川西康定老榆林高温地热地球物理特征与形成机制研究

邹 俊，武 斌，陈 宁，邵昌盛，邹华敏，马昭雄

（1.四川省地球物理调查研究所，四川成都 610072；2.武斌劳模与工匠人才创新工作室，四川成都 610072；3.四川省第九地质大队，四川德阳 618000；4.四川省冶金地质勘查院，四川成都 610051）

0 前言

人类的生存和发展对能源的需求越来越大，社会经济的进步也不断优化调整着能源结构，印尼G20领导人峰会将“可持续的能源转型”作为三大优先议题之一。地热能是清洁环保的新型可再生能源，我国地热资源丰富，地热类型多样，而川西地区仅自然出露的温泉就有200多处，资源储量大、分布广，发展前景广阔（李振清，2002；武斌，2013；王贵玲等，2017；张英等，2017；孙东等，2019；王贵玲和蔺文静，2020；马冰等，2021）。虽然川西地热资源丰富，但是区内地热资源研究程度低，开发利用程度低，阻碍了当地地热资源开发利用及产业化的发展。

几千年前人类就已经利用地热资源进行生产生活，但自20 世纪60 年代才对地热资源进行科学研究（Hochstein et al.，1970），采用地震、重力、磁法对新西兰地热田进行勘查。我国也在著名地质学家李四光教授指导下在北京房山县打出第一口地温观测井，用于地热研究。随后，研究人员应用构造地质、地球物理、地球化学、同位素年代学等方法从不同角度研究地热资源的有利位置和评价地热资源的潜力（龙登红等，2021；王召鹏，2022；邹俊等，2023；邵炳松等，2023），如应用航磁、重力数据解译热异常空间分布特征（李小林等，2016；安百州等，2022）；应用大地电磁测深与反射地震勘探对地热能控热要素进行分析（张炯，2017；裴发根等，2021；邵炳松，2021）；利用地球化学、环境同位素研究地热流体化学特征和成因（林正良等，2016；白博文等，2022）。由于川西地区新构造运动活跃、现代地震密集，前人依据卫星重力、天然台站及长周期大地电磁等观测数据和处理分析的方法，在研究岩石圈结构、壳幔深部构造、地震构造背景及分布规律等方面取得了丰富的成果，揭示了在松潘-甘孜块体中-下地壳、上地幔存在低速、高导的韧性物性结构（张培震，2008；Bai et al.，2011；李军等，2017；王贵玲等，2023）。同时，有学者利用水化学数据推断磨溪断裂带的深部热源与浅层热源很有可能连接在一起（张云辉，2018；卞跃跃和赵丹，2018；汪新伟等，2022）；也有学者从重磁异常及大地热流的角度研究川西地热带的深部结构，推断研究区具有较高的地热能开发潜力（高玲举等，2015；李午阳等，2018）。

从以往资料可以看出，本区地质研究成果侧重于岩石圈构造及地震活动性研究，或是从地球化学分析、重磁反演方面间接评价水热活动潜力，而关于区内由浅部至中深部地球物理特征与水热活动性的综合研究很少，缺少对地热系统要素（盖层、热储、通道和来源特征）的全面认识（邹俊等，2015）。本文先通过重力、航磁资料及地质构造单元对区内水热活动规律进行总结，再结合宽频大地电磁测深及音频大地电磁测深剖面，利用多方法、多尺度综合解译地壳深部-地表浅部详细的地球物理构造特征与水热活动的关系，为进一步探明研究区高温地热成因机制提供地球物理依据，可促进川西地热资源的开发，改善高原地区人民的生活水平，带动民族地区社会经济发展。

1 地热地质背景

1.1 区域地质构造

川西地区地处四川盆地西缘山地向青藏高原的过渡区，属印度板块与欧亚板块的碰撞地带，新构造运动异常活跃、现代地震密集。区域内发育有近北北西向鲜水河、甘孜-理塘、金沙江等多条深大断裂带，还有德格-乡城大断裂带、玉科大断裂带等数条主要大断裂（图1）。这些深大断裂深切至地壳，并在局部形成分散的次级断裂，为高温水热系统提供了极佳的构造条件。横穿研究区的鲜水河断裂带是一条全新世的活动断裂带，北自四川甘孜，向南至炉霍、道孚，穿过康定后沿大渡河谷延伸，全长约400 km，地震活动异常强烈；在炉霍-道孚-康定段经过多期次岩浆活动，形成许多重要的岩浆岩带。岩浆活动余热、地壳深部熔融传导等都可能是该区水热活动的热量来源。

