攀西裂谷紅格溫泉水文地球化學特征及地熱成因

肖志才，黃學蓮，李 丹，寇 燦

（1.麗江師范高等?？茖W校應用技術學院，云南 麗江 674199；2.中國地質大學（武漢）環境學院，湖北 武漢 430079）

0 引言

地熱資源是指能夠經濟地被人類所利用的地球內部的地熱能、地熱流體及其有用組分。相比太陽能、風能和水能等清潔能源，地熱能具有儲量巨大、資源密集、可梯級利用、供給穩定等特性，越來越受到世界各國的青睞[1,2]。為更好地服務生態文明建設，黨的十九大召開以來提出了“雙碳戰略”，促使能源革命向縱深發展，我國政府發布《中國地熱能發展報告（2018）》白皮書，指出我國地熱能資源豐富，開發利用潛力巨大，地熱能產業體系初步形成，但目前地熱資源探明率和利用程度較低[3]。

攀西裂谷位于康滇地軸與上揚子臺坳兩個二級大地構造單元的過渡部位，構造復雜、地震頻繁，具有多期巖漿活動，其構造格架明顯受區內南北向深大斷裂制約[4]。該裂谷內水熱型地熱資源非常豐富，如螺髻山溫泉、黑竹溫泉、凱地里拉溫泉、喜德溫泉、米易觀音溫泉、紅格溫泉、魚鲊熱水塘溫泉等。前人利用攀西裂谷溫泉分布、地球物理場和地質構造特征，探討過地殼熱狀態、區域成礦規律、地熱地質條件、地震成因及構造運動間的內在聯系。然而，攀西裂谷地熱水文地球化學方面的研究基礎比較薄弱，地熱成因研究不夠深入。本文通過開展地熱水文地球化學研究，有效約束地下水循環過程，分析水熱型地熱資源潛力，為該區域在雙碳戰略下，充分發揮資源稟賦優勢，促進地方經濟實現健康可持續發展提供基礎參考。

1 地質概況

紅格溫泉位于攀西裂谷南緣，距離四川省攀枝花市區不足30 km。紅格溫泉在區域構造上主要為南北向斷裂分布，其次為褶皺和斷陷。南北向昔格達斷裂和炳山箐斷層并列，東西向箐門口斷裂夾在其中，促成紅格坳陷形成。其中，昔格達斷裂是一條區域性深斷裂帶，北至西昌磨盤山，向南穿米易普威，沿金沙江向南，與云南綠汁江深斷裂帶相接。該斷裂在紅格地區切割了前震旦紀至中生代地層。區內前震旦系結晶基底密集裸露，巖漿巖廣布，構造形變強烈[5,6]。

研究區內出露地層巖性分布由老至新為：前震旦系會理群石英巖、千枚巖、板巖及硅質巖等；震旦系觀音崖組上部頁巖、灰巖、白云巖，下部石英砂巖；震旦系燈影組灰巖、白云巖組成，局部夾少量頁巖，地表溶溝、溶槽、溶蝕洞發育；新近系昔格達組頁巖、泥巖、細砂巖和粉砂巖互層，不整合于老地層或侵入巖之上。區內顯示多期巖漿活動，主要分布華力西期-印支期花崗巖、花崗閃長巖，巖體總體呈南北向展布。區內巖溶發育，巖溶水豐富[7]。

2 采樣分析

2.1 樣品采集

課題組于2022年4月23日深入攀枝花市鹽邊縣紅格鎮一帶調研并采取地下水樣品。紅格溫泉賓館所在處采取地熱水樣品3件，分別記為R1、R2、R3；在昔格達村大龍塘與小龍塘兩處采集冷泉水樣品2件，分別記為Q1、Q2；在昔格達村岔河采取井水樣品2件，第一口井在98 m深處取樣，記為J1，第二口井在30 m深處取樣，記為J2；在昔格達村坪子上采取井水樣品1件，為123 m深處取樣，記為J3。為保證所取水樣的性質及其化學成分的不改變，對裝有水樣的容器瓶均都進行了密封處理。具體采樣點見圖1。

