云南騰海地區(qū)地?zé)豳Y源特征及成因分析

云南騰海地區(qū)地?zé)豳Y源特征及成因分析

1熱海地區(qū)的熱壓問題熱海是騰沖火山區(qū)現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)域。目前的所謂“騰沖火山熱區(qū)”實(shí)際上指的是這個(gè)地區(qū)。然而其出露地點(diǎn)并沒有在區(qū)內(nèi)有最新火山噴發(fā)活動(dòng)的馬鞍山火山口附近,而是出露在控制該區(qū)最新火山噴發(fā)活動(dòng)的近南北向斷裂的最南端,距馬鞍山火山口約10km(圖1)。地球物理和地球化學(xué)探測結(jié)果顯示,騰沖熱海地區(qū)地殼淺部可能存在幔源巖漿侵入活動(dòng),它不僅為該區(qū)現(xiàn)代地?zé)崃黧w活動(dòng)提供了強(qiáng)大的熱源,而且同時(shí)伴有強(qiáng)烈的幔源氣體釋放(佟偉等,1989;Baietal.1994;上官志冠等,1999)。根據(jù)我們近年來對該區(qū)地?zé)崃黧w逸出氣體、同位素和水化學(xué)組成所進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果,本文將對該區(qū)地殼淺部的地?zé)醿Y(jié)構(gòu)、地?zé)崴a(bǔ)給、各層熱水的溫度做較詳細(xì)的討論,并初步探討巖漿熱源現(xiàn)今的溫度。2熱海地區(qū)地殼大陸的熱儲層結(jié)構(gòu)特征2.1熱海地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)的劃分依據(jù)熱海地區(qū)地?zé)崃黧w逸出氣體的氦同位素平面分布特征顯示(圖1),沿南北向斷裂分布的泉點(diǎn),其逸出He的3He/4He比值最高,從4.19～4.37Ra(Ra為空氣的3He/4He比值),平均值約為4.24Ra;沿北西向斷裂分布的泉點(diǎn),其3He/4He比值略低,從2.80～3.77Ra,平均值約為3.24Ra;沿北東向斷裂分布的泉點(diǎn),其3He/4He比值最低,即使不計(jì)入3He/4He比值接近空氣值的兩個(gè)極淺層泉點(diǎn),這組泉點(diǎn)的平均3He/4He比值也僅為2.27Ra。沿同一條斷裂帶釋放的地?zé)崃黧w,其逸出氣體3He/4He比值的相似性表明,它們可能來自同一個(gè)地下儲庫。眾所周知,幔源、殼源和空氣來源的He各自具有特征的3He/4He比值,分別為(1.1～1.4)×10-5,2×10-8,1.4×10-6(Ra),因此任何3He/4He比值大于空氣值的逸出氣體其中必含有幔源He。一般來說,直接來自幔源巖漿的現(xiàn)代幔源He在向地表上升遷移過程中,由于受地殼和淺層氣體混入以及擴(kuò)散、滲透等物理因素的影響,其3He/4He比值是逐漸降低的。因此,熱海地區(qū)沿南北向、北西向和北東向三組斷裂分布的泉點(diǎn)逸出He的3He/4He比值的有規(guī)律的降低表明,其所控制的三個(gè)地?zé)醿Φ纳疃仁且来巫儨\的。這就是說,熱海地區(qū)地殼淺部存在深、中、淺三個(gè)相對獨(dú)立的地?zé)醿虻責(zé)岷畬?。?shí)際上,根據(jù)熱海地區(qū)逸出氣體的氦含量及其氦、碳同位素組成特征劃分,該區(qū)殼內(nèi)地?zé)醿虻責(zé)岷畬訌纳钪翜\粗分為三層,細(xì)分可能有四層,甚至更多(上官志冠等,1999)。由于多組活動(dòng)斷裂在這一狹小的區(qū)域內(nèi)交匯,地?zé)醿Y(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,但其多層結(jié)構(gòu)的特征是明顯的。