位于甘肅東南部的天水及其南北地區(qū), 包括天水、定西和隴南部分地區(qū), 基底構(gòu)造處在祁連、西秦嶺造山帶, 也是我國(guó)中央造山帶和南北向構(gòu)造帶交匯部位, 以及我國(guó)華北地塊、華南地塊和青藏地塊交接地段。北部地表黃土覆蓋廣泛, 西迄華家?guī)X東至六盤山, 南接西秦嶺, 周邊環(huán)山基巖出露, 其間被中新生代盆地分割, 形成盆山相間展布的格局。由地球物理勘查資料可知這些盆地蓋層厚度普遍較薄,很少超過1 000 m , 因此限定了形成盆地型地?zé)崽?/a>的地質(zhì)前提。另?yè)?jù)區(qū)域地溫場(chǎng)和溫泉分布特征, 表明具備形成斷裂隆起對(duì)流型地?zé)崽?/a>的地?zé)岬刭|(zhì)條件。隆起斷裂對(duì)流型溫泉的地下熱水具有充沛的補(bǔ)給來(lái)源、較好儲(chǔ)存和開采條件, 具有進(jìn)一步開發(fā)擴(kuò)大地?zé)崂?/a>的遠(yuǎn)景。

  1  區(qū)域地質(zhì)特征

 

  天水及其南北地區(qū)處在近東西向祁連—西秦嶺造山帶接合部位, 疊加了斜跨之上較醒目的近南北向構(gòu)造帶形跡, 而且新構(gòu)造活動(dòng)很明顯, 組成我國(guó)著名的南北向地震活動(dòng)帶中段。由兩條巖漿構(gòu)造隆起帶和其間的坳陷帶組成, 兩個(gè)隆起帶主要由印支、燕山期的花崗巖體組成, 各巖體的長(zhǎng)軸方向雖多呈東西向, 而它們的組合形態(tài)排列卻成N15°～ 20°E 方向。東巖漿構(gòu)造隆起帶位于張家川—清水—成縣一線;西巖漿構(gòu)造隆起帶位于通渭一武山一舟曲一線;兩個(gè)隆起帶之間為坳陷帶和新生代斷陷盆地, 變質(zhì)巖基底中花崗巖較少。盆地呈串珠狀分布, 如靜寧—秦安—天水盆地和西和一禮縣盆地, 盆地長(zhǎng)軸方向均呈NNE 向, 盆地新生代沉積厚度僅千余米。

 

  出露地表的NWW 向區(qū)域性斷裂主要有:中祁連構(gòu)造帶北緣會(huì)寧—張家川斷裂帶、通渭—清水?dāng)嗔褞?、西秦嶺北緣和渭河斷裂帶、禮縣—麻沿河斷裂等, 這些斷裂帶具有延伸長(zhǎng)、切割深, 多期活動(dòng)的特點(diǎn)。

 

  近南北向斷裂地表出露規(guī)模不大, 一般為10 ～20 km , 且常出現(xiàn)在隆起帶上或其邊緣。它們比較集中在以下三個(gè)帶:溫泉—龍?zhí)稊嗔褞А⑻焖目h斷裂帶、清水—成縣斷裂帶。組成這些帶的斷裂都呈斜列雁行式排列, 斷裂帶方向多為N20°～ 25°E ,斷裂擠壓現(xiàn)象明顯, 有的切割了第三系。隱伏斷裂一般在衛(wèi)星象片上都有較清晰的影象特征, 有的具斷崖、斷裂谷地貌特征。特別引入注目的是構(gòu)成東隆起帶的各巖體之西緣均較平直。地貌上形成有較明顯的階梯狀地形, 大致以天水一武都為界, 其東側(cè)山脈走向?yàn)镋W 向, 海拔在2 000 m 以下。而西側(cè)山脈多為NW 走向, 海拔在3 000 m 以上。另?yè)?jù)夷平面資料, 東西兩側(cè)同級(jí)夷平面相對(duì)上升高度也不同, 東側(cè)一、二級(jí)夷平面總的上升為800 m , 而西側(cè)卻上升了1 300 ～ 1 600 m 。這種地貌形態(tài)的變化和活動(dòng)特征的差異反映了受新構(gòu)造活動(dòng)的影響。

