香格里拉地區溫泉水文地球化學(xué)特征及成因分析

1 研究區概況

研究區位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣，地勢北高南低，海拔一般在3000 m以上。區內地形高差大，氣候垂直分帶明顯，年平均降雨量618.4 mm，地表水系較為發(fā)育。

該區位于香格里拉盆地東北部，地處印度板塊和歐亞板塊交接帶的北東緣，為三江造山帶的中心地帶，斷裂構造發(fā)育?，F存的構造方向以北西-北北西向為主，其次為北東向。其中，中甸斷裂（F1）、央谷斷裂（F2）、格咱河-阿熱斷裂（F3）、天生橋斷裂（F12）、康師斷裂（F5），是主要的水熱控制構造，F3和F12之間斷裂破碎帶是主要的導水通道。溫泉區出露地層主要為三疊系上統哈工組三段（T3ha3）和四段（T3ha4）地層，主要巖性為石灰巖，粉砂巖、砂巖、泥巖、硅質(zhì)巖等含量較少。區內巖漿巖出露，其中火山巖在研究區出露較少，巖石類(lèi)型有基性、中性熔巖和火山碎屑巖；侵入巖主要分布在屬都海地層，以三疊系的石英閃長(cháng)玢巖、石英二長(cháng)斑巖為主，如圖1所示。

2 數據采集與分析

天生橋溫泉和下給溫泉分別位于縣城東南11km處建塘鎮四村和15km處浪丁村西部山坡臺地上，下給溫泉在天生橋溫泉的上游。天生橋溫泉出露水溫范圍54.5~56.9℃，pH5.14~5.31，高程約3315~3385m，流量1-3 L/s，泉眼處均有鈣華產(chǎn)生。下給溫泉出露溫度范圍27.0~63.1℃，pH5.57~7.67，高程約3425~3445m，流量0.5-1.5 L/s，溫泉點(diǎn)附近發(fā)育各種各樣的鈣華。天生橋溫泉多個(gè)泉眼已不能自流，現今出水泉眼共計2處，編號為YX1和YX1-2。下給溫泉本次觀(guān)測7處泉眼，編號分別為YX2-1~YX2-7。在兩溫泉各個(gè)泉眼處取樣，取樣之前，先用取樣點(diǎn)的熱水對取樣用具及容器進(jìn)行了嚴格的清洗，以保證最大限度地減少樣品的二次污染。同時(shí)，對天生橋溫泉和下給溫泉的出露位置、地形地貌及鈣華出露的形態(tài)、位置進(jìn)行了實(shí)地調查，并對溫泉所在的地理位置坐標、標高、溫泉水溫、pH值、Eh值5個(gè)參數進(jìn)行了現場(chǎng)測試。

樣品采集后立即送至實(shí)驗室，測試項目主要有主要離子、微量元素和氫氧穩定同位素等，主要離子和微量元素等項目測試在北京市地質(zhì)工程勘察院實(shí)驗室完成，氫氧穩定同位素測試在中國地質(zhì)科學(xué)院穩定同位素實(shí)驗室完成?；凇渡铒嬘盟畼藴蕶z驗方法 金屬指標》國標標準，采用離子色譜儀對K+、Na+、Ca2+、Mg2+等常規離子進(jìn)行測定?；凇?a href="http://keyinmall.com/t/地下水.html" >地下水質(zhì)檢驗方法離子色譜法測定氯離子、氟離子、溴離子、硝酸根和硫酸根》標準，對Cl-、NO3-、SO42-等離子含量進(jìn)行測定?；凇?a href="http://keyinmall.com/t/地下水.html" >地下水質(zhì)檢驗方法滴定法測定碳酸根、重碳酸根和氫氧根》標準，對HCO3-和CO32-離子濃度進(jìn)行測試?；凇端袣渫凰劁\還原法測定》和《天然水中氧同位素二氧化溫泉基本概況 碳-水平衡法測定》，對2H、18O同位素進(jìn)行測試，2H采用金屬鋅還原—直接測定法，測量?jì)x器為MAT-253型氣體同位素質(zhì)譜儀，精密度：σ≤1‰；18O采用CO2-H2O平衡法測定，測量?jì)x器為MAT-253型氣體同位素質(zhì)譜儀，精密度σ≤0.1‰。

除了現場(chǎng)測試的9處樣品，另收集整理了前人下給和天生橋溫泉水化學(xué)和同位素測試數據，包括天生橋溫泉41號、42號、YX1-8和下給溫泉49號、51號和YX2-8。

3 結果與討論

3.1 水化學(xué)特征分析

3.1.1水化學(xué)類(lèi)型

基于舒卡列夫分類(lèi)法，并借助Piper圖判斷區內溫泉水化學(xué)類(lèi)型。天生橋溫泉水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3-Ca·Na型，其次為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型；下給溫泉水化學(xué)類(lèi)型主要為HCO3-Na·Ca型，其次為HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，天生橋和下給溫泉的水化學(xué)組分變化相似，也證明了這兩處的地下熱水在運移過(guò)程中遇到的圍巖具有相似的成分。由此判斷二者具有相同或類(lèi)似的成因模式以及補給來(lái)源，又因為取水點(diǎn)在空間上有所不同，因此表現出溫度和水化學(xué)性質(zhì)上的差別。

