全 文 ：草科温泉的水文地球化学特征和成因分析
何 洋，李 晓，肖 尧，张子森
(成都理工大学 地灾防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)
［摘 要］ 通过对草科温泉的水化学及同位素特征分析，结合温泉的水文地质条件，探讨了温泉的成因，研究
认为草科温泉的补给水源来温泉以北海拔 3 200 m 左右的山区的大气降雨，降雨沿裂隙下渗向深部径流，通过计算
推测出热储深度为 1 900 m 左右，温度为 91℃，在水压差和密度差的作用下，深部热水运移至草科背斜倾伏端，从有
利部位上涌形成温泉。
［关键词］ 温泉;水化学;同位素;成因分析
［中图分类号］ P641． 11 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1004 － 1184(2015)01 － 0030 － 03
［收稿日期］ 2014 － 09 － 25
［作者简介］ 何洋(1986 －) ，男，四川成都人，在读硕士研究生，主攻方向:水文地质。
四川省的温泉资源丰富，全省已发现温泉(群)305 处，
在众多温泉中，水温 80℃以上的高温温泉及沸泉 12 处，60℃
～ 80℃的中高温泉 39 处，40℃ ～ 60℃的中温温泉 137 处，
25℃ ～ 40℃的低温温泉 117 处［1］。四川的地下热水及地热
能开发利用有广阔前景，目前在全川范围内开发利用的温泉
已有近百处。
分析草科温泉的水化学特征，计算温泉热储层温度和深
度、补给高程和补给量，在分析了热源、水源和导热通道等基
础要素的基础上提出了温泉的成因模式，对于温泉的继续开
发，今后该地区的地热资源的合理开采及温泉的远景规划具
有一定的指导意义。
1 自然地理环境
草科温泉位于石棉县草科藏族乡田湾河右岸摆罗山下，
地理位置坐标 29°2337″N，102°0618″E，海拔高程 1 462 m，
出露处比田湾河高处 2 m 左右。温泉以泉群形式出露，股状
涌出，流量为 80 ～ 100 L /s，温度为 46． 5℃。温泉地处贡嘎山
南麓，气候温暖湿润，年平均气温仅 13． 1 ℃，年降水量为
1 186． 8 mm。
2 水文地质条件
研究区在大地构造上处在欧亚板块的青藏亚板块与南华
亚板块的接合部。以贯穿贡嘎山东麓的鲜水河断裂为界，东
侧为康滇古陆的北段，由晋宁期斜长花岗岩与闪长岩所构
成，西侧属松潘甘孜褶皱系，由上古生界和广布的三叠系所
构成。［2］研究区的主要断裂系为北西 －南东向的鲜水河断裂
带，该断裂带在康定附近折向南南东，在草科温泉附近为鲜
水河断裂带南延部分—康定 － 磨西断裂，断裂向南经磨西、
湾东、田湾，主体呈 NNW—SSE 向延伸，断裂西盘为震旦系、
泥盆系、二叠系地层，东盘为晋宁 － 澄江期花岗岩和闪长
岩。［3］研究区主要的褶皱是草科向斜和毛坪背斜，草科向斜
位于磨西断裂以西，褶轴走向北 10°西，核部为上二叠统，两
翼为下二叠统，西翼与毛评背斜邻，东翼多被磨西断裂破坏
而残缺不全。毛坪背斜位于草科向斜之西侧，核部最老地层
为下二叠统下段，两翼分别为下二叠统中、上段。
1 ． 第四系，2 ． 上第三系，3 ． 三叠系，4 ． 二叠系，5 ． 泥盆系，6 ． 震旦系，
7 ． 印支燕山期岩浆岩，8 ． 澄江期岩浆岩，9 ． 晋宁期岩浆岩，10 ． 大渡
河断裂，11 ． 磨西断裂，12 ． 大发断裂，13 ． 小金河断裂，14 ． 草科向斜，
15 ． 毛坪背斜
图 1 温泉区构造纲要图
研究区的地层岩性及分布较为复杂，主要岩性有二叠系
上统(P2)灰岩与大理岩、二叠系下统(P1
1 ～ 3)和泥盆系中统
上段(D1)的变质岩系，以及燕山期(γo5
2)花岗岩。温泉出露
于二叠系上统(P2)地层，地层有岩性为厚层状的灰岩与大理
