0 前言

距今45 Ma以来，伴随印度板块与欧亚板块碰撞挤压的发生发展，青藏高原在由南向北递进式隆升并于晚期向东滑移挤出的过程中，一方面塑造了高原极具地学价值的地质地理景观，另一方面又逐步形成并蕴藏了一系列地热资源热储空间或点。如西藏羊八井地区、青海唐古拉山地区、贵德——共和地区等热储区带^[1]。其中，青海省已发现水温15.0 ℃以上的热水或地热异常点带共84处，尤以贵德扎仓寺温泉最为典型，其泉口温度达93.5 ℃。据史料记载，扎仓寺温泉用于洗浴、治疗疾病已有600多年的历史，但对其进行基础性的研究工作仅始于20世纪70年代。其成果主要集中于区域地质和地球物理过程^{[2, 3, 4]}，以及对扎仓寺地热成因、水温及水化学特征的研究和开发利用^{[5, 6, 7]}，并未涉及热源机理和开发利用前景。本文通过卫星热遥感影像及航磁、重力异常^[8]的宏观性解译热异常空间分布特征，野外实地调查温泉的出露条件和水化学特征，在分析研究温泉热源通道、入渗通道的基础上，讨论了其成因机理和开发利用前景。

1 扎仓寺温泉概况

1.1 扎仓寺地热地质背景

扎仓寺地热区地处西秦岭地块与祁连地块缝合边界南侧，系共和古湖盆东部边界带，出露地层以中三叠统(T₂)砂板岩和印支期花岗闪长岩(γδ²₅)为主，其顶部大部被新近系砂岩、泥岩所覆盖。花岗闪长岩裂隙及构造破碎带为含水层热储系统，中三叠统砂板岩和新近系泥岩构成隔温盖层，断裂破碎带构成热储及热源通道。

扎仓寺温泉受控于北北西向构造控制，出露部位在北北西向断裂与近东西向断裂交汇部共用上盘上。北北西向断裂称热光断裂(F₁)，为压扭性隔水断层；近东西向断裂称扎仓断层，为张扭性导水断层。地下水沿扎仓断层径流遇热光断裂下盘泥岩受阻，形成上升泉出露地表(图 1)。

图 1 扎仓寺温泉平面示意图 Fig. 1 Schematic plan view of Zhacang Temple hot springs

图选项

扎仓温泉沿热水沟呈线状分布，泉水出露，稍有喷溅，伴随气体和蒸汽溢出。在长约100 m的沟谷中有泉眼近30处，水温32.0～93.5 ℃，单泉流量0.10～0.29 L/s，总流量8.0～15.0 L/s，受季节影响明显。泉水泄出带第四系砂砾层中有厚达2.5 m充填着热泉出露形成的钙华。

1.3 温泉水化学特征

扎仓寺温泉水无色、透明，微有H₂S气味。矿化度1.34 g/L,水化学类型SO₄·Cl-Na型，呈弱碱性。含有多种对人体有益的微量元素，如偏硅酸(129.00 mg/L)、偏硼酸(29.05 mg/L)、氟(8.50 mg/L)、锶(1.31 mg/L)、锂(2.64 mg/L)、镭(0.162 mg/L)等。按国家相关标准^[9]，温泉中仅氟离子超出饮用矿泉水标准限定值。由此可知，扎仓寺温泉水有明显的医疗功效，特别是对皮肤病、关节炎^[6]、胃病等都有显著疗效。

1.4 泉水温度

扎仓寺温泉温度最高93.5 ℃，随气喷出，最低温度32.0 ℃，呈泉涌出。泉口标高2 500 m左右，气压值78 kPa，与其相对应水的沸点为93.0 ℃。所以泉水最高温度不能代表地热流体温度，应存在更高的热源体，这也是本文关注的要点。

