO2含量23.07 mg/L；SiO2h為深部熱水中SiO2含量；SiO2s為泉水中SiO2含量，是Sh的函數(shù)。將方程化簡后得

(10)

(11)

將表6中熱水溫度、焓和SiO2含量的相關關系[18]，代入式(10)和式(11)中，就能夠得到表7一系列的X1和X2值，由該數(shù)據(jù)繪制圖5，各曲線的交點即為該處泉點的冷熱水混合后的比例。結果顯示，丫沙底溫泉、尼格溫泉和老虎灘溫泉混合比例分別為35%、43%和80%，熱儲溫度分別為130.18、108.19、216 ℃。其中丫沙底溫泉和尼格溫泉使用冷熱水混合法估算的熱儲溫度與二氧化硅溫標法估算得到熱儲溫度基本一致。老虎灘溫泉冷熱水混合比在80%左右，冷熱水混合比例大，表明其在上升過程中混入了大量的冷水，這也就能解釋為何老虎灘溫泉中SiO2的含量最多，而出水口水溫卻表現(xiàn)為相對低水溫。另外，該處溫泉使用冷熱水混合法計算得到的熱儲溫度為216 ℃，而使用SiO2溫標法估算得到的熱儲溫度在125.71 ℃。這是由于冷熱水混合法計算時采用的是理想狀態(tài)下的參數(shù)，實際地殼深部的熱儲情況錯綜復雜，地殼深部SiO2與理想狀態(tài)略有偏差，由冷熱水混合法計算得到的結果偏大，故采用二氧化硅溫標法估算得到的熱儲溫度作為該泉點的地下熱儲溫度。

3 熱泉成因機制分析

3.1 蓋層

圖5 冷熱水混合比例Fig.5 Mixing ratio of hot and cold water

表6 熱水溫度、焓和 SiO2含量關系Table 6 Relationship between temperature,enthalpy and SiO2 contents

表7 尼格地區(qū)熱泉X1和X2計算結果Table 7 Results of X1 and X2 of hot springs in Nige area

3.2 導熱通道

導熱通道連接水源、熱儲和熱源，是該區(qū)域水熱循環(huán)的運移通道。一方面斷裂構造作為導熱通道，將上地幔熱能沿斷裂帶從地殼深部傳導到淺部地層，使得淺表地層具有較高的地溫，形成高溫地熱異常區(qū)；另一方面，斷裂構造帶為熱泉運移通道，控制著水熱活動，對其循環(huán)、分布起著引導作用。

斷裂帶又分張扭性斷裂與壓扭性斷裂，張扭性斷裂是良好的導熱導水通道，壓扭性斷裂導水性能極差，具有良好的隔水、隔熱性能。研究區(qū)內斷裂構造發(fā)育，熱泉多沿斷層破碎帶分布，具有明顯的繼承性，一般出露在張扭性和壓扭性斷裂帶的復合地帶，整體呈帶狀分布。研究區(qū)內發(fā)育多組由于構造作用形成的張扭性裂隙。區(qū)域內發(fā)育的導熱通道有斷層Fn1、斷層fn1、斷層Fn2，共同控制著該區(qū)域熱泉分布(圖2)。

3.3 熱源

熱泉的形成必須要有熱源，其來源主要包括火山巖漿噴發(fā)產(chǎn)生的巖漿余熱、地殼深處上地幔的傳導熱和巖石中放射性元素衰變生熱等[19]。對于火山巖漿噴發(fā)產(chǎn)生的巖漿余熱，該類熱源主要為新生代(65 Ma至今)、特別是第四紀(1.64 Ma至今)以來巖漿巖活動的余熱產(chǎn)生。根據(jù)對研究區(qū)現(xiàn)場調查結果，尼格地區(qū)分布的花崗巖屬燕山期花崗巖。燕山期構造期屬中生代，巖漿活動形成時間較早，出現(xiàn)巖漿活動余熱的可能性較小。尼格地區(qū)周邊深大斷裂，次級斷裂等構造發(fā)育強烈，其中深大斷裂直接連接著地殼深處，具有良好的深成地下環(huán)境，區(qū)域上地幔熱流以熱傳導的方式向上傳導將熱量傳遞給沿深大斷裂循環(huán)的大氣降水。在這個過程中由于H2S的富集會形成H2S氣囊(如在尼格隧道施工進程中，揭示出 H2S有毒氣囊)，地幔深處屬強還原環(huán)境，硫化物主要以H2S氣體的形式存在，在淺部氧化環(huán)境中H2S氣體會被轉化為更加穩(wěn)定的S和SO2，因此該處的H2S氣體來源于地殼深部。由此推測該區(qū)域地幔熱流通過熱傳導作用對熱泉進行供熱，伴隨著H2S氣體的富集，上地幔傳導熱為該區(qū)域的重要熱源。另外，地殼巖石中放射性元素衰變生熱也是區(qū)域熱泉的重要熱源，該區(qū)域花崗巖的平均生熱率為9.48 μW/m3[16]，高于全球中新代花崗巖放射性元素衰變平均生熱率3.09 μW/m3[20]，認為巖石放射性衰變生熱同樣是該區(qū)域熱泉的熱源之一。

