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地?zé)釡厝?/div>

四川綿竹釀春池打造溫泉井的地質(zhì)成因分析

  [摘要]利用遙感地質(zhì)
、構(gòu)造地質(zhì)
、熱水化學(xué)和穩(wěn)定同位素和放射性同位素等手段,對(duì)四川綿竹釀春池溫泉的水源
、熱源以及補(bǔ)給
、徑流和儲(chǔ)集與構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)行了分析
。認(rèn)為其水源為大氣降水,熱源為深循環(huán)加熱,熱儲(chǔ)溫度96e,環(huán)流深度3 000~4 000 m
。在山前地區(qū),近源低溫地下水與深部的熱水混合
。釀春池溫泉的地質(zhì)成因模式為:在正常區(qū)域地?zé)?/a>場(chǎng)環(huán)境中,大氣降水沿高滲透率的巖石滲入地下。深部地下水沿?cái)鄬悠扑閹蛏角斑\(yùn)移,循環(huán)加熱
。深部地下水在山前區(qū)兩條斷層交會(huì)處上涌匯集,并與近源低溫地下水混合
。熱水在蓋層被人工鑿穿時(shí)涌出
。
 
  四川綿竹釀春池溫泉是人工鉆鑿的溫泉井,位于龍門山山前,龍門山與成都平原的接合部位
。
 
  溫泉井深1 888 m
。主水層產(chǎn)于井深1 568.5 m的中生界侏羅系蓮花口組第一段礫巖中
。自涌水量672.2~772.2 t/d,水壓1.4 MPa,pH值8.3~8.8,含氡
、H2SiO3
、H3BO3、F-等10多種有益元素,被命名為含氡
、硅、硼的重碳酸鈉型氟水
。
 
  熱水中含有大量深循環(huán)低溫熱液裂縫型坡縷石。
 
  釀春池溫泉井底溫度48.3e,出水口溫度46e,井口水溫39e
。根據(jù)鉀鎂地?zé)釡貥?biāo)法計(jì)算,熱儲(chǔ)溫度96e左右。該區(qū)地殼淺部無年輕巖漿巖體,為正常偏高的區(qū)域地?zé)?/a>背景中的中低溫熱儲(chǔ)
。該區(qū)雨水豐沛,地下水補(bǔ)給充足,溫泉流量?jī)H占其附近山區(qū)下滲降水量的12%
。被人工鑿穿其蓋層后涌出地表
。
 
  1 區(qū)域地質(zhì)概況
。
 
  釀春池溫泉區(qū)位于成都平原東北部,四川省綿竹市西15 km左右的龍門山山前
。區(qū)域構(gòu)造上,釀春池溫泉區(qū)處于揚(yáng)子板塊西緣前陸盆地與龍門山推覆構(gòu)造帶前緣的過渡帶上
。區(qū)域1.逆沖斷裂; 2.滑脫帶; 3.推覆體; 4.釀春池溫泉區(qū)
。
 
  F1.茂汶大斷裂; F2.北川-映秀大斷裂; F3.江油-灌縣大斷裂; F4.九頂山斷裂; F5.關(guān)口隱伏斷裂
。Ⅰ.前陸盆地;Ⅱ.前山?jīng)_斷-推覆構(gòu)造帶;Ⅲ.中央沖斷推覆體;Ⅳ.后山褶皺推覆體構(gòu)造線方向以北東-南西向?yàn)橹?由北西向南東分布著茂汶大斷裂
、北川-映秀大斷裂
、江油-灌縣大斷裂等北東向深大斷裂。這些斷裂從印支運(yùn)動(dòng)以來長(zhǎng)期活動(dòng),控制著其兩側(cè)的構(gòu)造發(fā)展,將龍門山區(qū)隔為后山褶皺推覆構(gòu)造帶
、中央斷裂推覆構(gòu)造帶和前山斷裂推覆構(gòu)造帶以及前陸盆地等狹長(zhǎng)的構(gòu)造單元
。推覆構(gòu)造形成的壯觀的/飛來峰0群,是國(guó)家地質(zhì)公園的主要亮點(diǎn)。
 
