北京地區(qū)斷層泉水文地球化學(xué)特征

高 玲呂毅夫皮海燕周永剛

1） 中國北京100080 北京市地震局

2） 中國北京 102100 延慶縣地震局

3） 中國北京 102300 門頭溝區(qū)地震局

北京地區(qū)斷層泉水文地球化學(xué)特征

高 玲1）呂毅夫2）皮海燕3）周永剛2）

1） 中國北京100080 北京市地震局

2） 中國北京 102100 延慶縣地震局

3） 中國北京 102300 門頭溝區(qū)地震局

對(duì)門頭溝沿河城新泉和延慶松山泉區(qū)域開展水文地質(zhì)和水文地球化學(xué)調(diào)查工作。通過與不同類別地下水對(duì)比，分析了沿河城新泉和松山泉水文地球化學(xué)特征。結(jié)果顯示，沿河城1號(hào)泉、2號(hào)泉pH值平均7.88。水化學(xué)類型均為HCO3—Ca型。2個(gè)泉水化學(xué)地球化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，未受到人為影響。2個(gè)泉點(diǎn)地下水可能來自同一熱儲(chǔ)，估算溫度平均為60.6℃，深度平均為1.3km。松山泉近年來水化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，未受到人為明顯影響。熱儲(chǔ)溫度為 112℃，深度為1.8km。沿河城泉和松山泉處于特殊構(gòu)造部位，水化觀測(cè)具映震前兆響應(yīng)，今后應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)。

北京地區(qū)；斷層泉；水文地球化學(xué)

0 引言

門頭溝沿河城泉和延慶松山泉是北京地區(qū)少有的溢出泉水化觀測(cè)臺(tái)，自觀測(cè)以來，多次記錄到前兆異常震例。例如，1998年1月河北張北6.2級(jí)地震及多次地方震（楊明波，2001）。目前，沿河城主要開展氡觀測(cè)，松山泉主要開展氡、汞等觀測(cè)。近年來，由于平原區(qū)地下水過度開采、降水量減少、旅游開發(fā)等，水位下降明顯，觀測(cè)環(huán)境發(fā)生很大變化，加之其他條件限制，使得水氡觀測(cè)質(zhì)量落后全國水平。以沿河城臺(tái)為例，由于該采樣泉點(diǎn)日漸干枯，現(xiàn)已無法開展正常觀測(cè)。松山區(qū)域則因近年旅游開發(fā)，觀測(cè)環(huán)境發(fā)生改變。2012年4月，我們對(duì)沿河城泉區(qū)域和松山泉區(qū)域重新進(jìn)行勘選。在沿河城舊泉區(qū)域重新選取2處逸出泉點(diǎn)，采集上述泉點(diǎn)水化學(xué)樣品和沿河水樣品，作為不同時(shí)期對(duì)比，采集松山泉水化學(xué)樣品，進(jìn)行測(cè)試，以便了解水化觀測(cè)泉（臺(tái)）現(xiàn)狀，填補(bǔ)背景資料缺失狀況，為下一步改造實(shí)施提供基礎(chǔ)資料與判斷依據(jù)，以提高地震觀測(cè)質(zhì)量與效能。

1 斷層觀測(cè)泉點(diǎn)區(qū)域概況

沿河城新泉群位于門頭溝區(qū)西北部齋堂鎮(zhèn)沿河城鄉(xiāng)沿河城旁約200 m處，高程450 m。構(gòu)造上處于北東向沿河城斷裂與北西向鎮(zhèn)邊城斷裂交匯部位（圖1）。其中沿河城斷裂深度大多在100 m以上，最深達(dá)170 m以上（高文學(xué)等，1993；徐錫偉等，2002），其北部與延慶—懷來地震帶毗鄰。沿河城泉群直接出露于含砂礫石層。1號(hào)泉點(diǎn)、2號(hào)泉點(diǎn)水質(zhì)無色無味透明，1號(hào)點(diǎn)水溫為13.8℃，流量平均為0.08 L/s；2號(hào)點(diǎn)水溫13.3℃，流量平均為0.07 L/s。沿河城河水溫度為20.5℃。

