地热CO₂-水-碳酸盐岩系统的地球化学特征及其CO₂来源
――以四川黄龙沟、康定和云南中甸下给为例

刘再华　袁道先　何师意　张美良　张加桂

摘要　以四川黄龙沟、康定和云南中甸下给为例分析了地热CO₂-水-碳酸盐岩系统的水文地球化学、碳稳定同位素特征及CO₂来源，发现该类系统的水文地球化学和碳稳定同位素特征与受生物圈强烈影响的表层CO₂-水-碳酸盐岩系统明显不同，前者具有较高的CO₂分压，并富集重碳稳定同位素.此外，该类系统与出露在火成岩地层中的地热系统也不同，后者水中缺少Ca²⁺，因而地表很少钙华沉积，且相对富集轻碳稳定同位素.进一步分析发现，该类系统CO₂来源于碳酸盐岩地层变质CO₂与幔源CO₂的混合.
关键词　地热　CO₂-水-碳酸盐岩系统水文地球化学　碳稳定同位素　CO₂来源

　　在执行国际地质对比计划项目IGCP 379“岩溶作用与碳循环”、国家自然科学基金重点项目“我国典型岩溶动力系统与环境的相互作用与演变”及国土资源部重大科技项目“我国典型岩溶环境系统的运动规律及其对全球变化的影响”的过程中，我们既研究了表层岩溶动力系统碳酸盐岩溶解对大气CO₂汇(沉降)的贡献^[1,2],也探讨了碳酸盐沉积时CO₂释放对大气CO₂源的影响^[1].后者包括表层岩溶动力系统碳酸盐沉积时CO₂的释放和本文将要讨论的地热 CO₂-水-碳酸盐岩系统碳酸盐沉积(钙华)时CO₂的释放.研究发现，地热CO₂-水-碳酸盐岩系统有与表层岩溶动力系统和出露在火成岩地层中的地热系统不同的水文地球化学和碳稳定同位素特征，反映出其特有的CO₂来源.

1 研究区概况

　　研究点位置如图1所示.

图1 黄龙沟康定和中甸下给地热系统位置
及与深大活动断裂关系示意图

1.1 四川黄龙沟
　　黄龙沟位于川西高原西北部，海拔约3 400m.由于其美丽的自然风景,包括大量的钙华景观，被联合国教科文组织列为国际自然遗产保护地.
　　黄龙沟气候属于高寒山区型，年均降水量759 mm，年均气温1.1° C.该沟长约3.5 km，宽250 m，巨厚的钙华沉积形成于沟内.钙华南起流量达50 L/s的断层泉组(转花池泉)，北至横切该沟的涪江.
　　地质上，黄龙沟仍处于新构造运动活动区，周围出露地层由老至新为志留系硅质板岩夹砂岩、泥盆系板岩夹灰岩、石炭-二叠系灰岩、三叠系凝灰质砂岩、板岩和千枚岩、第四系冰碛砂及碎块石.钙华属第四纪产物.黄龙沟及源头地质剖面如图2所示.

图2 黄龙沟转花池泉出露地质剖面图
Qt/Qg 为第四系钙华/冰碛砂及砾石, Tss 为三叠系凝灰质砂岩板岩和千枚岩, CPl 为石炭-二叠系灰岩, D 为泥盆系板岩夹灰岩, Sss 为志留系硅质板岩夹砂岩

1.2 四川康定
　　康定位于我国著名的鲜水河活动断裂带上，地处青藏高原的北东边缘.据重力和航磁解析，鲜水河断裂是一条切穿地壳的岩石圈断裂，它控制了康定一带折多山大型花岗岩体的发育.康定泉群共有5个主要泉点，均向大气释放大量CO₂，其中灌顶泉、龙头沟和折多塘泉三者出露具有相似性，即均发育在花岗岩体中，而二道桥泉和游泳池泉则分别出露于古生代灰岩与中生代砂岩夹板岩和千枚岩交界处及古生代灰岩地层中(图3).

图3 康定泉群出露地质剖面图
Qtr为第四系钙华,Qal为第四系冲积物,Qpl为第四系洪积物,T₁b为三叠系波茨沟组砂岩夹砂质板岩及千枚岩,D为泥盆系灰岩,S为志留系灰岩夹板岩,r为花岗岩,F为断裂

1.3 云南中甸下给
　　中甸下给地热系统位于中甸县东南，距县城约18 km，海拔3 400 m.泉群出露处地层主要为三叠系中上统的砂岩、泥岩和灰岩(图4).泉群以北约4 km一带，在上三叠统王吃卡组一、二段中夹500 m余厚的印支期安山岩和火山碎屑岩；在泉群以东约4 km有印支晚期石英闪长斑岩和石英闪长岩.从区域构造看，下给泉群位于川滇菱形断块内，其周边由深大活动断裂围限(图1).泉口可见大量气体(主要是CO₂气体)释放，而且泉群出露地伴随有大量钙华沉积，长约400 m，宽约300 m，厚达50 m.

图4 中甸下给泉群出露地质剖面图
1 示灰岩, 2 示砂岩, 3 示泥岩, 4 示断裂

2 分析方法

　　(1) 考虑到系统的三相不稳定性，水温、pH值、HCO₃^-等水化学指标分别用美国产精密Cole Parmer pH计(带温度探头)和德国产Aquamerk碱度计现场测定，其他水化学指标，取水样送实验室测定.
　　(2) 水的CO₂分压(P_CO2)和方解石饱和指数(SIc)通过输入有关水化学指标由Solmin-eq.88软件^[3]计算获得.
　　(3) 泉口CO₂气体用排水取气法收集、水中溶解总碳用KOH和BaCl₂现场沉淀，并采集泉口钙华样品.所有样品送同位素实验室分析碳稳定同位素组成.

