劉成龍，王廣才，史浙明，孔慶敏，趙 丹，張 卉，何德強

(1.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；4.昭通市地震局，云南 昭通 657000)

0 引言

溫泉是溝通地殼深部與淺部的窗口，多沿斷裂帶出露，和深部地下水循環(huán)系統(tǒng)有關(guān)。因此，通過監(jiān)測溫泉水力、水化學(xué)特征，可捕捉到來自地殼深部活動的信息，而了解不同溫泉的循環(huán)模式則是利用溫泉進行研究的基礎(chǔ)。當(dāng)前我國地震系統(tǒng)在許多溫泉點開展了水溫和水化學(xué)等測項的前兆監(jiān)測，由于對溫泉的熱儲來源、水化學(xué)特征和形成機制不清楚，當(dāng)出現(xiàn)異常時，對異常的解釋存在一定困難。除極少的情況外，溫泉一般和巖漿活動無關(guān)(López，Smith，1995；Grasby，Hutcheon，2001；Baiettoetal，2008，Bucheretal，2009；Zhangetal，2015；Stoberetal，2016)。泉水溫度一般受來自于下部的高溫?zé)醿Φ募訜嵊绊?Taran，Peiffer，2009；Wenetal，2012；Jeanetal，2016)。泉水的化學(xué)成份能夠反映出地下水經(jīng)過徑流過程中一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。溫泉的循環(huán)深度通常能深達數(shù)千米，它們以水頭作為循環(huán)動力，在角度較大的、滲透性高的斷裂破碎區(qū)形成上升通道而出露地表(Toth，1978，Swansonetal，2001，Evans，Derry，2005)。

云南省地?zé)豳Y源豐富，多條斷裂帶都有數(shù)量不等的溫泉出露(Liaoetal，1986；Tongetal，1986；Liuetal，2012；Jones，Peng，2014)。由于開發(fā)利用的目的不同，不同研究者對于溫泉的研究所采用的研究方法也不同。目前大多數(shù)研究主要從溫泉的來源、循環(huán)路徑和深度以及水化學(xué)等方面開展(王云等，2014；王潔青等，2017；拓明明等，2018)，而以地震監(jiān)測預(yù)報為目的的溫泉研究也越來越受到關(guān)注。許多研究表明，地震的孕育及發(fā)生過程能引起溫泉的流量、溫度和水化學(xué)組分的變化，因此對溫泉的監(jiān)測也成為地震前兆監(jiān)測的一項重要手段(Akita，Matsumoto，2004；Wangetal，2005；Ma，2016)。然而，將溫泉作為地震前兆觀測點進行監(jiān)測前需要對其形成機制、循環(huán)過程進行分析，為地震前兆監(jiān)測站點的堪選提供基礎(chǔ)資料，從而判定是否適用于地震觀測。

本文以烏蒙山脈金沙江畔的云南巧家縣硫磺洞溫泉為研究對象，從水化學(xué)組成、氫氧穩(wěn)定同位素、水文地球化學(xué)溫標(biāo)等方面對其地下水的補給來源、熱儲溫度、循環(huán)深度、補給高程等進行研究，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)地形條件對其形成機理進行分析，同時對其作為地震監(jiān)測點的適宜性做出判定。

1 地理與地質(zhì)背景

硫磺洞地區(qū)屬于金沙江干熱河谷地帶，屬亞熱帶與溫帶共存的高原立體氣候，年均氣溫21.1 ℃，年平均降雨量822.7 mm。硫磺洞溫泉坐落于云南省巧家縣金塘鄉(xiāng)大洼村(26°46′47.21″N，103°03′8.67″E)，海拔高程829 m，地處以禮河右岸，屬石灰?guī)r，距巧家縣城20 km。