松山泉位于延慶松山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的大海坨山溝谷，高程745 m。構(gòu)造上處于壙子廟—胡家營斷裂帶交匯處，該斷裂帶長l0余千米，在大海坨花崗巖體內(nèi)呈東北走向延展，松山泉出露于大海坨山花崗巖體（圖2）。該巖體裂隙發(fā)育，地下水深循環(huán)通道良好。目前松山泉水溫36℃，屬于承壓型上升泉，泉水流量0.07 L/s。

圖1 門頭溝沿河城泉采樣點(diǎn)示意Fig.1 Schematic location map of Yanhecheng sampled springs in Mentougou area

圖2 延慶松山泉采樣點(diǎn)示意Fig.2 Schematic location map of the Songshan sampled spring in Yanqing area

2 樣品采集

對(duì)沿河城2處逸出新泉泉口出水處進(jìn)行樣品采集，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合方法。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定內(nèi)容包括水溫、流量、pH值，用清洗過的聚乙烯塑料瓶在每個(gè)采樣點(diǎn)用樣品水清洗多遍后，采集550 mL水樣，密封。松山泉水化學(xué)樣品采集測(cè)試方法同上。樣品交由中國地震局地質(zhì)研究所地震地下流體實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。陰、陽離子標(biāo)準(zhǔn)偏差≤2%。

3 斷層泉水文地球化學(xué)特征

3.1 沿河城泉水與沿河水水化學(xué)特征對(duì)比

門頭溝沿河城泉主要離子組成見表1。地下水化學(xué)特征能夠反映地下水在流動(dòng)過程中與圍巖的相互作用，且可為地下水溯源提供依據(jù)。分析顯示，沿河城泉1號(hào)泉、2號(hào)泉陽離子濃度相當(dāng)，其中Ca2+離子含量最高，平均為 57.1 mg/L。 其他陽離子大小依次為Mg2+、Na+、K+，平均含量分別為27.1 mg/L，7.6 mg/L，2.3 mg/L。1號(hào)泉、2號(hào)泉陰離子濃度均以為主，含量分別為262.3 mg/L和254.4 mg/L，其他陰離子大小依次為、、Cl-。但2號(hào)泉陰離子濃度普遍比1號(hào)泉高約10 mg/L，可由pH值印證。1號(hào)泉、2號(hào)泉和Ca2+離子占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，分別占陽離子和陰離子的86%和19.0%（1號(hào)泉）及77.32%和17.29%（2號(hào)泉）。其次是Mg2+和，分別占陽離子和陰離子總量的8.36%和8.82%（1號(hào)泉）及8.7%和13.71%（2號(hào)泉）。圖3顯示，沿河城1號(hào)、2號(hào)泉水中，Ca2+離子與離子、離子和Cl-離子呈明顯正相關(guān)關(guān)系。而河水中的Ca2+離子與上述離子偏離，說明1號(hào)泉、2號(hào)泉補(bǔ)給源區(qū)主要來自斷層兩側(cè)巖石，即為可溶性灰?guī)r（CaCO3）、白云巖（MgCO3）等的溶解。該泉區(qū)地下熱儲(chǔ)溫度約60℃，循環(huán)深度平均1.3km，增加了斷層兩側(cè)巖石溶解離子的貢獻(xiàn)量。

