青海貴德縣扎倉(cāng)溫泉成因分析

青海貴德縣扎倉(cāng)溫泉成因分析

0扎倉(cāng)溫水生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工作簡(jiǎn)述青藏高原有許多高溫溫氣候的地方。由于許多溫泉都很偏遠(yuǎn)，這些寶貴的資源是未知的，或者很少有人到達(dá)。許多低使用的溫泉使用非常低。在這方面,扎倉(cāng)溫泉?jiǎng)t具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),它地處青海省東部人口稠密區(qū),位于貴德縣城西南方向河西鎮(zhèn)扎倉(cāng)寺村,距縣城直線距離約10km。據(jù)史書(shū)記載,唐朝金城公主進(jìn)藏途中就曾在扎倉(cāng)溫泉洗塵。明洪武十三年(1381年)就有人在此定居,用溫泉洗浴,以治療疾病。扎倉(cāng)溫泉被稱(chēng)為“佛泉神水”,至今已有600多年歷史,比號(hào)稱(chēng)“天下第一湯”的云南安寧溫泉的開(kāi)發(fā)利用還早100年。貴德地區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作始于20世紀(jì)50—60年代,水文地質(zhì)工作開(kāi)展時(shí)間更晚。1977—1979年青海省第二水文地質(zhì)隊(duì)開(kāi)展了貴德地區(qū)地下熱水初步勘察工作。1982年地質(zhì)礦產(chǎn)部青海省906大隊(duì)完成了新街幅(1∶200000)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告。2005年周小波等探討了貴德縣扎倉(cāng)地?zé)崽锍梢?建立了熱儲(chǔ)概念模型,認(rèn)為熱礦水可能由黃河上游支流茫拉河補(bǔ)給。2008年郭萬(wàn)成等對(duì)扎倉(cāng)地?zé)岢删に嚭偷責(zé)岬暮侠黹_(kāi)發(fā)利用提出了一些看法。本文分析了扎倉(cāng)溫泉的出露條件和水化學(xué)特征,通過(guò)對(duì)地下熱水進(jìn)行Ra、Rn放射性同位素測(cè)試和分析,探討與熱水形成有關(guān)的起源、循環(huán)深度和年齡等問(wèn)題,估算地?zé)豳Y源量,并提出開(kāi)發(fā)利用建議。1出露溫泉1.1周邊地表環(huán)境研究區(qū)位于塔里木—中朝板塊的南部邊緣,地處松潘—甘孜印支期褶皺系的青海南山冒地槽帶。扎倉(cāng)溫泉出露于基巖山區(qū)前緣溝谷地帶,溝谷兩側(cè)為不對(duì)稱(chēng)階地,由第四系中更新統(tǒng)(Qgl2)冰磧泥質(zhì)漂礫層組成。西南出露有燕山期花崗閃長(zhǎng)巖(γδ25)和中三疊統(tǒng)(T2)砂板巖,大部地區(qū)被新近系(N)碎屑巖所覆蓋,其巖性主要為桔紅色、桔黃色粉砂巖、泥巖夾泥灰?guī)r(圖1)。周邊主要地層還有中三疊統(tǒng)(T2),巖性主要為砂巖、礫巖,夾有泥巖、灰?guī)r、千枚巖與板巖?；◢忛W長(zhǎng)巖(γδ25)裂隙及構(gòu)造破碎帶為含水層。中三疊統(tǒng)(T2)泥巖、板巖和新近系(N)粉砂巖、泥巖構(gòu)成隔溫蓋層。斷裂破碎帶構(gòu)成熱儲(chǔ)構(gòu)造。扎倉(cāng)地區(qū)受河西系構(gòu)造體系控制,地?zé)崽镂挥跀嗔呀粎R部位(圖1)。斷裂主要有2組:一組為北西、北北西向壓扭性逆斷層,稱(chēng)為熱光斷裂;另一組為北東向張扭性正斷層,稱(chēng)為扎倉(cāng)斷裂。沿扎倉(cāng)斷裂帶,地表可見(jiàn)落水洞狀漏斗,可見(jiàn)其透水較好,為導(dǎo)水?dāng)嗔?。壓扭性熱光斷裂為隔水?gòu)造,地下水沿扎倉(cāng)斷裂徑流遇其受阻,形成上升泉。1.2噴泉的散發(fā),濃度“動(dòng)”氣扎倉(cāng)溝又稱(chēng)熱水溝、溫泉溝、暖泉溝,扎倉(cāng)溫泉沿其溝谷呈線狀分布(圖1)。泉水汩汩涌出,稍有噴濺。伴隨氣體和蒸汽的逸出,部分泉眼發(fā)出“咕咚”、“咕咚”的響聲。在長(zhǎng)約100m的溝谷中有泉眼近30處,單泉流量為0.1～0.29L/s,水溫為32～93.5℃,溫泉總流量為8.0～15.0L/s。