圖1 紅格地質概況及采樣點位

2.2 樣品前處理

本次所采取的地下水樣品包含熱泉水、冷泉水和井水。采取井水時，先用水泵抽取10 min，再進行采樣。所有水樣帶回實驗室后，均用0.45 μm微孔濾膜過濾，裝入干凈的50 mL聚乙烯瓶里，并盡量保證水樣裝滿瓶內。在測試陽離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Si4+等）的樣品中加入優級純硝酸數滴進行酸化處理，保證水樣pH值＜2；測試陰離子的水樣則不進行酸化處理。

2.3 樣品測試

現場用溫度計測定了溫泉熱水溫度，約為41℃。水樣帶回實驗室后，24 h內對容易改變的水化學組分參數進行測試。如pH，使用pH S-25計測出；離子濃度采用滴定法測得。其余水化學指標則寄往中國地質大學（武漢）進行測試。其中，陰離子使用離子色譜（ICS-1100）進行測定；陽離子用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES 5100）測定；氫氧同位素用液態水穩定同位素分析儀（IWA-35-EP）測定。

3 結果

3.1 水化學測試結果

對本研究所采取地下水樣測定陰陽離子，檢測結果見表1。

表1 紅格地區水樣主要離子含量 （mg/L）

3.2 水化學類型

通過對兩種類型的地下水水化學分別進行組分相關性分析，其結果見表2和表3。

表2 地熱水化學組分Pearson相關性分析

表3 冷泉井水化學組分Pearson相關性分析

由表2可以看出，地熱水中K+與Ca2+、Mg2+、Si4+、和有良好的正相關，與F-和Cl-有明顯的負相關；Ca2+與Mg2+、Si4+和有良好的正相關，與F-和Cl-有明顯的負相關；Mg2+與有良好的正相關，與有明顯的負相關；Cl-與有明顯的正相關相關。

由表3可以看出，冷泉井水中K+與Si4+和Cl-有良好的正相關，與F-有明顯的負相關；Na+與Si4+、Cl-和有良好的正相關；Mg2+與有良好的正相關，與有明顯的負相關；Si4+與Cl-和有良好的正相關；Cl-與有明顯的正相關。

3.3 地熱溫標計算

地熱溫標是估算熱交換溫度簡單有效的方法。其原理是當深部基巖的某些礦物與熱水達到平衡狀態后，熱水上升至地表而水溫下降時，其中某些化學組分含量幾乎保持不變。這樣可以利用地下熱水的某些化學組分濃度或濃度比計算地下熱儲的溫度[8]。常見的方法包括陽離子溫標、二氧化硅溫標、同位素溫標和氣體溫標等[9,10]。本文選取三種地熱溫標計算公式分別進行計算。

（1）Na-K地熱溫標

多數地熱水中的鈉和鉀受基巖中鈉長石和鉀長石溶解的制約。由于共生堿性長石之間的鈉和鉀的交換反應達到平衡耗時較長，因此該溫標一般適用于循環時間長的高溫地熱系統、約200℃的地熱水的計算結果較為理想[11,12]。該溫標計算公式為：

利用Na-K溫標經驗公式計算得熱交換溫度為208.5~ 212.5℃。

（2）K-Mg地熱溫標

地下水經深部熱儲加熱后沿深大斷裂上升的過程中逐漸冷卻，化學組分可與圍巖反應發生再平衡。這種情況下，鉀鎂礦物的再平衡程度比較高。因此可以利用K-Mg溫標經驗公式計算地下熱水上升過程中最后達到平衡時的溫度。該溫度一般低于深部熱儲的溫度[13]。其計算公式為：

利用K-Mg溫標經驗公式計算得熱交換溫度為70.6~72.6℃。

（3）SiO2地熱溫標

經修正的二氧化硅溫標經驗公式適用于SiO2溶解濃度＜300 mg/L的中低溫地熱系統[14]。SiO2地熱溫標公式為：

式中：S—溶液中溶解SiO2的含量。利用SiO2溫標經驗公式計算得熱交換溫度為112.8~115.3℃。

3.4 氫氧同位素測試結果

天然水中有多種氫氧同位素水分子，這些水分子在質量和能級上有明顯差異，導致在一系列物理-化學過程中發生同位素分餾[15]。常見的引起氫氧同位素分餾的因素有溫度效應、緯度效應、高程效應、降雨量效應、季節效應和大陸效應等。因此，可以通過測試不同水的同位素組成，來反推其經歷的地質和地球化學作用。