岩，中间夹有石英云母片岩和千枚岩，其中灰岩层岩溶发育，
以溶隙为主，二叠系的灰岩为研究区主要的含水层。研究区
经历了多次构造运动，褶皱核部与断层带附件节理裂隙十分
发育，大气降水入渗补给后，沿着构造裂隙或者溶隙向深部
径流，成为了深层的地下水，在循环过程中，从深部的岩石中
吸取热量升温，并最终在深层地层中形成了深部热储。
研究区发育的康定—磨西断层，主断带多由构造透镜体、
千糜岩、糜棱岩、断层泥等组成，断裂两侧常见与之平行的次
级小断裂并发育有数百米宽的挤压破碎带和糜棱岩带，草科
温泉处在次级小断裂带上，温泉出露于草科向斜的西侧，毛
坪背斜南侧的倾伏端，毛坪背斜的倾伏端由于褶皱的扭曲，
形成了高倾角的剪切裂隙，裂隙成张性，为背斜核部深层地
03
2015 年 1 月
第 37 卷 第 1 期
地下水
Ground water
Jan．，2015
Vol. 37 NO. 1
下水通向地表提供了通道。
3 水文地球化学特征
3 ． 1 水化学特征
地下水水化学特征是岩土体中的矿物成分和地下水流之
间相互作用的结果，它决定于地下水运动时接触的围岩成
分、水文地质条件和氧化还原环境等。本次研究中，于 2014
年 5 月在草科温泉泉口取样，现场测定了 pH 值为 7． 0，温度
为 46． 5℃，电导率在 503 μS /cm 左右。水样送至四川省地质
工程勘察院环境工程中心进行了全分析水质检测，水质分析
结果见表 1。
表 1 草科温泉水质分析结果
离子
含量
(mg /L)
组分
(元素)
含量
(mg /L)
组分
(元素)
含量
(mg /L)
阳
离
子
K + 6 ． 0 pH 7 Mo ＜ 0 ． 005
Na + 53 ． 0 TDS 661 ． 9 Mn 0 ． 010
Ca2 + 107 ． 2 Li ＜ 0 ． 02 Ni ＜ 0 ． 005
Mg2 + 5 ． 47 Sr 1 ． 15 Al ＜ 0 ． 02
NH4 + ＜ 0 ． 02 I ＜ 0 ． 05 偏硅酸 51 ． 9
Fe3 + + Fe2 + 0 ． 05 Zn ＜ 0 ． 05 游离 CO2 32 ． 96
阴
离
子
HCO3 － 256 ． 3 Se ＜ 0 ． 005 溴化物 ＜ 0 ． 15
CO3 2 － 0 ． 00 Cu ＜ 0 ． 05 偏砷酸 ＜ 0 ． 001
Cl － 3 ． 9 Hg ＜ 0 ． 001 偏硼酸 2 ． 23
SO4 2 － 188 ． 8 Cd ＜ 0 ． 001 偏磷酸 ＜ 0 ． 10
F － 1 ． 31 Ag ＜ 0 ． 01 耗氧量 0 ． 48
NO3 － ＜ 0 ． 04 Ba ＜ 0 ． 05 总硫化氢 0 ． 37
其
他
色(度) ＜ 5 ． 0 Cr ＜ 0 ． 010 挥发性酚 ＜ 0 ． 002
浑浊度 ＜ 0 ． 5NTU Pb ＜ 0 ． 01 氰化物 ＜ 0 ． 002
臭和味 无 Co ＜ 0 ． 001 亚硝酸盐 ＜ 0 ． 004
肉眼可见物 无 V ＜ 0 ． 01
温泉水无任何颜色，无悬浮物和胶粒，水质清澈透明;无
沉淀和钙华，有轻微的硫化氢气味。温泉的矿化度 661． 9
mg /L，属于淡水，泉水阴离子主要成分的为 HCO3
－，含量为
256． 3 mg /L;其次为 SO4
2 －，含量为 188． 8 mg /L。阳离子主
要成分为 Ca2 +，含量为 107． 2 mg /L，其次为 Na +，含量为 53
mg /L。泉水水化学类型为 HCO3·SO4 － Ca·Na型水。
草科温泉水中还含有 F、Sr、B 等特殊组分和微量组分。
偏硼酸含量为 2． 23 mg /L。草科温泉水中还含有 F、Sr、B 等
特殊组分和微量组分。依照 DZ40 － 85《地热资源评价方法》
中规定的医疗热矿水水质标准，偏硼酸有医疗价值的浓度是
