四川稻城县地热资源分布及其温泉水同位素地球化学特征

四川稻城县地热资源分布及其温泉水同位素地球化学特征

水稻城县位于四川省西部，青藏高原东南端，横断山脉以东。地处北纬27°58′～29°42′,东经99°58′～100°38′,平均海拔3500m以上,海拔4500m以上的山峰可见终年积雪和现代冰川。境内生态旅游资源丰富,著名的国家级亚丁自然保护区是我国西部一个重要的生态旅游区,素有“最后的香格里拉”之称。县内丰富的地热资源,是其旅游业的重要组成部分之一。对该区地热资源进行调查评价与开发可行性研究,对旅游资源的合理开发及利用与发展经济具有重要的指导意义。1水稻城市热资源的分布特征1.1陆碰撞造山型地带稻城县地热系统位于全球性的地中海-喜马拉雅地热带的东支,即喜马拉雅地热带。喜马拉雅地热带位于印度板块和欧亚板块碰撞部位,属陆—陆碰撞造山型地热带。因印度板块迅速北移和欧亚板块由北向南阻抗,在这一双向挤压所形成的强大应力场的持续作用下,该地带构造、岩浆活动强烈,区域背景热流值变动于80～100mW/m2,最高可达364mW/m2(沈显杰等,1991)。这种高热背景一方面促使地表出现强烈的高温热显示如间歇喷泉、喷气孔、冒气地面、水热爆炸等,另一方面造成大量岩浆和火山活动,成为地表热显示的深部附加热源。1.2地层及热储区稻城县位属三江地槽褶皱系、玉树-义敦优地槽褶皱带,处于甘孜-理塘蛇绿杂岩次生扩张带与义敦古火山岛弧带接合部位的中南段。主要构造线呈北北西、北西方向展布,且以强烈的压性、压扭性为主,被后期规模较小的张性或张扭性断裂切割,形成一些规模较大的压性、压扭性断裂和狭长状褶皱。该断裂带自晚三叠世以来,岩浆活动强烈、地震频繁,沿断裂带和构造弧形张裂隙发育处有大量热水溢出,构成甘孜、理塘、稻城近南北向展布的热水束。该区主要由中生界地层组成,广泛出露三叠系砂岩、板岩和印支期、燕山期岩浆岩。多期地质构造运动强烈,各种构造体系相互干扰,相互穿插、复合,形成一系列以北东、北西向为主的褶皱和断裂。印支期、燕山期岩浆岩活动明显,岩浆岩分布广泛,侵入岩与喷出岩均有出露。区内地热水储层由震旦系、寒武系、奥陶系、泥盆系、二叠系中的碳酸盐岩组成。碳酸盐岩岩性易碎裂、易发生岩溶作用,形成溶洞、裂隙等地下水运移通道。热储盖层由三叠系领麦沟组、曲噶寺组、图姆沟组、喇嘛垭组砂板岩组成,保温防热扩散作用良好,并阻隔浅层地表水向下运移。热储构造主要有矿物岩石地球化学通报135北东走向的东朗断裂带、北西走向的赤土断裂、当卓断裂及北北西走向的解放乡断裂和各瓦断裂等。这些断裂均为深大断裂,特别是在断裂交汇地带构造发育,岩石破碎,沿深部的断裂面与热储岩层形成溶洞与裂隙,构成地下热水的热储空间和径流通道。而印支期以来该区强烈的岩浆活动则为地热的出露提供了深部热源。大气降水沿断裂带入渗地下,经深循环加温加热后,在构造发育地带上升出露地表形成温泉。1.3岩石及其周围构造环境本区地热资源分属三种成因类型:近期火山和岩浆活动型、褶皱山区断裂构造型与深埋盆地型。稻城县地热资源可能属于前两种。目前发现的温泉多出露于岩浆体接触带,并与深大断裂有关,温度较低,为中低温地热水。区内的地热出露受断层、断裂的控制,呈成带分布,主要出露于断裂构造的接合部位,且无一例外地分布于花岗岩体边缘或周围,揭示其成因与岩体的侵入密切相关。以温泉出露者有20余处,大多分布在金珠镇、赤土乡、日瓦乡等地。(1)瓦关于水/岩相互作用小的地下水气水岩石学特性茹布温泉处于解放乡断裂的贡巴纳二长花岗岩裂隙带上,泉水溢出于岩体的节理中。泉口水温高达69℃,流量达25L/s,pH值9.6,属碱性泉。泉水的矿化度很低,热储温度为73.8℃,表明其地下水径流速度很快,水/岩相互作用小。各瓦温泉位于北东走向的当卓断裂带,泉水从三叠系灰黑色粉砂质板岩中溢出。出口处水温略低(49℃),流量0.6L/s,pH值6.6,属中性泉。矿化度略高于茹布温泉,热储温度为106.9℃。热水在上涌过程中,有浅层地下水混入。(2)水池的矿化度出露于民主乡断层附近。东朗温泉主泉口处水温31℃,热储温度为73.6℃,流量0.8L/s,pH值7.6,泉水的矿化度相对较高;Na+/K+值为所有样品中最高,表明热水受浅层地下水混入。当让温泉泉口水温为60℃,流量0.3L/s,pH值6.8。