對研究區地下水樣品做氫氧同位素測試，結果如表5所示。其中，地熱水的δ2H值為-104.99‰~-103.11‰，δ18O值為-13.14‰~-13.02‰；冷泉水的δ2H值為-89.10‰~-87.87‰，δ18O值為-11.70‰~-11.56‰；冷井水的δ2H值為-86.01‰~-84.76‰，δ18O值為-11.39‰~-10.96‰。

Craig通過統計全球各地區大氣降水中的δ2H與δ18O值，指出大氣降水中的δ2H與δ18O含量呈線性關系，并擬合出一條全球大氣降水線[16]，其方程式為δ2H=8δ18O+10。本研究測出的δ2H和δ18O值如圖3所示。地下水樣品均落在全球大氣降水附近，說明研究區地下水以大氣降水補給為主，地熱水接受大氣降水補給。

圖3 紅格地區地下水δ18O-δ2H關系圖

氘盈余（d-excess）被用來計算某樣品的氫氧同位素組成偏離全球降水線的程度[17]，其公式為：

氘盈余可以作為衡量水-巖反應中氧同位素交換程度的指標。d-excess值越小，表明地下熱水徑流時間、補給路徑越長，地質環境越封閉，水-巖反應越強烈。氘盈余計算結果如表4所示。地熱水氘盈余值為0.13~1.22，冷泉水為4.50~4.61，冷井水為2.92~5.36。

表4 紅格地下水氫氧同位素測試結果

4 水化學特征及成因分析

4.1 熱儲溫度

熱儲溫度是地熱資源評價和地熱系統研究的基礎。從以上三種地熱溫標的計算結果看，數據差異較大。Giggenbach提出Na-K-Mg三角圖解，認為地熱水在徑流過程中，水中的鈉鉀礦物達到溶解平衡的速度緩慢，而鉀鎂礦物更易達到溶解平衡[18]。因此，可以根據地熱水樣品在三角圖解中的分布情況，將地熱水分為不平衡水、平衡水和完全平衡水三種類型，從而判斷Na-K和K-Mg陽離子溫標的可信度。將研究區地下水中Na、K、Mg含量值通過計算后投影到三角圖解中，如圖4所示。

圖4 紅格地區地下水Na-K-Mg三角圖解

由Na-K-Mg三角圖顯示紅格地區地下水樣均靠近右下角Mg端元，而冷泉井水落在Mg端元邊界。地熱水為Na-Cl·SO4·HCO3型水，在深部熱儲內，含鈉、鉀、鎂礦物應是達到溶解平衡的[9]。地熱水在向上流動過程中，與圍巖發生溶濾作用，其碳酸鹽巖和碎屑巖類圍巖提供充分的、Ca2+、Mg2+離子，且在淺層與冷水混合后，熱水中原有的礦物溶解平衡被打破，在涌出熱泉口前來不及達到溶解平衡。由此推測，紅格溫泉的熱儲溫度可能比Na-K溫標計算結果還要高。選取TNa-K的計算值，則紅格溫泉地熱溫標的平均值為211℃。地表平均溫度取20℃，以常規地溫梯度30℃/km計算，推算出紅格溫泉地熱水循環深度約達6.4 km。

4.2 水文地球化學過程

從水化學元素相關性分析可以看出，總體上地熱水和冷泉井水在地殼內部經歷了明顯差異的水文地質過程。冷泉井水中K+、Si4+、Cl-、Na+和有良好的正相關性，推測紅格地區廣泛出露的碳酸鹽巖層中的鉀硝石，古老地層中的石英砂巖，中酸性侵入巖中的鉀長石、斜長石、石英和云母等礦物，共同控制了地下水中主要化學組分特征。地熱水中的K+、Ca2+、Mg2+、Si4+、和有良好的正相關性，說明有共同的補給來源，或者經歷了相似的水-巖相互作用。Na+與其他離子之間的相關性不明顯，可能與經歷冷熱水相互混合的復雜水文地球化學過程有關。兩組地下水種均顯示Mg2+與具有良好的正相關，暗示沉積地層中含有的石膏礦物主要控制了該組分的地球化學行為[5,13]?？傊?，研究區內的碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和硫酸鹽巖礦物的溶解和沉淀制約了地下水中化學組分的主要特征。

