草科温泉的水文地球化学特征和成因分析

何 洋，李 晓，肖 尧，张子森

(成都理工大学 地灾防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都610059)

四川省的温泉资源丰富，全省已发现温泉(群)305处，在众多温泉中，水温80℃以上的高温温泉及沸泉12处，60℃～80℃的中高温泉 39处，40℃ ～60℃的中温温泉 137处，25℃ ～40℃的低温温泉117处[1]。四川的地下热水及地热能开发利用有广阔前景，目前在全川范围内开发利用的温泉已有近百处。

分析草科温泉的水化学特征，计算温泉热储层温度和深度、补给高程和补给量，在分析了热源、水源和导热通道等基础要素的基础上提出了温泉的成因模式，对于温泉的继续开发，今后该地区的地热资源的合理开采及温泉的远景规划具有一定的指导意义。

1 自然地理环境

草科温泉位于石棉县草科藏族乡田湾河右岸摆罗山下，地理位置坐标 29°23＇37″N，102°06＇18″E，海拔高程 1 462 m，出露处比田湾河高处2 m左右。温泉以泉群形式出露，股状涌出，流量为80～100 L/s，温度为46.5℃。温泉地处贡嘎山南麓，气候温暖湿润，年平均气温仅 13.1℃，年降水量为1 186.8 mm。

2 水文地质条件

研究区在大地构造上处在欧亚板块的青藏亚板块与南华亚板块的接合部。以贯穿贡嘎山东麓的鲜水河断裂为界，东侧为康滇古陆的北段，由晋宁期斜长花岗岩与闪长岩所构成，西侧属松潘甘孜褶皱系，由上古生界和广布的三叠系所构成。[2]研究区的主要断裂系为北西 -南东向的鲜水河断裂带，该断裂带在康定附近折向南南东，在草科温泉附近为鲜水河断裂带南延部分—康定-磨西断裂，断裂向南经磨西、湾东、田湾，主体呈 NNW—SSE向延伸，断裂西盘为震旦系、泥盆系、二叠系地层，东盘为晋宁 -澄江期花岗岩和闪长岩。[3]研究区主要的褶皱是草科向斜和毛坪背斜，草科向斜位于磨西断裂以西，褶轴走向北10°西，核部为上二叠统，两翼为下二叠统，西翼与毛评背斜邻，东翼多被磨西断裂破坏而残缺不全。毛坪背斜位于草科向斜之西侧，核部最老地层为下二叠统下段，两翼分别为下二叠统中、上段。

图1 温泉区构造纲要图

研究区的地层岩性及分布较为复杂，主要岩性有二叠系上统(P2)灰岩与大理岩、二叠系下统(P11～3)和泥盆系中统上段(D1)的变质岩系，以及燕山期(γo52)花岗岩。温泉出露于二叠系上统(P2)地层，地层有岩性为厚层状的灰岩与大理岩，中间夹有石英云母片岩和千枚岩，其中灰岩层岩溶发育，以溶隙为主，二叠系的灰岩为研究区主要的含水层。研究区经历了多次构造运动，褶皱核部与断层带附件节理裂隙十分发育，大气降水入渗补给后，沿着构造裂隙或者溶隙向深部径流，成为了深层的地下水，在循环过程中，从深部的岩石中吸取热量升温，并最终在深层地层中形成了深部热储。

研究区发育的康定—磨西断层，主断带多由构造透镜体、千糜岩、糜棱岩、断层泥等组成，断裂两侧常见与之平行的次级小断裂并发育有数百米宽的挤压破碎带和糜棱岩带，草科温泉处在次级小断裂带上，温泉出露于草科向斜的西侧，毛坪背斜南侧的倾伏端，毛坪背斜的倾伏端由于褶皱的扭曲，形成了高倾角的剪切裂隙，裂隙成张性，为背斜核部深层地下水通向地表提供了通道。

3 水文地球化学特征

3.1 水化学特征

地下水水化学特征是岩土体中的矿物成分和地下水流之间相互作用的结果，它决定于地下水运动时接触的围岩成分、水文地质条件和氧化还原环境等。本次研究中，于2014年5月在草科温泉泉口取样，现场测定了 pH值为7.0，温度为46.5℃，电导率在503 μS/cm左右。水样送至四川省地质工程勘察院环境工程中心进行了全分析水质检测，水质分析结果见表1。

