四川綿竹釀春池打造溫泉井的地質成因分析

  [摘要]利用遙感地質、構造地質、熱水化學和穩定同位素和放射性同位素等手段,對四川綿竹釀春池溫泉的水源、熱源以及補給、徑流和儲集與構造的關系進行了分析。認為其水源為大氣降水,熱源為深循環加熱,熱儲溫度96e,環流深度3 000~4 000 m。在山前地區,近源低溫地下水與深部的熱水混合。釀春池溫泉的地質成因模式為:在正常區域地熱場環境中,大氣降水沿高滲透率的巖石滲入地下。深部地下水沿斷層破碎帶向山前運移,循環加熱。深部地下水在山前區兩條斷層交會處上涌匯集,并與近源低溫地下水混合。熱水在蓋層被人工鑿穿時涌出。

 

  [關鍵詞]龍門山;地熱;成因模式;大氣降水;深循環;斷層

 

  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。根據鉀鎂地熱溫標法計算,熱儲溫度96e左右。該區地殼淺部無年輕巖漿巖體,為正常偏高的區域地熱背景中的中低溫熱儲。該區雨水豐沛,地下水補給充足,溫泉流量僅占其附近山區下滲降水量的12%。被人工鑿穿其蓋層后涌出地表。

 

  1 區域地質概況。

 

  釀春池溫泉區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。區域構造上,釀春池溫泉區處于揚子板塊西緣前陸盆地與龍門山推覆構造帶前緣的過渡帶上。區域1.逆沖斷裂; 2.滑脫帶; 3.推覆體; 4.釀春池溫泉區。

 

  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.關口隱伏斷裂。Ⅰ.前陸盆地;Ⅱ.前山沖斷-推覆構造帶;Ⅲ.中央沖斷推覆體;Ⅳ.后山褶皺推覆體構造線方向以北東-南西向為主,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。這些斷裂從印支運動以來長期活動,控制著其兩側的構造發展,將龍門山區隔為后山褶皺推覆構造帶、中央斷裂推覆構造帶和前山斷裂推覆構造帶以及前陸盆地等狹長的構造單元。推覆構造形成的壯觀的/飛來峰0群,是國家地質公園的主要亮點。

 

  龍門山地區的地層從元古界到新生界都有發育,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。除中央斷裂推覆構造帶中段出露元古界淺變質巖和淺變質花崗巖外,其余地區地層巖性以沉積巖為主。元古界至早古生界以碎屑巖為主,泥盆系至中三疊統以灰巖為主,上三疊統至白堊系以碎屑巖為主。前山地區巖層傾向北西,產狀倒轉。釀春池溫泉區地理上位于龍門山與四川盆地的盆-山接合部,構造上位于龍門山推覆構造帶與前陸盆地的過渡區,也是地下水最活躍的地區。

 

  2 熱源分析。

 

  熱源是溫泉成因類型的重要標志之一。就時間范圍而言,熱源有瞬態熱源和穩態熱源之分;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、化學反應、摩擦生熱等。

 

  在考慮地殼熱狀態的范圍內,后三種熱源的重要性極為有限。

 

  在巖漿侵入體中,酸性侵入巖體與地熱熱源關系密切。龍門山區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造帶。綿竹、什邡一帶龍門山中段,未見燕山期及時代更新的花崗巖體。

 

  汪集等(1993)[3]研究認為,100 Ma以前的侵入體,即使體積為106km3,其溫度也已恢復到圍巖的環境溫度,不可能構成地熱系統的熱源。

 

  元古代花崗巖不僅距今已有500 Ma以上,而且已經出露地表并變質,顯然不可能成為釀春池溫泉的熱源。該區尤其是釀春池溫泉區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,放射性衰變熱亦構不成特殊熱源。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。地溫場偏低可能與山前地區地下水活躍有關。從釀春池溫泉井深1 008 m以內井溫變化與含水層的關系,就可以看出山前地區地下水活動對地溫的明顯影響。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。這種現象可能與其作為熱田蓋層長期受熱田影響有關。實測主水層出水口水溫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,基本上與區域地溫場一致。綜合各種因素考慮,釀春池溫泉區應屬于正常地溫場區。

 

  3.盆地邊界。

 

  在上述圍巖環境溫度下,地下水運動是熱量傳遞的主要媒介。只有地下水的深循環,才能將分散的熱量/收集0集中起來,形成有開采價值的熱田。大量證據表明釀春池溫泉的熱量正是來源于其自身的循環運動。

