香格里拉地区温泉水文地球化学特征及成因分析

1 研究区概况

研究区位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉县，地势北高南低，海拔一般在3000 m以上。区内地形高差大，气候垂直分带明显，年平均降雨量618.4 mm，地表水系较为发育。

该区位于香格里拉盆地东北部，地处印度板块和欧亚板块交接带的北东缘，为三江造山带的中心地带，断裂构造发育。现存的构造方向以北西-北北西向为主，其次为北东向。其中，中甸断裂（F1）、央谷断裂（F2）、格咱河-阿热断裂（F3）、天生桥断裂（F12）、康师断裂（F5），是主要的水热控制构造，F3和F12之间断裂破碎带是主要的导水通道。温泉区出露地层主要为三叠系上统哈工组三段（T3ha3）和四段（T3ha4）地层，主要岩性为石灰岩，粉砂岩、砂岩、泥岩、硅质岩等含量较少。区内岩浆岩出露，其中火山岩在研究区出露较少，岩石类型有基性、中性熔岩和火山碎屑岩；侵入岩主要分布在属都海地层，以三叠系的石英闪长玢岩、石英二长斑岩为主，如图1所示。

2 数据采集与分析

天生桥温泉和下给温泉分别位于县城东南11km处建塘镇四村和15km处浪丁村西部山坡台地上，下给温泉在天生桥温泉的上游。天生桥温泉出露水温范围54.5~56.9℃，pH5.14~5.31，高程约3315~3385m，流量1-3 L/s，泉眼处均有钙华产生。下给温泉出露温度范围27.0~63.1℃，pH5.57~7.67，高程约3425~3445m，流量0.5-1.5 L/s，温泉点附近发育各种各样的钙华。天生桥温泉多个泉眼已不能自流，现今出水泉眼共计2处，编号为YX1和YX1-2。下给温泉本次观测7处泉眼，编号分别为YX2-1~YX2-7。在两温泉各个泉眼处取样，取样之前，先用取样点的热水对取样用具及容器进行了严格的清洗，以保证最大限度地减少样品的二次污染。同时，对天生桥温泉和下给温泉的出露位置、地形地貌及钙华出露的形态、位置进行了实地调查，并对温泉所在的地理位置坐标、标高、温泉水温、pH值、Eh值5个参数进行了现场测试。

样品采集后立即送至实验室，测试项目主要有主要离子、微量元素和氢氧稳定同位素等，主要离子和微量元素等项目测试在北京市地质工程勘察院实验室完成，氢氧稳定同位素测试在中国地质科学院稳定同位素实验室完成。基于《生活饮用水标准检验方法 金属指标》国标标准，采用离子色谱仪对K+、Na+、Ca2+、Mg2+等常规离子进行测定。基于《地下水质检验方法离子色谱法测定氯离子、氟离子、溴离子、硝酸根和硫酸根》标准，对Cl-、NO3-、SO42-等离子含量进行测定。基于《地下水质检验方法滴定法测定碳酸根、重碳酸根和氢氧根》标准，对HCO3-和CO32-离子浓度进行测试。基于《水中氢同位素锌还原法测定》和《天然水中氧同位素二氧化温泉基本概况 碳-水平衡法测定》，对2H、18O同位素进行测试，2H采用金属锌还原—直接测定法，测量仪器为MAT-253型气体同位素质谱仪，精密度：σ≤1‰；18O采用CO2-H2O平衡法测定，测量仪器为MAT-253型气体同位素质谱仪，精密度σ≤0.1‰。

除了现场测试的9处样品，另收集整理了前人下给和天生桥温泉水化学和同位素测试数据，包括天生桥温泉41号、42号、YX1-8和下给温泉49号、51号和YX2-8。

3 结果与讨论

3.1 水化学特征分析

3.1.1水化学类型

基于舒卡列夫分类法，并借助Piper图判断区内温泉水化学类型。天生桥温泉水化学类型主要为HCO3-Ca·Na型，其次为HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型；下给温泉水化学类型主要为HCO3-Na·Ca型，其次为HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型。