含量大于 1． 2 mg /L。草科温泉的偏硼酸含量为 2． 23 mg /L，
有一定的医疗价值。水化学成分中，各种组分之间的含量比
例系数可以用于研究地下水的成因，地下水化学成分来源、
地下水化学类型的分类等问题。其中 Ca /Sr 系数，γNa /γCl
系数比例系数被用来确定地下水成因［4］。
碳酸盐沉积岩中的 Sr不富集，溶虑此类岩石的地下水的
Ca /Sr系数比较大，接近 200;正海洋水的 Ca /Sr系数比较高，
盐类浓缩沉淀后更高，与海水有关的沉积水的 Ca /Sr 系数约
为 33，草科温泉的 Ca /Sr 系数为 93，说明温泉水并不是海相
沉积水，主要是由大气降水补给，说明地下水流经地层的岩
性部分是碳酸盐岩层。
标准海水的 γNa /γCl系数平均值为 0． 85;如果水来自于
含岩盐地层，γNa /γCl系数接近于 1;海相沉积的地下水中的
Na +与地层中的交换性钙离子产生阳离子交换，则 Na +含量
下降，γNa /γCl系数小于 0． 85，草科温泉的 γNa /γCl 系数为
1． 53，大于 1，说明温泉水在地下曾发生过强烈的水岩反应，
由于过热水的溶滤作用使得长石中的 Na、K 元素随热水大量
迁出。
3 ． 2 同位素组成特征
为了研究温泉地下水的补径排条件，对水样进行了同位
素经测试，取样高程为 1 465 m。样品的氢氧同位素测试由
中国地质科学院贵阳地球化学研究所分析，氢同位素采用锌
法、氧同位素采用 CO2 － H2O 平衡，标准采用国际标准 SMOW
标准。测定的结果 δD‰为 － 90． 33%，δ18 O‰为 － 13． 10%。
温泉沟下段溪水 δD‰为 － 70． 33%，δ18 O‰为 － 9． 96%。
图 2 草科温泉 δD － δ18 O 关系图
参照我国西南大气降水线 δD = 7． 96δ18 O + 9． 52［5］，绘制
δD － δ18 O 关系图，根据图 2 显示，草科温泉的来源于大气降
水。
4 温泉成因
4 ． 1 热源
研究区内构造活动强烈，表现为差异性断块抬升，尤以
磨西断裂等边界断裂活动最强烈，据中科院成都地理所的研
究成果，全新世以来，该贡嘎山断块每年隆起 3． 2 ～ 12． 7
mm，平均 8 mm 左右，在作持久性大幅度的差异性抬升过程
中，沿断裂破碎带产生的机械摩擦热，是该区热矿水的热源
之一。热源来自正常的地温梯度，地下水在深循环过程中加
热，此外，还有少部分热源来自于岩浆岩等热源和花岗岩放
射性衰变产生的热量。
4 ． 2 热储
4． 2 ． 1 地球化学温标和热储温度估算
地球化学温标是估算热储温度的有效方法，其原理是地
热流体与矿物在一定温度条件下达到化学平衡，在随后地热
流体温度降低时，地热流体中的化学成分并不会改变。常用
的地热温标有阳离子温标、SiO2 温标和同位素温标。1988 年
13
第 37 卷 第 1 期 地下水 2015 年 1 月
Giggenbach首先提出了 Na － K － Mg 三角图的方法来计算地
热温标，并利用该图判断热水是否适合 Na － K － Mg 离子温
标［6］。
图 3 Na － K － Mg三角图
由图 3 可知，草科温泉位于未成熟区，因此不适宜用阳离
子估算热储温度，而应选择 SiO2 温标进行计算，采用《地热
资源地质勘察规范(GB11615 － 2010 )》的无蒸汽损失 SiO2
温标，估算温泉热储温度。计算公式如下:
二氧化硅地热温标(SiO2，温标)
t℃ = 13095． 19 － logSiO2
－ 3． 15 t = 0 － 250℃
草科温泉采用 SiO2 温标法计算得出热储温度为91． 60℃，
根据温泉发育条件和温泉出露是有浅层地下水混入的特征分
析，温泉实际热储温度应在 108℃ ～ 136℃范围内。