图1 川西地区地热地质图（据李午阳等，2018修改）Fig.1 Geothermal geological map of western Sichuan （modified from Li et al.， 2018）

1.2 地热活动特征

川西地区沿深大断裂构造带附近地表的水热活动强烈，比较有代表性的地热点有：康定榆林村灌顶沸泉、甘孜拖坝温泉、理塘茶托温泉、丹巴党龄温泉、巴塘热坑沸泉等（图1）。地热活动规律主要有：

（1）地热资源分布广，总体上以中温地热资源为主，康定县中谷至榆林村一带、巴塘县茶洛至龙普沟一带蕴藏高温地热资源。

（2）水热异常在空间分布上与断裂构造和侵入岩体高度相关，往往位于断裂转折端以及多组不同方向断裂交叉部位。这些地方活动构造表现最强烈，水热活动强，地表出露点温度高、流量大，并且具有深源热补给的特点。

（3）地热与地震的空间分布具有一致性，温（热）泉则与地震伴生，特别是地热点沿着具有地震机制的复活深大断裂带呈明显的线性区带分布。如地震活动异常强烈的鲜水河断裂带，近300 年来沿该断裂发生过5 级以上地震50 余次，6.0～6.9 级地震14次，7级以上强震8次，而断裂带周边分布着50余处地热点。

2 康定地热的深部成因机制

2.1 重力场特征

青藏高原为全国布格重力异常值最低的负异常区，川西藏东的重力异常值由西向东逐渐增大，剩余重力异常在-56×10-5～36×10-5m/s2之间（图2）。由于剩余重力异常与断裂带分布存在关联性，通过研究重力场特征可找寻区内地热与深大构造之间的相互关系。在近北北西向甘孜-理塘断裂带、鲜水河断裂带附近，呈现出大型剩余重力异常梯度条带，反映附近岩层断裂破碎或深部大规模的岩浆上涌造成的低密度异常。结合前人研究发现该地区莫霍面存在于地下约50～55 km，表现出造山带型地壳结构（高玲举等，2015；李午阳等，2018）。同时前人发现的中-下地壳部分熔融低速高导层为本区深部背景热源，通过区内的深大断裂传导至浅部地表（李军等，2017）。沿鲜水河断裂带剩余重力异常值明显呈扭曲状，显示出断裂走滑特征。康定地区位于鲜水河断裂南段剩余重力异常值较陡的梯度变化区，东侧表现出高值异常区，西侧表现为低值异常区，推测区内断裂构造异常发育。结合区内大量地热点分布在深大断裂附近的特征，表明断裂起着引导聚集热流的重要作用。

图2 川西地区剩余重力异常图（据李富等，2016，修改）Fig.2 Residual gravity anomalies in western Sichuan （modified from Li et al.， 2016）

2.2 航磁特征

航磁异常可用来推断磁性地质体或岩体的边界及其构造特征。青藏高原东缘与龙门山断裂带相接地带存在一个大型的北东向弧形负异常，该负异常东部即为四川盆地强磁异常区（图3），也是全区磁异常最强的区域，主要反映四川盆地下方的太古宙和古元古代结晶基底特征。川西地区为梯度变化较平缓的低值或较小的正值磁异常区，推测是二叠系砂岩、板岩所致。康定南部地区磁场明显增强，正负磁场分界线在鲜水河断裂附近，北东侧为负值强磁区，西南侧为低值强磁区，显示深部构造具北北西向特征。

图3 川西地区航磁异常图（据李富等，2016修改）Fig.3 Aeromagnetic anomalies in western Sichuan （modified from Li et al.， 2016）

结合前人研究，康定地区的居里面深度约为17～18 km（高玲举等，2015），属典型的居里面隆起区，反映区内构造活动性强，岩浆活动频繁，热流值高，热源物质丰富，非常适合开展地热资源勘探开发工作。