3 结果和讨论

3.1 地热CO₂-水-碳酸盐岩系统的水文地球化学特征
　　对于黄龙沟系统，尽管水温只有6.3^oC,但考虑到这里年均气温仅1.1 ^oC及源头雪山的影响和深大活动断裂的存在，所以仍可将其归入地热系统.其水文地球化学特征表现为低pH值,低K⁺,低Na⁺,低Cl^-,高Ca²⁺,高HCO₃^-和高CO₂分压(P_CO2)，水化学类型为HCO₃-Ca型(表1).这些特征与出露在火成岩体中的典型地幔型地热系统(如云南腾冲，(表2)的不同在于后者K⁺,Na⁺和Cl^-含量高，而Ca²⁺含量低，水化学类型表现为HCO₃,Cl-Na型或Cl-Na型^[6].造成这些差异的原因，可以从两类系统出露的岩性不同得到解释.由图2可知，黄龙沟系统出露的岩石主要为石炭-二叠系灰岩,而腾冲地热系统出露于花岗岩体中^[6].黄龙沟系统与典型表层岩溶系统(如桂林岩溶试验场，表2)的不同在于后者CO₂分压较低.因而，尽管两者都出露于石灰岩地层中，但表层岩溶系统的溶蚀能力较小，所以系统的HCO₃^-和Ca²⁺含量也较低，而pH值较高.此外，转花池泉水出流后，由于大量CO₂释放，水的CO₂分压显著降低、pH值迅速升高，水由方解石不饱和变为过饱和(SIc 由负值变为正值，表1)，从而发生钙华沉积，使水中HCO₃^-和Ca²⁺含量降低(表1中8号观测点).

a) 表中各离子值含量单位为mg/L

a) 表中各离子含量单位为mg/L

　　对于康定地热系统，其水文地球化学特征可以明显地分为两类:一类富集Ca²⁺,pH值较低，水化学类型为HCO₃-Ca型，如二道桥泉和游泳池泉系统；另一类则明显富集Na⁺，水化学类型为HCO₃-Na或HCO₃，Cl-Na型，如龙头沟泉和折多塘泉系统(表1).联系前述各泉出露的地质条件分析，第一类系统的水化学特征无疑与古生代灰岩的影响有关，它类似于黄龙地热系统；而第二类系统的水化学特征则主要取决于花岗岩体的影响，它类似于腾冲地热系统.
　　对于中甸下给地热系统，水文地球化学特征表现为HCO₃^-,Na⁺和Ca²⁺含量均较高，水化学类型为HCO₃-Na,Ca型，反映出火成岩与灰岩共同影响的特点，这与泉群出露在夹有印支期安山岩和火山碎屑岩的砂岩、泥岩和灰岩地层中不无关系.
3.2 地热CO₂-水-碳酸盐岩系统的碳稳定同位素特征
　　由上述分析可知，黄龙沟、康定和中甸下给3个地热系统的水化学特征均存在碳酸盐岩地层的影响.碳酸盐岩地层同样影响着这些系统的碳稳定同位素特征(表3).具体表现为：与典型非碳酸盐岩地热系统(如腾冲地热系统)和表层岩溶系统(桂林岩溶试验场)相比(表4)，前者无论气相、液相还是固相碳组分均富集重碳稳定同位素.值得指出的是，按照Deines^[7]的经验公式计算，只有黄龙转花池泉的气液两相(CO₂-HCO₃^-)碳基本上达到了同位素交换平衡，计算获得的平衡温度为7^oC,与实测水温(6.3℃)近似.而灌顶泉、龙头沟泉、下给3号泉和6号泉的气液两相(CO₂-HCO₃^-)碳均未达到同位素交换平衡，计算获得的平衡温度分别为119 ,122,129和148℃,与实测水温(分别为88,73 ,58和47℃)相距甚远.后者可能与泉水远离方解石化学平衡(SIc 远大于0或远小于0)有关(表1).

a) +为泉口无钙华沉积; -为未取样

x^．d ¹³C_灰岩+(100-x)d ¹³C_岩浆=100^．d ¹³C co₂.

据此,由黄龙沟、康定和中甸下给3系统CO₂气体的碳同位素值(d ¹³Cco₂),表3)可对各泉CO₂气体的来源作出定量评价(表5).

　　由表5可知，云南中甸下给地热系统和康定第一类地热系统的CO₂主要来源于地层中石灰岩变质产生的CO₂，而黄龙沟系统和康定第二类地热系统的CO₂主要来源于地幔成因的CO₂.

4 结论

　　综合上面的分析可以得出以下结论：
　　(1) 地热CO₂-水-碳酸盐岩系统的水文地球化学特征表现为高CO₂分压、富含HCO₃^-和Ca²⁺，水化学类型以HCO₃(Cl)-Ca(Na)为主.地表钙华沉积丰富.
　　(2) 地热CO₂-水-碳酸盐岩系统的碳稳定同位素特征表现为富集¹³C.
　　(3) 地热CO₂^-水-碳酸盐岩系统的CO₂来源于石灰岩变质CO₂与幔源CO₂的混合.

刘再华(国土资源部岩溶地质研究所，桂林　541004)
袁道先(国土资源部岩溶地质研究所，桂林　541004)
何师意(国土资源部岩溶地质研究所，桂林　541004)
张美良(国土资源部岩溶地质研究所，桂林　541004)
张加桂(国土资源部环境地质研究所，北京　100081)

参考文献