4． 2 ． 2 热储深度计算
热水循环深度计算根据下公式:H =(TZ － T0)/G + H0
式中:H 为热储深度，m;TZ 为热储温度;T0 为恒温带温
度，℃;G 为地温梯度;H0 为恒温带深度。
G 地温梯度选取地热增温率取 4℃ /100m ，T0 选取补给
区年平均气温 13． 1℃，H0 常温带深度取 20 m，推算得出温泉
的热储深度 1 935 m 左右。
4 ． 3 补给范围与补给量
4． 3 ． 1 补给高程
温泉补给区的海拔高程是圈定温泉补给范围的必要依
据。大气降水的同位素组成一般具有高程效应，大气降水中
氢同位素(δD)和氧同位素(δ18 O)随着地面高度的增加而逐
渐降低的现象，草科温泉的 δD 值都比同高程地表水或地下
水的 δD 值低，说明温泉是由地理位置相对较高的山区降水
补给。根据 δD 的高程效应补给高程计算公式:
Z = Z0 +(D － D0)/gradD
式中:Z 为地下热水的补给高程(m) ;Z0 为参照点地面高
程(m) ;D 为地热水的 δD‰(SMOW) ;D0 为当地大气降水的
δD‰(SMOW) ;gradD 为 δD 随高程递减梯度
据中国科学研贵阳地球化学研究所于津生等人对西南地
区高程效应的研究，我国西南地区 δD 的梯度为 － 2． 6‰ /
100m ～ － 3‰ /100m，本次计算 δD 的梯度 － 2． 6‰ /100m。计
算得出草科区温泉的补给高程在 3 147 m 左右。考虑到温泉
在上升过程中与浅表的地下水混合，计算得出的补给高程较
实际高程偏低，根据地质和水文地质条件分析，温泉的补给
高程在 3 200 m 左右，补给区在温泉西北部方向的山区。
4． 3 ． 2 补给量
采用降雨入渗法对温泉补给量进行估算，计算公式如
下:
Q = 2． 74α·W·A
式中:Q 为温泉补给量，m3 /d;α 为降水入渗系数，依据
补给区地形地貌特征、岩溶及植被的发育状况取值;W 为年
均降雨量(mm);A 为补给区汇水面积(km2)。
温泉补给区位于温泉西北部山区，地形为中到缓坡，植
被覆盖，地表水滞留时间较长，有利于地表水的入渗，且补给
区岩溶发育。根据经验降雨入渗系数 α 取值为 0． 25。年均
降雨量取 1 186． 8 mm。补给区汇水面积依据补给高程，考虑
到同位素的混合作用，取 3 200 m 高程附近的山区为补给区，
在地形图上圈闭补给区汇水面积，结果为 7． 9 km2，求得温泉
的补给量为 6 418 m3 /d，温泉水的自流流量 6 912 ～ 8 640
m3 /d，计算得出补给量较温泉流量要小，这表明温泉有浅表
地下水的混合。
4 ． 4 成因模式
综合上文对研究区的地质条件和水文地球化学分析，认
为草科温泉是受一组由北西转为近东西向的活动性环状断
裂构造控制的断层，温泉补给区位于贡嘎山南坡海拔 3 200
m 左右，补给主要来源于大气降水，降水顺着构造裂隙带向
深部径流至热储层中，成为深循环地下水，顺热储层层间裂
隙深循环运移，获得地热增温，热储温度为 91． 6℃，地下水运
移至草科背斜倾伏端，在水压差和密度差的作用下，沿背斜
核部的压扭性断裂和高倾角剪切裂隙上涌流出形成温泉。
5 结语
草科温泉属开放式补给的断裂深循环型地热系统，水化
学类型为 HCO3·SO4 － Ca·Na 型水，其中偏硼酸含量较高，
具有一定的医疗价值。温泉可以得到贡嘎山一带的补给，但
通过计算补给量可知，温泉地热水是天然资源量是有限的，
建议合理规划开采量，避免出现温泉水位降低等环境地质问
题。此外，应做好周边地区的环境保护工作，如贡嘎山补给
区的生态保护，保证温泉及热水孔水头不低于田湾河以免因
地表水体倒灌而遭受污染等。
参考文献
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