 

  a.同位素示蹤研究表明:龍門山中央/彭灌雜巖0一帶的高山區是釀春池溫泉的主要的補給區[6]。從中央補給區到達山前,顯然要經歷漫長的路程和巨厚的圍巖,圍巖的熱量自然會溫暖它。

 

  b.釀春池溫泉水中含有較豐富的微量元素,其中H2SiO和H2BO3達到礦水濃度,F-達到命名礦水濃度,礦化度也較高。隨著水-巖作用(WRI)時間增加,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,是地下水在圍巖中經歷了較長時間的水-巖作用的結果。

 

  c.溫泉水中含H2S達77.93 mg/L(表1),而該地區可能產生H2S的最新地層是上三疊統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境。

 

  d.根據鉀鎂地熱溫標法[7]計算熱儲的溫度t =441813.98-lg(c21/c22)-237.15式中:t為熱儲溫度(e);c1為水中鉀的濃度(mg/L);c2為水中鎂的濃度(mg/L)。

 

  計算出釀春池溫泉熱儲溫度為96.07e。考慮到可能存在近源地下水的混合作用,熱儲的溫度將會更高,至少大于100e。按當地的地溫梯度推算,其循環深度可能在3 000~4 000 m。

 

  釀春池溫泉的溫度與熱儲的溫度相差較大,除了其產出深度比熱儲淺得多,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,與大氣降水補給的地表水氫、氧同位素組成吻合,都相對富輕同位素[9]。釀春池溫泉及其泉域區地下水和地表水的同位素示蹤研究也表明其熱水補給源是由大氣降水滲入形成,補給高程1 633 m至1 725 m或更高,龍門山后山/彭灌雜巖0一帶的高山區是主要的補給區[6]。兩次采樣的氫、氧同位素基本保持不變,說明其補給源相對穩定,水溫和水量不會隨開采時間的延長發生明顯變化。

 

  釀春池溫泉的氚濃度為7 TU,作為地質深井來說不算太低。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。筆者認為后者的可能性較大。一是因為672m3/d的流量并不算大;二是如前所述,產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與熱儲中遠源(龍門山中、后山)的深循環熱礦水混合。

 

  1.斷層及編號; 2.推測斷層及編號; 3.背斜及編號; 4.向斜及編號; 5.地層界線。

 

  ①紅春坪背斜;②小魚洞復向斜。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-漢旺斷裂綿竹地區降水充沛,多年平均降水量1 040.8mm/a,地下水補給來源充沛。釀春池溫泉的熱儲層是裂隙發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的出露面積計算,其天然入滲補給量達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給區是龍門山中央高山區,因此,前緣的低溫地下水可能只有少量與深循環熱水混合。可見,地下水的補給是很充沛的。

 

  4 構造分析。

 

  釀春池溫泉的水源是大氣降水,深循環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鍵因素。該區具有形成深部環流的良好的地質構造條件:

 

  a.釀春池溫泉區位于龍門山推覆構造帶前緣。區域性大斷裂走向北東,傾向北西(山區),疊瓦式排列。斷裂地表產狀較陡,向深部變緩,有利于匯集滲入的地下水。

 

  在構造發展演化中,龍門山推覆構造以前展式由北西向南東發展,形成背駝式構造。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.在后期的構造發展中,龍門山區又經歷南北向的區域擠壓,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。遙感地質解譯發現不同方向的線性構造相互交錯、截割,形成錯綜復雜的構造景觀(圖5)。南北向區域應力場的疊加,不僅使早期形成的壓性斷裂性質發生改變,而且使巖石裂隙發育,滲透性加強,地下水補給有保障;還可能使相互隔離的北東向深斷裂之間發生水力聯系。

 

  c.對釀春池溫泉熱儲起主要控制作用的斷層是射水河斷層和梅子溝斷層。兩條斷層都是在地熱勘查中利用遙感和地球化學勘查方法發現的隱伏斷層。

 

  射水河隱伏斷層(圖4中F4)走向北東-南西,傾向北西(山區)。區域上可能屬于龍門山山前隱伏斷層關口斷層的北段。

 

  射水河斷層地球化學異常(尤其是Hg和Rn異常)呈線性分布,表明其中有流體活動。1995年,40 km外的龍門山中的青平鎮發生5級地震,地震發生前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。地震是斷裂活動的結果。活動斷裂的流體中可能增加一些異常成分進入魚池水中,池魚受刺激而煩躁不安。因此,射水河斷層不僅是活動斷層,而且可能是與發震深斷裂相通的斷層,自然成了深部環流的良好通道。