門頭溝沿河城河水與泉水存在明顯差別，見圖3。研究顯示，河水中S、Cl、N元素一般來源于人類活動(dòng)，包括農(nóng)業(yè)施肥、工業(yè)生產(chǎn)等，多呈正相關(guān)關(guān)系，可以反映人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境的影響程度（范暘，2009）。沿河城河水化學(xué)離子濃度中，Na+離子和占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，分別占陽離子和陰離子的39.8%和47.1.0%。其他陽離子大小依次為Ca+、Mg2+、K+、，陰離子大小依次為、Cl-、、，其中Cl-、離子濃度顯著高于1號(hào)泉和2號(hào)泉，分別為79.1 mg/L 、113.4 mg/L，是2個(gè)泉點(diǎn)平均值的4倍（表1），說明河水受到人為影響。一般，在人為污穢和缺氧條件下，容易產(chǎn)生，而泉水中離子含量通常很低。NH4+離子在沿河城1號(hào)泉、2號(hào)泉含量均小于0.04 mg/L，而河水為0.11 mg/L，可見泉水源區(qū)化學(xué)性質(zhì)良好，未受到人為活動(dòng)影響。

圖3 門頭溝沿河城新泉Ca2+離子與、、Cl-離子關(guān)系Fig.3 The relationship between the cation Ca2+and the anion，and Cl-in Yanhecheng new springs of Mentougou area

表1 水化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Analysis results of Hydro geochemistry

3.2 松山泉與松山井水化學(xué)特征對(duì)比

松山泉水化學(xué)觀測(cè)結(jié)果顯示，在水化學(xué)陽離子濃度中，Na+離子濃度為145 mg/L，占94.3%，其他陽離子濃度很低，含量最高不超過6 mg/L，其中Mg2+含量很低，只有0.2 mg/L。陰離子中濃度為206.5 mg/L，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次是Cl-和離子。松山井與松山泉位于同一斷裂破碎帶，其中松山井熱儲(chǔ)循環(huán)深度約1.46km（王廣才，2003），松山泉地下熱儲(chǔ)循環(huán)深度約1.77km（表3）。與松山井水化學(xué)離子相比，松山泉Na+離子和Cl-離子濃度較少，與松山井水溫高于松山泉有關(guān)，體現(xiàn)了巖性、溫度對(duì)地下水的影響和控制。其他離子濃度大致相當(dāng)。離子小于＜ 0.04 mg/L，說明延慶松山泉近年來化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，人為影響因素不明顯。

安：在這個(gè)問題上我有個(gè)很極端的想法（笑），如果未來，我自己作為某項(xiàng)鋼琴比賽藝術(shù)總監(jiān)，我會(huì)把普羅科菲耶夫第二、第三《鋼琴協(xié)奏曲》，拉赫瑪尼諾夫第二、第三《鋼琴協(xié)奏曲》，柴科夫斯基《第一鋼琴協(xié)奏曲》這些“流行”的名篇從曲目列表里刪除，讓選手們從拉赫瑪尼諾夫第一、第四《鋼琴協(xié)奏曲》，勃拉姆斯《第二鋼琴協(xié)奏曲》，普羅科菲耶夫《第五鋼琴協(xié)奏曲》及貝多芬《第四鋼琴協(xié)奏曲》這些“非典型”作品中選擇他們的比賽曲目。

4 斷層泉地球化學(xué)溫標(biāo)和熱儲(chǔ)溫度估算

4.1 地球化學(xué)溫標(biāo)

地球化學(xué)溫標(biāo)是利用地下熱水系統(tǒng)中溶解度與溫度的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算地下熱儲(chǔ)溫度，是探究地下熱儲(chǔ)成因類型的重要指標(biāo)。水化學(xué)溫標(biāo)主要包括硅溫標(biāo)和陽離子溫標(biāo)（汪集旸，1993）。水化學(xué)陽離子溫標(biāo)主要包括Na—K溫標(biāo)、Na—K—Ca溫標(biāo)、Na—K—Ca—Mg體系平衡圖解地溫計(jì)溫標(biāo)法。前人的研究結(jié)果顯示，陽離子溫標(biāo)受稀釋或沸騰作用的影響較石英、玉髓?。ㄍ鯊V才，2003）。其中，Na—K溫標(biāo)對(duì)于溫度變化反應(yīng)較緩慢，代表滯留時(shí)間較長的溫度。通常適用于高溫?zé)醿?chǔ)（＞120℃），而Na—K—Ca溫標(biāo)由于Ca2+溶解度低，較適用于富鈣低溫地?zé)崴到y(tǒng)。