 溫泉水樣點(diǎn) Piper圖

3.1.2主要組分來(lái)源

天生橋溫泉及下給溫泉地熱流體的主要陰、陽(yáng)離子組成類(lèi)似，主要陰離子為HCO3-、Cl-和SO42-，主要陰離子為Ca2+、Na+和K+。由表2可知，天生橋溫泉陽(yáng)離子中，除YX1和 YX1-8中Na+含量約在50%和60%以外，其他三個(gè)泉眼Ca2+均比Na+多，約占陽(yáng)離子含量的45%，含量在162~216.6mg/L之間；下給溫泉均以Na+為主，約占65%以上，含量在219~255mg/L之間。陰離子均以HCO3-為主，約占91.4%~96.2%，除YX1-8和YX2-8中HCO3-含量相對較低（分別為662mg/L和640mg/L）外，天生橋溫泉的HCO3-含量在1000~1400mg/L以上，下給溫泉的HCO3-在759.1~951.9mg/L之間，Cl-和SO42-含量遠小于HCO3-含量。而在下給地區7號冷泉中陽(yáng)離子以Ca為主，Mg次之，Na幾乎沒(méi)有，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca型，3號溫泉為HCO3-Na·Ca型，說(shuō)明溫泉成因模式和補給來(lái)源與冷泉相差較大。

天生橋溫泉出露于三疊系哈工組四段（T3ha4）的灰巖，主要是層狀亮晶含生物碎屑灰巖、鈣質(zhì)泥巖和泥質(zhì)泥晶灰巖。下給溫泉熱儲為哈工組三段（T3ha3）的泥巖、粉砂巖夾灰巖、含有硅質(zhì)透鏡體及石英砂巖透鏡體。地下熱水在運移過(guò)程中，與圍巖發(fā)生溶解、溶濾和水熱蝕變等反應，是地下熱水中的HCO3-、Ca2+的主要物質(zhì)來(lái)源之一。此外，地下熱水在深循環(huán)過(guò)程中攜帶大量的CO2以及淺部冷水中混入的CO2也是HCO3-的來(lái)源之一。

除上述原因以外，Ca2+含量還可能與石膏沉積物、巖漿巖、變質(zhì)巖等含鈣礦物的風(fēng)化溶解以及陽(yáng)離子交換吸附作用有關(guān)，如三疊系哈工組四段中的鈣質(zhì)泥巖。Mg2+與Ca2+化學(xué)性質(zhì)相似，但由于鎂鹽在地殼中的分布不廣泛，Mg2+的含量一般小于Ca2+含量。

Na+和K+幾乎所有鹽類(lèi)都可溶，遷移性很強，兩個(gè)溫泉的Na+含量較高，含量在較長(cháng)的時(shí)間內變化很小，其原因可能與圍巖或巖石土壤中含有的硅酸鹽巖或芒硝等鈉鹽溶于地下熱水有關(guān)。

Cl-和SO42-具有很強的遷移性，但是在兩個(gè)溫泉中含量較小，約占所有陰離子毫克當量百分數2%~4%，原因可能是大氣降水中所含Cl-含量較低。而SO42-含量較低的原因可與大氣降水中、熱儲巖層和圍巖中硫酸鹽或硫化物的含量較低有關(guān)，由于CaSO4的溶解度較小，較高的Ca2+會(huì )對SO42-有限制作用；在封閉的深層地質(zhì)構造中SO42-在去硫菌的作用下，被還原成了H2S。

3.2同位素水文地球化學(xué)分析

穩定同位素對于溫度變化、水-巖相互作用和不同來(lái)源水的混合作用十分敏感，易于檢測，因而適于作標記或示蹤劑，可用于研究地下水的起源、補給區的溫度和高程等問(wèn)題。

3.2.1補給來(lái)源

2H 和18O作為探討水的起源特征離子，可利用全球大氣降水線(xiàn)方程來(lái)分析地下水的補給來(lái)源，如公式（1）所示。此外，鄭淑惠等對我國107個(gè)降水樣品中的氫、氧同位素組成進(jìn)行分析和研究，提出了中國大氣降水線(xiàn)，如公式（2）所示；李廣等利用云南騰沖地區339個(gè)大氣樣品，提出騰沖大氣降水線(xiàn)，如公式（3）所示.

