貴州息牟溫泉成因研究

林峰溫泉位于貴州省貴陽市北部，位于蘆峰縣東北40公里的天臺腳下。這是中國著名的優質“含硅酸和鈣的重碳酸”噴泉。它是中國著名的八個溫泉之一。富含微量元素的溫泉水對慢性風濕性關節炎、外傷后遺癥及原發性高血壓等多種疾病具有良好療效。息烽溫泉具有悠久的歷史,據《大清一統志》記載,早在清朝當地農民挖坑為池,露天沐浴等,迄今為止,已有一百多年的歷史。息烽溫泉的水文地質調查工作始于20世紀40年代,1942年地質學家樂森潯對息烽溫泉進行踏勘,并對溫泉成因做了初步探討。1957-1988年,貴州省地質礦產勘查開發局111地質大隊、105地質大隊、貴州大學、貴州工學院等多家單位分別對息烽溫泉水化學特征、水文地質條件等進行了調查研究。1982年中國科學院地球化學研究所姚在永等對息烽溫泉的環境地球化學進行了初步研究。筆者將在總結息烽溫泉的地質、水文地球化學、同位素及地溫場等特征,分析溫泉熱源、水源及導熱通道等要素的基礎上提出溫泉的地質成因模式,這將對今后息烽溫泉的資源利用及保護起到指導作用。1溫泉的形成特征1.1水質、地貌息烽溫泉地處黔中隆起東南部,山脈走勢、河流流向與構造線方向近于一致。自喜山運動以來,隨著貴州高原大幅度間歇隆升,區內地形受切割較為劇烈,多為侵蝕、溶蝕構造的中低山,海拔700~1300m,山體坡度30°~50°,溫泉正出露于強烈切割的狹窄菱形谷地之中,是由三口泉眼組成的上升泉泉群,泉點平均出露標高694m。經過多年來長期觀測,泉水溫度介于53~56℃間,總水量12.85~13.08L/s,多年觀測顯示其水溫、水量變化均較小。1.2洋水短軸背斜研究區位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱貴陽復雜構造變形區,屬新華夏系構造體系。區域構造線方向以北北東向、北東向為主,由西向東主要分布朝陽斷層、石頭田斷層及沙壩斷層等挽近期活動斷裂,發育的主要褶皺為洋水短軸背斜。洋水短軸背斜為一構造形跡較為完整的圓弧狀中常斜歪褶皺,軸面微傾南東,核部出露前震旦系上統板溪群變質巖、震旦系南沱組冰磧礫巖及震旦系燈影組白云巖。息烽溫泉出露于洋水背斜北傾伏端震旦系下統南沱組冰磧礫巖中,受斷裂切割,前震旦紀及早震旦統地層抬升,形成一平面呈三角形的地壘,整個地區受到強烈擠壓,裂隙發育(圖1)。研究區地層屬揚子地層區黔中分區的開陽小區,主要由下古生界-元古宇組成,出露前震旦系板溪群變質巖及震旦系白云巖、寒武系砂巖、頁巖、白云巖,其中,震旦系底部的陡山沱組生物化學沉積磷塊巖是區內磷礦的主要開采層。周邊地層主要為中生界-二疊系、三疊系碳酸鹽巖夾碎屑巖。1.3云巖巖石學特征洋水背斜南段及兩翼出露的上震旦統燈影組是區內主要的熱儲含水層,厚度240~350m,巖性以顆粒白云巖、藻屑白云巖為主,其構造裂隙及古巖溶較發育,具有較好的透水性和儲水性;燈影組上覆的下寒武統金頂山組、明心寺組及牛蹄塘組是主要的熱儲蓋層,巖性為砂巖、頁巖及碳質頁巖,累計厚度大于500m,具有很好的隔水、保溫作用。貫穿洋水背斜的北北東向朝陽斷裂、沙壩斷裂和石頭田斷裂發育深度大,且具有挽近期活動斷裂的性質,是研究區內導通地熱流體的主要通道。