2.2熱海地區(qū)雙向斷裂的對比本次研究分析測試了騰沖地區(qū)主要溫泉和各類冷泉的H、O、C穩(wěn)定同位素及其水化學(xué)組成,部分結(jié)果見表1。資料顯示,熱海地?zé)釁^(qū)內(nèi)幾乎所有泉點(diǎn),不論其出露位置如何,也不論其出露時(shí)泉口有無冷水混合,其地?zé)崴斜Ｊ亟M分Na和Cl的含量明顯呈線性關(guān)系,相關(guān)線大致呈45度角展布,而區(qū)內(nèi)其它泉點(diǎn)都位于此相關(guān)線的下方(圖2);另外,典型泉點(diǎn)的Cl/B比也十分接近(表1)。這些表明,熱海地區(qū)的地?zé)崴赡苡泄餐纳畈吭磪^(qū),即真正的深部熱儲可能是統(tǒng)一的;而地殼相對淺部各層地?zé)醿χ械牡責(zé)崴畡t是由不同比例的深部熱儲水與淺層地下水混合而成的。資料顯示,熱海地區(qū)南北向斷裂沿線的大滾鍋可能是直接釋放大量深部地?zé)崴奈ㄒ蝗c(diǎn),其Na、Cl含量為全區(qū)最高值,分別為1151和683mg·L-1;南北向斷裂沿線的其它泉點(diǎn),如黃瓜箐、老滾鍋、小滾鍋以及次級斷裂上的大地腳南等泉點(diǎn)要么是高溫水氣系統(tǒng)加熱地表水,要么就是泉口直接出露在冷水池中,其水溫和Na、Cl含量均大大降低。沿北西向斷裂分布的眼鏡泉、鼓鳴泉、新懷胎井、獅子頭、大地腳北等泉點(diǎn)的Na、Cl含量稍低于大滾鍋,平均值約為804和479mg·L-1;而大致沿北東向斷裂分布的澡塘河南側(cè)泉群,其Na、Cl含量則有明顯降低,平均值約為540和316mg·L-1(圖3a,b,c)。這表明,稀釋作用可能是熱海地區(qū)南北向、北西向和北東向斷裂所控制的三個(gè)熱儲地?zé)崴腘a、Cl、SiO2含量依次降低的主要原因。這從出露在核心地?zé)釁^(qū)外圍的泉點(diǎn),如第2組的大地腳北和第3組的獅子塘等泉點(diǎn),其Na和Cl的含量均大大低于同組其它泉點(diǎn)也可得到佐證。由于當(dāng)?shù)販\層地下水的Na和Cl的含量非常低(表1),與深部地?zé)崴啾?其Na、Cl含量可忽略不計(jì)。如果以大滾鍋的Na含量代表深部地?zé)崴?忽略冷水的Na含量,則第二組泉點(diǎn)中冷水混入比例最低的眼鏡泉和鼓鳴泉平均約有16.2%,沿該斷裂向東南方向依次出露的獅子頭、大地腳北沸泉水中冷水的混合比例逐漸增加,分別為34.2%和42.9%。第三組泉點(diǎn)中澡塘河南側(cè)沸泉群的冷水混入比例平均約為50.1%,出露在核心地?zé)釁^(qū)外圍的獅子塘熱泉中冷水混入的比例更高,達(dá)63.5%。而深層高溫地?zé)崴苯映雎对诶渌刂械睦蠞L鍋大池水中冷水比例已高達(dá)90.1%(部分計(jì)算結(jié)果見表2)。2.3土地平衡對溶解co總量的影響目前,騰沖熱海地區(qū)深部地?zé)醿Φ牧黧w壓力尚無實(shí)測資料。為了定性地了解熱海地?zé)釁^(qū)各組泉點(diǎn)所釋放的地?zé)崃黧w的壓力,本項(xiàng)研究實(shí)測了各泉點(diǎn)地?zé)崃黧w的溶解CO2總量(TCD-CO2),結(jié)果見表1。所謂溶解CO2總量是指地?zé)崃黧w中溶解態(tài)CO2的總含量,測試方法已有報(bào)道(上官志冠等,1992)。一般來說,在CO2供應(yīng)充足的條件下,該參數(shù)與地?zé)崃黧w壓力正相關(guān),即流體壓力越大,其溶解CO2總量值也越大,反之則越小。由于該區(qū)地?zé)崃黧w均攜帶著大量的CO2,因此其溶解CO2總量值應(yīng)能較好地反映其流體壓力。表1和圖3d顯示,第1-3組泉點(diǎn)中典型泉點(diǎn)(指釋放時(shí)未受地表水影響的泉點(diǎn),因此老滾鍋、大地腳南、獅子塘等泉點(diǎn)不計(jì)入)的溶解CO2總量值是依次降低的(圖3d),因此與其對應(yīng)的地?zé)醿Φ牧黧w壓力也依次降低,與其埋深情況相符。