贵州息牟温泉成因研究

贵州息牟温泉成因研究

林峰温泉位于贵州省贵阳市北部，位于芦峰县东北40公里的天台脚下。这是中国著名的优质“含硅酸和钙的重碳酸”喷泉。它是中国著名的八个温泉之一。富含微量元素的温泉水对慢性风湿性关节炎、外伤后遗症及原发性高血压等多种疾病具有良好疗效。息烽温泉具有悠久的历史,据《大清一统志》记载,早在清朝当地农民挖坑为池,露天沐浴等,迄今为止,已有一百多年的历史。息烽温泉的水文地质调查工作始于20世纪40年代,1942年地质学家乐森浔对息烽温泉进行踏勘,并对温泉成因做了初步探讨。1957-1988年,贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队、105地质大队、贵州大学、贵州工学院等多家单位分别对息烽温泉水化学特征、水文地质条件等进行了调查研究。1982年中国科学院地球化学研究所姚在永等对息烽温泉的环境地球化学进行了初步研究。笔者将在总结息烽温泉的地质、水文地球化学、同位素及地温场等特征,分析温泉热源、水源及导热通道等要素的基础上提出温泉的地质成因模式,这将对今后息烽温泉的资源利用及保护起到指导作用。1温泉的形成特征1.1水质、地貌息烽温泉地处黔中隆起东南部,山脉走势、河流流向与构造线方向近于一致。自喜山运动以来,随着贵州高原大幅度间歇隆升,区内地形受切割较为剧烈,多为侵蚀、溶蚀构造的中低山,海拔700~1300m,山体坡度30°~50°,温泉正出露于强烈切割的狭窄菱形谷地之中,是由三口泉眼组成的上升泉泉群,泉点平均出露标高694m。经过多年来长期观测,泉水温度介于53~56℃间,总水量12.85~13.08L/s,多年观测显示其水温、水量变化均较小。1.2洋水短轴背斜研究区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区,属新华夏系构造体系。区域构造线方向以北北东向、北东向为主,由西向东主要分布朝阳断层、石头田断层及沙坝断层等挽近期活动断裂,发育的主要褶皱为洋水短轴背斜。洋水短轴背斜为一构造形迹较为完整的圆弧状中常斜歪褶皱,轴面微倾南东,核部出露前震旦系上统板溪群变质岩、震旦系南沱组冰碛砾岩及震旦系灯影组白云岩。息烽温泉出露于洋水背斜北倾伏端震旦系下统南沱组冰碛砾岩中,受断裂切割,前震旦纪及早震旦统地层抬升,形成一平面呈三角形的地垒,整个地区受到强烈挤压,裂隙发育(图1)。研究区地层属扬子地层区黔中分区的开阳小区,主要由下古生界-元古宇组成,出露前震旦系板溪群变质岩及震旦系白云岩、寒武系砂岩、页岩、白云岩,其中,震旦系底部的陡山沱组生物化学沉积磷块岩是区内磷矿的主要开采层。周边地层主要为中生界-二叠系、三叠系碳酸盐岩夹碎屑岩。1.3云岩岩石学特征洋水背斜南段及两翼出露的上震旦统灯影组是区内主要的热储含水层,厚度240~350m,岩性以颗粒白云岩、藻屑白云岩为主,其构造裂隙及古岩溶较发育,具有较好的透水性和储水性;灯影组上覆的下寒武统金顶山组、明心寺组及牛蹄塘组是主要的热储盖层,岩性为砂岩、页岩及碳质页岩,累计厚度大于500m,具有很好的隔水、保温作用。贯穿洋水背斜的北北东向朝阳断裂、沙坝断裂和石头田断裂发育深度大,且具有挽近期活动断裂的性质,是研究区内导通地热流体的主要通道。2热流场分布特性研究区远离板块边缘,无年轻岩浆体分布,属板内地热系统,息峰温泉区域地温梯度2.5~3.0℃/hm(图2),热流值50~60mW/m2,属于低地温梯度背景区。据地温测量等值线分析,温泉地热场受断裂构造控制,形成以温泉泉群为中心,南北向、北东向扩展的近椭圆形地热物。温泉泉群处温度最高,向四周则温度渐降。等温线圈定的地热富集带长约130m,宽40~60m,面积约6500m2。3温泉水成岩地质特征对息烽温泉1988-2011年多次采集的水样进行了物理、化学、放射性、生物指标等内容的水质分析,共检测72项指标,检测均由国土资源部贵阳矿产资源监督检测中心完成。多年监测水质分析结果(表1)显示,温泉水质变化较小,为无色、无味、无嗅、透明;pH值为6.6~7.3,属中性水;总硬度为220.54~223.21,属硬水,矿化度为316.66~388.00mg/L,属低矿化度水;水化学类型属于HCO3·SO4-Ca·Mg型;温泉水中含30余种微量元素,其中锶、硒、锌、氟、铁、锰、铬、钒等14种矿物元素是人体所必需的矿物元素;含氡(151.39Bq/L)、偏硅酸44.20~60.896mg/L、氟1.30~1.93mg/L,三者均已达到医疗价值浓度指标,根据中华人民共和国国家标准《地热资源地质勘查规范》(GB/T11615-2010),氡、偏硅酸含量达到命名矿水浓度指标,可命名为氡水、硅水。此外,由于温泉地热水含氟化物(1.30~1.93mg/L)超标,所以不宜作为饮用天然矿泉水。