章 旭,郝紅兵,劉康林,毛武林,肖 堯

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610081)

泉華主要是指在泉口附近從泉水中沉淀下來的疏松多孔物質(zhì)，自然界最常見的泉華有硫華、硅華、鈣華、鹽華和金屬礦物五大類[1]。作為大自然獨特的自然景觀和旅游資源，泉華在我國西部和北方部分地區(qū)較為常見，西藏、四川、云南及山西等省份均有分布，最為典型的當(dāng)屬四川黃龍鈣華景觀、云南白水臺鈣華灘、雞飛溫泉鈣華、新疆托云泉華、西藏塔格架溫泉鈣華瀑布等，國外以土耳其的棉花堡(Pamukkale)、美國黃石公園(Mammoth)、意大利的蒂沃利(Tivoli)等鈣華沉積最為著名。目前，泉華的研究主要集中于泉華的形成機理和影響因素，基于泉華的古環(huán)境重建和構(gòu)造活動性，泉華對氣候環(huán)境變化的指示作用等方面。閆志為等[2-5]通過實驗表明溫度、CO2分壓、氯化物、硫酸根離子等對巖溶地下水中方解石、白云石的溶解平衡及碳酸平衡存在正相關(guān)作用。沈永平[6]推測西藏聶拉木縣科亞盆地科亞泉華形成于距今18 000～22 000 a前，并以此推論喜瑪拉雅山地區(qū)在18 000 a前達到最冷期；王紹令[7]通過對青藏公路沿線、西藏聶拉木科亞河岸等地區(qū)泉華開展14C測年研究，認為青藏高原古泉華和碳酸鈣鈣華物均形成于15 000～22 000 a前，屬晚更新世后期的產(chǎn)物。Mesci等[8]研究認為土耳其中部錫瓦斯地區(qū)大量鈣華的形成與活動構(gòu)造密切相關(guān)。薛治國等[9]對位于中吉邊界的烏恰縣托云鄉(xiāng)境內(nèi)蘇約克泉華開展U-Th定年標(biāo)定時間，提取了地震在泉華沉積中的記錄。劉再華[10]認為鈣華將作為第四紀高分辨率古氣候環(huán)境重建的記錄，在第四紀古氣候重建中有獨特的優(yōu)勢。Matsuoka等[11]等通過對日本西南部Shirokawa表生鈣華研究，認為鈣華年層的氧同位素周期性變化能有效記錄古環(huán)境溫度。劉再華等[12]通過山西娘子關(guān)綿河不同階地上沉積的泉鈣華230Th定年和碳氧穩(wěn)定同位素組成測定，認為綿河Ⅱ級階地沉積的娘子關(guān)泉鈣華的最老年齡為407～466 ka，自Ⅱ級階地鈣華形成至今，氣候總體向干冷方向發(fā)展。薛傳東等[13]通過滇中路南石林地區(qū)的鈣華沉積層研究，獲得了區(qū)內(nèi)距今33×104～4.4×104a的古氣候環(huán)境的變遷信息?？傮w而言，泉華的研究理論成果較為豐富，但研究手段及方法較為單一，運用水文地球化學(xué)、地球化學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等跨學(xué)科理論對其進行綜合研究較為少見。國內(nèi)已有泉華的研究主要集中于氣候溫暖濕潤的巖溶地區(qū)，對青藏高原高寒地區(qū)的鈣化形成機制研究甚少。

象牙泉地處青藏高原高寒地區(qū)，因其鈣華沉積酷似“象牙”而聞名，其景觀壯麗，被視為圣水之泉，賦予了神秘的宗教色彩。近年來，隨著象牙泉旅游資源的開發(fā)，象牙泉“象身”的泉華沉積剝離速度日趨加快，亟待采取科學(xué)、有效的措施加強對象牙泉地質(zhì)景觀的保護。然而，目前象牙泉地質(zhì)、水文地質(zhì)各方面的研究幾乎空白，開展象牙泉及泉華形成機制研究，對象牙泉旅游業(yè)可持續(xù)開發(fā)及地質(zhì)景觀資源保護具有重要意義；象牙泉地處青藏高原高寒地區(qū)，其研究對雅魯藏布江構(gòu)造帶古環(huán)境演化、新構(gòu)造活動及青藏高原氣候環(huán)境變化研究均具有重要的科學(xué)價值。