  龍門山地區(qū)的地層從元古界到新生界都有發(fā)育,且因受深斷裂影響,分帶性較明顯,元古界出露在北川-映秀大斷裂北西盤的龍門山中央斷裂推覆構(gòu)造帶;北川-映秀大斷裂與彭-灌斷裂之間的龍門山前山出露震旦系-三疊系
。侏羅系-白堊系只出露于彭-灌斷裂南東盤-龍門山前山的前緣地區(qū)。除中央斷裂推覆構(gòu)造帶中段出露元古界淺變質(zhì)巖和淺變質(zhì)花崗巖外,其余地區(qū)地層巖性以沉積巖為主
。元古界至早古生界以碎屑巖為主,泥盆系至中三疊統(tǒng)以灰?guī)r為主,上三疊統(tǒng)至白堊系以碎屑巖為主。前山地區(qū)巖層傾向北西,產(chǎn)狀倒轉(zhuǎn)
。釀春池溫泉區(qū)地理上位于龍門山與四川盆地的盆-山接合部,構(gòu)造上位于龍門山推覆構(gòu)造帶與前陸盆地的過渡區(qū),也是地下水最活躍的地區(qū)
。
 
  2 熱源分析
。
 
  熱源是溫泉成因類型的重要標(biāo)志之一
。就時(shí)間范圍而言,熱源有瞬態(tài)熱源和穩(wěn)態(tài)熱源之分;就成因而言,熱源有地殼淺部巖漿侵入體成因熱和放射性成因熱以及相變
、化學(xué)反應(yīng)
、摩擦生熱等
。
 
  在考慮地殼熱狀態(tài)的范圍內(nèi),后三種熱源的重要性極為有限
。
 
  在巖漿侵入體中,酸性侵入巖體與地?zé)?/a>熱源關(guān)系密切。龍門山區(qū)的巖漿巖以元古代花崗巖為主,主要分布在中央褶皺推覆構(gòu)造帶
。綿竹、什邡一帶龍門山中段,未見燕山期及時(shí)代更新的花崗巖體
。
 
 
  元古代花崗巖不僅距今已有500 Ma以上,而且已經(jīng)出露地表并變質(zhì),顯然不可能成為釀春池溫泉的熱源
。該區(qū)尤其是釀春池溫泉區(qū)地下淺部無年輕侵入巖體(尤其是花崗巖體)
。在地殼最上部10 km范圍內(nèi),放射性衰變熱亦構(gòu)不成特殊熱源
。因此,釀春池溫泉無附加熱源,熱量只能靠正常地溫場(chǎng)中的圍巖供給
。
 
  四川盆地地溫梯度多在1.6~2.6e/100 m,平均2.45e/100 m左右[4],低于全球3e/100 m的平均值
。綿竹地區(qū)多年平均氣溫15. 7e
。
 
  2 000 m深度地溫約58e,地溫梯度小于2.0e/100 m。地溫場(chǎng)偏低可能與山前地區(qū)地下水活躍有關(guān)
。從釀春池溫泉井深1 008 m以內(nèi)井溫變化與含水層的關(guān)系,就可以看出山前地區(qū)地下水活動(dòng)對(duì)地溫的明顯影響。井深0~150m地溫隨深度增加迅速降低,150~1 008 m則隨深度增加而升高,但在含水層的溫度較低
。井深1 008 m以內(nèi)的平均地溫梯度3.23e/100 m,高于全球及四川盆地的平均值
。這種現(xiàn)象可能與其作為熱田蓋層長(zhǎng)期受熱田影響有關(guān)。實(shí)測(cè)主水層出水口水溫46e,而1 888 m井底溫度僅48.3e,明顯受水溫影響而偏低
。全井平均地溫梯度1.8e/100 m,基本上與區(qū)域地溫場(chǎng)一致。綜合各種因素考慮,釀春池溫泉區(qū)應(yīng)屬于正常地溫場(chǎng)區(qū)
。
 
