青海贵德县扎仓温泉成因分析

青海贵德县扎仓温泉成因分析

0扎仓温水生态地质调查工作简述青藏高原有许多高温温气候的地方。由于许多温泉都很偏远，这些宝贵的资源是未知的，或者很少有人到达。许多低使用的温泉使用非常低。在这方面,扎仓温泉则具有得天独厚的优势,它地处青海省东部人口稠密区,位于贵德县城西南方向河西镇扎仓寺村,距县城直线距离约10km。据史书记载,唐朝金城公主进藏途中就曾在扎仓温泉洗尘。明洪武十三年(1381年)就有人在此定居,用温泉洗浴,以治疗疾病。扎仓温泉被称为“佛泉神水”,至今已有600多年历史,比号称“天下第一汤”的云南安宁温泉的开发利用还早100年。贵德地区地质调查工作始于20世纪50—60年代,水文地质工作开展时间更晚。1977—1979年青海省第二水文地质队开展了贵德地区地下热水初步勘察工作。1982年地质矿产部青海省906大队完成了新街幅(1∶200000)区域水文地质普查报告。2005年周小波等探讨了贵德县扎仓地热田成因,建立了热储概念模型,认为热矿水可能由黄河上游支流茫拉河补给。2008年郭万成等对扎仓地热成井工艺和地热的合理开发利用提出了一些看法。本文分析了扎仓温泉的出露条件和水化学特征,通过对地下热水进行Ra、Rn放射性同位素测试和分析,探讨与热水形成有关的起源、循环深度和年龄等问题,估算地热资源量,并提出开发利用建议。1出露温泉1.1周边地表环境研究区位于塔里木—中朝板块的南部边缘,地处松潘—甘孜印支期褶皱系的青海南山冒地槽带。扎仓温泉出露于基岩山区前缘沟谷地带,沟谷两侧为不对称阶地,由第四系中更新统(Qgl2)冰碛泥质漂砾层组成。西南出露有燕山期花岗闪长岩(γδ25)和中三叠统(T2)砂板岩,大部地区被新近系(N)碎屑岩所覆盖,其岩性主要为桔红色、桔黄色粉砂岩、泥岩夹泥灰岩(图1)。周边主要地层还有中三叠统(T2),岩性主要为砂岩、砾岩,夹有泥岩、灰岩、千枚岩与板岩。花岗闪长岩(γδ25)裂隙及构造破碎带为含水层。中三叠统(T2)泥岩、板岩和新近系(N)粉砂岩、泥岩构成隔温盖层。断裂破碎带构成热储构造。扎仓地区受河西系构造体系控制,地热田位于断裂交汇部位(图1)。断裂主要有2组:一组为北西、北北西向压扭性逆断层,称为热光断裂;另一组为北东向张扭性正断层,称为扎仓断裂。沿扎仓断裂带,地表可见落水洞状漏斗,可见其透水较好,为导水断裂。压扭性热光断裂为隔水构造,地下水沿扎仓断裂径流遇其受阻,形成上升泉。1.2喷泉的散发,浓度“动”气扎仓沟又称热水沟、温泉沟、暖泉沟,扎仓温泉沿其沟谷呈线状分布(图1)。泉水汩汩涌出,稍有喷溅。伴随气体和蒸汽的逸出,部分泉眼发出“咕咚”、“咕咚”的响声。在长约100m的沟谷中有泉眼近30处,单泉流量为0.1～0.29L/s,水温为32～93.5℃,温泉总流量为8.0～15.0L/s。2温泉的形成和发展2.1治疗温泉水质量指标扎仓温泉水无色、透明,微有H2S气味,水化学类型属于SO4·Cl-Na型。热水中含有多种对人体有益的微量组分,如偏硅酸、偏硼酸、氟、锶、锂、镭等。早在1979年就有研究者采集温泉水样进行水化学测试,作者于2005年9月1日采集水样进行了详细测试。为了便于对比,现将温泉不同时期的水化学分析结果列于表1。可以看出,温泉水矿化度(TDS)为1310～1390mg/L,阳离子以Na+为主,阴离子以SO2−4、Cl-为主,pH值8.49～8.90,为弱碱性水,总硬度为149mg/L,属于软水。