笔者于2017年对云南省香格里拉市下给和天生桥温泉进行了野外考察、水化学样品和温泉逸出气体样品采集工作(图1)。野外水体的电导率(Ec)、水温、pH值均使用WTW便携式多参数水质分析仪现场测定,测量精度分别为1 μs/cm,0.1℃和0.01。采集水样时均采用0.45 μm微孔滤膜先进行过滤,后置于经去离子水清洗3次、用温泉水润洗2次的500 mL的聚乙烯塑料瓶中,装满、密封并冷却,待阴离子及SiO₂的分析测试。另取过滤后水样装于事先清洗、润洗过的250 mL聚乙烯取样瓶中,并加入优级纯硝酸溶液调节pH值小于1,待阳离子分析测试。气体样品是用自制的一套集排气、储气、水气分离和样品输出接口于一体的气体样品采集器进行采样,采样步骤详见冉华等(2006,2008)及赵慈平等(2017)研究。气体化学组分分析测试样品用500 mL铝塑气体样品袋进行装样,氦碳同位素组成分析气体样品用125 mL医用玻璃瓶进行装样。采集到的气体样品在完成采集后2～3周内送样进行测试。除自采集样品外,在经确认过采样泉点位置一致的前提下,另收集了前人有关下给和天生桥温泉研究的水化学和气体同位素测试数据(佟伟等,1981; 沈立成,2007; 郑玉慧,2015; 王蒙蒙,2017)。

常规阴阳离子水化学成分用瑞士Metrohm公司的883 Basic IC plus离子色谱仪测定,仪器动态范围:5个数量级,检出限:0.001 mg / L。HCO^-₃和 CO^2-₃含量采用盐酸滴定法测定,SiO₂含量由硅钼黄分光光度法测得,样品气体化学组分浓度分析仪器为Agilent 7890A气相色谱仪,分析精度(V/V)为He,Ne,H₂:5×10^-6; CH₄:10×10^-6; Ar,O₂:0.05%; N₂,CO₂:0.5%。以上所有实验均在昆明防震减灾技术试验基地流体实验室完成,氦同位素和CO₂碳同位素分析测试于中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心分析测试部完成。氦同位素分析仪器为静态真空稀有气体质谱仪VG5400(英国VG公司出品),氦同位素值数据测试精度为2%。CO₂碳同位素分析测试仪器为单分子化合物碳同位素在线分析系统,简称为“GC-IRMS”分析系统,碳同位素值数据测试精度为±0.5‰(V-PDB)。

下给和天生桥温泉的水温近20年来趋于平稳,平均为63 ℃和56 ℃,属于中性偏弱酸性水,下给温泉平均pH值为6.7,天生桥温泉平均pH值为6.4,但在2013年8月突现低值,变为5.3。天生桥和下给温泉溶解性固体总量(TDS)分别平均为1 475 mg/L和1 386 mg/L。利用Piper三线图(图2)和主要离子Schoeller图(图3)分析2处温泉的水化学特征,其主要阴、阳离子组成十分相似,主要离子均为HCO^-₃,其次是Na⁺和 Ca²⁺; 2处温泉常量元素的变化趋势整体基本一致。水化学类型可以在一定程度上反映地下水的成因,根据舒卡夫分类法得出下给和天生桥温泉的水化类型基本呈现为Na-HCO₃型。下给和天生桥温泉的 HCO^-₃含量分别为 640～1 011 mg/L和 662～1 324 mg/L,HCO^-₃含量约占阴离子总数的91.4%～97.1%,Cl^-和SO^2-₄含量远小于 HCO^-₃含量。通常高HCO^-₃含量反映了水-CO₂-岩石之间在深部有着强烈作用。推测下给和天生桥温泉高含量HCO^-₃主要来源于地下热水在运移过程中对其围岩碳酸盐岩(泥灰岩)的溶解作用,在深循环过程中携带深部大量的CO₂气体以及浅部冷水中混入的CO₂气体。Na⁺是2处泉水中主要的阳离子,约占阳离子总数的41.6%～87.1%。下给和天生桥温泉的 Na⁺含量较高,且随着时间的推移,含量变化很小,其原因可能是围岩或第四系岩石土壤中含有的硅酸盐岩或芒硝等钠盐溶于地下热水中。