  3.盆地邊界。
 
  在上述圍巖環(huán)境溫度下,地下水運(yùn)動(dòng)是熱量傳遞的主要媒介
。只有地下水的深循環(huán),才能將分散的熱量/收集0集中起來,形成有開采價(jià)值的熱田。大量證據(jù)表明釀春池溫泉的熱量正是來源于其自身的循環(huán)運(yùn)動(dòng)
。
 
  a.同位素示蹤研究表明:龍門山中央/彭灌雜巖0一帶的高山區(qū)是釀春池溫泉的主要的補(bǔ)給區(qū)[6]
。從中央補(bǔ)給區(qū)到達(dá)山前,顯然要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的路程和巨厚的圍巖,圍巖的熱量自然會(huì)溫暖它
。
 
  b.釀春池溫泉水中含有較豐富的微量元素,其中H2SiO和H2BO3達(dá)到礦水濃度,F-達(dá)到命名礦水濃度,礦化度也較高
。隨著水-巖作用(WRI)時(shí)間增加,水的TDS不斷增加,并不斷形成新的礦物組合
。S,F,Si,Na等的出現(xiàn),是地下水在圍巖中經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的水-巖作用的結(jié)果
。
 
  c.溫泉水中含H2S達(dá)77.93 mg/L(表1),而該地區(qū)可能產(chǎn)生H2S的最新地層是上三疊統(tǒng)須家河組第五段煤系(埋深2 500~3 100 m),這表明其徑流可能曾通過須五甚至更深的較封閉的圍巖環(huán)境。
 
  d.根據(jù)鉀鎂地?zé)釡貥?biāo)法[7]計(jì)算熱儲(chǔ)的溫度t =441813.98-lg(c21/c22)-237.15式中:t為熱儲(chǔ)溫度(e);c1為水中鉀的濃度(mg/L);c2為水中鎂的濃度(mg/L)
。
 
  計(jì)算出釀春池溫泉熱儲(chǔ)溫度為96.07e?div id="m50uktp" class="box-center"> ？紤]到可能存在近源地下水的混合作用,熱儲(chǔ)的溫度將會(huì)更高,至少大于100e。按當(dāng)?shù)氐牡販靥荻韧扑?其循環(huán)深度可能在3 000~4 000 m
。
 
  釀春池溫泉的溫度與熱儲(chǔ)的溫度相差較大,除了其產(chǎn)出深度比熱儲(chǔ)淺得多,在上升途中可能消耗部分熱量外,下面將要述及的近源地下水的越流混合作用可能是主要原因
。
 
  3 水源分析
。
 
  White(1986)將地下水劃分為大氣成因水
、海洋水、演化同生水
、變質(zhì)同生水、巖漿水和初生水(原生水)六種成因類型[8]
。釀春池溫泉pH值8.3~8.8,含氡和H2SiO3
、H3BO3,F-等10多種元素(表1),礦化度高于天然冷水平均值(0.019~0.55 g/L),大大低于海水平均值(28.18 g/L),也低于熱礦水的平均值(4.88~5.74 g/L)[3]。因此,釀春池溫泉可以排除其它水源,而以大氣降水為水源
。
 
  2002年1月和4月兩次釀春池溫泉采樣的氫
、氧同位素分別為:DD= -84.7j和-86.8j,D18O= -11.05j和-11.18j,與大氣降水補(bǔ)給的地表水氫、氧同位素組成吻合,都相對(duì)富輕同位素[9]
。釀春池溫泉及其泉域區(qū)地下水和地表水的同位素示蹤研究也表明其熱水補(bǔ)給源是由大氣降水滲入形成,補(bǔ)給高程1 633 m至1 725 m或更高,龍門山后山/彭灌雜巖0一帶的高山區(qū)是主要的補(bǔ)給區(qū)[6]。兩次采樣的氫
、氧同位素基本保持不變,說明其補(bǔ)給源相對(duì)穩(wěn)定,水溫和水量不會(huì)隨開采時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生明顯變化
。
 
