四川石棉县草科乡大热水温泉成因探讨

张正鹏，周大吉，孙 东

( 四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质中心，四川 成都 610036)

0 引言

草科乡地热资源主要以温泉的形式出露地表，人们利用温泉时间较长，受限于水温与水量，温泉的利用方式为洗浴。在当前节能减排，大力发展清洁能源的大前提下，应充分研究分析草科乡温泉的形成模式，并在此基础上全面开发地热资源。

前人对草科乡地热的形成模式有不同的认识，一种观点认为草科乡大热水温泉的补给区位于草科乡西南侧的贡嘎山南坡[2]；另一种观点认为磨西断裂在草科地热区形成了负花状构造，地下热水沿摩西断裂上涌，在分支断裂处分为多支，并在地表出露，从而形成大热水、小热水温泉[5]。

本次研究在综合地质调查、物探、钻探及前人成果的基础上，认为草科乡大热水温泉的补给区位于大热水所在位置的南侧山区，且大热水、小热水温泉的出露均受控于草科断裂。

1 研究区概况

1.1 研究区地质

温泉出露于上二叠统(P2)的大理岩中，中间夹有云母片岩。

草科乡所在区域内构造见图1，主要构造：① 草科断裂：草科断裂北起湾东之西，向南分为两支大致平行延伸，至草科东部又合为一，长超过23 km，北段走向近SN，南段NW20°。断裂发育于二叠系变质岩中。断面东倾，倾角70°～80°，断距超过500 m[1]。② 草科向斜：位于磨西断裂和草科断裂之西，走向NW10°，北端延入泸定境内，长达60 km。核部为上二叠统，两翼为下二叠统，西翼与毛坪背斜毗邻[1]。③ 毛坪背斜：位于草科向斜西侧，并与之平行，延展超过35 km，两翼地层较陡，一般大于50°，局部倒转。东翼稍缓，倾角一般为30°～50°，局部直立。轴面略向东倾，脊线略具起伏，倾伏角约为30°。该背斜为枢纽向南倾伏的紧密线状尖棱褶皱[1]。

图1 草科乡构造纲要图Fig.1 Structural outline map of Caoke Township1—背斜 2—向斜 3—深大断裂 4—一般断裂 5—剖面线

1.2 研究区水文地质

根据本次对研究区水文地质调查的可知：① 田湾河草科乡温泉(大热水温泉、小热水温泉)均出露于田湾河南岸，北岸无出水点及热水活动痕迹；② 小热水温泉出露于田湾河南岸的坡脚及河漫滩，且靠近河漫滩水温相对于坡脚较低；③ 根据多位村民叙述：2007年前小热水温泉水温约43℃，水量为现在的3～4倍；2007年在小热水南侧山坡距离小热水200 m位置施工EW向引水隧道后，小热水水温与水量骤减，现小热水温泉水温为27℃，出水点的水量约0.7 L/s；④ 大热水温泉出露于田湾河右岸坡脚，温泉沿基岩裂隙出露，水量约900 m3/d，水温42℃，温泉存在时间超过60年，且水温、水量多年未变。⑤ 大热水出露于田湾河南岸，南岸为陡崖，北岸为古滑坡(滑坡迹象明显)，大热水出露点所在位置除温泉点外无其他地方出露温泉(图2)。⑥ 土壤测温分析：测温成果图(图3)表层地温测温资料显示，高温带主要位于田湾河的南岸，沿南岸的山脚顺河分布，高温带分别以小热水与大热水为端点[3]。

图2 区域水文地质图Fig.2 Regional and hydrogeological map of the study area

图3 地温成果图Fig.3 Ground temperature result map of the study area1—地表测温30℃～45℃ 2—地表测温25℃～30℃ 3—地表测温13℃～25℃ 4—地表测温<13℃ 5—测温点

1.3 研究区物探

本次物探采用的是音频大地电磁法(AMT)。其成果显示，在穿过大热水的L01号物探剖面(图4)[1]中，显示在大热水温泉的下方发育一低阻带，该低阻带与ZK02井下方的低阻带具有连通性，且ZK02井揭露的温泉出水后，大热水温泉的水量显著减小，因此可以判定，该低阻带为深部的热水储水带。

图4 物探成果图Fig.4 Geophysical exploration result map of the study area

1.4 钻探验证

本次研究区布设2口钻孔，2口钻孔均布设在音频大地电磁测深的低阻带上。先后施工ZK01、ZK02井。ZK01井井深为150.30 m，施工过程中无水活动及温度异常显示[1]。

ZK02井位于大热水温泉对岸，距离约86 m。钻探施工过程中0～40 m为正常钻进段，该段无温度及水量异常，该段岩心主要为冲洪积卵石层；40～84 m段，岩心为大理岩、变质砂岩，该段岩心较为完整，局部存在裂隙，该段钻井时出现涌水现象，涌水量约200 m3/d；84～96.2 m岩性以大理岩、变质砂岩为主，但岩心较为破碎，局部岩心断面可见擦痕，揭露该段后涌水量立刻增加至1225.68 m3/d，稳定水温45℃。ZK02井自涌水的第二天，大热水温泉的流量逐渐减少，6天后大热水温泉的涌水量约150 m3/d[1]。