本文在全面收集象牙泉已有地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，充分利用項目2017—2018年1∶25萬水文地質(zhì)調(diào)查成果，采用泉華組分分析、水文地球化學(xué)方法研究象牙泉水化學(xué)組分特征、泉華類型，探討泉水溶質(zhì)組分形成的水化學(xué)過程，分析泉水的補給來源和徑流特征，初步建立象牙泉形成的概念模型，對泉華的形成和演化作了較為系統(tǒng)的研究。研究成果對象牙泉旅游資源的可持續(xù)開發(fā)和保護具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

象牙泉位于西藏山南市加查縣加查鎮(zhèn)以東，距加查縣城10 km，屬高山深切河谷地貌，河谷寬緩，階地發(fā)育；岸坡陡峭，地形坡度40°～60°，高差2 000～2 500 m。象牙泉下側(cè)為G318國道，交通便利。屬于高原溫帶半濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫9.2 ℃，年平均降水量540.5 mm，主要集中在5—9月，占全年降水量的90%以上，降水年際變化差異大、降雨期集中。

象牙泉泉域由新至老出露地層為古近-新近系大竹卡組(E3N1d)，巖性為粗砂巖、含礫砂巖、礫巖；白堊系下統(tǒng)侵入巖(K1δo)，巖性為石英閃長巖；侏羅-白堊系嘎學(xué)巖群(JKg)，巖性為絹云板巖、硅質(zhì)巖等雅魯藏布江構(gòu)造帶混雜巖。泉出露于雅魯藏布江構(gòu)造帶北側(cè)，墨竹村—榮波斷裂與岡底斯-念青唐古拉陸塊接觸帶(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景圖Fig.1 Geological background map1—地層代號；2—白堊系-新近系侵入巖；3—向斜及編號；4—韌性剪切帶；5—走滑斷層；6—逆斷層；7—推測斷層；8—地質(zhì)界線；9—溫泉;10—常溫泉；11—象牙泉

地下水類型主要為基巖裂隙水，按含水層巖性、儲水介質(zhì)，可劃分為碎屑巖裂隙孔隙水、變質(zhì)巖裂隙水及巖漿巖裂隙水。碎屑巖裂隙孔隙水賦存于大竹卡組(E3N1d)，其礫巖、含礫粗砂巖可達10層，單層厚度可達129 m，砂礫巖占地層總厚度比例可達50%以上，挾持于雅魯藏布江構(gòu)造帶與岡底斯-拉薩陸塊間，斷裂發(fā)育，構(gòu)造裂隙為主要儲水介質(zhì)，該含水巖組泉水大多出露于巖性接觸面、斷層接觸帶等礫巖之中，泉水流量一般為0.05～10 L/s，流量動態(tài)穩(wěn)定，屬于典型的構(gòu)造控水而富水。變質(zhì)巖裂隙水賦存于嘎學(xué)巖群(JKg)，泉水流量0.01～15.0 L/s，平均2.39 L/s，該類地下水多具淺循環(huán)地下水特征，流量動態(tài)變化大，富水性相對較差。巖漿巖裂隙水主要沿北側(cè)分水嶺一帶展布，含水巖組為白堊系下統(tǒng)侵入巖，泉水出露較少且流量小、動態(tài)變化大，富水性貧乏。

2 象牙泉出露特征及鈣華景觀

象牙泉出露于雅魯藏布江左岸，出露高程3 208 m，由象牙泉源泉及泉華沉積組成。象牙泉源泉位于“象身”尾部，呈單股狀流出，具泥腥味，略呈淺黃色，極少含有沉淀，水溫16.1℃，流量0.05 L/s。泉華沉積為象牙泉泉水沿流動路徑上形成的大型泉華錐，似倒三棱錐體狀，泉華錐前緣因酷似“象牙”而得名。象牙泉鈣華錐呈北東-南西向展布，“象脊”南北長約12 m，“象身”東西最寬約5 m，“象牙”高約3 m，整個泉華堆積體總出露面積約70 m2，泉華堆積體積55 m3。泉華沉積呈薄層魚鱗片狀發(fā)育，膠結(jié)較好，孔隙及晶洞較發(fā)育。象牙泉泉華錐身顏色五彩斑斕，以沿“象脊”展布的“血管”最為絢爛，呈褐紅色、黃色、紅色，沿脊身由上至下逐漸變淺，呈淡黃色、灰色、白色，常因其所含鐵質(zhì)、錳質(zhì)氧化后而顯褐色、黑色斑點。