  釀春池溫泉的氚濃度為7 TU,作為地質(zhì)深井來說不算太低
。究其原因有兩種可能:一是徑流速度快,流量大;二是存在淺層潛水的越流混合作用
。筆者認(rèn)為后者的可能性較大。一是因?yàn)?72m3/d的流量并不算大;二是如前所述,產(chǎn)出溫泉的巖層侏羅系蓮花口組底部礫巖就在附近山上出露,且有梅子溝斷層切過(圖4)
。近源(龍門山前緣)的地下水很可能通過梅子溝斷層和礫巖層中的裂隙系統(tǒng)與熱儲(chǔ)中遠(yuǎn)源(龍門山中、后山)的深循環(huán)熱礦水混合
。
 
  1.斷層及編號(hào); 2.推測(cè)斷層及編號(hào); 3.背斜及編號(hào); 4.向斜及編號(hào); 5.地層界線
。
 
  ①紅春坪背斜;②小魚洞復(fù)向斜
。F1.映秀-白川斷裂; F2.彭-灌斷裂;F3.山前斷裂; F4.射水河斷裂; F5.梅子溝斷裂; F6.龍莽河斷裂; F7.馬槽灘-漢旺斷裂綿竹地區(qū)降水充沛,多年平均降水量1 040.8mm/a,地下水補(bǔ)給來源充沛
。釀春池溫泉的熱儲(chǔ)層是裂隙發(fā)育的侏羅系蓮花口組下段礫巖。按該段礫巖在溫泉附近山區(qū)的出露面積計(jì)算,其天然入滲補(bǔ)給量達(dá)5 722.4 m3/d
。釀春池溫泉開采量為672.2 m3/d,僅占其12%。如前所述,釀春池溫泉的主要補(bǔ)給區(qū)是龍門山中央高山區(qū),因此,前緣的低溫地下水可能只有少量與深循環(huán)熱水混合
?div id="m50uktp" class="box-center"> ？梢?地下水的補(bǔ)給是很充沛的
。
 
  4 構(gòu)造分析
。
 
  釀春池溫泉的水源是大氣降水,深循環(huán)是其獲取熱量的唯一方式,因此,作為地下水滲入和徑流通道的斷裂和裂隙是關(guān)鍵因素。該區(qū)具有形成深部環(huán)流的良好的地質(zhì)構(gòu)造條件:
 
  a.釀春池溫泉區(qū)位于龍門山推覆構(gòu)造帶前緣
。區(qū)域性大斷裂走向北東,傾向北西(山區(qū)),疊瓦式排列。斷裂地表產(chǎn)狀較陡,向深部變緩,有利于匯集滲入的地下水
。
 
  在構(gòu)造發(fā)展演化中,龍門山推覆構(gòu)造以前展式由北西向南東發(fā)展,形成背駝式構(gòu)造
。北西部后緣的斷裂以韌性為主,越往前緣,斷裂的脆性越大;即裂隙發(fā)育,越有利于地下熱水向龍門山前緣徑流
、聚集
。
 
  b.在后期的構(gòu)造發(fā)展中,龍門山區(qū)又經(jīng)歷南北向的區(qū)域擠壓,形成了東西向壓性斷層(圖4中F7),以及南北向、北西向和北東向張性
、扭性斷層
。遙感地質(zhì)解譯發(fā)現(xiàn)不同方向的線性構(gòu)造相互交錯(cuò)、截割,形成錯(cuò)綜復(fù)雜的構(gòu)造景觀(圖5)
。南北向區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的疊加,不僅使早期形成的壓性斷裂性質(zhì)發(fā)生改變,而且使巖石裂隙發(fā)育,滲透性加強(qiáng),地下水補(bǔ)給有保障;還可能使相互隔離的北東向深斷裂之間發(fā)生水力聯(lián)系
。
 
  c.對(duì)釀春池溫泉熱儲(chǔ)起主要控制作用的斷層是射水河斷層和梅子溝斷層
。兩條斷層都是在地?zé)峥辈?/a>中利用遙感和地球化學(xué)勘查方法發(fā)現(xiàn)的隱伏斷層
。
 
