四川石棉縣草科鄉大熱水溫泉成因探討

張正鵬，周大吉，孫 東

( 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 610036)

0 引言

草科鄉地熱資源主要以溫泉的形式出露地表，人們利用溫泉時間較長，受限于水溫與水量，溫泉的利用方式為洗浴。在當前節能減排，大力發展清潔能源的大前提下，應充分研究分析草科鄉溫泉的形成模式，并在此基礎上全面開發地熱資源。

前人對草科鄉地熱的形成模式有不同的認識，一種觀點認為草科鄉大熱水溫泉的補給區位于草科鄉西南側的貢嘎山南坡[2]；另一種觀點認為磨西斷裂在草科地熱區形成了負花狀構造，地下熱水沿摩西斷裂上涌，在分支斷裂處分為多支，并在地表出露，從而形成大熱水、小熱水溫泉[5]。

本次研究在綜合地質調查、物探、鉆探及前人成果的基礎上，認為草科鄉大熱水溫泉的補給區位于大熱水所在位置的南側山區，且大熱水、小熱水溫泉的出露均受控于草科斷裂。

1 研究區概況

1.1 研究區地質

溫泉出露于上二疊統(P2)的大理巖中，中間夾有云母片巖。

草科鄉所在區域內構造見圖1，主要構造：① 草科斷裂：草科斷裂北起灣東之西，向南分為兩支大致平行延伸，至草科東部又合為一，長超過23 km，北段走向近SN，南段NW20°。斷裂發育于二疊系變質巖中。斷面東傾，傾角70°～80°，斷距超過500 m[1]。② 草科向斜：位于磨西斷裂和草科斷裂之西，走向NW10°，北端延入瀘定境內，長達60 km。核部為上二疊統，兩翼為下二疊統，西翼與毛坪背斜毗鄰[1]。③ 毛坪背斜：位于草科向斜西側，并與之平行，延展超過35 km，兩翼地層較陡，一般大于50°，局部倒轉。東翼稍緩，傾角一般為30°～50°，局部直立。軸面略向東傾，脊線略具起伏，傾伏角約為30°。該背斜為樞紐向南傾伏的緊密線狀尖棱褶皺[1]。

圖1 草科鄉構造綱要圖Fig.1 Structural outline map of Caoke Township1—背斜 2—向斜 3—深大斷裂 4—一般斷裂 5—剖面線

1.2 研究區水文地質

根據本次對研究區水文地質調查的可知：① 田灣河草科鄉溫泉(大熱水溫泉、小熱水溫泉)均出露于田灣河南岸，北岸無出水點及熱水活動痕跡；② 小熱水溫泉出露于田灣河南岸的坡腳及河漫灘，且靠近河漫灘水溫相對于坡腳較低；③ 根據多位村民敘述：2007年前小熱水溫泉水溫約43℃，水量為現在的3～4倍；2007年在小熱水南側山坡距離小熱水200 m位置施工EW向引水隧道后，小熱水水溫與水量驟減，現小熱水溫泉水溫為27℃，出水點的水量約0.7 L/s；④ 大熱水溫泉出露于田灣河右岸坡腳，溫泉沿基巖裂隙出露，水量約900 m3/d，水溫42℃，溫泉存在時間超過60年，且水溫、水量多年未變。⑤ 大熱水出露于田灣河南岸，南岸為陡崖，北岸為古滑坡(滑坡跡象明顯)，大熱水出露點所在位置除溫泉點外無其他地方出露溫泉(圖2)。⑥ 土壤測溫分析：測溫成果圖(圖3)表層地溫測溫資料顯示，高溫帶主要位于田灣河的南岸，沿南岸的山腳順河分布，高溫帶分別以小熱水與大熱水為端點[3]。

圖2 區域水文地質圖Fig.2 Regional and hydrogeological map of the study area

圖3 地溫成果圖Fig.3 Ground temperature result map of the study area1—地表測溫30℃～45℃ 2—地表測溫25℃～30℃ 3—地表測溫13℃～25℃ 4—地表測溫<13℃ 5—測溫點

1.3 研究區物探

本次物探采用的是音頻大地電磁法(AMT)。其成果顯示，在穿過大熱水的L01號物探剖面(圖4)[1]中，顯示在大熱水溫泉的下方發育一低阻帶，該低阻帶與ZK02井下方的低阻帶具有連通性，且ZK02井揭露的溫泉出水后，大熱水溫泉的水量顯著減小，因此可以判定，該低阻帶為深部的熱水儲水帶。

圖4 物探成果圖Fig.4 Geophysical exploration result map of the study area

1.4 鉆探驗證

本次研究區布設2口鉆孔，2口鉆孔均布設在音頻大地電磁測深的低阻帶上。先后施工ZK01、ZK02井。ZK01井井深為150.30 m，施工過程中無水活動及溫度異常顯示[1]。

ZK02井位于大熱水溫泉對岸，距離約86 m。鉆探施工過程中0～40 m為正常鉆進段，該段無溫度及水量異常，該段巖心主要為沖洪積卵石層；40～84 m段，巖心為大理巖、變質砂巖，該段巖心較為完整，局部存在裂隙，該段鉆井時出現涌水現象，涌水量約200 m3/d；84～96.2 m巖性以大理巖、變質砂巖為主，但巖心較為破碎，局部巖心斷面可見擦痕，揭露該段后涌水量立刻增加至1225.68 m3/d，穩定水溫45℃。ZK02井自涌水的第二天，大熱水溫泉的流量逐漸減少，6天后大熱水溫泉的涌水量約150 m3/d[1]。