随着时间的推移，天生桥和下给温泉的水化学组分变化相似，也证明了这两处的地下热水在运移过程中遇到的围岩具有相似的成分。由此判断二者具有相同或类似的成因模式以及补给来源，又因为取水点在空间上有所不同，因此表现出温度和水化学性质上的差别。

 温泉水样点 Piper图

3.1.2主要组分来源

天生桥温泉及下给温泉地热流体的主要阴、阳离子组成类似，主要阴离子为HCO3-、Cl-和SO42-，主要阴离子为Ca2+、Na+和K+。由表2可知，天生桥温泉阳离子中，除YX1和 YX1-8中Na+含量约在50%和60%以外，其他三个泉眼Ca2+均比Na+多，约占阳离子含量的45%，含量在162~216.6mg/L之间；下给温泉均以Na+为主，约占65%以上，含量在219~255mg/L之间。阴离子均以HCO3-为主，约占91.4%~96.2%，除YX1-8和YX2-8中HCO3-含量相对较低（分别为662mg/L和640mg/L）外，天生桥温泉的HCO3-含量在1000~1400mg/L以上，下给温泉的HCO3-在759.1~951.9mg/L之间，Cl-和SO42-含量远小于HCO3-含量。而在下给地区7号冷泉中阳离子以Ca为主，Mg次之，Na几乎没有，水化学类型为HCO3-Ca型，3号温泉为HCO3-Na·Ca型，说明温泉成因模式和补给来源与冷泉相差较大。

天生桥温泉出露于三叠系哈工组四段（T3ha4）的灰岩，主要是层状亮晶含生物碎屑灰岩、钙质泥岩和泥质泥晶灰岩。下给温泉热储为哈工组三段（T3ha3）的泥岩、粉砂岩夹灰岩、含有硅质透镜体及石英砂岩透镜体。地下热水在运移过程中，与围岩发生溶解、溶滤和水热蚀变等反应，是地下热水中的HCO3-、Ca2+的主要物质来源之一。此外，地下热水在深循环过程中携带大量的CO2以及浅部冷水中混入的CO2也是HCO3-的来源之一。

除上述原因以外，Ca2+含量还可能与石膏沉积物、岩浆岩、变质岩等含钙矿物的风化溶解以及阳离子交换吸附作用有关，如三叠系哈工组四段中的钙质泥岩。Mg2+与Ca2+化学性质相似，但由于镁盐在地壳中的分布不广泛，Mg2+的含量一般小于Ca2+含量。

Na+和K+几乎所有盐类都可溶，迁移性很强，两个温泉的Na+含量较高，含量在较长的时间内变化很小，其原因可能与围岩或岩石土壤中含有的硅酸盐岩或芒硝等钠盐溶于地下热水有关。

Cl-和SO42-具有很强的迁移性，但是在两个温泉中含量较小，约占所有阴离子毫克当量百分数2%~4%，原因可能是大气降水中所含Cl-含量较低。而SO42-含量较低的原因可与大气降水中、热储岩层和围岩中硫酸盐或硫化物的含量较低有关，由于CaSO4的溶解度较小，较高的Ca2+会对SO42-有限制作用；在封闭的深层地质构造中SO42-在去硫菌的作用下，被还原成了H2S。

3.2同位素水文地球化学分析

稳定同位素对于温度变化、水-岩相互作用和不同来源水的混合作用十分敏感，易于检测，因而适于作标记或示踪剂，可用于研究地下水的起源、补给区的温度和高程等问题。

3.2.1补给来源

2H 和18O作为探讨水的起源特征离子，可利用全球大气降水线方程来分析地下水的补给来源，如公式（1）所示。此外，郑淑惠等对我国107个降水样品中的氢、氧同位素组成进行分析和研究，提出了中国大气降水线，如公式（2）所示；李广等利用云南腾冲地区339个大气样品，提出腾冲大气降水线，如公式（3）所示.