  射水河隱伏斷層(圖4中F4)走向北東-南西,傾向北西(山區(qū))。區(qū)域上可能屬于龍門山山前隱伏斷層關(guān)口斷層的北段
。
 
  射水河斷層地球化學(xué)異常(尤其是Hg和Rn異常)呈線性分布,表明其中有流體活動(dòng)。1995年,40 km外的龍門山中的青平鎮(zhèn)發(fā)生5級(jí)地震,地震發(fā)生前2 h左右,該斷層帶上的魚池中的魚忽然煩躁不安,紛紛跳出魚塘
。地震是斷裂活動(dòng)的結(jié)果?div id="4qifd00" class="flower right">
；顒?dòng)斷裂的流體中可能增加一些異常成分進(jìn)入魚池水中,池魚受刺激而煩躁不安。因此,射水河斷層不僅是活動(dòng)斷層,而且可能是與發(fā)震深斷裂相通的斷層,自然成了深部環(huán)流的良好通道
。
 
  梅子溝斷層是張扭性右旋走滑斷層,走向北北西-南南東,與龍門山區(qū)域構(gòu)造線斜交,長(zhǎng)逾20 km,直達(dá)主要推覆構(gòu)造帶附近,切錯(cuò)了射水河斷層和彭-灌斷裂等北東向斷裂
。
 
  梅子溝斷層在釀春池溫泉熱儲(chǔ)的形成中起著很重要的作用
。首先,根據(jù)其與早期構(gòu)造的斜截關(guān)系判斷,是新構(gòu)造斷裂;第二,射水河斷層
、彭灌斷層等北東向壓性斷層受其走滑錯(cuò)動(dòng)的影響,可能局部改變性質(zhì),增加透水和導(dǎo)水能力;第三,它可能使相互隔離的區(qū)域斷層(尤其是彭灌斷層和射水河斷層)之間發(fā)生水力聯(lián)系;第四,它也可能溝通龍門山中不同地區(qū)、不同構(gòu)造帶
、不同巖層的裂隙系統(tǒng),匯集地下水;第五,也是最重要的一點(diǎn),梅子溝斷層與射水河斷層相交于山前地區(qū)。山前區(qū)既是地下水的匯集區(qū),又是其排泄區(qū)
。兩斷層相交形成十分發(fā)育的裂隙系統(tǒng),使其巖層的大地電場(chǎng)巖性測(cè)深曲線發(fā)生較大的變化,本應(yīng)為連續(xù)寬緩的正高峰,變?yōu)椴贿B續(xù)的有些散亂的中
、低值甚至負(fù)值[11];而且釀春池溫泉水中出現(xiàn)大量深循環(huán)低溫?zé)嵋毫芽p型坡縷石,就是地下熱礦水在這種裂隙系統(tǒng)中匯集和儲(chǔ)存作用的結(jié)果。有的肥肉狀坡縷石團(tuán)塊厚度競(jìng)達(dá)10 mm以上[1],巖石裂隙之發(fā)育,規(guī)模之大,可見一斑
。毫無疑問,斷層交會(huì)處發(fā)育的裂隙系統(tǒng)是深循環(huán)熱水聚集和儲(chǔ)存的最佳場(chǎng)所。
 
  d.單斜透水巖層可能是近源地下水的通道
。
 
  上侏羅統(tǒng)蓮花口組厚度大于1 700 m,鉆遇厚度1 761m,巖性可四分:下部鈣質(zhì)礫巖段,中部砂
、泥巖段,上部鈣質(zhì)礫巖段和頂部砂、泥巖段
。鈣質(zhì)礫巖的礫石以灰?guī)r礫石為主,占總量的40%~70%,鈣質(zhì)膠結(jié),巖性與灰?guī)r類似,具水溶性。該套巖層出露于溫泉區(qū)西北山區(qū),傾向南東(盆地),受山前斷層影響傾角較陡(30b~85b),但斷層下盤傾角迅速變緩(小于20b)
。
 