2溫泉的形成和發(fā)展2.1治療溫泉水質(zhì)量指標(biāo)扎倉(cāng)溫泉水無(wú)色、透明,微有H2S氣味,水化學(xué)類(lèi)型屬于SO4·Cl-Na型。熱水中含有多種對(duì)人體有益的微量組分,如偏硅酸、偏硼酸、氟、鍶、鋰、鐳等。早在1979年就有研究者采集溫泉水樣進(jìn)行水化學(xué)測(cè)試,作者于2005年9月1日采集水樣進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。為了便于對(duì)比,現(xiàn)將溫泉不同時(shí)期的水化學(xué)分析結(jié)果列于表1?？梢钥闯?溫泉水礦化度(TDS)為1310～1390mg/L,陽(yáng)離子以Na+為主,陰離子以SO2?4、Cl-為主,pH值8.49～8.90,為弱堿性水,總硬度為149mg/L,屬于軟水。此外,溫泉水中F-質(zhì)量濃度高,達(dá)9mg/L以上,H2SiO3、Li+和Sr2+等也有較高的質(zhì)量濃度。按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),扎倉(cāng)溫泉水中,僅F-1項(xiàng)指標(biāo)超出飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn)限定值;H2SiO3、Li+和Sr2+共3項(xiàng)指標(biāo)符合飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn);F-、Li+共2項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足醫(yī)療礦水標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)資料顯示,盡管F-超標(biāo),但當(dāng)?shù)乩习傩诊嬘么怂?并未發(fā)現(xiàn)有明顯地方病癥狀。相反,溫泉水的醫(yī)療功效非常明顯,對(duì)皮膚病、關(guān)節(jié)炎、骨炎等有顯著療效。將溫泉1979年測(cè)試的水化學(xué)成分與2005年相比較,發(fā)現(xiàn)水化學(xué)演變呈現(xiàn)以下特點(diǎn):(1)陽(yáng)離子變化顯著,特別是Mg2+含量顯著變小,Na+、K+含量也有一定程度下降;(2)陰離子除I-、HCO?3有所減少以外,其他陰離子變化幅度較小;(3)其他化學(xué)成分及TDS、pH值變化很小。2.2酶流量1978年前后,青海省地質(zhì)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)統(tǒng)計(jì)了部分泉眼的流量與水溫,扎倉(cāng)溫泉單泉流量0.1～0.29L/s(表2)。根據(jù)多年資料,溫泉總流量8.0～15.0L/s。溝內(nèi)地?zé)峋┕ね瓿梢院?井口熱水的溫度達(dá)93℃,孔口自流量為5.366L/s,同時(shí)溝底溫泉涌水量減小。2.3扎倉(cāng)熱礦泉出露扎倉(cāng)溫泉泉眼眾多,溫度不一,高溫的處于沸騰狀態(tài),低的可直接洗浴。當(dāng)?shù)鼐用褚虻刂埔死脽崴?高溫沸泉用來(lái)加工食品,如煮雞蛋,較低溫度的泉水則用來(lái)洗浴。根據(jù)前人資料,扎倉(cāng)溫泉最高溫93.5℃,最低32℃。扎倉(cāng)熱礦泉出露標(biāo)高為2500m左右,當(dāng)?shù)貧鈮阂话悴桓哂?8kPa,與其相對(duì)應(yīng)水的沸點(diǎn)為93℃。所以泉水最高溫度不能完全代表地?zé)崃黧w溫度。即使在沒(méi)有泉眼出露的地方,扎倉(cāng)溫泉泉區(qū)范圍內(nèi)地表溫度也達(dá)30～40℃。2.4扎倉(cāng)溫泉水的地球化學(xué)—補(bǔ)給來(lái)源、循環(huán)深度與年齡貴德縣位于青海省東部,屬半干旱高原大陸性氣候,年平均氣溫7.1℃,年降水量251～559mm,年蒸發(fā)量最高達(dá)2000mm。一般來(lái)說(shuō),大氣降水入滲經(jīng)深循環(huán)被加熱后上升至地表而形成溫泉,熱水溫度主要靠地?zé)嵩鰷貋?lái)獲得。