硫磺洞地區(qū)主要位于川滇經(jīng)向構(gòu)造體系之綠汁江—小江南北構(gòu)造帶東緣與其東側(cè)滇東多字型構(gòu)造的結(jié)合部，NE和NS向構(gòu)造為主干構(gòu)造，NW向構(gòu)造零星分布，該區(qū)地質(zhì)簡圖及其剖面圖如圖1所示。大包廠斷裂為該區(qū)主要斷裂，為靠近小江斷裂的北端主干斷裂。該斷裂主要呈近NS向反“S”形延伸，長約20 km，斷層面向西傾斜，傾角陡達60°～70°。該斷裂兩側(cè)巖石擠壓破碎強烈，牽引現(xiàn)象發(fā)育，力學(xué)性質(zhì)上屬由西向東仰沖的壓性斷裂，地層斷距達千米以上，向兩端逐漸變小，以至消失。該斷裂近期活動明顯(云南省地質(zhì)局，1978)，近年來3～4級地震也時有發(fā)生，其西側(cè)1 km的NS向的以禮河沿線分布有兩處熱泉，硫磺洞熱泉為其一。

Z：震旦系；：寒武系；O：奧陶系；S：志留系；D：泥盆系；C：石炭系；P：二疊系；T：三疊系

硫磺洞溫泉位于藥山構(gòu)造帶的大包廠背斜的核部。該地區(qū)從震旦系到二疊系皆有地層出露。震旦系地層巖性為淺海相沉積的白云巖和硅質(zhì)條帶白云巖，厚1 257 m；寒武系到二疊系下部地層以一套淺海相、濱海-淺海相、陸相-濱海相、海相、海陸交替相的碳酸鹽巖和碎屑巖沉積為主，碎屑巖有粉、細砂巖和泥巖等；二疊系上部為陸地噴發(fā)的玄武巖流；二疊系頂部為陸相沉積的含煤地層；三疊系地層為紅色碎屑巖系，以暗紅色粉、細少巖為主。

2 采樣和分析

在野外期間采集了2個雨水樣品，采集時間為2017年5月，正值云南雨季。雨水樣品1采集于距硫磺洞溫泉約16 km的巧家縣城，雨水樣品2采集于距硫磺洞溫泉約300 km的彌勒市。采集時先用大盆收集降雨，然后轉(zhuǎn)移到30 mL的棕色塑料瓶中密封保存。雨水和溫泉水的氫氧穩(wěn)定同位素送至中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點實驗室測試，采用液態(tài)水同位素分析儀LGR LWIA-24d(Liquid-Water Isotope Analyzer)測試同位素比值，并計算出相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水VSMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water)的千分偏差值。地下水溶解氣體樣品在現(xiàn)場采集，采用真空分離瓶進行水氣分離，將分離后的溶解氣體用注射器抽取，注入已抽真空的氣袋中，送至中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室進行測試。氣體組分含量采用QMG220質(zhì)譜儀測試，同位素比值采用Noblesse型稀有氣體同位素質(zhì)譜計測試。

3 水文地球化學(xué)特征

3.1 水化學(xué)特征

本次水樣水化學(xué)分析主要離子成分及濃度分析結(jié)果如表1如示。再運用陽離子平衡方法對分析結(jié)果進行檢驗，得到分析誤差e為4.18%。

表1 硫磺洞溫泉水化學(xué)主要離子成分

為了對硫磺洞地下水化學(xué)成分進行研究，使用Piper三線圖解法對其水化學(xué)成分進行分類(Piper，1944)。由圖2可見，硫磺洞溫泉水化學(xué)成分陽離子以堿土金屬Ca+Mg為主，占90%；陰離子以HCO3為主，達80%；并且碳酸鹽硬度大于50%。根據(jù)表1，得到該泉礦化度為2 733 mg/L，水化學(xué)類型屬于HCO3·SO4-Ca·Mg型水(圖2)。

圖2 硫磺洞溫泉水化學(xué)成分Piper三線圖解

3.2 氫氧同位素組成特征

氫氧同位素研究是確定溫泉水來源和循環(huán)途徑的重要工具。Craig(1961)提出了全球雨水線方程為：

δD=8δ18O+10

(1)