2熱流場分布特性研究區遠離板塊邊緣,無年輕巖漿體分布,屬板內地熱系統,息峰溫泉區域地溫梯度2.5~3.0℃/hm(圖2),熱流值50~60mW/m2,屬于低地溫梯度背景區。據地溫測量等值線分析,溫泉地熱場受斷裂構造控制,形成以溫泉泉群為中心,南北向、北東向擴展的近橢圓形地熱物。溫泉泉群處溫度最高,向四周則溫度漸降。等溫線圈定的地熱富集帶長約130m,寬40~60m,面積約6500m2。3溫泉水成巖地質特征對息烽溫泉1988-2011年多次采集的水樣進行了物理、化學、放射性、生物指標等內容的水質分析,共檢測72項指標,檢測均由國土資源部貴陽礦產資源監督檢測中心完成。多年監測水質分析結果(表1)顯示,溫泉水質變化較小,為無色、無味、無嗅、透明;pH值為6.6~7.3,屬中性水;總硬度為220.54~223.21,屬硬水,礦化度為316.66~388.00mg/L,屬低礦化度水;水化學類型屬于HCO3·SO4-Ca·Mg型;溫泉水中含30余種微量元素,其中鍶、硒、鋅、氟、鐵、錳、鉻、釩等14種礦物元素是人體所必需的礦物元素;含氡(151.39Bq/L)、偏硅酸44.20~60.896mg/L、氟1.30~1.93mg/L,三者均已達到醫療價值濃度指標,根據中華人民共和國國家標準《地熱資源地質勘查規范》(GB/T11615-2010),氡、偏硅酸含量達到命名礦水濃度指標,可命名為氡水、硅水。此外,由于溫泉地熱水含氟化物(1.30~1.93mg/L)超標,所以不宜作為飲用天然礦泉水。地下水的礦化度是表征水化學特征的重要參數,也是反映地下水徑流條件的重要指標,息烽溫泉水的低礦化度說明地熱水循環和徑流狀態良好。在水-巖反應過程中,Mg2+的離解量與溫度直接相關,低溫度下溶解度升高,隨著溫度的增加其溶解度將逐漸降低,息烽溫泉ρ(Mg2+)低于當地淺層地下水質量濃度(41.03mg/L),表明地熱水所處的熱儲層溫度較穩定,但水-巖交換未達到充分平衡狀態。溫泉水中Ca2+、HCO3-含量與震旦系燈影組白云巖中地下水的含量相當,推測其主要受該地層的碳酸鹽礦物所控制。地熱水中一定含量的氡對人體是有益的,姚在永等測定了息烽溫泉氡的直接母體(放射性鐳)后認為,溫泉水的氡非水體中鐳衰變而成,而是原積聚在深部巖石裂隙中的氡氣在高壓溶解的狀態下,經地熱水深循環后攜帶出地表而形成。4單烷基地球化學特征4.1氣體同位素組成息烽溫泉地熱水樣品于2013年7月上旬采集,后送至國土資源部巖溶地質資源環境監督檢測中心進行檢測,采用MAT253氣體穩定同位素質譜儀測定氫、氧同位素的組成,檢測結果為:δDV-SMOW=-59.7‰,δ18OV-SMOW=-8.82‰。4.2我國的大氣降水線20世紀80年代,鄭淑慧、Zhang和劉東升等通過研究定義了我國的大氣降水線,即D和18O的關系。從息烽溫泉地熱水氚氧同位素關系圖(圖3)可看出,息烽溫泉點氘氧同位素分布于大氣降水線附近,這說明地熱水主要來源于大氣降水起源。4.3大氣降水的同位素與年平均溫度的關系溫度是影響降水同位素組成的實質因素,Dansgaard、Yurtsever及王東升分別總結了大氣降水的同位素和年平均溫度的關系。