張性的扎倉(cāng)斷裂既是熱儲(chǔ)帶,也是熱水通道,有助于深部熱源向上傳遞。壓性的熱光斷裂以及新近系隔水巖層共同形成阻水構(gòu)造和蓋層。地下熱水沿扎倉(cāng)斷裂徑流,受阻水構(gòu)造作用,其徑流受阻,在斷裂交匯處同時(shí)也是地形較低的河谷中溢出,從而形成溫泉。根據(jù)原地質(zhì)礦產(chǎn)部青海省906大隊(duì)和青海省地質(zhì)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)相關(guān)的勘探資料,花崗巖破碎帶內(nèi)勘探孔孔深100.18m,熱水溫度93℃,孔口自流量為5.366L/s,當(dāng)孔自流后,溝內(nèi)溫泉流量明顯減少。在溫泉下游300m處施工的勘探孔,所揭露地層為第四系砂礫石以及新近系土黃色、粉紅色砂巖、泥巖和砂礫巖,當(dāng)降深為5.16m時(shí),涌水量?jī)H為0.068L/s,水溫57℃。這些現(xiàn)象表明,碎屑巖的富水性、導(dǎo)熱性遠(yuǎn)小于花崗巖破碎帶。高溫溫泉直接來(lái)自斷裂破碎帶,而低溫溫泉一方面來(lái)自高溫?zé)崴c河谷淺層地下水的混合作用,另一方面可能由淺層地下水直接被下部熱儲(chǔ)帶加熱形成。在水的化學(xué)成分中,各種組分間的質(zhì)量濃度比例系數(shù)常常被用來(lái)判斷地下水的成因。扎倉(cāng)溫泉水的r(Na+)/r(Cl-)比值為1.37～1.85,大于1,表明溫泉水來(lái)源于大氣降水。扎倉(cāng)溫泉水r(Cl-)/r(Br-)比值大于300,表明其為流經(jīng)貧溴巖石的溶濾水。貴德縣城西部西山由南向北傾斜,全長(zhǎng)約30km,主峰海拔4007m。山區(qū)水源充沛,是南部黃河支流暖泉河的發(fā)源地。扎倉(cāng)溫泉地處暖泉河流域,其上游為堆石磧、清土溝河,均為季節(jié)性河流(圖1)。貴德境內(nèi)降水量的地區(qū)差異性大,山區(qū)高于河谷,東部高于西部。黃河河谷地區(qū)年平均降水量為250mm,高山區(qū)可達(dá)500mm以上,降水隨海拔的增升梯度在1.0×10-4～1.4×10-4之間。蒸發(fā)量隨地形的抬升而減少。黃河河谷地區(qū)年平均蒸發(fā)量1862～2382mm,高山區(qū)小于1000mm,蒸發(fā)量隨海拔增升的遞減梯度在1.5×10-4～1.8×10-4之間。顯而易見(jiàn),相對(duì)而言,高山區(qū)的降水更容易有效地補(bǔ)給地下水。綜合以上資料,可以判斷扎倉(cāng)溫泉主要補(bǔ)給區(qū)為西南方向高山區(qū),熱田的概念模型如圖2所示。高山區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給地下水,經(jīng)深循環(huán)被加熱。地下熱水沿花崗巖裂隙徑流,在扎倉(cāng)斷裂帶匯聚,受阻水構(gòu)造作用徑流受阻溢出,從而形成扎倉(cāng)溫泉。熱儲(chǔ)溫度可以采用地球化學(xué)溫標(biāo)進(jìn)行推算,地球化學(xué)溫標(biāo)是建立在某種反應(yīng)產(chǎn)物的平衡和反映溫度相關(guān)這一基礎(chǔ)上的。本文采用SiO2溫標(biāo)法計(jì)算熱儲(chǔ)溫度。在水與不同類(lèi)型的SiO2達(dá)到溶解平衡且無(wú)蒸汽損失的情況下,采用以下公式計(jì)算熱儲(chǔ)溫度:t=13095.19?lgc?273.15(1)式中:t為熱儲(chǔ)基礎(chǔ)溫度,℃;c為SiO2質(zhì)量濃度。溫泉的H2SiO3質(zhì)量濃度為129mg/L,換算成SiO2質(zhì)量濃度為99.26mg/L。利用式(1)計(jì)算出熱儲(chǔ)溫度為136℃。溫泉水的循環(huán)深度可以根據(jù)下式估算:Z=G(TZ-T0)+Z0(2)式中:G為地?zé)嵩鰷丶?jí),取10.52m/℃;TZ為基底溫度,取136℃;T0為補(bǔ)給區(qū)年平均氣溫,為7.1℃;Z0為多年常溫帶深度,取20m。由式(2)計(jì)算得出扎倉(cāng)溫泉的循環(huán)深度為1385m。估算溫泉水年齡的方法之一是依據(jù)水中226Ra、222Rn含量。