Yurtsever和Gat(1981)給出全球雨水線修訂公式為：

δD=8.20δ18O+10.80，r=0.997

(2)

式中：r為相關(guān)系數(shù)。

硫磺洞溫泉水及其附近雨水的氫氧同位素組成如表2和圖3所示。硫磺洞溫泉的δD和δ18O值分別為-97.81‰和-13.39‰(表2)，通過與全球大氣降水線比較，發(fā)現(xiàn)硫磺洞溫泉與2個雨水樣品點的δD和δ18O值均落在全球大氣降水線上(圖3)，說明硫磺洞溫泉水補給來自大氣降水。

表2 硫磺洞溫泉及其附近雨水氫氧穩(wěn)定同位素組成

圖3 硫磺洞溫泉δD和δ18O與大氣降水線關(guān)系圖

3.3 氣體地球化學(xué)分析

地下水中的氣體具有很重要的水文地球化學(xué)意義，對研究地下水的成因類型及水巖作用過程有著重要的作用。

本文采集硫磺洞溫泉地下水的溶解氣樣品，測定氣體組分含量和稀有氣體同位素比值。經(jīng)測試，硫磺洞溫泉溶解氣體中含有O2，CO2，N2和Ar等，未檢測出CH4，H2S。其中CO2含量最多，達到75.79%(體積比)，其次是N2，含量為19.13%，O2的含量為4.87%，Ar的含量為0.21%。

分析認(rèn)為硫磺洞溫泉中CO2含量高的原因主要為：①硫磺洞溫泉中的水在下滲之前與空氣接觸，因此水中CO2部分來自于空氣。②硫磺洞溫泉含水層為震旦系白云質(zhì)灰?guī)r，在地下深部熱源的作用下，含有碳酸鹽礦物的巖石發(fā)生分解產(chǎn)生CO2進入地下水中(閆志為，韋復(fù)才，2003)。③根據(jù)CO2中δ13C同位素研究，發(fā)現(xiàn)硫磺洞溫泉中CO2有部分來自地幔(上官志冠等，1993；劉再華等，2002)。此類幔源CO2經(jīng)由深大斷裂導(dǎo)入含水層，再通過溫泉和斷裂釋放出來。④深部成因的CO2在泉口附近常見有大量的鈣華堆積，硫磺洞溫泉口亦堆積有大量的鈣華。因此認(rèn)為硫磺洞溫泉的CO2有空氣、熱動力變質(zhì)作用和幔源3種來源及成因。

大氣中的N2和Ar隨大氣降水溶解入滲補給地下水，地下水中N2/Ar值通常為38～84(中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，1998；喬海明等，2009)。研究溫泉水時，通常根據(jù)N2/Ar值將N2來源劃分為2種，即大氣來源和非大氣來源。硫磺洞溫泉N2/Ar值為91.09，超出大氣成因N2/Ar比值范圍，表明有非大氣成因N2的溶入。

空氣中3He/4He值比較穩(wěn)定，為1.4×10-6，定為Ra，樣品中3He/4He值為R。在研究He同位素組成時，經(jīng)常用R/Ra值判斷樣品來源(陶明信等，2005；王云等，2014)。當(dāng)R/Ra=1時，認(rèn)為是純大氣來源；當(dāng)R/Ra>1時，認(rèn)為有幔源氦混入；當(dāng)R/Ra<1時，認(rèn)為有殼源核混入。硫磺洞溶解氣中3He/4He為1.29×10-6，R/Ra=0.92，表明地下水中的溶解氦主要為大氣成因，有一些殼源的氦混入。