據(jù)象牙泉泉華化學(xué)組分分析(表1)，象牙泉可定義為鈣華為主、硅華次之的常溫泉類鈣華。

3 泉水水文地球化學(xué)特征

3.1 水化學(xué)組分特征

依據(jù)2017—2018年水化學(xué)測試結(jié)果(表2)，象牙泉屬中偏弱酸性微咸水。陽離子以鈉和鈣為主，陰離子以碳酸氫根和氯離子為主，水化學(xué)組分年際變化較穩(wěn)定。象牙泉屬于鋰、鍶、偏硅酸型天然礦泉水，但Mn含量超標(biāo)。

由Piper三線圖可知(圖2)，象牙泉水化學(xué)類型為HCO3—Ca型水。據(jù)Schoeller指印圖(圖3)，沿構(gòu)造帶出露泉水中各化學(xué)組成均呈現(xiàn)出相似的特征，揭示沿構(gòu)造帶內(nèi)地下水形成模式及來源具相似特征[15]，而象牙泉具有較高含量的Cl-、Na+及稍高的溶解性總固體，說明象牙泉具有較為深遠的徑流途徑或者緩慢的循環(huán)速度。

圖2 水化學(xué)宏量組分Piper圖Fig.2 Piper diagram of chemical macronutrients

圖3 常量組分特征Fig.3 Characteristics of constant components

表1 象牙泉鈣華物化指標(biāo)測試Table 1 Analytical results of the Ivory spring travertine

表2 象牙泉水文地球化學(xué)特征Table 2 Hydrogeochemical results of theIvory spring

3.2 飽和指數(shù)(SI值)特征

從飽和指數(shù)計算結(jié)果(表3)可知，象牙泉源泉中文石、方解石、玉髓、石英、白云巖均處于飽和狀態(tài)，尤其是方解石與玉髓SI>0.5，處于過飽和狀態(tài)[16]，說明CaCO3、SiO2在一定條件下將會沉淀析出，形成鈣華、硅華等泉華。

通過計算SI值與象牙泉鈣華物化指標(biāo)測試對比(圖4)，象牙泉中可析出沉淀礦物成分與鈣華測試物化指標(biāo)近乎一致，再次印證了象牙泉泉華以鈣華為主、硅華次之的特征。

表3 飽和指數(shù)SI模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of saturation index

圖4 象牙泉SI值與鈣華成分組成對比Fig.4 Comparison of SI value and calcification composition of the Ivory spring

3.3 水化學(xué)過程特征

根據(jù)象牙泉水文地球化學(xué)分析，象牙泉具有較高含量的Cl-、Na+及稍高的溶解性總固體，且其較多礦物SI值均處于過飽和狀態(tài)，說明象牙泉徑流途徑較長，具有強烈的水巖相互作用過程。

根據(jù)TDS與Cl/(Cl+HCO3)和Na/(Na+Ca)的關(guān)系，可將地下水水化學(xué)組分的成因類型劃分為巖石風(fēng)化型、大氣降水型和蒸發(fā)-濃縮(溶解-沉淀)型三類[17]。由象牙泉Gibbs關(guān)系圖(圖5)，象牙泉為溶解沉淀型，其主要組分來源于水巖相互作用過程，而沿雅魯藏布江構(gòu)造帶上出露的大多數(shù)泉水為巖石風(fēng)化型[18]。

圖5 水樣的Gibbs 關(guān)系圖Fig.5 Gibbs plot of the water samples

(1)