綜上所述，該區(qū)域熱泉的熱源為上地幔熱流供熱與花崗巖中U、Th、K等放射性元素衰變生熱，二者相互疊加，形成復合型熱源。

3.4 成因機制分析

研究區(qū)內熱泉特征可概括為：①熱源來自上地幔傳導熱和花崗巖中放射性元素衰變生熱，二者相互疊加，形成復合型熱源；②熱泉出露點受構造控制，特別是張扭性與壓扭性斷裂的復合地帶；③具有良好的蓋層和導熱通道；④補給來源為大氣降水，熱儲溫度在98.68～125.71 ℃，循環(huán)深度在1 431.7～1 890.07 m，水循環(huán)至地殼淺表部發(fā)生冷熱水混合作用；⑤熱泉的水化學組分來自水巖作用，水化學類型為HCO3-Na·Ca型和HCO3-Na型；⑥熱泉的循環(huán)深度較淺，且熱儲溫度不高，為中-低溫地熱系統(tǒng)。

對于該系統(tǒng)而言，大氣降水在花崗巖地區(qū)沿深大斷裂向地殼深部做深循環(huán)，與花崗巖巖體發(fā)生水巖作用獲得其主要離子組分，形成HCO3-Na型水，繼續(xù)循著斷裂帶補給碳酸巖地區(qū)，獲得其主要Ca2+組分，形成HCO3-Na·Ca型水。在這個過程中，上地幔的深部熱流沿著Fn1、Fn2深大斷裂帶向上傳導，伴隨著燕山期花崗巖中U、Th、K等放射性元素衰變產(chǎn)生的衰變熱不斷疊加，補給的大氣降水被加熱形成熱泉。綜上所述，該地區(qū)熱泉的成因可概括為：熱源為上地幔熱流供熱與花崗巖中U、Th、K等放射性元素衰變生熱一起構成的復合型熱源，具備良好的蓋層和導熱通道，主要接受大氣降水補給，沿深大斷裂進入地殼內部，受上地幔傳導熱加熱，同時受花崗巖中U、Th、K等放射性元素衰變加熱，在水循環(huán)過程中與周邊巖石發(fā)生水巖作用，得到其主要離子組分，水循環(huán)至張扭性和壓扭性斷裂復合地帶附近，沿斷層破碎帶上升，在地殼淺表部與淺表地下水發(fā)生水熱混合作用，最終在碳酸巖地區(qū)或沿斷裂帶出露于地表(圖6)。

圖6 熱泉成因模式示意圖Fig.6 Schematic diagram showing the genesis of hot springs

4 結論

尼格地區(qū)熱泉的成因模式屬斷裂構造型。通過對該地區(qū)區(qū)域水文地質條件、熱泉水化學特征以及地下熱儲特征等進行研究，得出以下結論。

(1)熱泉的水化學類型為HCO3-Na·Ca型地下水和HCO3-Na型地下水。其補給來源為大氣降水補給，補給高程約1 853.77～2 004.33 m，熱儲溫度大致在98.68～125.71 ℃，循環(huán)深度為1 431.7～1 890.07 m，丫沙底溫泉、尼格溫泉和老虎灘溫泉混合比例分別為35%、43%和80%。

(3)尼格地區(qū)熱泉成因模式受斷裂構造控制，大氣降水沿著斷裂帶向深大斷裂匯集，經(jīng)深部循環(huán)，被上地幔傳導熱和燕山期花崗巖[γ53(a)]中放射性元素衰變生熱一起構成的復合型熱源加熱，與深部圍巖發(fā)生反應后，沿斷裂帶上升，在地殼淺表部與淺表地下水發(fā)生水熱混合作用，沿斷裂帶出露于地表。