息烽温泉位于贵州省贵阳市息烽县温泉镇, 是国内著名的优质含偏硅酸、锶、氡泉, 尤其是氡含量达114 Bq/L, 与世界著名的法国维琪温泉和卢昆温泉齐名, 被誉为“ 世界三大氡泉, 亚洲第一氡泉” ^[1], 是贵州省著名的旅游疗养胜地。

早在1942年, 地质学家乐森浔对息烽温泉的成因做了初步探讨^[2], 认为是大气降水在深循环过程中受地温加热上升岀露于地表, 形成温泉; 1982年, 姚在永等^[3]对息烽温泉的环境地球化学进行了研究, 发现该温泉属于较高理疗价值的氡泉; 此后, 宋小庆、罗腾、吉勒克补子等对息烽温泉进行了系统研究^{[4, 5, 6, 7]}, 均认为息烽温泉地热水形成于洋水背斜深部的震旦系灯影组白云岩和青口白系板溪群变质岩中, 其循环深度超过3 000 m。但有一个疑点难以解释, 即震旦系灯影组已经在洋水背斜核部暴露, 缺失了上覆的保温盖层, 其埋深不会超过1 500 m, 地热水很难靠正常地温加热形成, 若地热水是循环于更深的前震旦系变质岩中, 则其水化学类型应是HCO^3--Na⁺型^{[8, 9]}。然而, 息烽温泉的水化学类型为 HCO3-、 SO42--Ca²⁺、Mg²⁺型, 明显具有碳酸盐岩热储层的特征, 因此, 该问题对息烽温泉资源的开发与保护会造成一定误导。根据最新的洋水背斜西翼深部磷矿勘探资料^{[10, 11]}, 洋水背斜为大型逆冲推覆构造体系, 地表构造与地腹构造并不统一。因此, 笔者基于对息烽温泉控热构造体系的研究, 重新分析了补给径流排泄过程, 对该温泉的地质成因有了新认识, 旨在为该区地热资源勘探开发提供参考。

区域上, 安清断层(F₁)和温泉断层(F₂)2条大型逆冲推覆断层向北逐渐收敛, 所围限的地块南宽北窄, 呈楔形, 为典型的构造楔。纵向上, 上部构造层为温泉断层(F₂)发育的次级逆冲断层, 受剥蚀严重, 仅在高处形成飞来峰, 下部构造层以安清断层(F₁)为主, 其次为多条(个)次级断层和褶皱。这些次级断层向深部逐渐缓交于安清断层(F₁)之上, 是一个典型的叠瓦状组合。

由此说明, 由洋水背斜、安清断层(F₁)和温泉断层(F₂)组成的叠瓦状逆冲推覆构造体系, 构成了息烽温泉地热水系统的主体及边界。平面上, 南宽北窄的楔状构造, 使地热水不断聚集; 纵向上, 上部构造层的洋水背斜形成了良好的聚热保热体系, 下部构造层的石炭系— 三叠系则形成了良好的补给、径流体系(图2)。这样地表构造与地腹构造不统一的控热构造体系, 便能合理解释息烽温泉地质成因上的疑点。

研究区洋水背斜为良好的热储构造, 具有许多热显示, 如背斜核部的息烽温泉和白马峪温泉, 背斜西翼的两岔河SWK01钻孔(图1), 地热源主要为地壳深部的热传导和含铀地层中放射性物质衰变产生的热。在洋水背斜热储构造上, 可划分出多个热储单元(表1)。以安清断层(F₁)为界, 断层上盘为前震旦系— 寒武系构成的两个顶层热储单元, 其中清虚洞组— 娄山关组热储层已暴露, 深部震旦系灯影组白云岩热储层埋深为 900~1 350 m, 上覆发育较厚的保温盖层, 是主要的热储层; 断层下盘为寒武系— 三叠系构成的多个底层热储单元, 埋深为1 000~3 000 m。安清断层(F₁)作为区域性深大断裂, 使这些热储单元直接接触而具有密切的水力联系, 为导水、导热的良好通道。温泉断层(F₂)具有阻水性质^{[15, 16]}, 其两盘分属2个独立地下水系统, 构成了息烽温泉区地热水系统的边界, 息烽温泉便在该断层带上岀露。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 息烽温泉地热水储、盖层及水文地质特征 Tab.1 Geothermal water reservoir and caprock and hydrogeological features of Xifeng hot spring 热储构造 地层单元 厚度/m 水文地质特征 储、盖层 顶层热储单元 寒武系 清虚洞组— 娄山关组 800~962 白云岩、石灰岩, 富水性强 热储层 牛蹄塘组— 金顶山组 636~767 碎屑岩类岩层, 富水性差 保温层 震旦系 灯影组 216~278 中厚层白云岩, 富水性强 热储层 洋水组 2~25 前震旦系 南沱组 0~280 碎屑岩类岩层, 含水性差 保温层 清水江组 > 300 底层热储单元 三叠系 夜郎组— 嘉陵江组 570~990 灰岩、白云岩夹碎屑岩, 富水性强 热储层 二叠系 龙潭组— 长兴组 106~460 碎屑岩夹灰岩, 富水性差 保温层 峨眉山玄武岩组 0~103 喷发岩, 富水性差 梁山组— 茅口组 187~330 生物屑灰岩, 富水性中— 强 热储层 石炭系 九架炉组 10~30 石英砂岩(较薄) 保温层 寒武系 清虚洞组— 娄山关组 800~962 白云岩、石灰岩, 富水性强 热储层