4.3 地熱成因

紅格溫泉處在磨盤山-綠汁江區域深大斷裂帶上，區內次級斷裂廣泛分布。從研究區水文地質條件看，昔格達斷裂為紅格溫泉的控熱、控水、導水構造[6]。熱源來自于現今仍處于強烈活動階段的昔格達斷裂帶深部，活動斷裂不斷產生摩擦熱，與地殼巖石尤其是中酸性巖漿巖的放射性生熱、地幔來源的熱能一道被6.4 km深度的地下水吸收，在強大的地應力作用下，沿斷裂破碎帶上升，地熱水與碳酸鹽巖地層中地下水運移進入斷層帶的豐富的巖溶水進行混合、熱交換，同時發生離子交換、吸附等化學反應，形成Na-Cl·SO4·HCO3型地熱水。

氫氧同位素測試結果顯示，研究區地下水落在整體近似平行于全球降水線的附近，說明地熱水補給方式主要來源于大氣降水。而地下水的δ18O值有向右“漂移”現象，這可能是攀西干熱河谷大氣降水的強烈蒸發作用導致的。其中，地熱水的“氧漂移”程度更明顯，可能是地熱水循環深度大，與圍巖接觸發生氧同位素交換使得δ18O值更偏右。同樣地，氘盈余計算的結果也反映地熱水經歷了較長的補給路徑，水-巖相互作用比較強烈。

5 地熱資源開發利用

目前，紅格溫泉賓館在使用的地熱水來自2003年下鉆100 m深、水溫56℃、涌水量可達727 m3/d的地熱井。其抽水試驗水量為70 m3/d、水溫50℃。該含水層為20 m以深至87 m以淺的斷層破碎帶，見強烈風化花崗巖，巖石蝕變程度較強，其上部隔水層為黏土層，下部隔水底板為花崗巖體[6]。本次調研發現，紅格溫泉出水口溫度有所下降，昔格達村泉水出現干涸，井中地下水位下降明顯，有一定的地下水超采現象。經了解，紅格溫泉資源開發利用過程中曾出現運營管理不善、市場結構單一等問題[19]。這些問題無疑制約著紅格地區地熱資源可持續開發利用。

從地熱地質條件看，研究區處在深斷裂帶，巖溶分布較廣，地下水賦存豐富，水熱資源潛力巨大，可供較長時間內科學合理開發利用，從而帶動地方經濟平穩持續發展。基于目前紅格地區開發利用地熱資源中存在的問題和調研結果，建議在后期地熱資源開發利用中遵循地熱資源開發潛力，注重科學管理，構建地熱水梯級利用模式，加強地熱水質和水文監測，將區域地下水資源安全保障和生態環境保護融入地熱資源可持續開發利用的過程中。

6 結論

（1）紅格溫泉地熱水為Na-Cl·SO4·HCO3型水，冷泉井水為Ca·Mg-HCO3型水。表明區內碳酸鹽巖、硅酸鹽巖和硫酸鹽巖礦物的溶解和沉淀制約了地下水中化學組分。

（2）地熱溫標結果顯示，Na-K溫標計算得熱儲溫度為211℃，K-Mg溫標的熱儲溫度為72℃，而SiO2溫標的熱儲溫度為114℃。氫氧同位素組成表明，大氣降水為紅格溫泉最主要的補給來源，其地熱水循環深度可達6.4 km。地下水的δ18O值有向右“漂移”現象，可能與攀西河谷大氣降水的強烈蒸發作用有關。其中，地熱水的“氧漂移”程度更明顯，可能是地熱水循環深度大，與圍巖接觸發生氧同位素交換。

（3）本文基于地熱地質和水文地球化學分析，認為昔格達斷裂為紅格溫泉的控熱控水構造。熱水沿斷裂破碎帶上升，與碳酸鹽巖地層豐富的巖溶水混合、熱交換、發生化學反應，形成Na-Cl·SO4·HCO3型地下水。

（4）研究區地下水賦存豐富，水熱資源潛力巨大，建議深入開展地熱資源系統調查，保障地下水資源安全和保護生態環境的同時，實現地熱資源可持續開發利用。此外，由于缺乏針對地熱異常區的地球物理勘探數據和大地熱流值的有效測量，本文對攀西裂谷地熱異常形成機制認識的支撐作用還比較薄弱，建議在后期深入開展地球物理結構、大地熱流、巖石地球化學和氣體地球化學的系統研究。