西藏加查象牙泉水文地球化學特征及成因

章 旭,郝紅兵,劉康林,毛武林,肖 堯

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質中心，四川 成都 610081)

泉華主要是指在泉口附近從泉水中沉淀下來的疏松多孔物質，自然界最常見的泉華有硫華、硅華、鈣華、鹽華和金屬礦物五大類[1]。作為大自然獨特的自然景觀和旅游資源，泉華在我國西部和北方部分地區較為常見，西藏、四川、云南及山西等省份均有分布，最為典型的當屬四川黃龍鈣華景觀、云南白水臺鈣華灘、雞飛溫泉鈣華、新疆托云泉華、西藏塔格架溫泉鈣華瀑布等，國外以土耳其的棉花堡(Pamukkale)、美國黃石公園(Mammoth)、意大利的蒂沃利(Tivoli)等鈣華沉積最為著名。目前，泉華的研究主要集中于泉華的形成機理和影響因素，基于泉華的古環境重建和構造活動性，泉華對氣候環境變化的指示作用等方面。閆志為等[2-5]通過實驗表明溫度、CO2分壓、氯化物、硫酸根離子等對巖溶地下水中方解石、白云石的溶解平衡及碳酸平衡存在正相關作用。沈永平[6]推測西藏聶拉木縣科亞盆地科亞泉華形成于距今18 000～22 000 a前，并以此推論喜瑪拉雅山地區在18 000 a前達到最冷期；王紹令[7]通過對青藏公路沿線、西藏聶拉木科亞河岸等地區泉華開展14C測年研究，認為青藏高原古泉華和碳酸鈣鈣華物均形成于15 000～22 000 a前，屬晚更新世后期的產物。Mesci等[8]研究認為土耳其中部錫瓦斯地區大量鈣華的形成與活動構造密切相關。薛治國等[9]對位于中吉邊界的烏恰縣托云鄉境內蘇約克泉華開展U-Th定年標定時間，提取了地震在泉華沉積中的記錄。劉再華[10]認為鈣華將作為第四紀高分辨率古氣候環境重建的記錄，在第四紀古氣候重建中有獨特的優勢。Matsuoka等[11]等通過對日本西南部Shirokawa表生鈣華研究，認為鈣華年層的氧同位素周期性變化能有效記錄古環境溫度。劉再華等[12]通過山西娘子關綿河不同階地上沉積的泉鈣華230Th定年和碳氧穩定同位素組成測定，認為綿河Ⅱ級階地沉積的娘子關泉鈣華的最老年齡為407～466 ka，自Ⅱ級階地鈣華形成至今，氣候總體向干冷方向發展。薛傳東等[13]通過滇中路南石林地區的鈣華沉積層研究，獲得了區內距今33×104～4.4×104a的古氣候環境的變遷信息?？傮w而言，泉華的研究理論成果較為豐富，但研究手段及方法較為單一，運用水文地球化學、地球化學、構造地質學等跨學科理論對其進行綜合研究較為少見。國內已有泉華的研究主要集中于氣候溫暖濕潤的巖溶地區，對青藏高原高寒地區的鈣化形成機制研究甚少。

象牙泉地處青藏高原高寒地區，因其鈣華沉積酷似“象牙”而聞名，其景觀壯麗，被視為圣水之泉，賦予了神秘的宗教色彩。近年來，隨著象牙泉旅游資源的開發，象牙泉“象身”的泉華沉積剝離速度日趨加快，亟待采取科學、有效的措施加強對象牙泉地質景觀的保護。然而，目前象牙泉地質、水文地質各方面的研究幾乎空白，開展象牙泉及泉華形成機制研究，對象牙泉旅游業可持續開發及地質景觀資源保護具有重要意義；象牙泉地處青藏高原高寒地區，其研究對雅魯藏布江構造帶古環境演化、新構造活動及青藏高原氣候環境變化研究均具有重要的科學價值。

本文在全面收集象牙泉已有地質、水文地質資料的基礎上，充分利用項目2017—2018年1∶25萬水文地質調查成果，采用泉華組分分析、水文地球化學方法研究象牙泉水化學組分特征、泉華類型，探討泉水溶質組分形成的水化學過程，分析泉水的補給來源和徑流特征，初步建立象牙泉形成的概念模型，對泉華的形成和演化作了較為系統的研究。研究成果對象牙泉旅游資源的可持續開發和保護具有重要的指導意義。