此外,温泉水中F-质量浓度高,达9mg/L以上,H2SiO3、Li+和Sr2+等也有较高的质量浓度。按照国家相关标准,扎仓温泉水中,仅F-1项指标超出饮用矿泉水标准限定值;H2SiO3、Li+和Sr2+共3项指标符合饮用矿泉水标准;F-、Li+共2项指标满足医疗矿水标准。有关资料显示,尽管F-超标,但当地老百姓饮用此水,并未发现有明显地方病症状。相反,温泉水的医疗功效非常明显,对皮肤病、关节炎、骨炎等有显著疗效。将温泉1979年测试的水化学成分与2005年相比较,发现水化学演变呈现以下特点:(1)阳离子变化显著,特别是Mg2+含量显著变小,Na+、K+含量也有一定程度下降;(2)阴离子除I-、HCO−3有所减少以外,其他阴离子变化幅度较小;(3)其他化学成分及TDS、pH值变化很小。2.2酶流量1978年前后,青海省地质局第二水文地质工程地质队统计了部分泉眼的流量与水温,扎仓温泉单泉流量0.1～0.29L/s(表2)。根据多年资料,温泉总流量8.0～15.0L/s。沟内地热井施工完成以后,井口热水的温度达93℃,孔口自流量为5.366L/s,同时沟底温泉涌水量减小。2.3扎仓热矿泉出露扎仓温泉泉眼众多,温度不一,高温的处于沸腾状态,低的可直接洗浴。当地居民因地制宜利用热水,高温沸泉用来加工食品,如煮鸡蛋,较低温度的泉水则用来洗浴。根据前人资料,扎仓温泉最高温93.5℃,最低32℃。扎仓热矿泉出露标高为2500m左右,当地气压一般不高于78kPa,与其相对应水的沸点为93℃。所以泉水最高温度不能完全代表地热流体温度。即使在没有泉眼出露的地方,扎仓温泉泉区范围内地表温度也达30～40℃。2.4扎仓温泉水的地球化学—补给来源、循环深度与年龄贵德县位于青海省东部,属半干旱高原大陆性气候,年平均气温7.1℃,年降水量251～559mm,年蒸发量最高达2000mm。一般来说,大气降水入渗经深循环被加热后上升至地表而形成温泉,热水温度主要靠地热增温来获得。张性的扎仓断裂既是热储带,也是热水通道,有助于深部热源向上传递。压性的热光断裂以及新近系隔水岩层共同形成阻水构造和盖层。地下热水沿扎仓断裂径流,受阻水构造作用,其径流受阻,在断裂交汇处同时也是地形较低的河谷中溢出,从而形成温泉。根据原地质矿产部青海省906大队和青海省地质局第二水文地质工程地质队相关的勘探资料,花岗岩破碎带内勘探孔孔深100.18m,热水温度93℃,孔口自流量为5.366L/s,当孔自流后,沟内温泉流量明显减少。在温泉下游300m处施工的勘探孔,所揭露地层为第四系砂砾石以及新近系土黄色、粉红色砂岩、泥岩和砂砾岩,当降深为5.16m时,涌水量仅为0.068L/s,水温57℃。这些现象表明,碎屑岩的富水性、导热性远小于花岗岩破碎带。高温温泉直接来自断裂破碎带,而低温温泉一方面来自高温热水与河谷浅层地下水的混合作用,另一方面可能由浅层地下水直接被下部热储带加热形成。在水的化学成分中,各种组分间的质量浓度比例系数常常被用来判断地下水的成因。扎仓温泉水的r(Na+)/r(Cl-)比值为1.37～1.85,大于1,表明温泉水来源于大气降水。扎仓温泉水r(Cl-)/r(Br-)比值大于300,表明其为流经贫溴岩石的溶滤水。贵德县城西部西山由南向北倾斜,全长约30km,主峰海拔4007m。山区水源充沛,是南部黄河支流暖泉河的发源地。