(3)仲堆民宿日东民宿勇查卡温泉在北西向的赤土断裂带以泉群的形式出露于花岗岩中,属基岩裂隙水。泉水无色透明,有H2S气味,泉口有白色硫单质沉淀。水温49℃,热储温度73.8℃,流量0.8L/s,pH值9.5。矿化度很低,地下水径流速度很快,水/岩相互作用小。仲堆温泉出露于碧拥断层与贡岭断裂带的交错处。日东温泉位于日瓦乡日东村。两泉位于山的同一山坡。泉水从第四系钙华中溢出,无色无味,有少量气泡。仲堆温泉出口处水温41℃,热储温度127.8℃,流量0.3L/s,pH值6.8。日东温泉出口处水温45℃,热储温度119.4℃,流量0.08L/s,pH值为6.7。两泉矿化度为全区最高,Na+/K+值相对较低,说明温泉地下水滞留时间长,水/岩作用充分,受浅层地下水的混入较少。茶花温泉位于北东向的尼隆断裂带上,泉口部分被第四系残坡积物覆盖。泉水无色透明,略有H2S气味。泉口水温30℃,热储温度66.3℃,流量1.6L/s,pH值9.4,泉水矿化度很低,地下水径流速度快,水/岩作用小。(4)回用型水三泉出露于北西向的恰斯断裂带上。泉口水温38℃,流量2L/s,pH值近中性。根据以上温泉特征及水化学分析结果(表1),可以将本区温泉分为三类:1)茹布温泉、勇查卡温泉、茶花温泉三泉皆为pH大于9的碱性泉,矿化度很低,甚至低于一般地下水,离子类型及含量都相差不大,泉水属氯化物-重碳酸型水。三泉皆从花岗岩裂隙中出露。其中,茹布温泉、勇查卡温泉的水温较高,流量较大,补给源稳定,具有很大的开发潜力。2)各瓦温泉、东朗温泉、当让温泉、仲堆温泉、日东温泉五泉皆属pH值为7左右的中性泉,属重碳酸型水,阳离子以Na+为主,阴离子以HCO-3为主,矿化度相对第一类偏高。其中,仲堆、日东两泉水化学性质上有很大的共通性,且位于同一山坡,说明两泉的补给源相同。3)恰斯温泉的水化学特征和其他温泉有很大不同,说明其补给源和循环系统也有别于其他温泉。该泉属于硫酸盐型低矿泉,且具被蒸汽加热的特征。因其流量大且稳定,具有较好的开发前景。2各温泉的单烷基地球化学特征2.1地表与水文样现场采样分夏、冬两季进行(所采水样为温泉水的天然露头),为与其他水体进行比较研究,同时还采取了地表水样与河水样(图1)。样品制备:氢用金属铀法,氧用CO2平衡法;用MAT251同位素质谱计测定氢、氧同位素组成(同位素标准相对于SMOW测定精度:δD±0.1%,δ18O±0.001%)。结果如表2所示。2.2温泉水同位素组成稻城各水体的同位素组成(表2)可归纳为如下几点。氢、氧同位素组成:1)大部分温泉的δD、δ18O值低于同一地点的地表水或河水;2)同位素季节性变化明显,夏季温泉水的δD、δ18O值低于冬季温泉水,与大气降水相比,表现出明显的反季节性效应。这种季节性差异比较大的温泉有茹布温泉、各瓦温泉、日东温泉。日东温泉的季节性差异为全区最大;3)当让温泉、仲堆温泉、茶花温泉、恰斯温泉的δD、δ18O值略高于茹布温泉、东朗温泉、各瓦温泉、勇查卡温泉与日东温泉。其中,δD、δ18O值最高的为恰斯温泉,最低则为夏季的日东温泉水。T(氚)同位素:温泉水的T值相对于地表水季节性差异非常大,有的甚至达数倍之多。如东朗温泉夏季T值为5TU,冬季则高达37.4TU。为了更直观地说明稻城温泉水同位素组成的特点及规律,将夏、冬两季温泉水、地表水的同位素组成标注在δD-δ18O图上(图2):各水体的同位素组成主要呈现两个端员,温泉水的同位素组成为一端员,主要落在全球大气降水线的左上方,富轻同位素;地表水、河水的同位素组成则为另一端员,主要落在全球大气降水线的右下方,沿蒸发线的方向展布,同位素组成富重,表明地表水曾经历过较强烈的蒸发。作者认为,该区温泉水的δD、δ18O值低于地表水或河水,有以下原因:第一,地下水深循环作用的影响,但这不是主要原因。因为如果仅仅是地下水深循环作用,则同位素季节性效应应该被平滑掉了(而该区温泉水的同位素季节性变化非常明显),也无法解释水体含氚及氚值夏季与冬季高达数倍的差异。第二,夏季高山雪融水沿地表径流直接混入或由断层、断裂渗入温泉水。这应该是夏季温泉水δD、δ18O值低的主要原因。稻城属于高原高山地区,断层、裂隙非常发育,温泉几乎都沿断层、断裂出露,且补给高程都在3500m以上。