根據相關公式估算出息烽溫泉地熱水補給區的地面平均溫度(表2),結合區內大氣降水入滲區的年平均溫度,認為利用王東升總結的公式計算出的結果較為接近,為10.77℃。4.4息導水補給區高程的估算根據同位素高程效應原理,選取中國大氣降水的高程效應公式進行溫泉補給區高程計算:式中:hALT為高程。由上式估算出息烽溫泉地熱水的補給區高程約為1600m。根據同位素估算的補給區溫度及高程,結合息烽溫泉周邊的氣候、地勢及水文地質等條件,推斷補給區在息烽溫泉南25km外的鹽井沖-白馬一帶,該區域海拔1400~1600m,出露地層以上震旦統燈影組及中上寒武統婁山關群為主,其巖層構造裂隙及地表巖溶發育,降水入滲能力強。5熱儲存溫度和循環深度5.1溫度計算討論利用地熱溫標方法可以估算地熱水的熱儲溫度。常用的地熱溫標有二氧化硅溫標、陽離子溫標和同位素溫標等。對溫泉的熱儲溫度進行估算前,需先對地熱水的水-巖平衡狀態進行判斷。通過Na-K-Mg三角圖的分析可知(圖4),息烽溫泉地熱水處于未成熟水區域,因此不適宜用陽離子溫標進行估算。二氧化硅礦物的溶解度在溶液的蒸汽壓下是溫度的函數,而且壓力和礦化度的改變對300℃以下的石英和非晶質硅的溶解度影響小。這樣,在溫泉水中SiO2的濃度可作為化學地熱溫標。根據息烽溫泉水溫及有淺表地下水混合等特點,選用Fournier等于1982年提出的公式進行熱儲溫度估算,該式適用于溫度區間20~330℃,且可計算無蒸汽分離或混合作用情況下硅溫標溫度值:由上式估算出息烽溫泉地熱水熱儲溫度約為99℃。考慮到可能有淺表地下水的混合,溫泉水的熱儲溫度還會更高,因此地熱水溫度應大于100℃。5.2升溫梯度地熱水循環深度計算公式為:式中:恒溫點溫度為16.2℃;地溫梯度為3.0℃/hm;恒溫點深度為30m。由上式估算出息烽溫泉地熱水循環深度約為3000m。6圍巖熱量收集息烽溫泉出露于揚子準地臺黔北臺隆的元古界震旦系地層中,遠離板塊邊緣,溫泉之下的地殼淺部不存在年輕巖漿巖體等特殊熱源。地熱水是在正常的區域地溫梯度背景下,由25km外的鹽井沖-白馬洞一帶的大氣降水入滲,經北北東向沙壩、石頭田等挽近期活動斷裂的深循環,將洋水背斜3000m深度內的圍巖熱量收集起來,并在上覆寒武系碎屑巖隔水、保溫蓋層的作用下,于震旦系燈影組白云巖中形成深部熱儲。在洋水背斜北傾伏端,前震旦系變質巖、震旦系南沱組碎屑巖地層的抬升,使得由南向北運移的深部地熱水受阻而排泄,從而形成了以“息烽溫泉”為中心的低溫地熱資源(圖5)。7開陽磷礦開采對溫泉水的危害程度計算息烽溫泉是在正常地溫梯度背景下,大氣降水通過深循環吸收洋水背斜3000m深度內的圍巖熱量而形成,熱儲溫度達100℃以上。在洋水背斜北傾伏端,地熱水受斷裂控制抬升的前震旦系變質巖、震旦系南沱組碎屑巖阻隔而排出,因淺表地下水的混合而形成低溫溫泉。燈影組下覆的陡山沱組是貴州開陽磷礦生產的主要開采層,且開采區多位于洋水背斜北段至北傾伏端,這些區域多為息烽溫泉地熱水的下徑流區和近排泄區。近年來,隨著磷礦開采強度和深度的增加,息烽溫泉的水文地質環境正面臨著遭受嚴重破壞的危險,