2 地热成因机理分析

2.1 区域地热地质条件

伴随青藏高原由南向北递进式隆升，在距今3.0 Ma年前后向东滑移挤出^[10]的过程中，古共和拉分盆地形成，发育了一系列北北西向展布的断裂构造^[11](图 2)和青海最具地热开发利用潜力的共和、贵德热储系统。如：共和盆地1 000~1 500 m地热温度达60.0～70.0 ℃，贵德盆地1 500 m以浅新近系浅部热储和古近系中部热储温度均在40.0 ℃以上；北北西向多禾茂断裂带温泉出露温度44.0～67.0 ℃，瓦里贡山断裂带温泉出露温度62.0～93.5 ℃；瓦洪山断裂带温泉出露温度30.0～62.0 ℃。可见，共和、贵德热储系统区域热力中心在瓦里贡山构造带，这一点与瓦里贡山构造带岩浆岩分布最广是相一致的。说明北北西向断裂构造应为深达软流层的深大断裂，也是区域热源通道。

图 2 区域地热地质条件图 Fig. 2 Map of region geothermal geology conditions

图选项

热异常遥感解译结果(图 3)表明，扎仓寺温泉地区有一个呈北北西向展布的高热异常区带，面积达200 km²以上，尤以热光断裂上盘最为显著。说明北北西向存在一条巨大的热源通道。 区域地形(图 4a)与重力异常(图 4b)具良好的对应性，明显显示山系与沉降带，并显示区域上以北北西向断裂为主，东西、南北向相对弱些；而扎仓寺温泉带(图 5)明显显示有一条北北西向区域深大断层存在，与重力异常显示对应关系显著。对比实际，该断裂即热光断裂，而且规模巨大，可以认为深达软流层，温泉出露带为北北西向与东西向异常交汇带，这一点可以从瓦里贡山断裂、多禾茂断裂右施切γδ¹₅侵入岩体得到佐证(图 6)。

图 3 区域热异常遥感图像 Fig. 3 Remote sensing of regional thermal anomaly

图选项

图 4 区域地形(a)和重力异常(b)对比图 Fig. 4 Comparison map of topography (a) and regional gravity anomaly (b)

图选项

数字为84坐标系。 图 5 扎仓寺温泉带重力异常与构造关系示意图 图 5 扎仓寺温泉带重力异常与构造关系示意图 Fig. 5 Schematic diagram of relationship between gravity anomaly and geological structure in Zhacang Temple hot springs

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图 6 贵德地区地质构造略图 Fig. 6 Schematic view of regional geological structure

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据野外调查，热水沟为一季节性沟谷，其上游的青楚河为常年有水的沟谷，年均流量约20 L/s，与大气降水一同补给热水沟。而热水沟为“V”字峡谷，岸坡高差达150～300 m，坡顶为新近系泥岩盖层，为隔水层位。而谷床基岩裸露，近热泉带由中三叠统砂板岩组成，热泉点西约2 km为燕山期花岗闪长岩。花岗闪长岩中近东西向张裂发育，线密度1.5～2.0 条/m，地表可见张开宽度1~2 cm。一方面，大气降水和青楚河水进入热水沟花岗闪长岩谷床约2.0 km即断流，说明近东西向张裂为良好的入渗通道；另一方面，据当地居民反映，扎仓寺温泉流量与热水沟上游青楚河汇水区大气降水有密切关系，降水以后约20 d，扎仓寺温泉流量有所增加。据物探资料(图 7)可知：热光断裂(F₁)以西300 m长度内表层有不含水的高阻地层，应为阻水隔热的中三叠统砂板岩；300 m以西下部1 000～1 500 m带为低阻带，应为含水、导水带。因此，扎仓寺温泉补给区是热光断裂以西1.5 km以外区域，主要来源是大气降水和热水沟上游沟谷流水。入渗通道为γδ¹₅花岗闪长岩中近东西向构造裂隙。

图 7 I线可控源电磁测量反演结果图 Fig. 7 Results of line I controlled source electromagnetic measurement