 

  沿近SN 向構(gòu)造帶還有喜山期巖漿巖出露。西

 

  隆起帶南段在禮縣白關(guān)一香山一帶為堿性玄武噴出巖, 多伏在老第三系紅色砂礫巖之上, 有的又被新第三系不整合覆蓋, 其產(chǎn)出與南北向超殼型深斷裂活動(dòng)和地幔部分熔融巖漿貫入密切相關(guān);東隆起帶在天水伯陽(yáng)—元龍一帶, 為酸性—中性的流紋巖與安山質(zhì)火山角礫凝灰?guī)r, 另還有花崗正長(zhǎng)巖和正長(zhǎng)斑巖。它們雖巖性不同, 但形成時(shí)期一致, 從其出露位置分析與近南北向構(gòu)造有內(nèi)在聯(lián)系。

 

  2 溫泉分布特征和熱儲(chǔ)條件分析

 

  區(qū)內(nèi)已知溫泉13 處, 如表1 所示。由表可見,

 

  溫泉水溫多在25 ～ 57 ℃之間, 屬隆起斷裂對(duì)流型中低溫地?zé)豳Y源, 熱儲(chǔ)多為花崗巖斷裂破碎帶或者花崗巖與變質(zhì)巖接觸帶, 僅個(gè)別為其它巖性。區(qū)內(nèi)溫泉分布多沿基底區(qū)域性斷裂和重力梯級(jí)帶反映的近NS 向隱伏斷裂分布(圖1 、圖2), 并且多出現(xiàn)在兩組斷裂交匯部位, 尤其受近南北向構(gòu)造控制更明顯, 甚至有些溫泉泉眼成群沿近南北向排列。例如沿通渭一武山一舟曲西隆起帶分布的西鞏驛、通渭義崗、通渭青土坡、通渭湯池、武山溫泉鄉(xiāng)、禮縣龍?zhí)?、禮縣龍王溝等溫泉;沿清水—成縣東隆起帶分布的清水湯峪、天水溫家峽溫泉, 其間還有伯陽(yáng)溫泉, 因資料不多未列入表內(nèi);中間坳陷帶分布的秦安于夫子溝、天水中灘以及南端的文縣石坊溫泉。這些溫泉的分布還受區(qū)域性NWW 向斷裂與近SN 向斷裂交匯控制, 形成東西成行, 南北成列的網(wǎng)格狀格局。

 

  溫泉水中SiO2 、F 含量較高, 前者大于25mg /L , 后者大于4 mg /L , 且隨泉水溫度的升高而含量增加。泉水的礦化度與Cl - SO24Ca2 +Na+K+等離子含量呈正消長(zhǎng)關(guān)系, 與HCO3含量呈反消長(zhǎng)關(guān)系。

 

  區(qū)內(nèi)由東南向西北礦化度和離子含量呈遞增趨勢(shì),主要反應(yīng)水質(zhì)的變化。另?yè)?jù)武山、通渭、秦安、清水等溫泉水溶氣體中氦含量較高, 較淺層水或空氣中的氦高2 ～ 3 個(gè)數(shù)量級(jí), 說(shuō)明氦來(lái)源地殼深部。

 

  從天水及鄰區(qū)兩條近南北向巖漿構(gòu)造帶與溫泉

 