表1 草科温泉水质分析结果

温泉水无任何颜色，无悬浮物和胶粒，水质清澈透明;无沉淀和钙华，有轻微的硫化氢气味。温泉的矿化度661.9 mg/L，属于淡水，泉水阴离子主要成分的为 HCO3-，含量为256.3 mg/L;其次为 SO42-，含量为 188.8 mg/L。阳离子主要成分为 Ca2+，含量为 107.2 mg/L，其次为 Na+，含量为 53 mg/L。泉水水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型水。

草科温泉水中还含有 F、Sr、B等特殊组分和微量组分。偏硼酸含量为2.23 mg/L。草科温泉水中还含有 F、Sr、B等特殊组分和微量组分。依照DZ40-85《地热资源评价方法》中规定的医疗热矿水水质标准，偏硼酸有医疗价值的浓度是含量大于1.2 mg/L。草科温泉的偏硼酸含量为2.23 mg/L，有一定的医疗价值。水化学成分中，各种组分之间的含量比例系数可以用于研究地下水的成因，地下水化学成分来源、地下水化学类型的分类等问题。其中 Ca/Sr系数，γNa/γCl系数比例系数被用来确定地下水成因[4]。

碳酸盐沉积岩中的Sr不富集，溶虑此类岩石的地下水的Ca/Sr系数比较大，接近200;正海洋水的 Ca/Sr系数比较高，盐类浓缩沉淀后更高，与海水有关的沉积水的 Ca/Sr系数约为33，草科温泉的Ca/Sr系数为93，说明温泉水并不是海相沉积水，主要是由大气降水补给，说明地下水流经地层的岩性部分是碳酸盐岩层。

标准海水的 γNa/γCl系数平均值为0.85;如果水来自于含岩盐地层，γNa/γCl系数接近于1;海相沉积的地下水中的Na+与地层中的交换性钙离子产生阳离子交换，则Na+含量下降，γNa/γCl系数小于 0.85，草科温泉的 γNa/γCl系数为1.53，大于1，说明温泉水在地下曾发生过强烈的水岩反应，由于过热水的溶滤作用使得长石中的Na、K元素随热水大量迁出。

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3.2 同位素组成特征

为了研究温泉地下水的补径排条件，对水样进行了同位素经测试，取样高程为1 465 m。样品的氢氧同位素测试由中国地质科学院贵阳地球化学研究所分析，氢同位素采用锌法、氧同位素采用CO2-H2O平衡，标准采用国际标准SMOW标准。测定的结果 δD‰为 -90.33%，δ18O‰为 -13.10%。温泉沟下段溪水 δD‰为 -70.33%，δ18O‰为 -9.96%。

图2 草科温泉 δD-δ18 O关系图

参照我国西南大气降水线 δD=7.96δ18O+9.52[5]，绘制δD-δ18O关系图，根据图2显示，草科温泉的来源于大气降水。

4 温泉成因

4.1 热源

研究区内构造活动强烈，表现为差异性断块抬升，尤以磨西断裂等边界断裂活动最强烈，据中科院成都地理所的研究成果，全新世以来，该贡嘎山断块每年隆起 3.2～12.7 mm，平均 8 mm左右，在作持久性大幅度的差异性抬升过程中，沿断裂破碎带产生的机械摩擦热，是该区热矿水的热源之一。热源来自正常的地温梯度，地下水在深循环过程中加热，此外，还有少部分热源来自于岩浆岩等热源和花岗岩放射性衰变产生的热量。

4.2 热储

4.2.1 地球化学温标和热储温度估算

地球化学温标是估算热储温度的有效方法，其原理是地热流体与矿物在一定温度条件下达到化学平衡，在随后地热流体温度降低时，地热流体中的化学成分并不会改变。常用的地热温标有阳离子温标、SiO2温标和同位素温标。1988年Giggenbach首先提出了Na-K-Mg三角图的方法来计算地热温标，并利用该图判断热水是否适合Na-K-Mg离子温标[6]。

由图3可知，草科温泉位于未成熟区，因此不适宜用阳离子估算热储温度，而应选择 SiO2温标进行计算，采用《地热资源地质勘察规范(GB11615-2010)》的无蒸汽损失SiO2温标，估算温泉热储温度。计算公式如下:

二氧化硅地热温标(SiO2，温标)

草科温泉采用SiO2温标法计算得出热储温度为91.60℃，根据温泉发育条件和温泉出露是有浅层地下水混入的特征分析，温泉实际热储温度应在108℃ ～136℃范围内。