2.3 大地电磁剖面电性分析

本次对收集的横跨鲜水河断裂带的大地电磁剖面进行了地热地质解译。该剖面位于康定县城以北，西起新都桥，经中谷（鲜水河构造带）到孔玉乡，近70 km，在鲜水河断裂带经康定县城附近发育有多个地热点，其中中谷、老榆林多为高温沸泉点，沿沟谷呈线状分布（李连海，2018）。从剖面图中可看出（图4），海拔-15 km 以上区域低阻与高阻横向突变明显，表明区内地壳构造运动强烈，在断裂带附近分布有大范围的形成时间较晚的岩浆岩，这为地热水提供了热源。在平距0～40 km海拔-40 km有大范围的低阻高导异常，结合前人的研究分析，推断为上地幔软流圈上涌至中-下地壳的部分熔融体，且有继续上涌的趋势，在中谷附近海拔-3～-15 km处形成低阻异常，其中断裂F2、F3 分别控制着低阻异常的西侧、东侧边界。推测川西地区受印度板块向欧亚板块俯冲碰撞的作用，在俯冲带附近上地幔软流圈沿鲜水河深大断裂带上涌至中上地壳，这些高温部分熔融体为研究区的高温地热水提供了大量热源。

图4 研究区北侧大地电磁剖面解译图（据李连海，2018修改）Fig.4 Interpretation map of the magnetotelluric profile on the north side of the study area（modified from Li， 2018）

3 老榆林地热点中浅部电性剖面解释

3.1 区内地质概况

康定市位于鲜水河断裂带、龙门山断裂带和安宁河断裂带组成的“Y 字型”构造体系的中心部位。工区位于康定市炉城镇的榆林河谷地带，海拔高程在2800～3400 m 之间，地势总体南高北低，东高西低（邹俊等，2015）。前人估算研究区的地温梯度约为4.9 ℃/100 m（张云辉，2018）。该区出露地层有：第四系、二叠纪变质岩，其中第四纪松散堆积层主要为砂砾石与砂质粘土等，二叠纪变质岩岩性为板岩、千枚岩、结晶大理岩夹变质砾岩等。区内岩浆岩分布广泛，主要为中生代（燕山-喜山期）侵入岩，岩性有石英闪长岩（δο2）、折多塘黑云母花岗岩（γβ5）。区内构造断裂发育，主要有康定-磨西断裂（F1）、榆林河断裂（F2）、龙头沟断裂（F3）、转经轮沟断裂（F4）、贡巴布断裂（F5）及硫磺沟断裂（F6）。

3.2 音频大地电磁剖面解释

围绕老榆林的小热水地热点，布设音频大地电磁测深（AMT）剖面4条（图5），其中L1、L2测线沿榆林河方向布置，L3 及L4 线沿垂直榆林河布置。通过现场电性测试及剖面电性分析，第四系覆盖层表现为中低阻特征，视电阻率值在60～400 Ω·m 之间；断裂破碎带附近的石英闪长岩（δο2）、折多塘黑云母花岗岩（γβ5）表现为低阻特征，视电阻率值在40～200 Ω·m 之间；底部完整的石英闪长岩（δο2）、折多塘黑云母花岗岩（γβ5）及二叠纪变质岩表现为中高阻特征，视电阻率值在200～6000 Ω·m 之间。通过对测区的音频大地电磁测深剖面进行二维反演后如图所示（图6），近南北向的L1 线、L2 线剖面很好地揭示了区内贡巴布断裂（F5）、硫磺沟断裂（F6）的特征，近东西向的L3 线、L4 线剖面反映榆林河的断裂特征呈东倾，近乎陡立。

图5 老榆林工区地质简图及AMT测线位置图Fig.5 Geologic map and location of AMT survey lines in the Laoyulin working area

图6 老榆林音频大地电磁测深剖面成果展示图Fig.6 Results of audio magnetotelluric sounding profiles in Laoyulin

所有剖面都揭示了区内热储的二元结构特征，海拔2400 m 以上低阻异常区域，推断为浅部的碳酸盐岩变质热储；海拔1700～2400 m 之间的高阻区，推断为完整的折多塘黑云母花岗岩，也是深部热储盖层，局部横向错断为断层裂隙影响所致；海拔1400～1700 m 之间的低阻区推断为深部花岗岩热储，岩层破碎，裂隙发育，富水；其中L4剖面深部盖层特征反映不明显，推断此处位于榆林河断裂转折端附近，岩体异常破碎导致深部热储与浅部热储相连通。