  分布來(lái)看, 巖體可為溫泉提供地殼淺部熱源。分布在通渭—武山—舟曲巖漿構(gòu)造隆起帶的武山溫泉鄉(xiāng)、通渭湯池溫泉和分布在清水—成縣巖漿構(gòu)造隆起帶的清水湯峪、天水溫家峽溫泉, 其水溫較高均在40 ℃以上, 而在兩者之間的秦安—天水—武都坳陷帶, 中酸性巖漿巖零星出露, 分布在秦安于夫子溝、天水中灘溫泉的溫度偏低在30 ℃以下, 文縣石坊溫泉僅有19. 5 ℃, 可見溫泉水溫高低與花崗質(zhì)巖石有關(guān)?；◢弾r據(jù)同位素年齡測(cè)定在170 ～ 240 Ma 左右, 多屬印支—燕山期產(chǎn)物。另?yè)?jù)該區(qū)巖石樣品放射性含量測(cè)定, 花崗巖U 、Th 、K 含量較高, 巖石生熱率仍是花崗巖最高, 次為花崗閃長(zhǎng)巖, 其它巖石如泥巖、白云巖、灰?guī)r生熱率較低, 顯然是淺部花崗巖放射性含量高衰變產(chǎn)生熱量亦高的很好說(shuō)明。

 

  而在坳陷帶內(nèi)的天水盆地為新生代山間斷陷盆地, 東西長(zhǎng)40 km , 南北寬10 ～ 18 km , 中間被NW 向天水市區(qū)低隆起分隔為東(十里鋪—甘泉)、西(太京—天水郡)兩個(gè)斜列的坳陷。盆地是形成熱儲(chǔ)的有利場(chǎng)所, 要形成沉積盆地型地?zé)?/a>田, 除有足夠熱源、水源和通道外, 還必需有足夠厚的蓋層和儲(chǔ)層。

 

  但從天水盆地以往煤田電測(cè)深資料和近期可控源音頻電磁測(cè)深結(jié)果分析, 天水盆地及其次級(jí)坳陷基底埋深較淺, 一般只有500 ～ 600 m , 最深地段為800 ～1 000 m 。新生界蓋層厚度較薄, 不利于形成溫度較高的熱儲(chǔ)層, 因此, 不具備形成盆地傳導(dǎo)型地?zé)?/a>田的地質(zhì)條件。以往地?zé)徙@探結(jié)果表明, 處在兩坳陷間的天水市低隆起部位的市內(nèi)北關(guān)施工的地?zé)峋?/a>, 井深632. 78 m , 以未能打出熱水而告終, 就是例證。

  3. 1  地溫梯度與大地熱流場(chǎng)特征

 

  由地震系統(tǒng)在該區(qū)所測(cè)地溫梯度與大地熱流

 

  值[ 1 - 2] (圖2)可以看出, 在清水—天水—成縣一線,形成一條明顯的呈近南北向地溫梯度與大地?zé)?/a>流異常帶, 地溫梯度在21. 01 ～ 49. 3 ℃/1 000 m , 平均值33. 93 ℃/1 000 m ;大地?zé)?/a>流值64 ～ 75. 7 mW /m2 ,平均值70. 78 mW /m2 。而相鄰的隴東盆地地溫梯度在18 ～ 29 ℃/1 000 m , 平均值24. 23 ℃/1 000 m ,大地熱流值53. 5 ～ 59. 2 mW/m2 , 平均值55 mW /m2 。

 

  由此可見在天水及其南北地區(qū)地溫梯度和大地熱流值均大于正常地溫梯度(30 ℃/1 000 m)和全球平均大地?zé)崃髦?61. 45 mW /m2 ), 也高出周邊地區(qū)。

 

  3. 2  地球物理場(chǎng)特征反映的近南北向構(gòu)造帶從布格重力異常圖上(圖2)可較清楚地看到重力異常值由西(- 280 ×10- 5 m /s2)向東遞增( - 180×10 -5 m / s2) , 并形成兩條近SN 向布格重力異常密集梯級(jí)帶, 以通渭—武山重力梯級(jí)帶帶最清晰;成縣—清水一線亦有顯示, 反映近南北向隱伏斷裂的存在, 并與地震測(cè)深推斷莫霍面隆起兩側(cè)陡變帶對(duì)應(yīng)(圖4), 屬超殼深斷裂。在兩重力梯級(jí)帶間被不連續(xù)重力低相隔, 反映中新生代盆地分布。NWW向重力梯級(jí)帶不連續(xù), 多出現(xiàn)在近南北向重力梯級(jí)帶扭曲部位, 反映了這組NWW 向斷裂構(gòu)造與近南北向隱伏構(gòu)造立體交叉的影響。