由此可知：①ZK02井揭穿的热储层与大热水温泉热储属于同一热储层；②40～84 m段基岩较为完整，裂隙发育程度较低，可视为盖层，但盖层条件较差，部分地下热水会沿河床低排泄；③ZK02井揭露的热储带未向ZK01井方向延伸(未沿田湾河向下游延伸)。

2 水质与氢氧同位素分析

2.1 水质分析

本次采集了大热水、小热水、地热井水质进行分析，根据水质成果可知(表1)[1]：

表1 大热水、小热水及地热井水质成果Table 1 Water quality data of Large Hot spring， Small Hot spring and geothermal well

1)小热水受地表水混合较多，大热水、地热井受地表水混合量较小。

2.2 氢氧同位素分析

大热水温泉的氢氧同位素位于西南地区大气降水线[4]的左上方且靠近西南地区大气降水线(图5)。说明：①温泉水的补给源为大气降水；②温泉水在地表出露段接受了地表水的混合。

图5 大热水温泉水样δD - δ18O关系图Fig.5 δD - δ18O diagram of water samples in Large Hot spring

根据δ18O的高程效应补给高程公式计算，计算结果见表2。

Z=Z0+(D-D0)/gradD

(1)

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δ18OSNOW；D0为当地大气降水的δ18OSNOW；gradD为δ18O随高程递减梯度，取-0.26%/100 m[1]。

表2 补给高程计算成果Table 2 Calculation result of replenishment elevation

3 讨论

3.1 补给水源

根据氢氧同位素分析可知，大热水、小热水温泉水的水源主要为大气降水，补给区高程为2673 m。

本次调查可知，田湾河沟域内的地热资源主要分布于南岸，且结合土壤测温成果可知，高温带均分布于靠近田湾河南岸坡脚，可知草科乡温泉大热水、小热水温泉水的来源位于田湾河的南侧，与北侧无关。

结合区域水文地质图可知田湾河南侧山区的花岗岩与大理岩之间为侵入接触带，侵入岩接触带中的大量成岩裂隙为地下水的赋存提供了较好的空间。

3.2 运移通道

研究区位于磨西断裂西侧，该区域受磨西断裂影响在西侧发育一系列走向近SN的构造，形成了走滑断裂系统中的负花状构造[5]，前人的地震解译资料也可证明负花状构造的存在[6]。

因此本次研究认为在大热水、小热水南侧的区域可能发育一条SN向的断层或节理裂隙密集带，该断层或节理裂隙密集带联通了侵入岩接触带，为赋存于侵入岩接触带的地下水向南运移提供了径流通道。本次钻探揭露的岩心断面中的擦痕亦证明了该断层或节理裂隙密集带的存在。

3.3 埋藏条件

根据本次研究工作可知，草科温泉的地下热水主要赋存于大理岩中，大热水温泉位置热储层顶板埋藏深度为96.2 m，该储层的裂隙较为发育，为地下热水的赋存提供了良好的空间。

3.4 热源

研究区地热系统的热量来源包括地壳放射性生热(60 mW/m2)[7]、部分熔融体热传导(15 mW/m2)和走滑断裂摩擦生热(<20 mW/m2)。研究区地热系统的热量来源为多源型，受到地壳放射性生热、部分熔融体导热和走滑断裂摩擦生热的共同作用，其中燕山期—喜山期花岗岩的放射性生热是地热系统的主要热量来源[5]。

4 地热模型

小热水温泉由于人工活动导致地下水的天然排泄条件发生改变，因此本次不对其地热模型进行深入研究分析。

综上，大热水温泉的补给源为南侧山区的大气降水，径流通道为侵入岩接触带与SN向的断层或节理裂隙密集带，在排泄区由于草科断裂的原因导致温泉与古滑坡在田湾河南岸出露于地表。其地热模型见图6。

图6 大热水温泉形成模式图(注：该剖面图为区域水文地质图B—B′剖面)Fig.6 Formation model map of Large Hot spring(Noted that the profile is B-B' section in regional and hydrogeology map)1—花岗岩 2—大理岩 3—断层 4—裂隙 5—大气降水 6—温泉出露点 7—施工地热井 8—地下热水流向

5 结论

本次研究认为草科乡大热水、小热水的补给水源位于田湾河南侧山区，平均补给高程为2673 m。接受大气降水补给的地下水沿侵入岩接触带与SN向的断层或节理裂隙密集带向南径流，在径流过程中，随深度增加，温度也增加，最终在田湾河沟谷内遇草科断裂的横向切割，导致地下热水沿草科断裂裂隙上涌，并出露至地表形成大热水温泉。