扎仓温泉地处暖泉河流域,其上游为堆石碛、清土沟河,均为季节性河流(图1)。贵德境内降水量的地区差异性大,山区高于河谷,东部高于西部。黄河河谷地区年平均降水量为250mm,高山区可达500mm以上,降水随海拔的增升梯度在1.0×10-4～1.4×10-4之间。蒸发量随地形的抬升而减少。黄河河谷地区年平均蒸发量1862～2382mm,高山区小于1000mm,蒸发量随海拔增升的递减梯度在1.5×10-4～1.8×10-4之间。显而易见,相对而言,高山区的降水更容易有效地补给地下水。综合以上资料,可以判断扎仓温泉主要补给区为西南方向高山区,热田的概念模型如图2所示。高山区大气降水入渗补给地下水,经深循环被加热。地下热水沿花岗岩裂隙径流,在扎仓断裂带汇聚,受阻水构造作用径流受阻溢出,从而形成扎仓温泉。热储温度可以采用地球化学温标进行推算,地球化学温标是建立在某种反应产物的平衡和反映温度相关这一基础上的。本文采用SiO2温标法计算热储温度。在水与不同类型的SiO2达到溶解平衡且无蒸汽损失的情况下,采用以下公式计算热储温度:t=13095.19−lgc−273.15(1)式中:t为热储基础温度,℃;c为SiO2质量浓度。温泉的H2SiO3质量浓度为129mg/L,换算成SiO2质量浓度为99.26mg/L。利用式(1)计算出热储温度为136℃。温泉水的循环深度可以根据下式估算:Z=G(TZ-T0)+Z0(2)式中:G为地热增温级,取10.52m/℃;TZ为基底温度,取136℃;T0为补给区年平均气温,为7.1℃;Z0为多年常温带深度,取20m。由式(2)计算得出扎仓温泉的循环深度为1385m。估算温泉水年龄的方法之一是依据水中226Ra、222Rn含量。1969年前苏联学者Cherdyntse提出了利用226Ra、222Rn含量来计算地下热水年龄的公式:式中:t为水的年龄,a;λ为226Ra的衰减常数,1/a;NRa为226Ra含量,Bq/L;NRn为222Rn含量,Bq/L。温泉水中的Ra、Rn含量分析结果见表1。利用式(3)计算得到温泉水的年龄约为165a。3热资源3.1民宿放热量的确定温泉的天然放热量采用以下公式计算:Qw=365Qρwcw(tw-t0)(4)式中:Qw为温泉的天然放热量,J/a;Q为温泉总流量,m3/d;ρw为水的密度,kg/m3;cw为水的比热容,J/(kg·℃);tw为热水温度,℃;t0为基准温度,℃。将有关参数和数据代入式(4)中,可以计算出扎仓温泉的天然放热量,计算结果见表3。3.2储层可采量的确定地热资源量可以采用以下热储法公式计算:QR=cAd(tr-tj)(5)式中:QR为地热资源量,J;A为热储面积,m2;d为热储厚度,m;tr为热储温度,℃;tj为基准温度,℃;c为热储岩石和水的热容量,J/(m3·℃),由式(6)确定:c=ρccc(1-φ)+ρwcwφ(6)式中:ρc为岩石密度,kg/m3;cc为岩石比热容,J/(kg·℃);ρw为水的密度,kg/m3;cw为水的比热容,J/(kg·℃);φ为岩石的孔隙度。地热资源可采量的计算,即现有经济技术条件下可采出的地热资源量,等于地热资源量(QR)乘以热储层的热能采收率:Qwh=QRRE(7)式中:Qwh为可利用地热资源量,J;QR为地热能资源量,J;RE为采收率,%。利用公式(5)、(6)、(7)初步计算出扎仓温泉附近的地热资源量,计算结果见表4。