 

  在航磁異常圖上也非常醒目的反映出天水一武都一線和西秦嶺北緣形成兩種不同磁場(chǎng)特征的分界, 是不同地質(zhì)構(gòu)造單元間以斷裂為界的特征。

 

  在北側(cè)和東側(cè), 是正負(fù)相間變化、磁場(chǎng)強(qiáng)度在100 ～300 nT 間的高磁異常區(qū), 從大片升高區(qū)域磁場(chǎng)分析, 主要反映中酸性巖體和火山巖的廣泛分布。西秦嶺西段是平靜的低值磁場(chǎng)區(qū), 場(chǎng)值普遍小于50nT , 為碎屑巖和碳酸鹽巖的反映。

 

  3. 3  電磁場(chǎng)、波速場(chǎng)反映深部地質(zhì)構(gòu)造與巖石圈熱結(jié)構(gòu)本區(qū)地溫梯度、大地?zé)崃鲌?chǎng)和溫泉的空間分布反映出以通渭華家?guī)X—武山近SN 向重力梯級(jí)帶反映的隱伏深斷裂為西界, 六盤山—隴山重力梯級(jí)帶反映的深斷裂為東界, 其間地溫場(chǎng)溫度高, 溫泉多,地?zé)崽?/a>分布屬隆起斷裂對(duì)流型;在其東西側(cè)分別為隴西盆地和隴東盆地, 盆地沉積厚度大, 多在2 000～ 3 000 m , 地溫場(chǎng)偏低, 且少見溫泉, 地?zé)崽?/a>以盆地傳導(dǎo)型為主。

  地溫場(chǎng)高、溫泉眾多與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和深部地

 

  質(zhì)背景密切相關(guān)。地震測(cè)深大地電磁測(cè)深推斷天水—秦安一線莫霍面和地幔高導(dǎo)層均上隆(圖4), 地殼厚度僅有45 km , 較東、西兩側(cè)減薄4 ～ 6km , 并形成兩條近NS 向陡變帶。巖石圈厚度為76～ 90 km , 與構(gòu)造活動(dòng)區(qū)(<100 km)相當(dāng), 遠(yuǎn)小于鄰區(qū)(130 ～ 160 km)或大陸穩(wěn)定地區(qū)(150 ～ 200 km)。

 

  區(qū)內(nèi)地殼厚度減薄莫霍面劇烈向上隆起, 而且下地殼、中地殼和上地殼也呈上隆趨勢(shì), 地震波速度普遍高于周圍相應(yīng)層位, 這種現(xiàn)象顯然與上地幔熱物質(zhì)的上涌有關(guān)。并且該地區(qū)存在一個(gè)明顯的殼幔過渡層, 也稱異常地幔, 從地震測(cè)深剖面上來(lái)看主要表現(xiàn)在下地殼底部出現(xiàn)了一個(gè)P 波速度為7. 0 ～ 7. 4 km / s 的特殊層位, 其形成可能與莫霍面兩側(cè)的物質(zhì)在高溫條件下發(fā)生的一系列復(fù)雜的地球化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)運(yùn)移過程有關(guān)。殼幔過渡層波速異常特征被認(rèn)為是底侵作用的結(jié)果:一般認(rèn)為是由于上地幔巖漿侵入下地殼, 并與下地殼巖漿相互對(duì)流、混融而形成的, 出現(xiàn)這種波速特征說(shuō)明該地區(qū)有可能發(fā)生過上地幔巖漿侵入的下地殼。在發(fā)生過底侵作用的部位存在一個(gè)明顯向上隆起的下地殼高速體, 其上部邊界位于地下約32 km 處, 速度等值線分布呈向上凸起趨勢(shì), 波速值明顯高于周圍相應(yīng)層位。

 

  在天水至秦安一帶, 中地殼分別存在低速高導(dǎo)

 