3地?zé)崴吞纪榛牡刭|(zhì)測量3.1熱儲溫度分布測試結(jié)果(表1,2)顯示,熱海地?zé)釁^(qū)內(nèi)除了那些出露時(shí)受地表水直接影響的泉點(diǎn)外,所有泉點(diǎn)的Na/K比值變化范圍很窄,從6.99～7.90。按Fournier的方程計(jì)算(Fournier,1979),三組泉點(diǎn)的熱儲溫度也十分接近,平均值分別為244、242、243℃。作者認(rèn)為,上述計(jì)算結(jié)果表明,所有這些地?zé)崴畛蹩赡軄碜酝粋€(gè)深部熱儲;但這并不意味著熱海地區(qū)殼內(nèi)深、中、淺層地?zé)醿Φ臏囟仁峭耆嗤?這是因?yàn)闇\層地下水的Na、K含量極低,深層地?zé)崴c其混合后并未改變它原來的Na/K比值。但其降溫效應(yīng)是顯而易見的,這從第1-3組泉點(diǎn)的Na、Cl、SiO2的含量依次降低可得到證明(圖3a-c)。因此,上述Na/K比值測溫結(jié)果反映的應(yīng)是深層熱儲的溫度值。3.2sio測溫結(jié)果的差異及意義應(yīng)用SiO2地質(zhì)測溫方法有一定條件,根據(jù)熱海地區(qū)的高溫地?zé)崽卣?選用無蒸汽散失的石英溶解度方程(汪集,1993)較為合理。表2顯示,熱海地區(qū)三組泉點(diǎn)SiO2地質(zhì)測溫結(jié)果有明顯的差異,其依次降低的特征表明,它們各自具有相對獨(dú)立和穩(wěn)定的源區(qū),其溫度分別約為257、241、196℃。SiO2地質(zhì)測溫結(jié)果的可信度較高,這與可溶性SiO2的含量與地?zé)崴疁囟鹊拿芮新?lián)系有關(guān),地?zé)崴疁囟仍礁?其SiO2的溶解度也越大。作者認(rèn)為,由于淺層水的混入,對地?zé)崴腘a/K比值影響不大,而對可溶性SiO2的含量影響則較大;兩種結(jié)果說明了兩個(gè)不同的問題,三組泉點(diǎn)Na/K比值測溫結(jié)果的一致性表明這些地?zé)崴泄餐某跏荚磪^(qū),而SiO2測溫結(jié)果顯示出的差異性則表明,這些地?zé)崴畯纳畈肯虻乇砩仙w移的過程中曾分別在不同深度的熱儲層中作過較長時(shí)間的停留,SiO2測溫結(jié)果反映的是它們最后源區(qū)的溫度。這意味著,研究區(qū)內(nèi)這三組泉點(diǎn)所釋放的地?zé)崴M管初始源區(qū)可能相同,但最后源區(qū)是相對獨(dú)立的。這再一次證明研究區(qū)內(nèi)地?zé)醿叨鄬咏Y(jié)構(gòu)特征。作者認(rèn)為,Na/K和SiO2方法對深層地?zé)崴疁y溫結(jié)果的微小差異是其本身的局限性造成的。3.3碳同位素地質(zhì)測溫在通常情況下,地?zé)崃黧w中溶解和逸出CO2之間應(yīng)存在正常的碳同位素分餾,溫度越高,分餾越小,反之則越大。但如果CO2與地?zé)崴餐w移的時(shí)間很短或根本就不同源,那么它們之間一般不存在正常的碳同位素分餾。資料顯示,熱海地區(qū)與深、中、淺層地?zé)醿?yīng)的三組泉點(diǎn)中均有部分泉點(diǎn)的溶解和逸出CO2之間存在著正常的碳同位素分餾關(guān)系(表1),但也有一些CO2氣體釋放強(qiáng)度特別大而地?zé)崴髁枯^小的泉點(diǎn),如眼鏡泉等,多次測定其溶解和逸出CO2之間都沒有正常的碳同位素分餾。其原因可能是這類泉點(diǎn)CO2氣體釋放量極大,而地?zé)崴腥芙釩O2的數(shù)量較少,它們之間難以達(dá)成碳同位素平衡。表2顯示,根據(jù)溶解和逸出CO2之間的碳同位素分餾(Deinesetal.,1974)計(jì)算獲得的與深、中、淺層地?zé)醿?yīng)的三組泉點(diǎn)的平均溫度值分別約為181、190、154℃,均低于水化學(xué)地質(zhì)測溫結(jié)果,其中根據(jù)對大滾鍋泉點(diǎn)的測定獲得的深層熱儲的溫度值明顯偏低,這可能與深部地?zé)崃黧w向地表遷移所經(jīng)歷的距離較大有關(guān)。