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热光断裂以西1.5 km以外区域的近东西张裂为地表水的入渗通道。中三叠统砂板岩与花岗闪长岩接触变质带为径流储水含水带。热水沟上游地表水入渗后在接触变质带径流，经F₁热源加热后，受断层下盘新近系泥岩阻隔上涌，形成扎仓寺温泉。因此，近东西向的扎仓寺断裂是地表水入渗和地热导热构造，而北北西向热光断裂F₁则是扎仓寺温泉的热源通导。

2.4 扎仓寺温泉成因机理

上述资料均显示扎仓寺温泉热系统存在一个很大的热源通道，即热光断裂，其热储概念模型可用图 8表述。大气降水和青楚河水进入热水沟后成为扎仓寺温泉补给源，近东西向张裂带为地表水入渗通导，花岗闪长岩与中三叠统砂板岩接触变质带为热储层，中三叠统砂板岩为盖层，热光断层为热源通道。地表水入渗后，在深部1 000～1 500 m处与热光热源通道热混合加热，受下盘新近系泥岩的阻隔，在扎仓寺上涌出露地表。因此，扎仓寺温泉的形成主要依赖于热光断裂作为热源通道对地表渗入水进行加热受阻后出露地表。扎仓寺温泉群受板内规模不一的活动断裂(F₁)控制，地表出露温泉，水温高达93.5 ℃，热源是断裂导热^[12]，为断裂-深循环型地热系统^[13]。

图 8 扎仓寺热储概念模型 Fig. 8 Geothermal reservoir conceptual model of Zhacang Temple

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3.1 地热资源现状及特征

据多年观测资料显示，扎仓寺温泉总流量8.0～15.0 L/s，水温32.0～93.5 ℃，温泉水中H₂SiO₃、Li⁺、Sr⁺²三项指标符合饮用矿泉水标准，F^-、Li⁺指标满足医疗矿水标准^[9]。据相关资料^{[2, 3, 6]}，扎仓寺破碎带内勘探孔ZK19终孔孔深100.18 m，热水温度93.0 ℃，孔口自流量为5.4 L/s，且影响到扎仓沟内温泉流量。在温泉下游300 m处施工的勘探孔(RK852)，主要揭露新近系砂岩、泥岩及砂砾岩，当降深为5.16 m时，涌水量仅为0.068 L/s，水温57.0 ℃；说明扎仓寺温泉来自破碎带，受河谷浅层地下水混合作用影响，部分泉点温度较低^{[2, 3, 4, 6]}。

3.2 热储温度及循环深度

采用地球化学温标可以估算热储温度，预测地热田潜力。地热流体与矿物在一定温度下达到化学平衡，在随后地热流体温度降低时，这一平衡仍予保持，这为建立地球化学温标提供基础^[14]。在水与不同类型的SiO₂达到溶解平衡且无蒸汽损失的情况下，采用SiO₂温标法计算热储温度，公式^{[14, 15]}为

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估算温泉热水循环深度Z的公式^{[6, 15]}为

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3.3 温泉的天然放热量

温泉的天然放热量计算公式^{[6, 15]}为

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利用热储法计算热储中储存的热量，估计热田地热资源的潜力^[14],公式为

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地热资源可开采量Q_wh是在当前开采经济技术条件下能够从热储中开采出来的那部分储量，公式^[14]为

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扎仓温泉地热资源初步计算结果见表 2。

扎仓寺温泉属于中高温地热资源，适合于地热资源的综合开发和梯级利用。由扎仓温泉的天然放热量和地热资源初步计算结果可以看出，扎仓寺地区地热资源较为丰富^[6]。而且1 300 m以下温度可达130.0 ℃以上，具备气化条件和存在干热岩热源。因此，开发利用前景可观。

3.5.1 温泉疗养、洗浴

扎仓温泉水含有丰富的矿物质及微量元素，达到了医疗矿泉水标准，属多微量元素弱碱性硫磺矿泉水，经深入研究表明对多种疾病有奇特的疗效^{[6, 15, 17, 18, 19]}。数百年来，省内外各族人民慕名而来治病、保健^{[2, 3, 4, 6]}。通过研究不同疾病的种类、疗程，提供科学的指导，可以促生前景广阔的扎仓温泉医疗保健疗养产业。

