河北豐寧縣洪湯寺溫泉地下水成因分析

河北豐寧縣洪湯寺溫泉地下水成因分析

中國有豐富的地?zé)豳Y源，其中中、低溫地?zé)豳Y源大部分來自中。河北省豐寧縣的洪湯寺溫泉,富含偏硅酸、氟、氡、鋰、鍶等多種對人體健康有益的微量元素,具有保健、祛病之功效,長期被用于溫泉洗浴、療養(yǎng)、度假。前人對洪湯寺溫泉的化學(xué)特征、綜合指標(biāo)特征、地質(zhì)構(gòu)造特征及熱水的起源和成因進(jìn)行過比較詳細(xì)的分析[1~5]。本文利用樣品測試結(jié)果,結(jié)合前人的研究成果,總結(jié)了洪湯寺溫泉的出露條件,并對熱水的水化學(xué)和同位素特征進(jìn)行了分析,探討了溫泉的起源、年齡、熱儲溫度以及天然放熱量等問題。1區(qū)域地質(zhì)背景1.1地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造洪湯寺溫泉位于河北省豐寧縣湯河鄉(xiāng)洪湯寺村,在豐寧縣城西南部約18km處。地處山地丘陵區(qū),其中發(fā)育有NW—SE向的湯河,周圍有大小不一的山間溝谷谷地。溫泉出露在中低山與山間谷地的接觸部位上,屬于裂隙構(gòu)造上升泉(圖1)。研究區(qū)屬侵蝕構(gòu)造地貌,主要為由緩慢上升的山坡和被剝蝕微弱切割所生成的低山山崖地形組成,北部和西部一般是山高谷深,切割強(qiáng)烈,山脊陡峻,南部和東部則為平緩的低山地形,山頂平緩,溝谷寬闊。研究區(qū)出露的地層和巖體主要有燕山期的鉀長花崗巖、石英正長斑巖和中粒、中細(xì)粒二長花崗巖,印支期的中粒二長花崗巖,中元古界的斑狀二長花崗巖,早元古界的變斑狀花崗閃長巖,以及中生界侏羅系張家口組和森吉圖群花吉營組的角礫凝灰?guī)r、砂礫巖、粗砂巖和安山巖等,上覆有第四系黃土狀亞砂土(圖2)。從構(gòu)造上看,研究區(qū)屬東西向及新華夏兩大構(gòu)造體系中的豐寧—隆化斷裂帶,其后期多次受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,巖石破碎,形成了壓性和壓扭性的斷裂破碎帶,并伴生有張性及張扭性斷裂。溫泉附近發(fā)育NNE10°~30°壓性斷裂和NW300°~330°張性斷裂。溫泉附近巖石節(jié)理裂隙是一組傾向SW、傾角70°~80°的裂隙構(gòu)造,熱水主要來自北西方向。1.2地層內(nèi)的熱水洪湯寺溫泉共有3個(gè)天然泉眼,有資料記載的溫泉流量為0.42L/s,現(xiàn)在泉眼處打有一眼鉆孔,已不見天然泉眼。泉眼處鉆孔自流熱水,流量約為11.6L/s,實(shí)測水溫為50℃,pH值為8.47。泉眼處鉆孔自流的熱水儲存于一個(gè)直徑約3m高約2m的圓柱形水池中?？卓谔幾粤鞒鰜淼臒崴|(zhì)清澈,伴有氣泡逸出,在孔口井管壁上沉積有輕微鈣華。該溫泉現(xiàn)供三家賓館用于洗浴,仍有富余熱水。溫泉出露于燕山期第四次侵入的鉀長花崗巖中,其周圍沒有新的巖漿活動(dòng)。溫泉西北方基巖山區(qū)的地下水在接受降水和湯河上游地表水的補(bǔ)給后,沿風(fēng)化裂隙、裂隙構(gòu)造循環(huán)至花崗巖侵入體的深部受熱,之后在循環(huán)徑流中受到扭性斷層的阻水作用,地下熱水因比重變輕,在水動(dòng)力作用下沿著張性斷裂上升溢出,形成溫泉。2水化學(xué)特征2.1洪湯寺民宿的主要離子于2008年9月采集洪湯寺溫泉水樣進(jìn)行測試,本次水化學(xué)測試結(jié)果和1959年的測試資料列于表1。整體上看,洪湯寺溫泉近50年來大部分化學(xué)成分并沒有很大變化。其中,變化較大的有Fe2++Fe3+、NO2-、NO3-和偏硅酸成分,Fe2++Fe3+的含量由1959年的0.08mg/L降至現(xiàn)在的不足0.004mg/L;NO2-含量大幅下降,由0.6979mg/L減至不足0.001mg/L;NO3-含量下降到原來的1/5;偏硅酸的含量上升至原來的兩倍。單看2008年的測試結(jié)果,對洪湯寺溫泉的主要離子進(jìn)行分析(圖3)可知,溫泉的陽離子主要為Na+,其毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)在90%以上,陰離子主要為SO42-和HCO3-,其毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)分別在45%和30%左右。洪湯寺溫泉為SO4·HCO3—Na型水。次要離子中,洪湯寺溫泉的F-以及NO3-含量較高。其中F-含量達(dá)17.5mg/L,遠(yuǎn)高于飲用水標(biāo)準(zhǔn)中對氟化物不超過1.0mg/L的要求,為洪湯寺溫泉的一個(gè)顯著特點(diǎn)。洪湯寺溫泉的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是偏硅酸含量也較高,為75.7mg/L。