  釀春池溫泉即產(chǎn)于蓮花口組下部鈣質(zhì)礫巖層中
。由于斷層斷距不大,而巖層又厚度巨大,所以盡管有斷層錯(cuò)動(dòng),相應(yīng)層位之間可能仍有一定聯(lián)系
。梅子溝斷層切錯(cuò)了整套巖層和山前斷層,有可能加強(qiáng)斷層上下盤巖層之間的水力聯(lián)系
。附近山區(qū)的大氣降水沿向盆地傾斜的裂隙發(fā)育的單斜巖層滲入盆地,與深部上升的熱水混合,使熱水溫度降低,氚濃度增高
。
 
  總之,強(qiáng)烈的構(gòu)造變動(dòng),長(zhǎng)期的構(gòu)造發(fā)展,大斷裂的疊瓦式排列,不同時(shí)期區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的疊加,不同方向斷裂的相互切錯(cuò),使巖石破碎,裂隙發(fā)育,通道暢通,成為釀春池溫泉補(bǔ)給、徑流
、加熱和儲(chǔ)集的關(guān)鍵因素。
 
  5 釀春池溫泉地質(zhì)成因模式釀春池溫泉是在中生界沉積巖#483#第5期王多義:四川綿竹釀春池溫泉地質(zhì)成因分析層的裂隙介質(zhì)中發(fā)育形成的
。該溫泉之下的地殼淺部不存在年輕巖漿巖體之類的特殊熱源
。它基本上是在正常的區(qū)域地?zé)岜尘吧?由地下水的深循環(huán)將龍門山地殼淺部3 000~4 000 m深度內(nèi)的熱量收集起來,并帶到山前排泄區(qū),形成有開采價(jià)值的熱田。釀春池溫泉熱水的補(bǔ)給來源在龍門山區(qū)
。大氣降水沿裂隙通道進(jìn)行深循環(huán)(圖6,單箭頭),向山前及四川盆地內(nèi)運(yùn)移。在山前排泄區(qū)的斷裂交匯處,部分熱水上涌并與近源環(huán)流混合,被人工鉆井揭開后涌出地表
。
 
  綜上所述,四川綿竹釀春池溫泉的地質(zhì)成因模式可概括如下:在正常偏高的區(qū)域地?zé)岜尘爸?山區(qū)的部分大氣降水沿裂隙發(fā)育的高滲透率巖石滲入地下,并在北東)南西向斷層破碎帶中匯集,被迫向山前及盆地內(nèi)運(yùn)移
。在運(yùn)移過程中,隨著深度的增加,地下水從巖石中/收集0的熱量也增加。在3 000~4 000 m深度,地下水溫度可能達(dá)到100e以上
。在因活動(dòng)構(gòu)造斷裂的交匯而形成的高滲透率帶可部分上涌,至地質(zhì)條件相對(duì)有利的部位聚集,并與溫度相對(duì)較低的近源地下水混合,形成承壓水層。當(dāng)人工鉆穿其蓋層后,從鉆井涌出
。
 
  6 結(jié)論
。
 
  a.釀春池溫泉的水源是龍門山區(qū)海拔高度1 600 m以上的大氣降水。熱量是在正常地溫場(chǎng)圍巖環(huán)境中,由地下水從圍巖中/收集0而來,水溫隨地下水循環(huán)深度增加而升高,并在3 000~4 000 m達(dá)到100e以上
。在山前較淺處,因有近源低溫水的混合而使水溫有所降低。
 
  b.傾向北西的北東向斷層重新活動(dòng),并成為龍門山區(qū)地下水向山前徑流的主要通道
。北北西-南南東向斷層切錯(cuò)北東向斷層,使北東向斷層之間發(fā)生水力聯(lián)系,并增加其滲透率
。兩組斷層在山前交匯處是地下熱水匯集的最佳場(chǎng)所。
 
  c.釀春池溫泉的成因是:龍門山區(qū)的大氣降水沿裂隙發(fā)育的高滲透率巖石滲入地下,經(jīng)深部斷裂裂隙帶向山前徑流并不斷獲得熱量,在山前斷裂交匯處上升,并與近源低溫水混合聚集,被人工鉆通蓋層而涌出地表
。