因?yàn)楫?dāng)?shù)責(zé)崴x開儲庫向地表遷移時(shí)其溫度將逐漸降低,氣液兩相之間的碳同位素再平衡作用也由此開始,直至地?zé)崴芸烀媾R釋放時(shí)這一過程才被凍結(jié)。由于深部地?zé)崃黧w向地表遷移所經(jīng)歷的距離較大,這一過程延續(xù)的時(shí)間也較長。所以碳同位素測溫結(jié)果明顯偏低。必須指出,Na/K、SiO2和碳同位素地質(zhì)測溫三種方法的測值并不完全一致,這是由于方法本身的局限性造成的,但它們有各自的適用范圍。如根據(jù)實(shí)測的碳同位素分餾值計(jì)算獲得的溫度值實(shí)際上是氣液兩相之間的碳同位素再平衡過程被凍結(jié)時(shí)的溫度,該值應(yīng)低于地?zé)醿斓臏囟?充其量也只能是該溫度的下限。因此作者認(rèn)為,熱海地區(qū)深部熱儲的溫度選用Na/K和SiO2兩種方法的平均值較為合理,約為250±7℃,中、淺層地?zé)醿Φ臏囟纫诉x用SiO2和碳同位素地質(zhì)測溫兩種方法的平均值作為溫度區(qū)間的上下限,分別為241～190℃和195～154℃。資料顯示,中、深層地?zé)醿Φ臏囟葴y值相當(dāng)接近,甚至有部分重疊。這似乎表明,中、深層地?zé)醿υ诘貧?nèi)的位置可能非常接近,甚至可能有局部的溝通。作者認(rèn)為,研究區(qū)內(nèi)各層地?zé)醿ΡM管保持著相對獨(dú)立,但彼此之間完全有可能維持著一定的聯(lián)系,因?yàn)樗鼈儺吘故菑墓餐纳畈吭磪^(qū)逐步向上遷移形成的。4作為地球熱水的氫氧化作用以及地球熱水的補(bǔ)充4.1熱海地區(qū)的地?zé)崴敬窝芯繌V泛測定了騰沖地區(qū)各類溫泉和冷泉水的氫氧同位素組成,部分結(jié)果見表1和圖4。一般來說,沿活動(dòng)構(gòu)造帶釋放的地?zé)崴溲a(bǔ)給來自當(dāng)?shù)氐叵滤?實(shí)測其氫氧同位素組成毫無例外地低于當(dāng)?shù)乩淙?。其原因與地?zé)崴纳钛h(huán)過程有關(guān),地?zé)崴h(huán)深度越深,其δD、δ18O值降低越大(Shangguanetal.,1998)。而世界著名熱田地?zé)崴摩腄值一般與當(dāng)?shù)卮髿饨邓咏?其δ18O值則較高,普遍存在所謂氧同位素“正漂移”現(xiàn)象,這是熱水在較高溫度下與圍巖發(fā)生氧同位素交換的結(jié)果(Craig,1963;D’Amoreetal.,1987)。圖4顯示,騰沖地區(qū)除熱海地?zé)釁^(qū)外,其它溫泉和冷泉點(diǎn)均沿大氣降水線分布,熱海地區(qū)地?zé)崴畡t都不同程度地存在氧同位素“正漂移”現(xiàn)象。資料顯示,熱海地區(qū)與深、中、淺層地?zé)醿?yīng)的三組泉點(diǎn)中未受地表冷水影響的典型泉點(diǎn)(指第1組中的大滾鍋,第2組中的眼鏡泉和鼓鳴泉,第3組中的西坡上、西坡下和中井泉),其地?zé)崴摩腄、δ18O的平均值分別為-65.3、-66.4、-69.6‰和-6.95、-7.72、-9.63‰。從淺至深其δD、δ18O值沒有象一般構(gòu)造活動(dòng)成因地?zé)崴菢又饾u降低,而是正好相反,呈逐漸升高趨勢。這個(gè)事實(shí)表明,熱海地區(qū)地?zé)崴赡苈裆钶^淺,基本上不存在深循環(huán)增溫機(jī)制,熱水是由深部熱源直接加熱形成的。資料顯示,熱海地區(qū)中、深部熱儲由于溫度較高,其氧同位素正漂移現(xiàn)象較為明顯,而淺層熱儲地?zé)崴难跬凰卣片F(xiàn)象則較弱(圖4)。由于圍巖中氫含量很低,因此地?zé)崴摩腄值受這種同位素交換的影響很小。