1969年前蘇聯(lián)學(xué)者Cherdyntse提出了利用226Ra、222Rn含量來(lái)計(jì)算地下熱水年齡的公式:式中:t為水的年齡,a;λ為226Ra的衰減常數(shù),1/a;NRa為226Ra含量,Bq/L;NRn為222Rn含量,Bq/L。溫泉水中的Ra、Rn含量分析結(jié)果見(jiàn)表1。利用式(3)計(jì)算得到溫泉水的年齡約為165a。3熱資源3.1民宿放熱量的確定溫泉的天然放熱量采用以下公式計(jì)算:Qw=365Qρwcw(tw-t0)(4)式中:Qw為溫泉的天然放熱量,J/a;Q為溫泉總流量,m3/d;ρw為水的密度,kg/m3;cw為水的比熱容,J/(kg·℃);tw為熱水溫度,℃;t0為基準(zhǔn)溫度,℃。將有關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)代入式(4)中,可以計(jì)算出扎倉(cāng)溫泉的天然放熱量,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。3.2儲(chǔ)層可采量的確定地?zé)豳Y源量可以采用以下熱儲(chǔ)法公式計(jì)算:QR=cAd(tr-tj)(5)式中:QR為地?zé)豳Y源量,J;A為熱儲(chǔ)面積,m2;d為熱儲(chǔ)厚度,m;tr為熱儲(chǔ)溫度,℃;tj為基準(zhǔn)溫度,℃;c為熱儲(chǔ)巖石和水的熱容量,J/(m3·℃),由式(6)確定:c=ρccc(1-φ)+ρwcwφ(6)式中:ρc為巖石密度,kg/m3;cc為巖石比熱容,J/(kg·℃);ρw為水的密度,kg/m3;cw為水的比熱容,J/(kg·℃);φ為巖石的孔隙度。地?zé)豳Y源可采量的計(jì)算,即現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下可采出的地?zé)豳Y源量,等于地?zé)豳Y源量(QR)乘以熱儲(chǔ)層的熱能采收率:Qwh=QRRE(7)式中:Qwh為可利用地?zé)豳Y源量,J;QR為地?zé)崮苜Y源量,J;RE為采收率,%。利用公式(5)、(6)、(7)初步計(jì)算出扎倉(cāng)溫泉附近的地?zé)豳Y源量,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。4日本地區(qū)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)和配置研究區(qū)的溫泉屬于中低溫地?zé)豳Y源(個(gè)別泉眼接近高溫),適合于地?zé)崮艿木C合開(kāi)發(fā)和梯級(jí)利用。由溫泉放熱量和地?zé)豳Y源量的計(jì)算結(jié)果可以看出,扎倉(cāng)地區(qū)的地?zé)豳Y源是比較豐富的。要充分合理利用地?zé)豳Y源,需要有一個(gè)合理的規(guī)劃與配置。考慮到當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平,結(jié)合地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)條件,提出以下開(kāi)發(fā)利用建議。4.1明確治療藥物的范圍、療效和程序扎倉(cāng)溫泉被藏族同胞稱(chēng)為“德什吉曲庫(kù)”(意為平安吉祥的泉水),視為神泉。扎倉(cāng)溫泉含豐富的礦物質(zhì)和微量元素以及微量放射性,H2SiO3、F、Li和Sr共4項(xiàng)指標(biāo)符合醫(yī)療礦水標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)調(diào)查,此溫泉對(duì)于風(fēng)濕、神經(jīng)疾患、消化系統(tǒng)疾病、皮膚病有一定療效。數(shù)百年來(lái),州內(nèi)、省內(nèi)以及川、新、內(nèi)蒙、寧、甘、陜、藏等周邊省區(qū)的人們慕名而來(lái)治病健身。建議當(dāng)?shù)貙?duì)溫泉療養(yǎng)效果開(kāi)展深入調(diào)查和研究,明確治療疾患的種類(lèi)、療效和療程,以便為病患提供科學(xué)的指導(dǎo),最終形成以醫(yī)療保健為特色的溫泉療養(yǎng)產(chǎn)業(yè)。