根據研究區溫泉δ2H和δ18O的測試數據，繪制天生橋和下給溫泉δ2H和δ18O值與全球大氣降水線(xiàn)、中國大氣降水線(xiàn)以及騰沖大氣降水線(xiàn)的關(guān)系圖，其中YX3為野外考察白水臺地區冷泉的δ2H、δ18O值，用來(lái)和溫泉作對比分析。由圖可知，在YX3冷泉水樣點(diǎn)的δ2H、δ18O值均在大氣降水線(xiàn)附近，說(shuō)明補給來(lái)源為大氣降水。據筆者測算，研究區兩溫泉的18O漂移度較小，約1‰~2‰，說(shuō)明兩溫泉存在輕微的18O漂移現象，指示存在水巖作用造成的18O同位素交換反應。

溫泉水樣δ2H-δ18O關(guān)系圖

3.3熱儲分析

熱儲溫度可通過(guò)地球化學(xué)溫標法反演獲取，是評價(jià)地熱資源的重要參數之一。目前常見(jiàn)的地球化學(xué)溫標主要有二氧化硅地熱溫標和陽(yáng)離子地熱溫標。Na-K-Mg三角圖解法用于評價(jià)地下熱水的平衡狀態(tài)，可將地下熱水劃分為完全平衡水、部分平衡水及未成熟水三種類(lèi)型。研究區溫泉水樣的Na-K-Mg三角圖表明：區內水樣點(diǎn)均為未成熟水，且Mg2+的含量普遍偏高，表明水-巖反應的溫度不高，兩個(gè)溫泉均可能存在熱水與淺部冷水混合的現象，地下熱水在上升過(guò)程中受到淺層冷水的稀釋?zhuān)篃崴性氐暮孔兊汀?o:p>

研究區溫泉水樣的Na-K-Mg三角圖 

利用石英溫標及陽(yáng)離子溫標計算出天生橋溫泉和下給溫泉的地下深部的熱儲溫度，結果顯示：由陽(yáng)離子地熱溫標法獲得的熱儲溫度明顯偏大，不符合實(shí)際，因此本文不采用陽(yáng)離子地熱溫標法估算熱儲溫度。在不考慮冷熱水混合作用下，天生橋和下給溫泉的熱儲平均溫度分別約為86℃和120℃。地下熱水在上升過(guò)程中可能與淺部冷水發(fā)生混合（稀釋?zhuān)?，混合作用影響熱水化學(xué)組分含量、溫度以及地熱流體的化學(xué)平衡狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，當地下熱水中Na+與Cl-呈正相關(guān)、Mg2+與Cl-呈負相關(guān)關(guān)系時(shí)可以判斷為混合水。研究區Na+-Cl-、Mg2+-Cl-關(guān)系如圖6所示，Na+-Cl-呈正相關(guān)、Mg2+-Cl-呈負相關(guān)，這說(shuō)明兩個(gè)溫泉存在冷熱水的混合作用。因此，由石英溫標計算的熱儲溫度偏低，還需確定冷熱水的混合比例。

研究區溫泉水Na+-Cl- 和 Mg2+-Cl-關(guān)系圖 

前人研究表明：可利用硅-焓模型來(lái)確定混合水的深部熱儲溫度和冷熱水混合比例。根據研究區溫泉水實(shí)驗測試數據求出一系列混入熱水的冷水比例X1和X2值，如圖7所示。天生橋溫泉冷水混入比例為52%，混入前熱儲溫度為110℃。下給溫泉冷水混入比例為72%，混入前熱儲溫度為200℃。結果可知，硅-焓模型得出的熱儲溫度比實(shí)際的熱儲溫度偏高，原因可能有：深部熱水在上升至地表的過(guò)程中僅考慮了一股冷水混入，而實(shí)際可能有多股冷水多次混合；冷水焓值及SiO2含量均為經(jīng)驗估計值，也會(huì )對計算值的準確性造成影響。綜上，硅-焓模型的計算值偏大，石英溫標法由于沒(méi)有考慮淺部的冷水混合，計算值偏小。故本文取兩者平均值作為天生橋溫泉和下給溫泉的熱儲溫度，即天生橋溫泉和下給溫的熱儲溫度分別為98℃和160℃。

溫泉深部熱儲溫度-冷水混入比例圖

4 結論

（1）天生橋和下給溫泉位于高山區斷陷盆地，斷裂構造發(fā)育，溫泉區出露的基巖以灰巖為主。兩溫泉均為中低溫對流型地下熱水系統，且陰離子以HCO3-占絕對優(yōu)勢。前者水化學(xué)類(lèi)型為 HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca型，陽(yáng)離子以Na+、Ca2+為主；后者為HCO3 ·Na和HCO3-Na·Ca型，陽(yáng)離子以Na+為主。

（2）應用穩定同位素δ2H和δ18O的線(xiàn)性關(guān)系（即全球大氣降水線(xiàn)方程）推斷出研究區兩個(gè)溫泉均來(lái)源于大氣降水，且存在18O漂移現象。利用δ2H和δ18O值的高程效應和溫度效應計算出天生橋溫泉和下給溫泉的補給區高程分別為3710m和3842m，位于溫泉東南方向的刺那一帶，補給區溫度分別為- 11.98℃和-12.91℃。

（3）天生橋和下給溫泉均為未成熟水，用陽(yáng)離子地熱溫標法對溫泉進(jìn)行地下熱儲估算，結果偏大，適合用SiO2地熱溫標。通過(guò)對淺部冷水與熱水混合比例的判斷，計算出兩個(gè)溫泉混合的冷水比例分別為52%和72％，結合SiO2地熱溫標得出熱儲溫度分別為98℃和160℃。