表1 息烽温泉地热水储、盖层及水文地质特征 Tab.1 Geothermal water reservoir and caprock and hydrogeological features of Xifeng hot spring

息烽温泉有3处天然出露于黑滩河右岸, 泉点平均出露标高为694 m, 常年水温恒定在53~56 ℃, 天然涌水量12.85~13.08 L/s。左岸有1眼地热井, 井深200 m, 泉口标高695 m, 水温52~53 ℃, 天然涌水量810 m³/d。多年观测显示其水温、水量变化均较小, 水质分析结果如表2所示。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 息烽温泉水质分析结果 Tab.2 Water quality analysis of Xifeng hot spring 分析项目 温泉1号 温泉2号 温泉3号 地热井 Ca2+ 52.76 54.32 57.42 54.32 Mg2+ 21.17 20.70 23.53 21.65 K+ 3.50 3.50 3.60 3.50 Na+ 14.00 12.00 13.10 13.30 Fe3++Fe2+ < 0.05 < 0.05 < 0.05 < 0.05 HCO3- 182.58 178.68 191.01 191.01 SO42- 86.00 86.00 94.00 86.00 Cl- 5.02 4.82 6.27 4.82 NO3- 3.22 4.82 4.34 3.03 F- 1.50 1.20 1.40 1.40 可溶性SiO2 32.00 41.39 41.39 41.39 偏硅酸 53.79 58.75 58.75 58.75 锶 1.84 1.54 1.57 1.52 锂 0.06 0.05 0.06 0.05 耗氧量 0.04 0.08 0.16 0.17 游离CO2 4.87 12.17 12.17 12.17 总硬度(以CaCO3计) 218.95 220.88 240.26 224.76 溶解性固体 308.96 382.85 411.26 381.62 pH值 7.55 7.54 7.68 7.71 氡 114.00 92.00 148.90 35.00 注: 测试单位为国土资源部贵阳矿产资源监督检测中心; 表中氡的单位为Bq/L, pH值无单位, 其余指标单位为mg/L。

表2 息烽温泉水质分析结果 Tab.2 Water quality analysis of Xifeng hot spring

据息烽温泉水质分析结果(表2), pH值为7.54~7.71, 呈弱碱性, 溶解性固体为308.96~411.26 mg/L, 平均值为371.17 mg/L, 属低矿化水。主要阳离子为Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺, 主要阴离子为 SO42-、 HCO3-。从Piper三线图(图3)可以看出, 该温泉水化学类型为 HCO3-、 SO42--Ca²⁺、Mg²⁺型。其中Sr和H₂SiO₃均达到饮用天然矿泉水标准, 温度、H₂SiO₃含量、氡含量均达到理疗天然矿泉水标准。因此, 息烽温泉为可饮可浴的珍稀天然矿泉水。

图3

Fig.3

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	图3 Piper 三线图Fig.3 Piper trilinear diagram

δ D与δ ¹⁸O同位素研究表明^{[4, 5, 6, 7]}, 息烽温泉来源于大气降水, 其在深部循环过程中吸收大地热流形成地热水。采用SiO₂地热温标法估算热储温度, 公式为

T=1309/(5.19-lgw(SiO2))-273.15)^[17-18]。(1)

式中: T为热储温度, ℃。

计算热水循环深度, 公式为

Z=(Tz-T0)/G+Z0 。(2)

式中: Z为循环深度, m; G为地热增温度, 值为2.8 ℃/100 m; T_z为地下热储热水温度, ℃; T₀为研究区多年平均气温, 值为16.2 ℃; Z₀为常温带深度, 值为30 m。

经计算, 息烽温泉热储温度为93.51~101.92 ℃, 地热水循环深度为2 779~2 970 m。

因洋水背斜核部已岀露震旦系, 在缺乏深部构造资料的情况下, 前人推测息烽温泉地热水循环于洋水背斜深部的前震旦系变质岩中。在贵州省, 形成于变质岩中地热水的水化学类型均为 HCO3--Na⁺型^{[19, 20]}, 而息烽温泉水化学类型为 HCO3-、 SO42--Ca²⁺、Mg²⁺型, 明显具有形成于碳酸盐岩热储层的特征。另外, 息烽温泉含有较高的 SO42-, 其S同位素证据表明, 这是由于寒武系三统娄山关组膏盐的溶解所致^[5]。因此, 前人的推测出现矛盾之处。息烽温泉控热推覆构造的发现, 查明了洋水背斜深部构造特征, 其深部穿过安清断层后是寒武系— 三叠系, 大气降水沿断裂通道下渗后, 在这些深部的碳酸盐岩热储层中运移并吸收热量变成地热水, 与此同时, 进行长时间的水岩反应, 形成现今的息烽温泉地热水特征。