由此可知：①ZK02井揭穿的熱儲層與大熱水溫泉熱儲屬于同一熱儲層；②40～84 m段基巖較為完整，裂隙發育程度較低，可視為蓋層，但蓋層條件較差，部分地下熱水會沿河床低排泄；③ZK02井揭露的熱儲帶未向ZK01井方向延伸(未沿田灣河向下游延伸)。

2 水質與氫氧同位素分析

2.1 水質分析

本次采集了大熱水、小熱水、地熱井水質進行分析，根據水質成果可知(表1)[1]：

表1 大熱水、小熱水及地熱井水質成果Table 1 Water quality data of Large Hot spring， Small Hot spring and geothermal well

1)小熱水受地表水混合較多，大熱水、地熱井受地表水混合量較小。

2.2 氫氧同位素分析

大熱水溫泉的氫氧同位素位于西南地區大氣降水線[4]的左上方且靠近西南地區大氣降水線(圖5)。說明：①溫泉水的補給源為大氣降水；②溫泉水在地表出露段接受了地表水的混合。

圖5 大熱水溫泉水樣δD - δ18O關系圖Fig.5 δD - δ18O diagram of water samples in Large Hot spring

根據δ18O的高程效應補給高程公式計算，計算結果見表2。

Z=Z0+(D-D0)/gradD

(1)

式中：Z為地下熱水的補給高程，m；Z0為參照點地面高程，m；D為地熱水的δ18OSNOW；D0為當地大氣降水的δ18OSNOW；gradD為δ18O隨高程遞減梯度，取-0.26%/100 m[1]。

表2 補給高程計算成果Table 2 Calculation result of replenishment elevation

3 討論

3.1 補給水源

根據氫氧同位素分析可知，大熱水、小熱水溫泉水的水源主要為大氣降水，補給區高程為2673 m。

本次調查可知，田灣河溝域內的地熱資源主要分布于南岸，且結合土壤測溫成果可知，高溫帶均分布于靠近田灣河南岸坡腳，可知草科鄉溫泉大熱水、小熱水溫泉水的來源位于田灣河的南側，與北側無關。

結合區域水文地質圖可知田灣河南側山區的花崗巖與大理巖之間為侵入接觸帶，侵入巖接觸帶中的大量成巖裂隙為地下水的賦存提供了較好的空間。

3.2 運移通道

研究區位于磨西斷裂西側，該區域受磨西斷裂影響在西側發育一系列走向近SN的構造，形成了走滑斷裂系統中的負花狀構造[5]，前人的地震解譯資料也可證明負花狀構造的存在[6]。

因此本次研究認為在大熱水、小熱水南側的區域可能發育一條SN向的斷層或節理裂隙密集帶，該斷層或節理裂隙密集帶聯通了侵入巖接觸帶，為賦存于侵入巖接觸帶的地下水向南運移提供了徑流通道。本次鉆探揭露的巖心斷面中的擦痕亦證明了該斷層或節理裂隙密集帶的存在。

3.3 埋藏條件

根據本次研究工作可知，草科溫泉的地下熱水主要賦存于大理巖中，大熱水溫泉位置熱儲層頂板埋藏深度為96.2 m，該儲層的裂隙較為發育，為地下熱水的賦存提供了良好的空間。

3.4 熱源

研究區地熱系統的熱量來源包括地殼放射性生熱(60 mW/m2)[7]、部分熔融體熱傳導(15 mW/m2)和走滑斷裂摩擦生熱(<20 mW/m2)。研究區地熱系統的熱量來源為多源型，受到地殼放射性生熱、部分熔融體導熱和走滑斷裂摩擦生熱的共同作用，其中燕山期—喜山期花崗巖的放射性生熱是地熱系統的主要熱量來源[5]。

4 地熱模型

小熱水溫泉由于人工活動導致地下水的天然排泄條件發生改變，因此本次不對其地熱模型進行深入研究分析。

綜上，大熱水溫泉的補給源為南側山區的大氣降水，徑流通道為侵入巖接觸帶與SN向的斷層或節理裂隙密集帶，在排泄區由于草科斷裂的原因導致溫泉與古滑坡在田灣河南岸出露于地表。其地熱模型見圖6。

圖6 大熱水溫泉形成模式圖(注：該剖面圖為區域水文地質圖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—花崗巖 2—大理巖 3—斷層 4—裂隙 5—大氣降水 6—溫泉出露點 7—施工地熱井 8—地下熱水流向

5 結論

本次研究認為草科鄉大熱水、小熱水的補給水源位于田灣河南側山區，平均補給高程為2673 m。接受大氣降水補給的地下水沿侵入巖接觸帶與SN向的斷層或節理裂隙密集帶向南徑流，在徑流過程中，隨深度增加，溫度也增加，最終在田灣河溝谷內遇草科斷裂的橫向切割，導致地下熱水沿草科斷裂裂隙上涌，并出露至地表形成大熱水溫泉。