对比1981,2004,2013,2016和2017年下给和天生桥温泉水化学主要离子Schoeller图(图3)可以看出,2处温泉Ca²⁺离子浓度随时间的变化最明显,天生桥温泉在2004和2013年的Ca²⁺离子相比1981,2016和2017年有所突增,其它离子表现相对稳定。Ca²⁺含量上升到阳离子的35.5%～45.9%,水化类型变为Na-Ca-HCO₃型。下给温泉Ca²⁺含量在2004和2013年也有所上升,与天生桥温泉显示相似的变化规律,另外下给温泉Mg²⁺含量在2013年有增加。下给和天生桥温泉是大型的热水钙化发育区,Ca²⁺含量是控制沉积钙华的主要性因素之一。Ca²⁺变化的原因与钙化沉积有一定关系,20世纪80 年代下给和天生桥温泉中的Ca²⁺更容易沉淀下去沉积钙华,使得地下水中 Ca²⁺含量变少。从下给和天生桥温泉研究区的地形地貌上看,过去均沉积有大量的钙华,而现在沉积钙华量有所减少,Ca²⁺含量变多(郑玉慧,2015)。然而2016和2017年下给和天生桥温泉Ca²⁺含量又呈现下降趋势,似乎有悖于以上说法。推测Ca²⁺含量的变化可能还与2013年8月31日香格里拉M_S5.9 地震作用下来自碳酸盐岩含水层的地下水补给和水岩作用有关。Chen等(2015)发现2013年芦山M_S7.0 地震后四川康定二道桥温泉的Ca²⁺和HCO^-₃离子含量发生变化,2014年鲁甸M_S6.5 地震前后丽江温泉的Ca²⁺和Mg²⁺离子含量也发生了变化,与本文有一定相似性。

结合水化学资料,通过PHREEQC计算出水中游离的CO₂含量(表1)。下给和天生桥温泉游离态CO₂含量较20世纪80 年代都呈现较大幅度的增加,说明21世纪初以来2处温泉CO₂释放作用有所加强。氦同位素特征显示两处温泉为研究区幔源物质释放量较高的泉点(李其林等,2018),这意味着高含量CO₂的释放可能来源于地幔的脱气作用。特别值得注意的是,2013年8月天生桥温泉游离态CO₂含量突增至6 600 mg/L,约是2004年的近20倍,2016年时降低至180 mg/L,该突增有可能是2013年香格里拉地震的临震异常,因为地震前的地壳应力场变化可能会引起深部酸性物质上涌,造成pH值下降,碳酸盐释放CO₂混合深部CO₂的释放,使得大量的游离CO₂逸出。

图2 研究区温泉Piper三线图
Fig.2 The Piper diagrams of thermal spring water in study area

图3 下给和天生桥温泉主要离子相对含量变化趋势
Fig.3 The Schoeller diagram showing variation of major ions contents of Xiagei and Tianshengqiao springs

利用地热流体水化学数据估算热储温度-浅层地热场对了解深部地热活动及进一步认识岩石圈的物理性质有着重要的科学指示意义。张旗等(2014)研究发现地壳中岩浆囊的存在,会导致岩浆囊周围较高的地热异常的产生; 赵慈平等(2006,2014)利用温泉热储温度场的空间分布,确定了腾冲火山区、宁洱—通关火山区壳内岩浆囊的现今分布范围。监测浅层流体的地热热储温度及其异常,可作为揭示中强地震活动的一种手段。王鹏等(2016)在西藏地热异常区研究中表明温泉密度和高温热储区与SN向的断裂带及地震活动性在空间上有较好的匹配关系; 王云等(2018)研究青藏高原东南缘地热与地震活动发现腾冲火山区、通关—宁洱火山区、松潘—甘孜地块的香格里拉和康定地区,以及汶川地区浅层地热异常与地幔软流圈上涌有关; 近年来的强震(M_S≥6.0)震中绝大部分位于地热异常区之间的过渡区域或地热梯度带上。估算热储温度常用的传统地热温标有Na-K(Fournier,1979a; Giggenbach,1988)、K-Mg(Fournier,1979b; Giggenbach,1988)、Na-K-Ca(Fournier,Truesdell,1973)温标和硅温标(Fournier,Potter,1982)等。本文利用这4种传统地热温标计算了下给和天生桥温泉历年的热储温度(表1)。

