磨房沟温泉水形成因素及化学成分特征

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论文摘要

  磨房沟温泉构造上位于鲜水河断裂带南延部分。鲜水河断裂带是我国着名的活动性强震带,也是引人注目的水热活动带,地热资源相当丰富。地热温泉作为一种特殊的自然资源,因其能源价值、经济价值备受政府和投资者青睐。由于温泉是特殊地质条件的产物,国内外学者对温泉做了大量研究,主要研究温泉水补给源、形成机理、水化学特征、成因模式。

  本文系统阐述了磨房沟温泉区域地质背景、水文地球化学特征、热储结构等地质特征,在分析热源、水源、导热通道等要素基础上提出了磨房沟温泉的成因模式,对磨房沟温泉地热区的开发利用具有一定的指导意义。

  1、温泉的出露特征

  磨房沟温泉位于九龙县洪坝乡西北部,海拔高程在2410~2450m之间。温泉出露于磨房沟沟谷右岸岩壁,为一上升温泉泉群,沿磨房沟沟谷呈条带状展布,其中较大的泉眼有3个(出露情况见表1),岩壁上还有许多小的泉眼,有水渗出。温泉在1#、2#泉口处形成一水塘,有大面积钙华堆积,表面长有青苔,随着温泉水的溢出,涌冒出大量气泡。温泉水清澈透明,伴有臭鸡蛋气味。【表1】

  2、地质背景

  磨房沟温泉地貌上位于青藏高原向四川盆地过渡的高中山区;地层主要为P21玄武岩,P22大理岩夹板岩,P23、P24大理岩夹绢云母板岩,T1-2板岩夹变质砂岩、大理岩,江官山混染石英闪长岩(鋙51)。

  构造上受青藏滇缅印尼“歹”字形构造及派生次一级构造-雅江旋转构造控制,发育有正沟断层及其次级断层,属压扭性断裂,是温泉地区唯一起控制作用的主干断裂,断层走向近北东-南西向,延伸约10km。

  【图1】【图2】【图3】

  温泉出露区的地质构造控制了该区含水地层的平面分布和空间格局,区内可划分为三个水文地质单元:江官山附近的混染石英闪长岩,赋存风化裂隙水和构造裂隙水;洪坝附近的二叠系上统下黑色岩段(P22)、绿色岩段(P23)、上黑色岩段(P24)含水层,赋存碳酸岩类岩溶水;正沟-磨房沟以西地区主要为三叠系板岩、变质砂岩、石英细砂岩等碎屑岩类,赋存碎屑岩类层状裂隙水。

  区内地震频繁,据不完全统计历史发生过地震147次,5级以上地震13次,其中6次发生在磨西-石棉富含高温热水的断裂密集带,5级以下地震绝大多数发生于温泉分布的各断裂密集带。区内地震主要为浅源地震,具有能量大,破坏力强的特征,与区内温泉的成生关系十分密切。

  3、温泉的水文地球化学特征

  3.1水质分析

  2013年3月10日,成都理工大学赴九龙县洪坝乡采取洪坝乡磨房沟温泉水、洪坝滨多组磨菇厂冷泉水水样,同年3月13日送往四川省地质工程勘察院环境工程中心按《地下水质量标准(GB/T14848-9)》进行常规水质分析,水化学成分见表2。【表2】

  洪坝滨多组磨菇厂冷泉出露于第四系覆盖层,水环境良好,水温为14.5℃,为常温水,水化学类型为HCO3·SO4-Ca型,矿化度160.6mg/L,pH为7.9,属低矿化度淡水、中性水,总硬度为80.1mg/L,总碱度为72.6mg/L;洪坝乡磨房沟温泉水泉口水温61.2℃,pH值6.8,水质类型为HCO3-Na型水,矿化度为2710.4mg/L,矿化度相对较高,属高矿化度水,总硬度为390.4mg/L,总碱度为1483.8mg/L,温泉水中F-含量为1.08mg/L,Li+含量为2.351mg/L,硼酸盐含量为20.22mg/L,为含锂、偏硼酸的硫化氢高温医疗热矿泉水。

  3.2水文地球化学特征

  滨多组磨菇厂冷泉水阴离子以HCO3-、SO42-离子为主,阳离子以Ca2+为主,是典型的地表水类型,Ca2+含量略高,反映该泉水循环不深,在地下贮存时间不长,但离子在运移过程中存在交替作用,泉水离子成分发生了一些变化,可以代表该处裂隙潜水。

  磨房沟温泉水的水化学类型、矿化度与浅层地下水(洪坝滨多组磨菇厂冷泉水)的特征存在明显差异,显然是不同类型的水文地球化学的产物。磨房沟温泉水水化学类型比较复杂,这与温泉区的地质构造、围岩性质、水动力及水热条件有关,温泉水热活动程度的各项标志以及热水化学组分的迁移富集特点,几乎都呈现断裂带温泉的特点。

  分析磨房沟温泉水质分析资料,认为温泉地热水具有以下水文地球化学特征:1)水化学成分的亲合性与相斥性分析表明Na+、K+、Mg2+及偏硅酸主要来自地壳深部,而Ca2+则主要来源于浅中部岩层通过岩溶化作用形成;2)温泉水中Na+含量为560.0mg/L,为浅层地下水中含量的100多倍,Cl-含量为141.8mg/L,远远高于浅层地下水中的含量,说明磨房沟温泉地热水循环很深,径流途经长,在地下的贮存时间较久,淋滤溶蚀作用强烈;3)地下热水主要为大气降水、冰雪融水出露区补给,在深部循环的过程中经过溶解、吸附、离子交换等地球化学作用,形成富含多种微量元素和有益成分的具有特色的热矿泉水;4)有花岗岩侵入、地震烈度高的活动性断层带,温泉水温高。