1 研究區概況

象牙泉位于西藏山南市加查縣加查鎮以東，距加查縣城10 km，屬高山深切河谷地貌，河谷寬緩，階地發育；岸坡陡峭，地形坡度40°～60°，高差2 000～2 500 m。象牙泉下側為G318國道，交通便利。屬于高原溫帶半濕潤氣候區，年平均氣溫9.2 ℃，年平均降水量540.5 mm，主要集中在5—9月，占全年降水量的90%以上，降水年際變化差異大、降雨期集中。

象牙泉泉域由新至老出露地層為古近-新近系大竹卡組(E3N1d)，巖性為粗砂巖、含礫砂巖、礫巖；白堊系下統侵入巖(K1δo)，巖性為石英閃長巖；侏羅-白堊系嘎學巖群(JKg)，巖性為絹云板巖、硅質巖等雅魯藏布江構造帶混雜巖。泉出露于雅魯藏布江構造帶北側，墨竹村—榮波斷裂與岡底斯-念青唐古拉陸塊接觸帶(圖1)。

圖1 研究區地質背景圖Fig.1 Geological background map1—地層代號；2—白堊系-新近系侵入巖；3—向斜及編號；4—韌性剪切帶；5—走滑斷層；6—逆斷層；7—推測斷層；8—地質界線；9—溫泉;10—常溫泉；11—象牙泉

地下水類型主要為基巖裂隙水，按含水層巖性、儲水介質，可劃分為碎屑巖裂隙孔隙水、變質巖裂隙水及巖漿巖裂隙水。碎屑巖裂隙孔隙水賦存于大竹卡組(E3N1d)，其礫巖、含礫粗砂巖可達10層，單層厚度可達129 m，砂礫巖占地層總厚度比例可達50%以上，挾持于雅魯藏布江構造帶與岡底斯-拉薩陸塊間，斷裂發育，構造裂隙為主要儲水介質，該含水巖組泉水大多出露于巖性接觸面、斷層接觸帶等礫巖之中，泉水流量一般為0.05～10 L/s，流量動態穩定，屬于典型的構造控水而富水。變質巖裂隙水賦存于嘎學巖群(JKg)，泉水流量0.01～15.0 L/s，平均2.39 L/s，該類地下水多具淺循環地下水特征，流量動態變化大，富水性相對較差。巖漿巖裂隙水主要沿北側分水嶺一帶展布，含水巖組為白堊系下統侵入巖，泉水出露較少且流量小、動態變化大，富水性貧乏。

2 象牙泉出露特征及鈣華景觀

象牙泉出露于雅魯藏布江左岸，出露高程3 208 m，由象牙泉源泉及泉華沉積組成。象牙泉源泉位于“象身”尾部，呈單股狀流出，具泥腥味，略呈淺黃色，極少含有沉淀，水溫16.1℃，流量0.05 L/s。泉華沉積為象牙泉泉水沿流動路徑上形成的大型泉華錐，似倒三棱錐體狀，泉華錐前緣因酷似“象牙”而得名。象牙泉鈣華錐呈北東-南西向展布，“象脊”南北長約12 m，“象身”東西最寬約5 m，“象牙”高約3 m，整個泉華堆積體總出露面積約70 m2，泉華堆積體積55 m3。泉華沉積呈薄層魚鱗片狀發育，膠結較好，孔隙及晶洞較發育。象牙泉泉華錐身顏色五彩斑斕，以沿“象脊”展布的“血管”最為絢爛，呈褐紅色、黃色、紅色，沿脊身由上至下逐漸變淺，呈淡黃色、灰色、白色，常因其所含鐵質、錳質氧化后而顯褐色、黑色斑點。

據象牙泉泉華化學組分分析(表1)，象牙泉可定義為鈣華為主、硅華次之的常溫泉類鈣華。

3 泉水水文地球化學特征

3.1 水化學組分特征

依據2017—2018年水化學測試結果(表2)，象牙泉屬中偏弱酸性微咸水。陽離子以鈉和鈣為主，陰離子以碳酸氫根和氯離子為主，水化學組分年際變化較穩定。象牙泉屬于鋰、鍶、偏硅酸型天然礦泉水，但Mn含量超標。

由Piper三線圖可知(圖2)，象牙泉水化學類型為HCO3—Ca型水。據Schoeller指印圖(圖3)，沿構造帶出露泉水中各化學組成均呈現出相似的特征，揭示沿構造帶內地下水形成模式及來源具相似特征[15]，而象牙泉具有較高含量的Cl-、Na+及稍高的溶解性總固體，說明象牙泉具有較為深遠的徑流途徑或者緩慢的循環速度。