在断裂F2 与断裂F5 的交汇部位，分别布置钻井ZK1、钻井ZK2，其中ZK1 井深270 m，ZK2 井深2009 m。钻孔揭示29 m 以浅由第四系粉质粘土及花岗岩碎块组成，该层结构紧密，透水性差，具有隔热功能；29 m 以下深度均为花岗岩，局部裂隙发育。通过两钻孔的测温曲线分析，钻井ZK1在深度200 m井温快速升高至205 ℃，200 m 以下温度变化不大，钻井ZK2 在深度550 m 井温升高至205 ℃，550～2000 m 深度井温变化不大（张云辉，2018），推断深部高温热水与中部大量水源补给混合导致中部井温升高不明显，而中浅部由于花岗岩衰变放热导致井温缓慢升高，至井深550 m 以浅，由于浅部热储大量水源补给导致井温慢慢降低。这些也说明本区的主要热源在地下更深位置（海拔-15～-3 km 的部分熔融体），在地下某深度位置存在一个升温的过程，深部热水经断裂构造上涌至地表的带状热储特征明显。同时，由于钻井距离构造断层的位置差异，钻井ZK1、钻井ZK2 在浅部200 m 以内温度差异很大，在100 m 深度附近相差106 ℃，说明断裂构造严格控制着本区的地热范围和规模。

4 探讨

4.1 地热形成机制分析

结合以上地质构造、地球物理特征、钻井资料及前人的地球化学分析成果，推断小热水地热田主要受南北向深大断裂的次级构造和与之交错的东西向断裂构造控制，断裂破碎带既是深部热储，也是深部热水上涌的通道；第四系粉质粘土及花岗岩碎块结构紧密，具有阻水、隔热的功能；峡谷两侧高山的冰雪融水、降雨经地表裂隙下渗，经中上地壳部分熔融及周围岩浆岩衰变等加热，沿断裂构造向上运移，在地表薄弱处喷涌而出，说明研究区具备地热系统的良好形成机制，现将该区地热的热源、水源补给、盖层、热储空间和通道详细分析。

（1）热源。①通过重力、航磁及宽频大地电磁成果均显示，区内表现出造山带型地壳结构，在中-下地壳高温半熔融性低速高导层为本区深部背景热源，可通过区内的深大断裂传导至浅部地表。②鲜水河断裂带持续受到印度板块与欧亚板块碰撞挤压的影响，发生强烈的左行走滑运动。近年来发生的多次强烈地震，说明鲜水河断裂活动性很强，断裂走滑导致的摩擦生热，为研究区的地热水提供部分热能。③研究区出露的大面积岩浆岩，是折多塘黑云母花岗岩（γβ5），由于其形成时间较晚，岩浆岩衰变生热也可为研究区的地热水提供部分热能。再结合钻井ZK206 的测温曲线分析，本区主要热源在2000 m 以下，而本区的莫霍面深度达到50 km 以上，地幔热流热传导在此难以形成高温地热，在鲜水河断裂带下方海拔-15～-3 km 形成的低阻高导体，推断为中上地壳的部分熔融体。地幔热流、走滑断裂摩擦生热及岩浆岩衰变生热等构成了叠加热源。

（2）水源补给。①峡谷两侧高山的冰雪融水、降雨是含水层补给的主要来源；②沿深大断裂带的深部裂隙水的循环补给作用。高山-峡谷巨大的高差也为水源补给的深部运移提供水动力条件。

（3）盖层。上部热储盖层为第四系河床、河漫滩、洪积堆及残坡积物形成的砂卵砾石、砂质粘土等。第四系粉质粘土及花岗岩碎块结构紧密，透水性差，具有隔热阻水的功能；深部热储盖层为完整的折多塘黑云母花岗岩。

（4）热储空间。主要发育两种类型的热储层：浅部二叠系变质岩热储层、深部花岗岩构造破碎带热储层。音频大地电磁成果显示300 m 以浅的低阻区经钻孔揭示为二叠系大理岩，由于溶蚀、构造裂隙发育，有利于浅层地热水的存储；深部由于多个断裂构造交错，裂隙破碎带非常发育，有利于深部地热水的存储。