圖6 (Ca2++Mg2+)和和關(guān)系圖Fig.6 Relationship between(Ca2++Mg2+)and

4 象牙泉泉水的形成

4.1 地質(zhì)構(gòu)造條件

象牙泉地處青藏高原中南部，位于雅魯藏布江構(gòu)造帶上。雅魯藏布江構(gòu)造帶北側(cè)為岡底斯—念青唐古拉陸塊，二者分界為墨竹村—榮波斷裂；南部為康馬—隆子褶沖帶，二者分界為嘎竹—諾崩池斷裂。象牙泉出露于墨竹村—榮波斷裂與岡底斯—念青唐古拉陸塊接觸帶上，其賦存含水層依次為古近—新近系大竹卡組(E3N1d)，含水層巖性為粗砂巖、含礫砂巖、礫巖；白堊系下統(tǒng)侵入巖，含水層巖性為石英閃長巖。

由表4可知，雅魯藏布江構(gòu)造帶在加查縣一帶寬度200～400 m，斷裂帶以糜棱巖為主，具阻水特征，而斷裂間以侏羅—白堊系嘎學(xué)巖群(JKg)硅質(zhì)巖等混雜巖為主，其富水性較差。結(jié)合拉孜縣—日喀則市—拉薩市—澤當(dāng)鎮(zhèn)雅魯藏布江結(jié)合帶調(diào)查[19]，基本認為雅魯藏布江結(jié)合帶為區(qū)域性阻水構(gòu)造，其沿線展布的泉水均與近NS向發(fā)育的構(gòu)造密切相關(guān)。

同時，雅魯藏布江結(jié)合帶為區(qū)域強烈構(gòu)造活動區(qū)，區(qū)域內(nèi)斷裂發(fā)育，以墨竹村—榮波斷裂為例，其具多期次、多層次活動斷裂，并伴隨韌性剪切—逆沖脆性改造一系列過程，于斷層兩盤形成了上百米不等的擠壓破碎帶，為地下水的賦存提供了優(yōu)越的空間。

表4 雅魯藏布江結(jié)合帶構(gòu)造特征Table 4 Structure characteristics of the Yarlung Zangbo suture zone

4.2 補給來源

2017—2018年分別在桑日縣增期鄉(xiāng)增久曲流域、米林縣臥龍鎮(zhèn)比撲曲流域及工布江達縣、巴宜區(qū)等地采集了67組天然泉水、2組大氣降水、3組高山湖水或冰雪融水的氫氧同位素樣，繪制出δD-δ18O曲線圖(圖7)。結(jié)果表明，象牙泉δD為-134.5‰，δ18O為-17.39‰，與區(qū)域內(nèi)大多數(shù)出露泉水一樣，均分布于全球大氣降水方程線附近，說明象牙泉源泉主要為大氣降水補給[20]，此外冰雪融水亦會滲入補給。

根據(jù)大氣降水的氫氧同位素組成具有高程效應(yīng)特征，推算出象牙泉的補給高程為3 906 m。根據(jù)其出露地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造特征，考慮不同高程段大氣降水持續(xù)補給混合效應(yīng)，認為象牙泉來自于3 900～4 000 m海拔以上大氣降水及冰雪融水的補給。

圖7 水樣δD-δ18O關(guān)系圖Fig.7 Plot of δD-δ18O of the water samples

4.3 形成模式

圖8 象牙泉成因模式示意剖面圖Fig.8 Schematic profile of genesis model of the Ivory spring1—泉華沉積物；2—崩積物；3—沖積物；4—大竹卡組；5—杰德秀組；6—早白堊世石英閃長巖；7—嘎學(xué)巖組；8—鈣華化學(xué)堆積；9—逆沖推覆斷層及破碎帶；10—象牙泉；11—推測地下水徑流方向；12—大氣降水或冰雪融水補給

5 象牙泉鈣華景觀的形成及演化趨勢

5.1 鈣華的形成機制

Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O

(3)

由于泉水中含有低價鐵離子、錳離子，溫度的變化導(dǎo)致鐵、錳被氧化，并伴隨薄層鈣華沉積年層而形成棕紅色、鐵銹色等斑斕的顏色：

(4)