夏季温度高,高山积雪溶融量大,温泉受雪融水的直接或间接混入比例相对地下水的补给大,冬季则转由地下水的补给为主。所以,表现在季节性差异上,夏季温泉水δD、δ18O值明显富轻,冬季明显富重。氚值的变化更是如此,冬季甚至是夏季的数倍。2.3各流量源水体的共同特征及补充、直径和排放关系的分析(1)地下水水夏季、夏季分布特征二者的补给高度均在4200m以上,δD、δ18O季节性差异明显且夏季相对富轻同位素组成,呈现与大气降水同位素季节效应相反的特征。说明两温泉泉水夏季受δD、δ18O值138高志友等/四川稻城地热资源的分布特点及温泉水的同位素地球化学特征较低的常年积雪溶融水混入的影响比较多,冬季则主要由δD、δ18O值较高的浅层地下水补给。氚含量冬季大大高于夏季,甚至达数倍之多,进一步说明夏季主要由低氚的冰雪溶融水混入补给,而冬季随着地下水所占比例的升高,氚值也明显上升;温泉水的δD、δ18O值大大低于附近地表水,揭示两温泉与附近地表水无直接补给关系,而是来自于高度更高的水源。(2)露头水质水量和补给源高度这两个温泉的补给源高度均在3700～3900m左右,夏季的δD、δ18O、T值含量均十分接近,可能为补给源相同的同一含水层的不同露头。两温泉夏季氚含量仅为5TU,且补给源高度不高,表明夏季泉水以滞留时间较长的地下水补给为主,而不是来自于积雪溶融水。东朗温泉δD、δ18O值季节性差异不大,冬季相对富重,氚含量明显高于夏季,说明该温泉冬季主要由浅层地下水补给,可能还受当时降雪及氚渗漏效应的影响。当让温泉的δD、δ18O值季节性差异很大,冬季明显富重且氚含量高于夏季,说明冬季主要由近年的地表渗滤水补给。(3)、18o值季节性变化补给源高度在4400m以上,也是由δD与δ18O值偏低的常年冰雪溶融水补给。δD、δ18O值季节性变化小反映其补给源稳定,运移途径远,地下含水层库储量大,水混合均匀。氚的季节性变化显著,冬季氚值成倍升高(几乎是夏季的6倍)可能是受氚渗漏效应和表层雪溶融的影响。地表水同位素组成与温泉水基本吻合,说明它们可能由同一补给源补给。(4)样品含量和补给补给高度为3900m左右,夏季δD与δ18O值为所有样品中最低,主要由常年积雪溶融水补给。冬季温泉水的δD比附近的地表水还高,实属异常,还需进一步研究。(5)茶花温泉冬季因交通困难未能取样。从其夏季的同位素组成来看,与当地地表水相近,说明该温泉主要受当地大气降水补给。(6)温泉水补给区的季节和地表水、水文同位素组成夏季因河水上涨,泉口淹没未能采样。其冬季δD值为所有样品的最高值,主要是由于海拔较低,且冬季主要由近年的当地大气降水补入的地下水补给,氚含量较高也说明主要补给源并非老水。分析表明受青藏高原复杂地形的影响,研究区内温泉水的补给区海拔一般都在3500m以上,甚至来源于高山冰雪溶融水,因此出现大部分温泉夏季δD与δ18O值较低的现象。除勇查卡温泉外,各温泉水的季节性差异均比较明显,这是由于夏季受高山冰雪溶融水的补给比例相对较大,地下水的补给量较少。冬季地下水补给量相对增加,部分温泉转入以地下水的补给为主,如茹布温泉与日东温泉。大部分地表水、河水同位素组成高于同一地的温泉水,结合当地风大、紫外线辐射强、蒸发量大于降水量等因素,表明地表水经历过强烈的蒸发。氚值季节性差异明显,均为冬季高于夏季,甚至达数倍之多,进一步说明夏季温泉水以氚含量低的高山常年冰雪溶融水混入补给为主,冬季以氚含量较高的地下水补给为主。3地下水水资源分析稻城县地热水的径流和排泄受构造作用控制,断裂通过的地带地下径流强烈,特别是深大断裂发育处,地下水径流较深,是形成温泉的主要地带。该区温泉呈成带分布,主要出露于断裂、断层上的花岗岩体边缘,特别是深大断裂(北东走向的尼隆、碧拥断裂,北西走向的赤土断裂)或断裂交汇地带,温泉往往以群的形式出露。区内温泉水的补给区海拔一般都在3500m以上,甚至来源于高山冰雪溶融水,夏季温泉水以富轻同位素组成的高山雪溶融水补给为主,冬季以相对富重同位素组成的浅层地下水补给为主。研究表明,茹布地热区(茹布温泉)、贡岭地热区(勇查卡温泉、仲堆及日东温泉)、恰斯地热区(恰斯温泉)开发潜力较大,应为该区地热资源勘查开发评价的A级优势靶区。茹布温泉泉水温度高(69℃),流量大,矿化度低,热储温度