 

  梅子溝斷層是張扭性右旋走滑斷層,走向北北西-南南東,與龍門山區域構造線斜交,長逾20 km,直達主要推覆構造帶附近,切錯了射水河斷層和彭-灌斷裂等北東向斷裂。

 

  梅子溝斷層在釀春池溫泉熱儲的形成中起著很重要的作用。首先,根據其與早期構造的斜截關系判斷,是新構造斷裂;第二,射水河斷層、彭灌斷層等北東向壓性斷層受其走滑錯動的影響,可能局部改變性質,增加透水和導水能力;第三,它可能使相互隔離的區域斷層(尤其是彭灌斷層和射水河斷層)之間發生水力聯系;第四,它也可能溝通龍門山中不同地區、不同構造帶、不同巖層的裂隙系統,匯集地下水;第五,也是最重要的一點,梅子溝斷層與射水河斷層相交于山前地區。山前區既是地下水的匯集區,又是其排泄區。兩斷層相交形成十分發育的裂隙系統,使其巖層的大地電場巖性測深曲線發生較大的變化,本應為連續寬緩的正高峰,變為不連續的有些散亂的中、低值甚至負值[11];而且釀春池溫泉水中出現大量深循環低溫熱液裂縫型坡縷石,就是地下熱礦水在這種裂隙系統中匯集和儲存作用的結果。有的肥肉狀坡縷石團塊厚度競達10 mm以上[1],巖石裂隙之發育,規模之大,可見一斑。毫無疑問,斷層交會處發育的裂隙系統是深循環熱水聚集和儲存的最佳場所。

 

  d.單斜透水巖層可能是近源地下水的通道。

 

  上侏羅統蓮花口組厚度大于1 700 m,鉆遇厚度1 761m,巖性可四分:下部鈣質礫巖段,中部砂、泥巖段,上部鈣質礫巖段和頂部砂、泥巖段。鈣質礫巖的礫石以灰巖礫石為主,占總量的40%~70%,鈣質膠結,巖性與灰巖類似,具水溶性。該套巖層出露于溫泉區西北山區,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)。

 

  釀春池溫泉即產于蓮花口組下部鈣質礫巖層中。由于斷層斷距不大,而巖層又厚度巨大,所以盡管有斷層錯動,相應層位之間可能仍有一定聯系。梅子溝斷層切錯了整套巖層和山前斷層,有可能加強斷層上下盤巖層之間的水力聯系。附近山區的大氣降水沿向盆地傾斜的裂隙發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,強烈的構造變動,長期的構造發展,大斷裂的疊瓦式排列,不同時期區域應力場的疊加,不同方向斷裂的相互切錯,使巖石破碎,裂隙發育,通道暢通,成為釀春池溫泉補給、徑流、加熱和儲集的關鍵因素。

 

  5 釀春池溫泉地質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成因分析層的裂隙介質中發育形成的。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域地熱背景上,由地下水的深循環將龍門山地殼淺部3 000~4 000 m深度內的熱量收集起來,并帶到山前排泄區,形成有開采價值的熱田。釀春池溫泉熱水的補給來源在龍門山區。大氣降水沿裂隙通道進行深循環(圖6,單箭頭),向山前及四川盆地內運移。在山前排泄區的斷裂交匯處,部分熱水上涌并與近源環流混合,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成因模式可概括如下:在正常偏高的區域地熱背景之下,山區的部分大氣降水沿裂隙發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運移。在運移過程中,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,地下水溫度可能達到100e以上。在因活動構造斷裂的交匯而形成的高滲透率帶可部分上涌,至地質條件相對有利的部位聚集,并與溫度相對較低的近源地下水混合,形成承壓水層。當人工鉆穿其蓋層后,從鉆井涌出。

 

  6 結論。

 

  a.釀春池溫泉的水源是龍門山區海拔高度1 600 m以上的大氣降水。熱量是在正常地溫場圍巖環境中,由地下水從圍巖中/收集0而來,水溫隨地下水循環深度增加而升高,并在3 000~4 000 m達到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,并成為龍門山區地下水向山前徑流的主要通道。北北西-南南東向斷層切錯北東向斷層,使北東向斷層之間發生水力聯系,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所。

 

  c.釀春池溫泉的成因是:龍門山區的大氣降水沿裂隙發育的高滲透率巖石滲入地下,經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。