（5）通道。断裂构造是地热水深部循环的重要通道，特别是区内发育的多条垂直于榆林河断裂的近东西向构造，断层交叉部位的岩体极其破碎，非常有利于地热水由深至浅流动，并在浅部出露成温泉。研究区地热水水化学类型为Na-HCO3-Cl 型，说明冰雪融水沿断裂裂隙下渗，经历了深部水-岩作用，导致研究区热水表现出高温和高Cl-离子含量的特征，这也与本次地球物理成果一致。

4.2 地热地质模型构建

研究区广泛出露第四系粉质粘土及花岗岩碎块等，结构紧密、透水性差，为地热水的良好盖层。主要发育两种类型的热储层：浅部碳酸盐岩变质热储、深部花岗岩构造破碎带热储层。浅部热储层的热水，来自于侧向浅部冷水流入，和底部花岗岩断层破碎带直接向上径流补给。区内南北向康定断层与近东西向断层破碎带交错在一起既是地下水深部径流的通道，又是深部花岗岩构造破碎带热储层。区内中-上地壳部分熔融高导层经深大断裂向上传导的热能、地幔热流、断裂走滑摩擦生热及岩浆岩衰变放热等热源共同作用，形成了本区的高温地热。

结合本次音频大地电磁剖面电性特征分析（图6），调查区地热资源盖层主要为第四系粉质粘土及花岗岩碎块，在电性上表现为中低-中高阻特征；热储层及深部地热通道为岩体间破碎带，在电性上表现为低阻-中低阻特征；燕山-喜马拉雅期折多塘黑云母花岗岩热源，在电场上表现为相对中高阻-高阻特征；另一深部背景热源中-下地壳高温部分溶融体表现为低阻特征。根据上述电性特征、地热地质要素分析，初步构建了研究区地热水形成机制的地热地质模型（图7）。

图7 老榆林地热成因地质模型图Fig.7 Geological model of geothermal genesis in Laoyulin

5 结论

本文从川西地区的地质构造出发，总结了区内的地热活动特征，然后从地球物理的角度应用重力、航磁及大地电磁法研究本区高温地热的成因机制，得出以下结论：

（1）通过重力、航磁及大地电磁成果分析，川西地区的深大断裂起着引导聚集热流的作用，严格控制着本区地热水的空间分布范围，而次级构造及局部小断裂对地热点的出露位置及温度等产生影响。

（2）通过在榆林村的小热水地热点布置的音频大地电磁测深剖面，发现本区具有良好的地热水形成条件，地热利用潜力较大。小热水地热田主要受南北向榆林河断裂和与之交错的多条东西向断裂构造控制，而东侧的康定-摩西断裂控制着本区地热田的东侧边界。

（3）由于区内以中-上地壳部分熔融体经深大断裂向上传导的热能为主，经地幔热流、断裂走滑摩擦生热及岩浆岩衰变放热等热源叠加作用，两侧高山地表水下渗经深部加热，至断裂构造薄弱处出露，最终形成了老榆林村小热水的高温特点。

（4）结合地球物理综合解译成果及本区的地质构造特点，构建了本区三维的地热地质模型，可为川西地区深部地热资源勘查工作提供借鉴和指导。

致谢：衷心感谢中国地质科学院地质研究所于常青先生对本文提出的宝贵意见与有益建议。

［附中文参考文献］

安百州，曾昭发，闫照涛，张代磊，于朝阳，赵勇，杜亚男.2022.鄂尔多斯盆地西缘热储构造模式及地热资源分布特征［J］.吉林大学学报（地球科学版），52（4）：1286-1301.

白博文，平建华，赵继昌，杨振威，宁艺武，熊超凡.2022.河南淮阳县地热流体化学特征及其成因分析［J］.中国地质，49（3）：956-966.

卞跃跃，赵丹.2018.四川康定地热田地下热水成因研究［J］.地球学报，39（4）：491-497.

高玲举，张健，董淼.2015.川西高原重磁异常特征与构造背景分析［J］.地球物理学报，58（8）：2996-3008.

李富，曾琴琴，王永华，焦彦杰.2016.中国西南地区重磁场特征及地质应用研究［M］.武汉：中国地质大学出版社：156-157.

李军，王绪本，李大虎，秦庆炎，张刚，周军，李亚星，刘宇.2017.青藏高原东缘岩石圈物性结构特征及深部构造涵义［J］.地球物理学报，60（6）：2500-2511.