洋水背斜地区磷矿深部勘探揭示了研究区地表构造与地腹构造并不统一的控热构造体系, 安清断层(F₁)和温泉断层(F₂)2条深大断裂以及洋水背斜构成了叠瓦状逆冲推覆构造体系, 形成息烽温泉地热水系统的主体及边界。安清断层(F₁)和温泉断层(F₂)所围限的洋水背斜形成良好的聚热、保热体系, 安清断层(F₁)下盘的石炭系— 三叠系形成了地热水的补给和径流体系, 这种地层具有上老下新的组合特征, 造成多个碳酸盐岩热储单元叠置。同时, 安清断层(F₁)使得多个热储含水层相互叠置并相互联通, 并沟通了深部热源, 为地热水的形成和运移提供了良好的条件, 温泉断层(F₂)则起着地热水深部循环阻挡边界的作用。

息烽温泉的水温、流量动态变化稳定, 说明地热水补给范围广, 补给源充足, 径流时间长。因此, 息烽温泉的形成过程大致为: 大气降水在洋水背斜西翼及北部的寒武系和二叠系— 三叠系大面积裸露的碳酸盐岩地区形成息烽温泉的主要补给区, 之后, 大气降水在源源不断沿含水层下渗, 至背斜深部底层热储单元中的寒武系— 三叠系热储含水层中, 深度可达3 000 m, 同时吸收大地热流和放射性物质的衰变, 产生热源, 形成地热水, 并受到寒武系碎屑岩盖层的隔水保温作用, 高温高压条件下, 地热水沿震旦系灯影组白云岩含水层及断裂通道向洋水背斜核部热储构造进行迁移, 受到温泉断层(F₂)边界限制, 形成了洋水背斜西翼和北端的地热资源有利富集区, 最后受黑滩河断裂(F_2-1)阻挡而自然岀露(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 贵州息烽温泉深循环过程剖面示意图 1.三叠系; 2.石炭系— 二叠系; 3.寒武系— 奥陶系; 4.寒武系清虚洞组— 奥陶系; 5.寒武系牛蹄塘组— 金顶山组; 6.灯影组; 7.前震旦系; 8.温泉; 9.主要断层及其编号; 10.次级断层及其编号; 11.大地热流; 12.大气降雨下渗途径; 13.地热水径流途径; 14.大气降水; 15.含水层; 16.隔水层Fig.4 Deep circulation schematic diagram of Xifeng hot spring

正常情况下, 浅部的寒武系碳酸盐岩热储层埋藏浅, 基本已经暴露, 很难形成地热水聚集, 深部则应该是前震旦系的变质岩地层, 不可能存在碳酸盐岩热储层型地热水。而在息烽温泉推覆构造控热体系下, 尽管洋水背斜核部已经岀露震旦系, 但双重推覆构造使得地层具有上老下新的组合特征, 多个碳酸盐岩热储单元的叠置, 具备良好的储、盖、通、源4个基本要素和有利的开采条件, 具有进一步钻探、开发、扩大地热利用的远景。

(1)由洋水背斜、安清断层(F₁)和温泉断层(F₂)组成的叠瓦状逆冲推覆构造体系, 构成了息烽温泉地热水系统的主体及边界, 该控热构造体系内地表构造与地腹构造并不统一, 地层分布具有上老下新的特征, 构成多个叠置的碳酸盐岩热储单元, 这些热储单元成为地热水形成和运移的良好场所。

(2)安清断层(F₁)使顶层和底层的多个热储单元直接接触, 从而具有密切的水力联系, 为导水、导热的良好通道; 温泉断层(F₂)两盘分属2个独立地下水系统, 构成了息烽温泉区地热水系统的边界。

(3)息烽温泉水温、水量、水质常年稳定, 该温泉水化学类型为 HCO3-、 SO42--Ca²⁺、Mg²⁺型, 其中Sr和H₂SiO₃均达到饮用天然矿泉水标准, 温度、H₂SiO₃含量、氡含量均达到理疗天然矿泉水标准。因此, 息烽温泉为可饮可浴的珍稀天然矿泉水。

(4)大气降水沿断裂通道下渗至深部的碳酸盐岩热储层中, 在运移过程吸收地温变成地热水, 在高温高压条件下, 向洋水背斜核部进行迁移, 受到安清断层(F₁)和温泉断层(F₂)所围限构造楔的限制, 形成洋水背斜西翼和北端的地热资源有利富集区, 最后受黑滩河断裂阻挡而自然岀露。

(责任编辑: 刘丹)