5.2 泉華景觀的形成年代

雅魯藏布江構(gòu)造帶成因研究眾多，較多地質(zhì)證據(jù)說明雅魯藏布江構(gòu)造帶以特提斯洋多島洋的形式存在，并至少經(jīng)歷了擴張碰撞(造陸)→擴張→碰撞→造山兩次開與合的構(gòu)造運動過程[21-22]，目前處于第四紀陸內(nèi)造山階段，該構(gòu)造階段起始于上新世末至早更新世初，碰撞造山階段已近尾聲，區(qū)域上均處于造山后的應(yīng)力松馳狀態(tài)。在第四紀造山期，主要經(jīng)歷了早更新世間冰期間冰川、冰水沉積期→中晚更新世雅江張開階段→晚更新世繼續(xù)擴展、進一步擴大規(guī)?！率涝缙诶^續(xù)拉裂、擴張期→全新世后期至今的地震和地?zé)針?gòu)造活動期。全新世早期雅江拉裂、擴張期后，接受了一個較為穩(wěn)定時段的湖相沉積，據(jù)14C法測試，此次構(gòu)造拉張可能發(fā)生于1.24萬年左右。根據(jù)象牙泉鈣華沉積特征，其形成于具有相對穩(wěn)定的構(gòu)造活動期，結(jié)合其后緣巨厚層的冰水堆積層及與雅魯藏布江兩岸階地的發(fā)育特征，可推斷象牙泉至少形成于全新世早期雅江拉裂-擴張運動以后。

由于象牙泉鈣華主要物質(zhì)來源為象牙泉源泉水中碳酸鈣飽和析出，其出露堆積路徑較短，可通過鈣均衡估算鈣華的沉積速率[23]，判斷其形成年齡[24]。

依據(jù)2017—2018年流量監(jiān)測及鈣離子含量測試顯示，象牙泉中鈣離子組分穩(wěn)定，流量亦穩(wěn)定不變，由此可估算鈣離子的平均流入量為20.6 mg/s。依據(jù)碳酸鈣堆積量=鈣離子流入量×碳酸鈣的分子量/鈣的原子量，估算碳酸鈣的堆積量為4.45 kg/a；按鈣華的堆積量=碳酸鈣堆積量/63.07%計算，鈣華堆積量為7.06 kg/a，換算成體積為0.004 m3/a。

根據(jù)鈣華堆積體體積，估算象牙泉的形成時間為1.38萬年前，基本符合雅魯藏布江第四紀造山期構(gòu)造運動的規(guī)律，推算鈣華沉積速率約為0.27 mm/a。

5.3 鈣華景觀的演化趨勢

由于前人對象牙泉泉水流量、泉華沉積速率動態(tài)變化特征的研究基本處于空白，從整體上很難評價其泉華景觀是處于成長抑或是衰退的動態(tài)平衡中，還是處于逐漸衰退中。但從2017年與2018年的SI指數(shù)動態(tài)變化看(圖5)，在泉水流量穩(wěn)定的情況下，其不同礦物的飽和狀態(tài)處于變化的過程，反映了鈣華的形成具季節(jié)或年際變化特征。根據(jù)鈣華形成的控制因素及特征分析，認為象牙泉鈣華景觀基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但受人類活動干擾，象牙泉鈣華沉積已受到一定程度破壞，亟需加強泉華景觀的地質(zhì)環(huán)境保護。

6 結(jié)論及建設(shè)

(1)象牙泉泉華主要化學(xué)成分為CaCO3(占63.07%)，次要成分為SiO2(占10.19%)，屬鈣華為主、硅華次之的常溫泉類鈣華。

(5)象牙泉鈣華早形成于1.38萬年左右，鈣華堆積速率約為0.27 mm/a。

(6)象牙泉研究工作可在鈣化及源水碳硫同位素[25]、鍶同位素[26]，鈣華的14C法、36Cl法[27]、鈾系法測年等方面繼續(xù)開展研究。

致謝：感謝西藏國土資源廳、西藏地質(zhì)二隊、西藏地?zé)岬刭|(zhì)大隊各位領(lǐng)導(dǎo)、專家對項目所給予的支持、指導(dǎo)和關(guān)心！