李连海.2018.川西鲜水河断裂带道孚-康定段深部电性结构研究［D］.昆明：昆明理工大学：1-90.

李午阳，张健，唐显春，天骄，王迎春，郭琦.2018.川西高温水热活动区深部热结构的地球物理分析［J］.地球物理学报，61（7）：2926-2936.

李小林，吴国禄，雷玉德，李重阳，赵继昌，白银国，曾昭发，赵振，张珊珊，赵爱军.2016.青海省贵德扎仓寺地热成因机理及开发利用建议［J］.吉林大学学报（地球科学版），46（1）：220-229.

李振清.2002.青藏高原碰撞造山过程中的现代热水活动［D］.北京：中国地质科学院：1-89.

林正良，肖鹏飞，李弘，俞建宝，吕慧.2015.甘孜地区雅拉河段地热系统特征及控制因素［J］.地质与勘探，51（4）： 764-771.

龙登红，周小龙，杨坤光，辜平阳，高银虎，王树明，陈桂凡.2021.青藏高原东北缘深部地质构造与地热资源分布关系研究［J］.中国地质，48（3）：721-731.

马冰，贾凌霄，于洋，王欢.2021.世界地热能开发利用现状与展望［J］.中国地质，48（6）：1734-1747.

裴发根，张小博，王绪本，吕琴音，方慧，陈德元，张健.2021.综合地球物理勘探在齐齐哈尔地区低温地热系统调查中的应用-以HLD1井为例［J］.地球物理学进展，36（4）：1432-1442.

邵炳松，阮传侠，赵苏民，朱怀亮，石峰，杨坡，马振波，马艳飞，刘志龙，李向宝.2023.广域电磁法在郑州地区深部地热资源勘查中的应用［J］.地质与勘探，59（2）：0316-0327.

邵炳松，朱怀亮，胡志明，胥博文，刘志龙，石峰，王兴元，赵超，王宪法.2021.济源-开封坳陷西南部电性结构研究及地热资源远景区预测［J］.地质与勘探，57（3）：0572-0583.

孙东，曹楠，刘馨泽，张志鹏.2019.川西甘孜州地热资源特征及开发利用前景［J］.四川地质学报，39（1）：133-138.

汪新伟，王婷灏，高楠安，刘慧盈，毛翔，罗璐，吴陈冰洁，崔梓贤.2022.川藏铁路沿线地热资源形成机理与开发潜力［J］.地球科学，47（3）：995-1011.

王贵玲，蔺文静，刘峰，甘浩男，王思琪，岳高凡，龙西亭，刘彦广.2023.地热系统深部热能聚敛理论及勘查实践［J］.地质学报，97（3）：639-660.

王贵玲，蔺文静.2020.我国主要水热型地热系统形成机制与成因模式［J］.地质学报，94（7）：1923-1937.

王贵玲，张薇，梁继运，蔺文静，刘志明，王婉丽.2017.中国地热资源潜力评价［J］.地球学报，38（4）：449-459.

王召鹏.2022.地球物理条件对塔柴板块南缘球路噢窝头铁矿成矿作用的制约研究［J］.中国锰业， 40（5）： 42-48.

武斌.2013.松潘甘孜地区地热资源的地球物理勘探研究［D］.成都：成都理工大学：1-106

张炯，黄少鹏，傅饶，唐晓音.2017.大地电磁测深在火山区地热研究中的应用［J］.岩石学报，33（1）：279-290.

张培震.2008.青藏高原东缘川西地区的现今构造变形、应变分配与深部动力过程［J］.中国科学（地球科学），38（9）：1041-1056.

张英，冯建赟，何治亮，李朋威.2017.地热系统类型划分与主控因素分析［J］.地学前缘，24（3）：190-198.

张云辉.2018.鲜水河断裂康定-磨西段地热系统成因及开发利用研究［D］.成都：成都理工大学：1-171.

邹俊，武斌，马昭雄，陈宁，谢伟，邹华敏，杨代彬.2023.西藏谢通门县卡嘎地热成因与资源潜力分析［J］.水文地质工程地质，50（3）：207-216.

邹俊，许强，邵昌盛，武斌，黄金宝.2015.综合物探方法在深部地热勘查中的应用［J］.工程勘察，43（10）： 95-98.