自然界中有3種穩(wěn)定的Ne的同位素，即20Ne，21Ne，22Ne，其中20Ne豐度最大，且其唯一來源是大氣，且通常很穩(wěn)定，而大氣中4He/20Ne值為0.318。本研究中樣品4He/20Ne值為0.46，略高于大氣比值，其來源主要為大氣成因，并有一定殼源的氦混入，與3He/4He結(jié)論一致。根據(jù)3He/4He和4He/20Ne比值之間的關(guān)系，可進一步計算出幔源氦的貢獻率為9.88%(周曉成，2011)。

4 溫泉成因分析

4.1 水文地球化學(xué)溫標(biāo)

在地?zé)豳Y源勘探過程中，深部熱儲溫度的研究是評價地?zé)豳Y源的重要參數(shù)之一，可利用地?zé)釡貥?biāo)方法估算。常用的地?zé)釡貥?biāo)有石英(SiO2)溫標(biāo)、陽離子溫標(biāo)和同位素溫標(biāo)等(王廣才，1996；王瑩等，2007)。各種溫標(biāo)適用條件不同，故在利用溫標(biāo)計算熱儲溫度時需先對溫泉水進行平衡狀態(tài)分析。本文首先采用Na-K-Mg三角圖解法對硫磺洞溫泉水熱水平衡狀態(tài)和類型進行劃分(圖4)。

圖4 硫磺洞溫泉Na-K-Mg三角圖解

圖4顯示，硫磺洞溫泉水位于未成熟水區(qū)域，且靠近Mg端，表明硫磺洞溫泉受冷水稀釋較明顯，其熱儲溫度不適于采用Na-K-Mg陽離子溫標(biāo)方法進行估算。由于本水樣發(fā)生了稀釋(混合)作用，采用SiO2溫標(biāo)方法計算出來的結(jié)果通常偏低。由于硫磺洞溫泉Ca2+濃度較高，為412.5 mg/L，為高鈣水，也不適用Na-K陽離子溫標(biāo)方法計算，故筆者采用Na-K-Ca陽離子溫標(biāo)計算熱儲溫度(Fournier，Trusdell，1973；Xuetal，2016)，其公式為(Nicholson，Keith，2012)：

(3)

式中：t為熱儲溫度，單位為℃；Na，K，Ca分別代表鈉、鉀、鈣的濃度，單位為mg/L；當(dāng)t<100℃，β=4/3；t>100℃，β=1/3。

通過式(3)試算得出硫磺洞溫泉溫度高于100 ℃，故取β=1/3，計算得出該泉的熱儲溫度t=209 ℃。

4.2 冷熱水混合比

深部熱水在上涌過程中，如果遇上淺部含水層，則會發(fā)生與淺層含水層中水相混合的現(xiàn)象，熱水的水化學(xué)成分和溫度等會發(fā)生改變。本文采用硅-焓方程法計算硫磺洞溫泉冷熱水混合比。在冷熱水混合過程中，將會導(dǎo)致深部熱水初焓和SiO2初始含量發(fā)生變化，形成泉水的終焓和SiO2含量。假設(shè)冷水混入量占泉水量的比例為X，則地下熱水SiO2初始含量和初焓與泉水中SiO2含量和終焓的關(guān)系可以表示為：

HcX1+Hh(1-X1)=Hs

(4)

SiO2cX2+SiO2h(1-X2)=SiO2s

(5)

式中：Hc為近地表冷水的焓；Hh為深部熱水的初焓；HS為泉水的終焓；SiO2c為近地表冷水SiO2含量；SiO2h為深部熱水SiO2含量；SiO2s為泉水SiO2含量；X1和X2分別表示各種假設(shè)熱水初始溫度下計算出的每一種焓值、SiO2濃度的混入比。其中，深部熱水焓和SiO2含量與熱水溫度的關(guān)系見表3(Fournier，Truesdell，1974；Gupta，Roy，2007)。

表3 深部熱水溫度、焓和SiO2含量的關(guān)系

由式(4)，(5)可得：

(6)

(7)