根据水样的阳离子含量数据可得到Na-K-Mg的平衡图解,以检验研究热水和矿物的平衡状态和阳离子地热温标方法的可靠性。通过图4的Na⁺和K⁺以及Mg²⁺含量的分析数据可以看出,下给和天生桥温泉水样点均落在未成熟水的范围内,且非常靠近Mg端元,热水中的钠、钾矿物均未达到饱和状态,反映了水样不能达到平衡。水-岩反应的平衡温度偏低的状况,同时说明了原本达

图4 研究区温泉的Na-K-Mg三角平衡图解(据Giggenbach,1988)
Fig.4 The Na-K-Mg equilibration triangular diagram of thermal spring water in study area(based on Giggenbach,1988)

到溶解平衡的热水在由热水向地表上升的过程中受到浅层冷水的强烈稀释作用,从而使热水中元素的含量变低(Giggenbach,1988)。可见阳离子型地温计不适用于计算下给和天生桥温泉的热储温度。利用硅-焓模型可以确定热水中混入的冷水份额,求算方法主要根据地下热水SiO₂的初始含量和初焓与泉水SiO₂含量和终焓存在的对应关系,详见佟伟等(1981)和Liu等(2012)研究。表1显示2处温泉在不同年份受到混合的冷水份额均变化不大,下给和天生桥温泉水样冷水混入比平均在75%～81%和59%～65%,说明水样由热水向地表上升的过程中的确受到浅层冷水的稀释作用,与Na-K-Mg三角图反映一致。

笔者曾用多种地热温标对滇西北地区温泉的热储温度进行估算,研究结果发现利用石英温标在估算时具有一定的可靠性(李其林等,2019)。因此我们利用石英温标估算了2处温泉在不同年份的热储温度。石英温标是利用SiO₂的溶解度是温度的函数这一原理来估算热储温度的,计算结果详见表1,计算公式如下:

θ_石英(℃)=(1 309)/(5.19-lg[SiO₂ ])-273.15(1)

通常石英温标计算的温度仅能反映最上层地壳不超过5 km的热储温度,对比下给和天生桥温泉1981,2004,2013,2016和2017年的热储温度变化情况,发现2处温泉的热储温度在2004和2013年略微下降,总体上无太大波动。下给和天生桥温泉的平均热储温度为132 ℃和89℃,下给温泉的热储温度高于天生桥温泉。下给温泉属于中温地热系统,天生桥温泉属于低温地热系统。通过地下热水循环公式计算2处温泉的循环深度(汪万红等,2008)为:

D=(T_热储-T_冷水)/(Δt)(2)

式中:D为循环深度(m); T_热储为热储温度(℃),本文取下给和天生桥温泉的平均热储温度为132 ℃和89 ℃; T_冷水为地表冷水温度,本文取香格里拉地区冷水温度(11 ℃)(李其林等,2019); h为常温层厚度,平均为20 m; Δt 为地温梯度(℃/100 m),根据云南岩石圈的地温研究(周真恒,向才英,1997),取平均值2.3 ℃/100 m。

计算得出下给和天生桥温泉的循环深度分别为5 280 m和3 411 m,与郑玉慧(2015)计算得到的2处温泉的循环深度为5 132 m和3 085 m相似。根据深部地球物理资料,四川黑水—金川—道孚—雅江—稻城一带深部70 km处存在一个明显低速体,可能是深部地幔软流圈上涌区,这为形成上层地壳水热活动或地热提供了有力的深部热动力背景。川西康定地区温泉气体的³He/⁴He最高达3.35～5.33 R_A(R_A为大气³He/⁴He,即1.4×10^-6)(Zhou et al,2017)。下给和天生桥温泉恰位于该低速体的南端即其边缘地带,推测研究区浅层地热场的主要能量源可能有地幔热源的贡献。2处温泉存在幔源氦的侵入特征,幔源氦释放百分比分别为7.6%和5.0%(李其林等,2018)。下给温泉的幔源释放量略大于天生桥温泉,这可能是2处温泉热储温度和循环深度差异的内在原因。