圖4顯示,熱海地區(qū)淺、中、深層地?zé)崴摩腄值也稍有逐漸升高的趨勢,這可能與地?zé)崴蛏线w移過程中的蒸發(fā)作用有關(guān)。根據(jù)同位素分餾原理,蒸發(fā)作用可使留下的地?zé)崴摩腄、δ18O值的升高。深部熱水由于水溫最高,遷移距離最長,蒸發(fā)作用所造成的分餾理應(yīng)較大,而對淺部地?zé)崴挠绊憚t較小。珍珠泉是一個(gè)很典型的例子,由于它實(shí)際上是一個(gè)以高溫氣體遷移釋放為主的泉點(diǎn),受蒸發(fā)作用的影響最大,泉口附近的少量地?zé)崴摩腄、δ18O值是區(qū)內(nèi)地?zé)崴凶罡叩摹Ｓ捎谄湟哉羝噙w移為主,所以其Na、Cl和SiO2的含量遠(yuǎn)低于正常地?zé)崴?Na/K、Cl/B比值也完全不同于區(qū)內(nèi)其它地?zé)崴?且基本不含溶解態(tài)CO2(表1、圖2)。4.2熱海地基區(qū)熱泉、熱海草地區(qū)地下水環(huán)境特征據(jù)統(tǒng)計(jì),熱海地?zé)釁^(qū)內(nèi)高溫地?zé)崴偟呐欧潘俾食^30L/s,如此大量的高溫地?zé)崴尫棚@然要求有充足的地下水補(bǔ)給。當(dāng)然,這種補(bǔ)給不可能靠熱海地區(qū)小范圍內(nèi)的大氣降水滲透完成。從其出露地點(diǎn)的構(gòu)造位置分析,熱海地?zé)釁^(qū)位于騰沖地區(qū)新生代火山口成串分布的南北向瑞滇-騰沖斷裂的最南端,與由北西向古永斷裂和北東向大盈江斷裂復(fù)合形成的梁河-朗蒲弧形斷裂的交匯區(qū)。熱海地?zé)釁^(qū)以西約2km處有一著名的壩派巨泉,流量達(dá)2500L/s,水溫約20℃(圖1)。這表明,當(dāng)?shù)赜谐渥愕牡叵滤晒┭a(bǔ)給。壩派巨泉的δD、δ18O值分別為-68.5和-9.16‰,其氫同位素組成與大部分熱海地區(qū)地?zé)崴浅＝咏?。而熱海地區(qū)地表冷泉和淺層地下水的δD平均值為-58.9‰(佟偉等,1989),遠(yuǎn)高于區(qū)內(nèi)地?zé)崴?表1,圖4)。圖4顯示,以迭水河鉆井水為代表的騰沖盆地地下水的氫氧同位素組成正好位于熱海地?zé)崛c(diǎn)氫氧同位素組成的相關(guān)線與大氣降水線的交點(diǎn)附近。從世界各大型熱田地?zé)崴摩腄值都大致與當(dāng)?shù)卮髿饨邓嘟咏氖聦?shí)(Craig,1963;D’Amoreetal.,1987),作者認(rèn)為,熱海熱田地?zé)崴难a(bǔ)給可能主要來自北部和西北部,它可能有一個(gè)主要受熱田北部和西北一側(cè)復(fù)雜的活動(dòng)斷裂體系控制,與壩派巨泉的補(bǔ)給系統(tǒng)類似甚至可能直接有關(guān)的地下水補(bǔ)給體系。5熱海地區(qū)不同層序碳同位素分區(qū)同位素測試結(jié)果顯示,熱海地區(qū)目前正在大量釋放幔源巖漿揮發(fā)性組分,其中He、CO2、CH4等氣體都直接來自幔源巖漿(上官志冠等,1999)。本項(xiàng)研究通過測定幔源CO2和CH4之間的碳同位素分餾來估計(jì)巖漿源區(qū)現(xiàn)今的溫度。按以往實(shí)踐,本文選用Craig的實(shí)驗(yàn)分餾曲線(Craig,1963),計(jì)算結(jié)果見表3。表3給出了三組測值,第1、2組分別對應(yīng)熱海地區(qū)深、中層地?zé)醿煊嘘P(guān)的泉點(diǎn),第3組為騰沖附近構(gòu)造活動(dòng)成因龍陵邦臘掌沸泉群。同位素資料顯示,熱海地區(qū)來自深部的CH4、CO2均為無機(jī)成因,從深層至中層,其δ13C值都有降低趨勢。類似的情況在長白山天池火山區(qū)也曾出現(xiàn),這可能是氣體從深部向淺部遷移時(shí)的同位素分餾作用所致(Shangguanetal.,1997)