這是因?yàn)楹闇聹厝臒崴h(huán)于含有大量硅酸鹽巖的花崗巖中,且直接出露于基巖裂縫中,與含硅酸鹽礦物接觸面積較大所造成的。洪湯寺溫泉的第三個(gè)顯著特點(diǎn)是它的氡含量。與附近幾處溫泉相比(表2),洪湯寺溫泉的氡含量高達(dá)131.1Bq/L,是其他幾處溫泉的15~36倍。2.2總硬度和上升幅度由表3可知,洪湯寺溫泉的出露溫度50年來略有上升。TDS一直偏小,較1959年有所下降,目前為302mg/L,屬于弱礦化水?？傆捕扰c之前相比呈上升狀態(tài),但上升幅度不大,屬于極軟水。pH大于7,變化幅度不大,屬于弱堿性水。洪湯寺溫泉的流量在1959年僅為0.783L/s,1975年上升至1.5L/s,本次調(diào)查時(shí)自流量已達(dá)到11.6L/s,上升幅度非常大。分析認(rèn)為,洪湯寺溫泉流量的大幅度增加與近年來的開發(fā)利用有關(guān),泉眼經(jīng)過鉆孔揭露,形成自流熱水井,加速了地下熱水的循環(huán),致使流量有所增加。3地下水的同位素痕跡地下水在演化過程中,除了能形成其一般的物理、化學(xué)蹤跡外,還形成了大量微觀的同位素蹤跡,這些微觀蹤跡記錄著地下水的起源及其演化的歷史過程。同位素方法獲取水文地質(zhì)信息的主要依據(jù)是穩(wěn)定同位素和放射性同位素能對水起著標(biāo)記作用和計(jì)時(shí)作用。本文將利用同位素方法對洪湯寺溫泉的起源及年齡進(jìn)行簡單的分析和計(jì)算。3.1地下水的補(bǔ)給來源1961年,Craig最先提出了全球大氣降水線,通過總結(jié)全球各地區(qū)大氣降水中的δD、δ18O數(shù)值變化范圍及二者之間的關(guān)系,得出了用于判斷地下水現(xiàn)代補(bǔ)給來源的Craig降水線。研究表明,絕大部分地?zé)嵯到y(tǒng)中的熱水來自大氣降水。洪湯寺溫泉的δD和δ18O值分別為-95%和-12.6%,通過與全球大氣降水線比較,可以看出表示洪湯寺溫泉的數(shù)據(jù)點(diǎn)落于全球大氣降水線附近(圖4),因此判斷溫泉的起源為大氣起源。3.2元素的當(dāng)前值及背景值溫泉的年齡是利用氚法進(jìn)行估算的,根據(jù)氚的放射性衰變原理可知:式中:λ——氚的衰變常數(shù),λ=ln2/t1/2,由于氚的半衰期為12.43a,故λ=0.056a-1;N——氚元素的當(dāng)前值(TU);N0——氚元素的背景值(TU)。由于自然界中的氚含量一般都大于10TU,故此處所用的氚背景值N0假設(shè)為10TU。氚的當(dāng)前含量為2.9TU,因此可計(jì)算出氚年齡為22.20年。由于通常氚的背景值都大于當(dāng)前背景值取值,故可推斷洪湯寺溫泉的氚年齡大于22年。4地下熱水的熱儲溫度在地?zé)豳Y源勘探過程中,深部熱儲溫度是評價(jià)地?zé)豳Y源不可缺少的重要參數(shù)。通常在野外實(shí)地觀測時(shí)得到的溫度是熱水出露地表后的溫度,而非熱儲溫度。利用地?zé)釡貥?biāo)方法可以估算地下熱水的熱儲溫度。常用的地?zé)釡貥?biāo)有石英(SiO2)溫標(biāo)、陽離子溫標(biāo)和同位素溫標(biāo)等。在對洪湯寺溫泉的熱儲溫度進(jìn)行估算前,要先用Giggenbach提出的三角形圖解法對地下熱水的平衡狀態(tài)和類型進(jìn)行劃分。由圖5可知,洪湯寺溫泉位于未成熟區(qū),因此不適宜用陽離子估算熱儲溫度,而應(yīng)選擇SiO2溫標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。SiO2溫標(biāo)的理論基礎(chǔ)是硅礦物在熱液中的溶解-沉淀平衡理論。根據(jù)SiO2的五個(gè)溫標(biāo)公式計(jì)算出的洪湯寺溫泉熱儲溫度結(jié)果列于表4。由此可以估算出洪湯寺溫泉的熱儲溫度范圍在79~109℃。5民宿的水熱值根據(jù)以下公式可以估算洪湯寺溫泉的天然放熱量:式中:Q——溫泉的放熱量(J/a);q——溫泉的流量(m3/d);ρ——溫泉熱水的密度(kg/m3);c——溫泉熱水的比熱容(J/(kg·℃));t0——非熱異常區(qū)恒溫層溫度(℃)。將已知數(shù)據(jù)代入式(3),計(jì)算結(jié)果見表5。6洪湯寺民宿的成分洪湯寺溫泉的實(shí)測水溫為50℃,屬于中低溫?zé)崴?TDS為302mg/L,屬于低礦化水;總硬度為15mg/L(CaCO3),屬于極軟水;pH值為8.88,屬于弱堿性水;經(jīng)鉆孔揭露后,溫泉熱水的循環(huán)加快,流量增大,約11.6L/s。主要陽離子為Na+,主要陰離子為SO42-和HCO3-,為SO4·HCO3—Na型水。溫泉共有三個(gè)顯著特點(diǎn):F-含量高,偏硅酸含量高以及氡含量高。同位素分析表明,洪湯寺