解方程(6)，(7)，采用表3中所提供的參數(shù)進行求解，得出硫磺洞溫泉冷熱水混合比例，計算結(jié)果見表4。

表4 硫磺洞溫泉冷熱水混合比X1和X2

利用表4中數(shù)據(jù)，通過圖解法能夠快速簡便地求出冷熱水混合比和溫泉的熱儲溫度(圖5)。由圖5可見，2條曲線的交點坐標(biāo)為(0.865，211.5)，即硫磺洞溫泉冷水混入比為86.5%，深部熱儲溫度為211.5 ℃，該溫度與使用Na-K-Ca陽離子溫標(biāo)法計算得出的209 ℃非常接近，故采用這兩者的平均溫度210 ℃作為硫磺洞溫泉的地儲溫度。

圖5 硫磺洞溫泉冷熱水混合比例及熱儲溫度

4.3 熱儲深度

熱儲深度H又稱循環(huán)深度(單位為m)，其計算公式為：

H=(Tz-T0)/G+H0

(8)

式中：Tz為熱儲溫度，取210 ℃；T0為恒溫帶溫度，取補給區(qū)年均氣溫21.1 ℃；G為地溫梯度，取地?zé)嵩鰷囟嚷? ℃/100 m；H0為恒溫帶深度，取20 m(何洋等，2015)。最后計算得出熱儲深度為4 742.5 m。

4.4 補給高程和補給量

大氣降水的氫氧同位素組成隨著高度增加而逐漸降低的現(xiàn)象稱為“高度效應(yīng)”。計算地下水補給高程時主要基于以下假定：①大氣降水在補給區(qū)下滲以后直接到達其采樣位置的地下水或泉，沒有發(fā)生蒸發(fā)、混合等而使其同位素發(fā)生改變的因素；②地下水同位素高程關(guān)系等同于降水同位素高程關(guān)系。高度效應(yīng)在不同海拔變化很大，當(dāng)海拔較高時，平均氣溫較低，降水中的氫氧同位素減小。如海拔每升高100 m，18O減少-0.15‰～-0.5‰，D(2H)減少-1‰～-4‰。利用大氣降水的高度效應(yīng)，可以推測計算地下水補給區(qū)的高度和位置(張洪平等，1991)。確定含水層地下水的補給區(qū)高度的公式如下：

(9)

式中：H為同位素入滲高度(補給區(qū)標(biāo)高)；h為取樣點標(biāo)高；δS為地下水同位素組成；δP為取樣點附近大氣降水同位素組成；K為同位素高度梯度(-δ/100 m)，存在δ18O和δ2H兩種同位素高程梯度。

本文中δS為-13.39‰，δP取雨水樣品1的測值為-9.74‰，K為0.26‰/100 m(Yuetal，1984)，h為829 m，計算得出H為2 232.8 m。硫磺洞溫泉出露于山區(qū)河流下切處，其周邊有多處海拔3 000 m左右的山峰，計算得出硫磺洞溫泉的補給高程與實際吻合，較為合理。

4.5 成因模式

硫磺洞溫泉是受一褶皺和斷層的組合控制。硫磺洞溫泉的補給區(qū)為其東部海拔2 200 m左右的山區(qū)。補給主要來源于大氣降水，降水順著構(gòu)造裂隙帶經(jīng)深部熱儲加熱后出露地表。如圖6所示，在補給區(qū)水化學(xué)成分為HCO3-Ca型水，隨著地下水在地下徑流區(qū)的不斷演化，逐漸演化成HCO3·SO4-Ca·Mg型地下水，遇到大包廠壓性阻水?dāng)嗔训淖钃醵鞒龅乇?。大包廠斷裂與小江斷裂距離很近，小江斷裂帶是向深部延伸切穿了巖石圈，甚至延伸到軟流圈(李坪，1993)，因此有來自地殼深部的氣體沿著斷裂帶上升，進入地儲層，隨著地儲層中的地下水一起流出地表。