地下水的矿化度是表征水化学特征的重要参数,也是反映地下水径流条件的重要指标,息烽温泉水的低矿化度说明地热水循环和径流状态良好。在水-岩反应过程中,Mg2+的离解量与温度直接相关,低温度下溶解度升高,随着温度的增加其溶解度将逐渐降低,息烽温泉ρ(Mg2+)低于当地浅层地下水质量浓度(41.03mg/L),表明地热水所处的热储层温度较稳定,但水-岩交换未达到充分平衡状态。温泉水中Ca2+、HCO3-含量与震旦系灯影组白云岩中地下水的含量相当,推测其主要受该地层的碳酸盐矿物所控制。地热水中一定含量的氡对人体是有益的,姚在永等测定了息烽温泉氡的直接母体(放射性镭)后认为,温泉水的氡非水体中镭衰变而成,而是原积聚在深部岩石裂隙中的氡气在高压溶解的状态下,经地热水深循环后携带出地表而形成。4单烷基地球化学特征4.1气体同位素组成息烽温泉地热水样品于2013年7月上旬采集,后送至国土资源部岩溶地质资源环境监督检测中心进行检测,采用MAT253气体稳定同位素质谱仪测定氢、氧同位素的组成,检测结果为:δDV-SMOW=-59.7‰,δ18OV-SMOW=-8.82‰。4.2我国的大气降水线20世纪80年代,郑淑慧、Zhang和刘东升等通过研究定义了我国的大气降水线,即D和18O的关系。从息烽温泉地热水氚氧同位素关系图(图3)可看出,息烽温泉点氘氧同位素分布于大气降水线附近,这说明地热水主要来源于大气降水起源。4.3大气降水的同位素与年平均温度的关系温度是影响降水同位素组成的实质因素,Dansgaard、Yurtsever及王东升分别总结了大气降水的同位素和年平均温度的关系。根据相关公式估算出息烽温泉地热水补给区的地面平均温度(表2),结合区内大气降水入渗区的年平均温度,认为利用王东升总结的公式计算出的结果较为接近,为10.77℃。4.4息导水补给区高程的估算根据同位素高程效应原理,选取中国大气降水的高程效应公式进行温泉补给区高程计算:式中:hALT为高程。由上式估算出息烽温泉地热水的补给区高程约为1600m。根据同位素估算的补给区温度及高程,结合息烽温泉周边的气候、地势及水文地质等条件,推断补给区在息烽温泉南25km外的盐井冲-白马一带,该区域海拔1400~1600m,出露地层以上震旦统灯影组及中上寒武统娄山关群为主,其岩层构造裂隙及地表岩溶发育,降水入渗能力强。5热储存温度和循环深度5.1温度计算讨论利用地热温标方法可以估算地热水的热储温度。常用的地热温标有二氧化硅温标、阳离子温标和同位素温标等。对温泉的热储温度进行估算前,需先对地热水的水-岩平衡状态进行判断。通过Na-K-Mg三角图的分析可知(图4),息烽温泉地热水处于未成熟水区域,因此不适宜用阳离子温标进行估算。二氧化硅矿物的溶解度在溶液的蒸汽压下是温度的函数,而且压力和矿化度的改变对300℃以下的石英和非晶质硅的溶解度影响小。这样,在温泉水中SiO2的浓度可作为化学地热温标。根据息烽温泉水温及有浅表地下水混合等特点,选用Fournier等于1982年提出的公式进行热储温度估算,该式适用于温度区间20~330℃,且可计算无蒸汽分离或混合作用情况下硅温标温度值:由上式估算出息烽温泉地热水热储温度约为99℃。考虑到可能有浅表地下水的混合,温泉水的热储温度还会更高,因此地热水温度应大于100℃。5.2升温梯度地热水循环深度计算公式为:式中:恒温点温度为16.2℃;地温梯度为3.0℃/hm;恒温点深度为30m。由上式估算出息烽温泉地热水循环深度约为3000m。6围岩热量收集息烽温泉出露于扬子准地台黔北台隆的元古界震旦系地层中,远离板块边缘,温泉之下的地壳浅部不存在年轻岩浆岩体等特殊热源。地热水是在正常的区域地温梯度背景下,由25km外的盐井冲-白马洞一带的大气降水入渗,经北北东向沙坝、石头田等挽近期活动断裂的深循环,将洋水背斜3000m深度内的围岩热量收集起来,并在上覆寒武系碎屑岩隔水、保温盖层的作用下,于震旦系灯影组白云岩中形成深部热储。在洋水背斜北倾伏端,前震旦系变质岩、震旦系南沱组碎屑岩地层的抬升,使得由南向北运移的深部地热水受阻而排泄,从而形成了以“息烽温泉”为中心的低温地热资源(图5)。7开阳磷矿开采对温泉水的危害程度计算息烽温泉是在正常地温梯度背景下,大气降水通过深循环吸收洋水背斜3000m深度内的围岩热量而形成,热储温度达100℃以上。在洋水背斜北倾伏端,地热水受断裂控制抬升的前震旦系变质岩、震旦系南沱组碎屑岩阻隔而排出,因浅表地下水的混合而形成低温温泉。灯影组下覆的陡山沱组是贵州开阳磷矿生产的主要开采层,且开采区多位于洋水背斜北段至北倾伏端,这些区域多为息烽温泉地热水的下径流区和近排泄区。近年来,随着磷矿开采强度和深度的增加,息烽温泉的水文地质环境正面临着遭受严重破坏的危险,