根据研究区温泉δ2H和δ18O的测试数据，绘制天生桥和下给温泉δ2H和δ18O值与全球大气降水线、中国大气降水线以及腾冲大气降水线的关系图，其中YX3为野外考察白水台地区冷泉的δ2H、δ18O值，用来和温泉作对比分析。由图可知，在YX3冷泉水样点的δ2H、δ18O值均在大气降水线附近，说明补给来源为大气降水。据笔者测算，研究区两温泉的18O漂移度较小，约1‰~2‰，说明两温泉存在轻微的18O漂移现象，指示存在水岩作用造成的18O同位素交换反应。

温泉水样δ2H-δ18O关系图

3.3热储分析

热储温度可通过地球化学温标法反演获取，是评价地热资源的重要参数之一。目前常见的地球化学温标主要有二氧化硅地热温标和阳离子地热温标。Na-K-Mg三角图解法用于评价地下热水的平衡状态，可将地下热水划分为完全平衡水、部分平衡水及未成熟水三种类型。研究区温泉水样的Na-K-Mg三角图表明：区内水样点均为未成熟水，且Mg2+的含量普遍偏高，表明水-岩反应的温度不高，两个温泉均可能存在热水与浅部冷水混合的现象，地下热水在上升过程中受到浅层冷水的稀释，使热水中元素的含量变低。

研究区温泉水样的Na-K-Mg三角图 

利用石英温标及阳离子温标计算出天生桥温泉和下给温泉的地下深部的热储温度，结果显示：由阳离子地热温标法获得的热储温度明显偏大，不符合实际，因此本文不采用阳离子地热温标法估算热储温度。在不考虑冷热水混合作用下，天生桥和下给温泉的热储平均温度分别约为86℃和120℃。地下热水在上升过程中可能与浅部冷水发生混合（稀释），混合作用影响热水化学组分含量、温度以及地热流体的化学平衡状态。一般来说，当地下热水中Na+与Cl-呈正相关、Mg2+与Cl-呈负相关关系时可以判断为混合水。研究区Na+-Cl-、Mg2+-Cl-关系如图6所示，Na+-Cl-呈正相关、Mg2+-Cl-呈负相关，这说明两个温泉存在冷热水的混合作用。因此，由石英温标计算的热储温度偏低，还需确定冷热水的混合比例。

研究区温泉水Na+-Cl- 和 Mg2+-Cl-关系图 

前人研究表明：可利用硅-焓模型来确定混合水的深部热储温度和冷热水混合比例。根据研究区温泉水实验测试数据求出一系列混入热水的冷水比例X1和X2值，如图7所示。天生桥温泉冷水混入比例为52%，混入前热储温度为110℃。下给温泉冷水混入比例为72%，混入前热储温度为200℃。结果可知，硅-焓模型得出的热储温度比实际的热储温度偏高，原因可能有：深部热水在上升至地表的过程中仅考虑了一股冷水混入，而实际可能有多股冷水多次混合；冷水焓值及SiO2含量均为经验估计值，也会对计算值的准确性造成影响。综上，硅-焓模型的计算值偏大，石英温标法由于没有考虑浅部的冷水混合，计算值偏小。故本文取两者平均值作为天生桥温泉和下给温泉的热储温度，即天生桥温泉和下给温的热储温度分别为98℃和160℃。

温泉深部热储温度-冷水混入比例图

4 结论

（1）天生桥和下给温泉位于高山区断陷盆地，断裂构造发育，温泉区出露的基岩以灰岩为主。两温泉均为中低温对流型地下热水系统，且阴离子以HCO3-占绝对优势。前者水化学类型为 HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca型，阳离子以Na+、Ca2+为主；后者为HCO3 ·Na和HCO3-Na·Ca型，阳离子以Na+为主。

（2）应用稳定同位素δ2H和δ18O的线性关系（即全球大气降水线方程）推断出研究区两个温泉均来源于大气降水，且存在18O漂移现象。利用δ2H和δ18O值的高程效应和温度效应计算出天生桥温泉和下给温泉的补给区高程分别为3710m和3842m，位于温泉东南方向的刺那一带，补给区温度分别为- 11.98℃和-12.91℃。

（3）天生桥和下给温泉均为未成熟水，用阳离子地热温标法对温泉进行地下热储估算，结果偏大，适合用SiO2地热温标。通过对浅部冷水与热水混合比例的判断，计算出两个温泉混合的冷水比例分别为52%和72％，结合SiO2地热温标得出热储温度分别为98℃和160℃。