温泉逸出气CO₂浓度测试结果显示(表2),2处温泉气体成分均以CO₂ 为主,释放百分含量均大于80%。2017年本研究组通过积气计时法(张茂亮等,2011)获得了下给和天生桥温泉逸出气体通量,将逸出气体通量乘以CO₂ 百分含量可计算出2处温泉的逸出CO₂流量分别为423,1 323 mL/min,温泉CO₂释放都较为突出,其中天生桥温泉的CO₂释放量比下给温泉高出许多。研究CO₂的释放百分含量变化趋势可知,下给温泉2017年CO₂的释放百分含量由2004年的94.9%下降为84.5%。天生桥温泉与之情况类似,2017年CO₂的释放百分含量为88.2%,低于2004年的98.7%。在火山区、活动断裂带的温泉逸出气体往往表现出较高的CO₂含量(Alessandro et al,1997; Du et al,2005)。断层CO₂气体的释放强度一定程度反映了断裂带深部应力场的强弱,并可间接反映该地区断裂带的活动强度(国家地震局地壳研究所,云南省地震局,1990)。下给和天生桥温泉CO₂释放量较高,但2017年释放量有所减少,可能与德钦—中甸断裂现今的活动性有关,需加强后续CO₂释放强度的跟踪监测。

图5 温泉气体3He/4He与δ13CCO2关系图(据Mao et al,2013修改)
Fig.5 Plot of 3He/4He versus δ13CCO2(modified based on Mao et al,2013)

为进一步了解下给和天生桥温泉逸出气CO₂的释放特征需追溯其来源。来源不同的CO₂有着不同的同位素特征,例如地幔成因的CO₂:δ¹³C=-4‰～-8‰,石灰岩热变质成因的CO₂:δ¹³C=±2‰(Marty,2001)。天生桥和下给温泉样品的δ¹³C_CO2在2004年分别为-3.21‰,-4.24‰,在2017年变为-2.58‰,-1.94‰。由于不同来源的δ¹³C_CO2存在交叉关系,单独利用δ¹³C_CO2值判断2处温泉逸出气CO₂的来源是不全面的,我们利用³He/⁴He与δ¹³C_CO2的关系图(图5)(Mao et al,2013)进行分析。从图5可以发现,下给和天生桥温泉CO₂气体都并非是单一来源,均落在壳幔混合CO₂的区域,2处温泉的CO₂气体主要来源于无机碳酸盐岩的变质作用和地幔碳释放的混合。相比之下2017年的CO₂气体似乎更偏向于石灰岩变质成因的方向。

³He/⁴He是判识幔源气体最佳的地球化学示踪剂(Hilton et al,1993)。氦同位素特征通常用R(样品的³He/⁴He)与R_A(大气³He/⁴He,即1.4×10^-6)之比R/R_A表示 。下给气体样品2004,2017年的R/R_A分别为1.12和0.74; 天生桥气体样品2004,2017年的R/R_A分别为0.99和0.56。

大量研究表明,震前由于深源流体的大量上侵,表征深源成分的参量³He/⁴He会大幅度上升,而地震发生后,随着时间的推移,幔源流体释放强度逐渐减弱,³He/⁴He会显示下降趋势并逐渐恢复到背景值。但由于2004年³He/⁴He(沈立成,2007)缺少⁴He/²⁰Ne的数据,无法排除大气氦的干扰,将其和2017年³He/⁴He数据直接比较不够准确。2013年香格里拉5.9级地震发生后是否也使得³He/⁴He下降,目前下给和天生桥温泉³He/⁴He和幔源物质上侵作用(幔源氦释放量)是否已回到正常背景值需要进一步的跟踪监测。利用⁴He/²⁰Ne的数据可对2017年下给和天生桥温泉的³He/⁴He 数据进行大气污染校正后计算得到幔源氦释放百分比分别为7.6%和5.0%(Duchkov et al,2010),这说明了2处温泉现今存在幔源氦的侵入作用。

常祖峰(2015)认为香格里拉5.9级地震后,在金沙江断裂和德钦—中甸—大具断裂的交汇区仍有发生更大地震的可能性。德钦—中甸断裂是川滇菱形块体西北边缘的一条重要的活动断裂,可以作为深源流体天然的上升通道。深源流体活动对地震发生有着重要影响(Zhao et al,2002; Lei,Zhao,2009)。以水和气体为代表的深源流体活动与地壳内的大地震有着非常密切的关系,深源流体活动的地表观测可能是寻找流体源兆的重要突破口。下给和天生桥温泉是研究区典型CO₂释放强度较强且存在幔源物质入侵特征的泉点,因此密切关注下给和天生桥温泉的逸出气体氦碳同位素特征有利于进一步判断德钦—中甸一带未来地震活动性。