  層。根據(jù)地震測(cè)深資料, 低速層下底面在地下19 ～20 km 深處, 層厚約3 ～ 5. 5 km , P 波速度約為5. 85km / s , 其上方的P 波速度平均約為6. 04 km /s , 下方的P 波速度約為6. 21 ～ 6. 3 km / s 。電性資料也顯示在中地殼低速層對(duì)應(yīng)的層位為一厚度約4 km的高導(dǎo)層, 電阻率約為5 ～ 13. 8 Ψ m , 高導(dǎo)層的底面埋深在14. 7 ～ 17. 6 km 之間, 層厚與中地殼低速層相當(dāng), 但埋深略淺。在中地殼低速、高導(dǎo)層的上方, 天水伯陽(yáng)和禮縣白關(guān)有新生代幔源型侵入巖的出露。這說(shuō)明至少在新生代初期, 該地區(qū)的巖石圈通道是非常活動(dòng), 而且中地殼低速高導(dǎo)層的溫度達(dá)到含水巖石發(fā)生脫水反應(yīng)所需的溫度也達(dá)到或超過了巖石的局部熔融溫度, 這個(gè)高溫區(qū)很可能是巖石圈通道在地表的重要表現(xiàn)之一。

 

  地幔高導(dǎo)層上隆也說(shuō)明軟流圈在上隆,據(jù)文獻(xiàn)研究表明, 地幔高導(dǎo)層上隆軟流圈中含有熔融的流體物質(zhì)降低了巖石的強(qiáng)度。軟流圈中低密度的流體組分要向軟流圈隆起的部位遷移, 它會(huì)聚于巖石圈的下部, 并在巨大的圍壓作用下沿著構(gòu)造塊體之間的破碎帶向上辟進(jìn), 形成巖石圈內(nèi)的熱流體通道。

 

  3. 4  溫泉形成的熱源機(jī)制

 

  地表熱流由地殼熱流和地幔熱流兩部分組成,據(jù)天水地區(qū)實(shí)地測(cè)試[ 2] 分別為40. 25 、32. 74mW /m2 , 所占比例各為55 %、45 %。兩者雖較為接近, 而地殼熱流所占比例稍大, 與相鄰薄地殼(33 ～35 km)的汾渭裂谷型盆地的地幔熱流占主導(dǎo)顯然不同, 但比相鄰厚地殼的地段, 由于本區(qū)地殼減薄莫霍面上隆而增加了地幔熱流比例。該區(qū)中地殼低速、高導(dǎo)層存在, 被認(rèn)為是巖石相變脫水反應(yīng)形成的局部熔融體, 可作為地殼中部熱源。下地殼高速殼幔過度層是地幔超鎂鐵巖作為熱底辟上侵與下地殼混融的產(chǎn)物, 加之地殼減薄莫霍面上隆的熱效應(yīng), 致使天水一帶地?zé)釁^(qū)是在地幔熱源增溫的背景上迭加殼內(nèi)局部熱源, 形成多級(jí)熱源的疊加。尤其地殼上部來(lái)源于構(gòu)造巖漿帶中酸性巖體放射性元素U 、Th 、K 衰變產(chǎn)生的熱量, 更是上地殼熱流值在地表熱流中所占比例較高(33 %)的原因。這正是巖漿構(gòu)造隆起帶內(nèi)的溫泉溫度偏高的原因所在, 尤其近南北向隱伏超殼斷裂和區(qū)域性NWW 向區(qū)域性斷裂發(fā)育和新構(gòu)造活動(dòng)更為形成斷裂隆起對(duì)流型溫泉?jiǎng)?chuàng)造了條件。

  4  結(jié)論

 

  (1) 天水及其南北地區(qū)具備形成地下熱水的區(qū)

 

  域與深部地質(zhì)背景, 水熱活動(dòng)主要表現(xiàn)為斷裂隆起型溫泉。地幔高導(dǎo)層、莫霍面上隆, 地殼厚度減薄,有利地幔熱流將熱量傳遞給隆升部位;地殼內(nèi)廣泛分布的中酸性巖體生熱率高, 致使該區(qū)有較高的地表大地?zé)崃髦岛偷販靥荻取?/div>