3.5.2 冬季供暖

与传统燃烧煤炭等采暖方式相比，地热供暖更经济、更环保。现有较为成熟的热泵(水源热泵和地源热泵^[20])供暖技术，可以反复抽取热源中的热量，进行梯级利用，能大幅度提高地热资源的利用率^[6]。

3.5.3 温泉种植和养殖

贵德深居内陆，属高原大陆性气候，光照时间长，但冬长夏短，且冬季气候干燥，年平均气温仅7.2 ℃，极端最低气温-23.8 ℃，作物生长期223 d^{[2, 3, 6]}。每年冬季，贵德县生鲜蔬菜完全依赖外部供给^[6]。利用特有的热水资源，结合较长的光照条件，可以进行温室种植和特色养殖，一方面可以提供新鲜的蔬菜及农副产品，另一方面可以建立以垂钓、采摘、观光为主的特色旅游项目^{[6, 17]}，对促进当地生态旅游建设有重要促进作用。

3.5.4 干热岩应用前景

地热资源是一种清洁、可再生的能源，主要分为水热型和干热岩型^[16]，高温水热型地热资源赋存于高渗透性的孔隙/裂隙介质中，与年轻火山活动或高热流背景相伴生^[21]；干热岩是普遍埋藏于距地表 3～10 km的深处、内部不存在流体或仅有少量地下流体的高温岩体^{[22, 23, 24]}，其温度范围很广，通常为150.0～650.0 ℃^[25]。扎仓温泉温度已达到当地沸点，地热异常区地温梯度可达10.52 ℃/hm。经过计算，地表以下2 000、4 000、6 000 m的热储温度分别为195.0、385.0、575.0℃^[6]，从物探资料显示，虽然2 000 m以深没有较好的热储层，但热光断裂作为热源通道，赋存断裂带型热水机干热岩资源，可以利用“干热岩过程法”发电，并进行深部热能提取，以缓解当地能源匮乏的局面。温泉的补给资源和存储资源是有限的，通常其天然补给量等于温泉流量^{[6, 26]}。利用干热岩、高温地热水及热泵等多项提取技术，可以人为控制提取量，进行可持续开发利用。

3.5.5 2 000 m以浅热气田应用前景

据物探资料及图 7显示，拟施工钻孔设计深度1 300 m，将揭穿扎仓寺温泉区1 300 m以浅的热储层，据推测，其温度将达到130.0 ℃以上，将是水汽共成孔，可直接用来示范地热蒸汽发电^[8]，其研究示范应用前景广阔。

4 结论

1)扎仓寺温泉有泉眼近30 处，总流量平均值为12.0 L/s，最高水温93.5 ℃，其汽化特征，是中、高温地下水，矿化度1.31 g/L,属SO₄·Cl-Na。温泉水达到了医疗矿泉水标准，属多微量元素弱碱性硫磺矿泉水，对多种疾病有显著疗效。

2)通过区域热遥感影像、航磁、重力等资料分析，认为瓦力贡山构造带为区域热力中心。结合实地调查，认为大气降水和热水沟上游沟谷水为补给源，近东西向张裂为入渗通道，中三叠统砂板岩与γδ²₅花岗闪长岩接触变质带为径流通道(热储层)，中三叠统砂板岩为盖层，北北西向热光断裂(F₁)为热源通道，F₁断裂为干热岩目标位置。

3)据计算，径流通道(热储层)温度可达136.0 ℃，具备蒸汽发电示范背景条件，而F₁断裂带附近2 000 m深度温度可达195.0 ℃，具备干热岩开发利用前景。

区域热力中心与北北西向断裂右旋走滑并切割花岗岩体的成矿模式，以及热源通道中导热介质除水之外是否与硫有关还需进一步研究。