4.2 斷層泉熱儲(chǔ)溫度估算

一般，Mg/Ca比值可指示溫泉水溫高低，比值越低代表水溫越高。沿河城泉1號(hào)泉Mg/Ca比值為0.439，2號(hào)泉Mg/Ca比值為0.509，比值遠(yuǎn)較松山泉Mg/Ca值（0.036）高，說明沿河城泉地下熱水與大氣降水再循環(huán)速率較快，為低溫?zé)崴到y(tǒng)。而松山泉循環(huán)深度大，為典型高溫?zé)崴到y(tǒng)。因此，本文選取Na—K溫標(biāo)計(jì)算延慶松山溫泉熱儲(chǔ)溫度，選取Na—k—Ca溫標(biāo)計(jì)算門頭溝沿河城溫泉熱儲(chǔ)。結(jié)果見表2。

表2 熱儲(chǔ)溫度估算結(jié)果Table 2 The estimated results of the geothermal reservoir temperature

由表2可見，沿河城1號(hào)泉、2號(hào)泉由于富含Ca2+，采用Na—K—Ca溫標(biāo)估算，溫度分別為60.53℃和60.57℃；松山溫泉采用Na—K溫標(biāo)，估算得到熱儲(chǔ)溫度為112℃。根據(jù)各泉的熱儲(chǔ)溫度，推算熱儲(chǔ)深度解構(gòu)見表3。沿河城1號(hào)泉熱儲(chǔ)深度1.3km，2號(hào)泉熱儲(chǔ)深度1.35km，松山泉水熱儲(chǔ)深度為1.77km。其中，熱儲(chǔ)溫度計(jì)算公式為

式中，T為熱儲(chǔ)層溫度（℃）；K為地?zé)崴蠯+的濃度（mg/L）；Na為地?zé)崴蠳a+的濃度；Ca 為地?zé)崴蠧a2+的濃度。利用熱儲(chǔ)溫度公式，可計(jì)算熱儲(chǔ)深度，公式為

式中，H為估算的熱儲(chǔ)深度（m）；G為地溫梯度（℃/km），延河城為30℃/km，松山泉為35℃/km（吳璐蘋，1996）；t0為恒溫帶溫度（℃），采用溫泉溫度；h0為恒溫帶深度（m），本區(qū)域采用0 m。

表3 熱儲(chǔ)深度估算結(jié)果Table 3 The estimated results of the geothermal reservoir depth

5 斷層泉前兆響應(yīng)分析

沿河城水氡連續(xù)觀測(cè)始于1989年1月，運(yùn)行初期儀器經(jīng)多次調(diào)試，觀測(cè)結(jié)果顯示，儀器動(dòng)態(tài)響應(yīng)靈敏，能夠記錄到地震前兆信息。如，1990年亞運(yùn)會(huì)期間，昌平小湯山發(fā)生M4.0地震，該泉點(diǎn)在該時(shí)段記錄到一次明顯的地震前兆異常變化（圖4），為判斷當(dāng)時(shí)的地震活動(dòng)趨勢(shì)發(fā)揮了作用①引自北京市地震監(jiān)測(cè)志。

圖4 門頭溝沿河城泉水氡1990年1月—1991年12月動(dòng)態(tài)曲線Fig.4 The dynamic curve of water radon of the Yanhecheng Spring in Mentougou area from Jan.，1990 to Dec.，1991

2013年沿河城新泉水氡觀測(cè)初步結(jié)果顯示，年動(dòng)態(tài)總體呈冬低夏高的變化特征（圖5）。本次沿河城新泉1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果顯示，該泉區(qū)域水氡背景值約15 Bq/L。由于觀測(cè)時(shí)間短，水氡資料有待積累研究。需指出，CO2對(duì)泉水具有指示意義（高玲，2010）。CO2有2種來源：①有機(jī)變質(zhì)或生物成因；②碳酸巖高溫變質(zhì)作用生成CO2。新泉水中1號(hào)泉和2號(hào)泉檢測(cè)CO2（TCD）含量均為5.4 mg/L，而CO2釋放是否與構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