旅游業(yè)作為一種綠色產(chǎn)業(yè)備受推崇,洗浴、游泳是旅游業(yè)的重要配套產(chǎn)業(yè)。一方面,熱水可以直接摻冷水至合適溫度供人們洗浴、游泳,另一方面,高溫?zé)崴糜诠I(yè)烘干、供暖后,其尾水水量大,溫度也較高,可以考慮將地?zé)嵛菜糜谙丛　⒂斡镜软?xiàng)目,將有效地提高地?zé)崂寐屎徒档统杀尽?.2經(jīng)濟(jì)、社會(huì)優(yōu)勢(shì)地?zé)峁┡c燃燒煤炭等采暖方式相比,在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)方面都具有很大優(yōu)勢(shì)。建議采用熱泵供暖技術(shù),可以反復(fù)抽取熱源中的熱量,使排水溫度進(jìn)一步降低,能大幅度提高地?zé)岬睦寐省?.3水食加工項(xiàng)目貴德冬季漫長(zhǎng)干燥,極端最低氣溫-23.8℃,作物生長(zhǎng)期也僅223d。每年冬季,貴德生鮮蔬菜極為匱乏,完全依賴(lài)外部供給。利用熱水進(jìn)行溫室種植、養(yǎng)殖,包括蔬菜、花卉種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖、禽畜飼養(yǎng)等。一方面可以提供菜、魚(yú)、禽、蛋等產(chǎn)品,另一方面可以建立觀賞、旅游區(qū),開(kāi)展垂釣、采摘、觀光等休閑旅游項(xiàng)目。農(nóng)副業(yè)以溫泉種植和養(yǎng)殖為代表,休閑娛樂(lè)業(yè)以溫泉療養(yǎng)、洗浴為龍頭的,二者可以有機(jī)結(jié)合,形成良性互動(dòng),共同促進(jìn)貴德地區(qū)旅游業(yè)的發(fā)展。4.4其他藥材加工貴德盛產(chǎn)瓜果,是有名的“高原瓜果之鄉(xiāng)”,還盛產(chǎn)大黃、柴胡、雪蓮、甘草、冬蟲(chóng)夏草、野枸杞等中藥材,其他還有發(fā)菜、柳花菜、蕨麻等“高原山珍”。可以利用地下熱水中的高熱能,經(jīng)過(guò)熱交換器產(chǎn)生熱風(fēng),對(duì)不同的農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行脫水,達(dá)到產(chǎn)品的深加工目的。同時(shí),貴德也是一個(gè)牧業(yè)縣,高溫?zé)崴梢杂脕?lái)加工動(dòng)物皮毛,提高牧業(yè)產(chǎn)品附加值。4.5控制好飲用水中f-超標(biāo)情況扎倉(cāng)溫泉中僅F-1項(xiàng)指標(biāo)超出飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn)限定值;H2SiO3、Li+和Sr2+等指標(biāo)符合飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn)?？梢钥紤]采用選擇性離子交換、過(guò)濾等技術(shù),降低F-濃度,使其符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以便能夠生產(chǎn)礦泉水。作者現(xiàn)場(chǎng)訪問(wèn)及有關(guān)資料顯示,盡管F-超標(biāo),但當(dāng)?shù)乩习傩诊嬘么怂?并未發(fā)現(xiàn)有明顯地方病癥狀。這是一個(gè)值得探討的問(wèn)題,建議開(kāi)展有關(guān)研究工作。4.6“熱干巖”發(fā)電扎倉(cāng)溫泉溫度接近當(dāng)?shù)胤悬c(diǎn),但是地?zé)岙惓^(qū)地溫梯度值很高,為9.5℃/hm。經(jīng)過(guò)計(jì)算,地表以下2000m、4000m、6000m的熱儲(chǔ)溫度分別為195℃、385℃、575℃,完全滿(mǎn)足“熱干巖過(guò)程法”發(fā)電的溫度要求。即便不用來(lái)發(fā)電,采用“熱干巖”方式提取深部熱能,也能極大地提高扎倉(cāng)溫泉的開(kāi)發(fā)價(jià)值。一般而言,與石油、煤炭等能源一樣,地?zé)崮芤彩遣豢稍偕茉?。溫泉的補(bǔ)給資源和存儲(chǔ)資源是有限的,通常其天然補(bǔ)給量等于溫泉