4.2.2 热储深度计算

热水循环深度计算根据下公式:H=(TZ-T0)/G+H0

式中:H为热储深度，m;TZ为热储温度;T0为恒温带温度，℃;G为地温梯度;H0为恒温带深度。

G地温梯度选取地热增温率取4℃/100m，T0选取补给区年平均气温13.1℃，H0常温带深度取20 m，推算得出温泉的热储深度1 935 m左右。

4.3 补给范围与补给量

4.3.1 补给高程

温泉补给区的海拔高程是圈定温泉补给范围的必要依据。大气降水的同位素组成一般具有高程效应，大气降水中氢同位素(δD)和氧同位素(δ18O)随着地面高度的增加而逐渐降低的现象，草科温泉的δD值都比同高程地表水或地下水的δD值低，说明温泉是由地理位置相对较高的山区降水补给。根据δD的高程效应补给高程计算公式:

Z=Z0+(D-D0)/gradD

式中:Z为地下热水的补给高程(m);Z0为参照点地面高程(m);D为地热水的 δD‰(SMOW);D0为当地大气降水的δD‰(SMOW);gradD为δD随高程递减梯度

据中国科学研贵阳地球化学研究所于津生等人对西南地区高程效应的研究，我国西南地区 δD的梯度为 -2.6‰/100m～-3‰/100m，本次计算 δD的梯度 -2.6‰/100m。计算得出草科区温泉的补给高程在3 147 m左右。考虑到温泉在上升过程中与浅表的地下水混合，计算得出的补给高程较实际高程偏低，根据地质和水文地质条件分析，温泉的补给高程在3 200 m左右，补给区在温泉西北部方向的山区。

4.3.2 补给量

采用降雨入渗法对温泉补给量进行估算，计算公式如下:

Q=2.74α·W·A

式中:Q为温泉补给量，m3/d;α为降水入渗系数，依据补给区地形地貌特征、岩溶及植被的发育状况取值;W为年均降雨量(mm);A为补给区汇水面积(km2)。

温泉补给区位于温泉西北部山区，地形为中到缓坡，植被覆盖，地表水滞留时间较长，有利于地表水的入渗，且补给区岩溶发育。根据经验降雨入渗系数 α取值为0.25。年均降雨量取1 186.8 mm。补给区汇水面积依据补给高程，考虑到同位素的混合作用，取3 200 m高程附近的山区为补给区，在地形图上圈闭补给区汇水面积，结果为7.9 km2，求得温泉的补给量为 6 418 m3/d，温泉水的自流流量 6 912～8 640 m3/d，计算得出补给量较温泉流量要小，这表明温泉有浅表地下水的混合。

4.4 成因模式

综合上文对研究区的地质条件和水文地球化学分析，认为草科温泉是受一组由北西转为近东西向的活动性环状断裂构造控制的断层，温泉补给区位于贡嘎山南坡海拔3 200 m左右，补给主要来源于大气降水，降水顺着构造裂隙带向深部径流至热储层中，成为深循环地下水，顺热储层层间裂隙深循环运移，获得地热增温，热储温度为91.6℃，地下水运移至草科背斜倾伏端，在水压差和密度差的作用下，沿背斜核部的压扭性断裂和高倾角剪切裂隙上涌流出形成温泉。

5 结语

草科温泉属开放式补给的断裂深循环型地热系统，水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型水，其中偏硼酸含量较高，具有一定的医疗价值。温泉可以得到贡嘎山一带的补给，但通过计算补给量可知，温泉地热水是天然资源量是有限的，建议合理规划开采量，避免出现温泉水位降低等环境地质问题。此外，应做好周边地区的环境保护工作，如贡嘎山补给区的生态保护，保证温泉及热水孔水头不低于田湾河以免因地表水体倒灌而遭受污染等。

[1]陈梦熊，马凤山.中国地下水资源与环境[M].北京:地震出版社.2002:363.

[2]傅广海.四川省甘孜州温泉类型、成因及旅游开发模式研究[D].成都理工大学.2009.

[3]宋志.磨西河流域性泥石流形成特征与危险区划[D].成都理工大学.2012.

[4]赵平.地热系统气-水冶石体系化学热力学平衡及模拟计算[J].岩石学报.1992，8(4):311-322.

[5]张洪平，刘恩凯，王东升，等.中国大气降水稳定同位素组成及影响因素[J].中国地质科学院水文地质工程地质研究所所刊.1991(7):101-109.

[6]Giggenbach W F.Geothermal solute equilibrium，Derivation of Na-K-Mg-Ca geoindicators[J].Geochimicaet Cosmochim Acta，1988，52(12):2749-2765.