圖5 門頭溝沿河城新泉水氡2013年動(dòng)態(tài)曲線Fig.5 The dynamic curve of water radon of the Yanhecheng new spring in Mentougou area in 2013

圖6 延慶松山氣氡2007年12月至2009年3月動(dòng)態(tài)曲線Fig.6 The dynamic curve of gas radon of the Songshan spring in Yanqing area from Dec.，2007 to Mar.，2009

6 結(jié)論

門頭溝沿河城1號(hào)泉、2號(hào)泉均呈堿性，水化學(xué)類型為HCO3—Ca型。通過相關(guān)性分析可知，沿河城 1號(hào)泉、2號(hào)泉水離子與河水來自不同源區(qū)，該泉水補(bǔ)給源區(qū)主要來自斷層兩側(cè)巖石。2個(gè)泉點(diǎn)熱水可能來自同一熱儲(chǔ)，估算溫度平均60.6℃，深度1.3km。

松山泉近年來水化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，未受到明顯的人為干擾。pH值較高，泉水呈堿性，水化學(xué)類型為SO4—Na型。熱儲(chǔ)溫度112℃，深度1.8km。觀測(cè)結(jié)果顯示，該泉能夠反映地下深部流體信息。

門頭溝沿河城水氡背景值約15 Bq/L，延慶松山泉水氡背景值約20 Bq/L。Rn半衰期為3.832天，因此上述泉中Rn應(yīng)當(dāng)來自淺層熱儲(chǔ)，與地?zé)釡貥?biāo)結(jié)果相符（表3）。本次對(duì)門頭溝沿河城水氡觀測(cè)區(qū)域重新勘選2處泉點(diǎn)，水化學(xué)、溶解Rn等測(cè)試結(jié)果顯示，沿河城新泉具備觀測(cè)Rn的良好條件，是目前該區(qū)域唯一一處流體觀測(cè)點(diǎn)。由于京西北部地區(qū)地震臺(tái)網(wǎng)密度低，地震監(jiān)測(cè)能力較弱，該觀測(cè)點(diǎn)對(duì)于加強(qiáng)該地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力具有重要意義。

由于氡觀測(cè)是流體監(jiān)測(cè)的重要手段，上述泉點(diǎn)處于特殊構(gòu)造部位，易于捕捉地震前兆信息，今后應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強(qiáng)觀測(cè)。

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Geochemical characteristics of fault springs in Beijing area

Gao Ling1），Lv Yifu2），Pi Haiyan3）and Zhou Yonggang2）
1） Earthquake Administration of Beijing Municipacity，Beijing 100080，China
2） Earthquake Administration of Yanqing County，Beijing 102100，China
3） Earthquake Administration of Mentougou，Beijing 102300，China

This paper reports the hydrogeological and hydro geochemical investigations carried out on the Yanhecheng new springs and the Songshan springs regions.Compared to the different categories of groundwater，the hydro geochemical features of the Yanhecheng new springs and the Songshan spring are analyzed.The result shows that pH value is 7.88 averaged and is HCO3-Ca type of water chemistry.The chemical geochemical properties of the two springs are stability，and not affected by human impact.The two springs of hot water may be from the same geothermal reservoir with estimated temperature 60 .6 ℃averagely，and 1.3km depth.The Songshan spring is stable chemically in recent years，and is not be affected by human impact significantly.Geothermal reservoir temperature is 112℃，and the depth is 1.8km.It should be significant to strengthen precursor observation in fault springs.

Beijing area，fault springs，hydro geochemistry

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.010

高玲（1973—），女，副研究員，主要從事地下流體地震前兆監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究工作。E-mail：gaolingh@163.com

北京市地震局基金項(xiàng)目資助（JZX-201203）

本文收到日期：2015-07-05