4日本地区地热资源的开发和配置研究区的温泉属于中低温地热资源(个别泉眼接近高温),适合于地热能的综合开发和梯级利用。由温泉放热量和地热资源量的计算结果可以看出,扎仓地区的地热资源是比较丰富的。要充分合理利用地热资源,需要有一个合理的规划与配置。考虑到当地的社会经济发展水平,结合地热田地热地质条件,提出以下开发利用建议。4.1明确治疗药物的范围、疗效和程序扎仓温泉被藏族同胞称为“德什吉曲库”(意为平安吉祥的泉水),视为神泉。扎仓温泉含丰富的矿物质和微量元素以及微量放射性,H2SiO3、F、Li和Sr共4项指标符合医疗矿水标准。据调查,此温泉对于风湿、神经疾患、消化系统疾病、皮肤病有一定疗效。数百年来,州内、省内以及川、新、内蒙、宁、甘、陕、藏等周边省区的人们慕名而来治病健身。建议当地对温泉疗养效果开展深入调查和研究,明确治疗疾患的种类、疗效和疗程,以便为病患提供科学的指导,最终形成以医疗保健为特色的温泉疗养产业。旅游业作为一种绿色产业备受推崇,洗浴、游泳是旅游业的重要配套产业。一方面,热水可以直接掺冷水至合适温度供人们洗浴、游泳,另一方面,高温热水用于工业烘干、供暖后,其尾水水量大,温度也较高,可以考虑将地热尾水用于洗浴、游泳等项目,将有效地提高地热利用率和降低成本。4.2经济、社会优势地热供暖与燃烧煤炭等采暖方式相比,在环保、经济方面都具有很大优势。建议采用热泵供暖技术,可以反复抽取热源中的热量,使排水温度进一步降低,能大幅度提高地热的利用率。4.3水食加工项目贵德冬季漫长干燥,极端最低气温-23.8℃,作物生长期也仅223d。每年冬季,贵德生鲜蔬菜极为匮乏,完全依赖外部供给。利用热水进行温室种植、养殖,包括蔬菜、花卉种植和水产养殖、禽畜饲养等。一方面可以提供菜、鱼、禽、蛋等产品,另一方面可以建立观赏、旅游区,开展垂钓、采摘、观光等休闲旅游项目。农副业以温泉种植和养殖为代表,休闲娱乐业以温泉疗养、洗浴为龙头的,二者可以有机结合,形成良性互动,共同促进贵德地区旅游业的发展。4.4其他药材加工贵德盛产瓜果,是有名的“高原瓜果之乡”,还盛产大黄、柴胡、雪莲、甘草、冬虫夏草、野枸杞等中药材,其他还有发菜、柳花菜、蕨麻等“高原山珍”。可以利用地下热水中的高热能,经过热交换器产生热风,对不同的农副产品进行脱水,达到产品的深加工目的。同时,贵德也是一个牧业县,高温热水可以用来加工动物皮毛,提高牧业产品附加值。4.5控制好饮用水中f-超标情况扎仓温泉中仅F-1项指标超出饮用矿泉水标准限定值;H2SiO3、Li+和Sr2+等指标符合饮用矿泉水标准。可以考虑采用选择性离子交换、过滤等技术,降低F-浓度,使其符合相关标准,以便能够生产矿泉水。作者现场访问及有关资料显示,尽管F-超标,但当地老百姓饮用此水,并未发现有明显地方病症状。这是一个值得探讨的问题,建议开展有关研究工作。4.6“热干岩”发电扎仓温泉温度接近当地沸点,但是地热异常区地温梯度值很高,为9.5℃/hm。经过计算,地表以下2000m、4000m、6000m的热储温度分别为195℃、385℃、575℃,完全满足“热干岩过程法”发电的温度要求。即便不用来发电,采用“热干岩”方式提取深部热能,也能极大地提高扎仓温泉的开发价值。一般而言,与石油、煤炭等能源一样,地热能也是不可再生能源。温泉的补给资源和存储资源是有限的,通常其天然补给量等于温泉