圖2 水化學宏量組分Piper圖Fig.2 Piper diagram of chemical macronutrients

圖3 常量組分特征Fig.3 Characteristics of constant components

表1 象牙泉鈣華物化指標測試Table 1 Analytical results of the Ivory spring travertine

表2 象牙泉水文地球化學特征Table 2 Hydrogeochemical results of theIvory spring

3.2 飽和指數(SI值)特征

從飽和指數計算結果(表3)可知，象牙泉源泉中文石、方解石、玉髓、石英、白云巖均處于飽和狀態，尤其是方解石與玉髓SI>0.5，處于過飽和狀態[16]，說明CaCO3、SiO2在一定條件下將會沉淀析出，形成鈣華、硅華等泉華。

通過計算SI值與象牙泉鈣華物化指標測試對比(圖4)，象牙泉中可析出沉淀礦物成分與鈣華測試物化指標近乎一致，再次印證了象牙泉泉華以鈣華為主、硅華次之的特征。

表3 飽和指數SI模擬結果Table 3 Simulation results of saturation index

圖4 象牙泉SI值與鈣華成分組成對比Fig.4 Comparison of SI value and calcification composition of the Ivory spring

3.3 水化學過程特征

根據象牙泉水文地球化學分析，象牙泉具有較高含量的Cl-、Na+及稍高的溶解性總固體，且其較多礦物SI值均處于過飽和狀態，說明象牙泉徑流途徑較長，具有強烈的水巖相互作用過程。

根據TDS與Cl/(Cl+HCO3)和Na/(Na+Ca)的關系，可將地下水水化學組分的成因類型劃分為巖石風化型、大氣降水型和蒸發-濃縮(溶解-沉淀)型三類[17]。由象牙泉Gibbs關系圖(圖5)，象牙泉為溶解沉淀型，其主要組分來源于水巖相互作用過程，而沿雅魯藏布江構造帶上出露的大多數泉水為巖石風化型[18]。

圖5 水樣的Gibbs 關系圖Fig.5 Gibbs plot of the water samples

(1)

圖6 (Ca2++Mg2+)和和關系圖Fig.6 Relationship between(Ca2++Mg2+)and

4 象牙泉泉水的形成

4.1 地質構造條件

象牙泉地處青藏高原中南部，位于雅魯藏布江構造帶上。雅魯藏布江構造帶北側為岡底斯—念青唐古拉陸塊，二者分界為墨竹村—榮波斷裂；南部為康馬—隆子褶沖帶，二者分界為嘎竹—諾崩池斷裂。象牙泉出露于墨竹村—榮波斷裂與岡底斯—念青唐古拉陸塊接觸帶上，其賦存含水層依次為古近—新近系大竹卡組(E3N1d)，含水層巖性為粗砂巖、含礫砂巖、礫巖；白堊系下統侵入巖，含水層巖性為石英閃長巖。

由表4可知，雅魯藏布江構造帶在加查縣一帶寬度200～400 m，斷裂帶以糜棱巖為主，具阻水特征，而斷裂間以侏羅—白堊系嘎學巖群(JKg)硅質巖等混雜巖為主，其富水性較差。結合拉孜縣—日喀則市—拉薩市—澤當鎮雅魯藏布江結合帶調查[19]，基本認為雅魯藏布江結合帶為區域性阻水構造，其沿線展布的泉水均與近NS向發育的構造密切相關。

同時，雅魯藏布江結合帶為區域強烈構造活動區，區域內斷裂發育，以墨竹村—榮波斷裂為例，其具多期次、多層次活動斷裂，并伴隨韌性剪切—逆沖脆性改造一系列過程，于斷層兩盤形成了上百米不等的擠壓破碎帶，為地下水的賦存提供了優越的空間。

表4 雅魯藏布江結合帶構造特征Table 4 Structure characteristics of the Yarlung Zangbo suture zone

4.2 補給來源

2017—2018年分別在桑日縣增期鄉增久曲流域、米林縣臥龍鎮比撲曲流域及工布江達縣、巴宜區等地采集了67組天然泉水、2組大氣降水、3組高山湖水或冰雪融水的氫氧同位素樣，繪制出δD-δ18O曲線圖(圖7)。結果表明，象牙泉δD為-134.5‰，δ18O為-17.39‰，與區域內大多數出露泉水一樣，均分布于全球大氣降水方程線附近，說明象牙泉源泉主要為大氣降水補給[20]，此外冰雪融水亦會滲入補給。

根據大氣降水的氫氧同位素組成具有高程效應特征，推算出象牙泉的補給高程為3 906 m。根據其出露地形地貌及地質構造特征，考慮不同高程段大氣降水持續補給混合效應，認為象牙泉來自于3 900～4 000 m海拔以上大氣降水及冰雪融水的補給。