  3.3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,这个“记忆”仍予保持。测区温泉采用《地热资源地质勘查规范》(GB11615-2010)附录A中Na-K赫尔盖森地热温标计算(公式1)。

  t=933lg(c1/c2)+0.993-273.15公式1计算公式适用温度25~250℃。式中:t为热储温度,单位为摄氏度(℃);C1为水中钠的浓度,单位为毫克每升(mg/L);C1为水中钾的浓度,单位为毫克每升(mg/L)通过计算得出磨房沟温泉平均热储温度为151.50℃,推算出温泉地下水循环深度,计算公式如下:

  H(m)=1003(t-t0)+H0公式2式中:H为热储深度(m)、100/3为地热增温梯度;t0为常温带梯度,本区取17℃;H0为常温带的深度,本区取40m。

  推算得出热水地下循环深度约为4500m,数据表明温泉形成较深、运移途径较远。

  3.4温泉动态变化

  将本次水样水质分析结果与1978年中国人民解放军〇〇九三五部队所取水样水质分析结果进行对比分析,常量组分K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-含量变化不大,水温稳定,受气候的影响较小,电导率和PH值变化幅度都很小,相对较稳定,可见磨房沟温泉水水质比较稳定。温泉温度和流量动态特征揭示洪坝温泉具有稳定的补给源、地下水运移深度较大。

  【表3】

  4、温泉成因分析

  4.1成因模式

  磨房沟温泉出露于含水性较弱变质岩区,温泉的形成与侵入岩、构造和裂隙发育有关,属断裂深循环型温泉。磨房沟温泉其成因模式可能是大气降水沿区内北东侧闪长岩侵入体边缘外接触带构造裂隙进入含大理岩的P2地层的深部,进入地下水深循环系统,溶解碳酸钙和石膏,通过地热增温,沿南西向径流,在正沟次级断层破碎带处径流受阻,以泉水的形式流出地表。补给区和排泄区存在地下水水头差,也是温泉形成的重要条件。

  【图4】

  4.2温泉形成条件

  地下热水的形成必须同时具备热源和水源。九龙东北部构造运动强烈,形成有多个大型构造体系,新构造运动至今仍有活跃的表现,不同地质历史时期岩浆活动也十分强烈,它们为地下热水的形成提供了充足的热源,而强烈的构造运动,不仅使得区内地层破碎,构造裂隙发育,利于地下水的补给、富集、运移和水岩之间的能量变换,而且也为热水的深循环和出露创造了条件。

  纵观全区,地下热水均是地下水在深循环过程中不断获取热量而成,而本区强烈的构造运动和岩浆活动均是地下热水形成的有利条件。

  1)储层。根据水文地质特征,区内地层垂向结构可分为三层,即浅部变质碎屑岩弱透水盖层、中部碎屑岩夹碳酸盐热储层、深部碳酸盐质热储层。区内热储层分布面积广,主要为沉积厚度较大的P22和P23地层,岩性主要为大理岩夹板岩,由于渗透性较好,裂隙、溶洞和构造发育,层位稳定,成为良好的热储层。

  2)盖层。P24变质砂岩夹大理岩透镜体仅含较弱-弱的孔隙水和层状风化、构造裂隙水,浅部水温仅高于区内年平均气温1~2°,与深部地热无关,构成区内最上部隔热隔水保温盖层。

  3)导热通道。地下热水通道是指地热水在静水压力作用下上涌的构造通道。区内正沟断层受后期多次构造运动影响,反复继承和复活,具有多期活动及先压后张的特征,而且深切基底,是一条具继承性活动的导热断裂,均对沟通深部热源起到了至关重要的作用。

  4)水源。地下热水的水源来自大气降水和高山冰雪融水。

  补给区位于研究区东北部的江官山西北及毗邻山区岩浆岩围岩接触带,补给高程大致为4000m。由于补给区的围岩接触带透水性较好,且构造发育,有利于大气降水的渗透和下渗,当下渗到浅变质岩系与深变质岩系的界面附近时,部分下渗水将通过深循环加热。受正沟断层的影响,高温热水于磨房沟断裂带处径流受阻,在静水压力作用下沿断裂上涌,温度有所降低,形成温泉。

  5)热源。贡嘎山研究者认为这一带近期岩浆侵入活动频繁,贡嘎山基底可能为一异常活跃且持续上升的岩基或岩盘,说明该区是深部热源上升的通道。磨房沟温泉热源除来自地下水在地壳内深循环过程中正常的地温梯度外,还来自于闪长体上升侵位过程中携带的热量和混染闪长岩中的花岗岩体内放射性元素产生的热。

  5、结论

  (1)洪坝乡磨房沟温泉以泉群的形式出露于正沟断层次级断裂带处,水化学类型为HCO3-Na型,矿化度为2710.4mg/L,矿化度较高,Cl-、Na+含量高,说明其在地下径流时间长、途径远。

  (2)温泉成因模式为大气降水沿闪长岩体围岩接触带构造裂隙进入含大理岩的P2地层深部,溶解碳酸钙和石膏,通过地热增温,再通过断层破碎带以泉水的形式流出地表。

  (3)温泉水为含锂、偏硼酸的硫化氢高温医疗热矿泉水,具有很好的医疗保健功能。泉水水温高,流量四季变化小,尚未出现温度,流量衰减的现象,说明该地区地热储量丰富,具有很好的开发价值。(本篇化学论文图标略)

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