圖6 硫磺洞溫泉形成機理及水化學(xué)水平分帶示意圖

5 溫泉與地震活動性關(guān)系

5.1 地震活動性

本文統(tǒng)計了1976—2019年研究區(qū)內(nèi)(26°30′～27°00′N，102°40′～103°20′E)發(fā)生的ML≥0.1地震共1 368次(震源深度為0 km和未記錄震源深度的排除在外)，地震震中分布如圖7所示。從圖中可以看出，在硫磺洞溫泉出露點周圍發(fā)生地震的頻次較少，而在溫泉出露點的南北兩側(cè)，地震較為密集，頻次較高。這可能是由于溫泉水的弱化作用，造成應(yīng)力在溫泉點附近不易積累，故而在溫泉點附近的地震頻次較低(林元武，1994)。

圖7 研究區(qū)地震震中分布圖

5.2 溫泉循環(huán)深度與震源深度關(guān)系

對研究區(qū)發(fā)生的1 368次地震進行了震源深度的統(tǒng)計，震源深度與地震頻次的關(guān)系如圖8所示。研究區(qū)內(nèi)的地震震源深度為0～38 km，其中有1 017次地震的震源深度為5～13 km，達到74.34%。尤其是在5 km深度，地震頻次達203次，形成了一個優(yōu)勢面，遠高于其它深度。該優(yōu)勢深度與硫磺洞溫泉的循環(huán)深度4 725 m基本吻合。這可能是由于在地下含水層中，在水的作用下，周圍巖石將產(chǎn)生泥化、水化和溶蝕等作用，造成巖石的抗壓強度和斷裂的摩擦力都顯著降低，另外深部流體的孔隙壓力較大，可有效降低巖層的正壓力，對巖層有到弱化作用(林元武，1993；張超等，2001)。該結(jié)果表明，硫磺洞溫泉的循環(huán)深度對該地區(qū)的地震發(fā)生起著重要的影響作用。

圖8 震源深度與地震頻次關(guān)系圖

6 結(jié)論

硫磺洞溫泉屬于受褶皺和斷裂聯(lián)合控制的開放式補給的斷裂深循環(huán)型地?zé)嵯到y(tǒng)。通過對硫磺洞溫泉水化學(xué)特征、氫氧穩(wěn)定同位素、氣體成分和所處區(qū)域地震活動性等研究，得出以下結(jié)論：

(1)硫磺洞溫泉的水化學(xué)類型為HCO3· SO4-Ca· Mg型，其礦化度為2 733 mg/L。根據(jù)氫氧穩(wěn)定同位素和氣體地球化學(xué)的研究得出，硫磺洞溫泉為大氣降水式補給。硫磺洞溫泉熱儲溫度為210 ℃，補給高程為2 200 m左右，其循環(huán)深度約為4 742.5 m。

(2)根據(jù)溫泉水中溶解氣體和稀有氣體同位素比值分析，硫磺洞溫泉熱儲層含有來源于深部的殼源或者幔源物質(zhì)進入熱儲層，說明該溫泉所處大包廠斷裂和其附近的小江斷裂北端發(fā)育較深，是深部物質(zhì)通過斷裂進入熱儲層和地表釋放的通道。

(3)溫泉水成因模式為：大氣降水在東部海拔2 200 m左右的山區(qū)沿著裂隙或斷裂進了地下含水層，地下水在巖性為白云巖的地下徑流中流動，水化學(xué)類型由補給區(qū)的HCO3·Ca型水逐漸演化成HCO3·SO4-Ca·Mg型地下水。

(4)硫磺洞溫泉循環(huán)深度與研究區(qū)震源深度優(yōu)勢面基本吻合，這說明硫磺洞溫泉的循環(huán)深度對該地區(qū)地震的發(fā)生起著重要的影響作用。硫磺洞溫泉所處的大包廠斷裂帶活動性較強，該溫泉屬于深循環(huán)溫泉，在徑流的過程中有可能攜帶深部地殼活動信息，適合于地震前兆監(jiān)測。