圖7 水樣δD-δ18O關系圖Fig.7 Plot of δD-δ18O of the water samples

4.3 形成模式

圖8 象牙泉成因模式示意剖面圖Fig.8 Schematic profile of genesis model of the Ivory spring1—泉華沉積物；2—崩積物；3—沖積物；4—大竹卡組；5—杰德秀組；6—早白堊世石英閃長巖；7—嘎學巖組；8—鈣華化學堆積；9—逆沖推覆斷層及破碎帶；10—象牙泉；11—推測地下水徑流方向；12—大氣降水或冰雪融水補給

5 象牙泉鈣華景觀的形成及演化趨勢

5.1 鈣華的形成機制

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O

(3)

由于泉水中含有低價鐵離子、錳離子，溫度的變化導致鐵、錳被氧化，并伴隨薄層鈣華沉積年層而形成棕紅色、鐵銹色等斑斕的顏色：

(4)

5.2 泉華景觀的形成年代

雅魯藏布江構造帶成因研究眾多，較多地質證據說明雅魯藏布江構造帶以特提斯洋多島洋的形式存在，并至少經歷了擴張碰撞(造陸)→擴張→碰撞→造山兩次開與合的構造運動過程[21-22]，目前處于第四紀陸內造山階段，該構造階段起始于上新世末至早更新世初，碰撞造山階段已近尾聲，區域上均處于造山后的應力松馳狀態。在第四紀造山期，主要經歷了早更新世間冰期間冰川、冰水沉積期→中晚更新世雅江張開階段→晚更新世繼續擴展、進一步擴大規模→全新世早期繼續拉裂、擴張期→全新世后期至今的地震和地熱構造活動期。全新世早期雅江拉裂、擴張期后，接受了一個較為穩定時段的湖相沉積，據14C法測試，此次構造拉張可能發生于1.24萬年左右。根據象牙泉鈣華沉積特征，其形成于具有相對穩定的構造活動期，結合其后緣巨厚層的冰水堆積層及與雅魯藏布江兩岸階地的發育特征，可推斷象牙泉至少形成于全新世早期雅江拉裂-擴張運動以后。

由于象牙泉鈣華主要物質來源為象牙泉源泉水中碳酸鈣飽和析出，其出露堆積路徑較短，可通過鈣均衡估算鈣華的沉積速率[23]，判斷其形成年齡[24]。

依據2017—2018年流量監測及鈣離子含量測試顯示，象牙泉中鈣離子組分穩定，流量亦穩定不變，由此可估算鈣離子的平均流入量為20.6 mg/s。依據碳酸鈣堆積量=鈣離子流入量×碳酸鈣的分子量/鈣的原子量，估算碳酸鈣的堆積量為4.45 kg/a；按鈣華的堆積量=碳酸鈣堆積量/63.07%計算，鈣華堆積量為7.06 kg/a，換算成體積為0.004 m3/a。

根據鈣華堆積體體積，估算象牙泉的形成時間為1.38萬年前，基本符合雅魯藏布江第四紀造山期構造運動的規律，推算鈣華沉積速率約為0.27 mm/a。

5.3 鈣華景觀的演化趨勢

由于前人對象牙泉泉水流量、泉華沉積速率動態變化特征的研究基本處于空白，從整體上很難評價其泉華景觀是處于成長抑或是衰退的動態平衡中，還是處于逐漸衰退中。但從2017年與2018年的SI指數動態變化看(圖5)，在泉水流量穩定的情況下，其不同礦物的飽和狀態處于變化的過程，反映了鈣華的形成具季節或年際變化特征。根據鈣華形成的控制因素及特征分析，認為象牙泉鈣華景觀基本處于穩定狀態，但受人類活動干擾，象牙泉鈣華沉積已受到一定程度破壞，亟需加強泉華景觀的地質環境保護。

6 結論及建設

(1)象牙泉泉華主要化學成分為CaCO3(占63.07%)，次要成分為SiO2(占10.19%)，屬鈣華為主、硅華次之的常溫泉類鈣華。

(5)象牙泉鈣華早形成于1.38萬年左右，鈣華堆積速率約為0.27 mm/a。

(6)象牙泉研究工作可在鈣化及源水碳硫同位素[25]、鍶同位素[26]，鈣華的14C法、36Cl法[27]、鈾系法測年等方面繼續開展研究。

致謝：感謝西藏國土資源廳、西藏地質二隊、西藏地熱地質大隊各位領導、專家對項目所給予的支持、指導和關心！