濟源五龍口地熱區(qū)熱礦水化學特征及成因

姜寶良，余晨，張石磊，齊育才

(1．華北水利水電大學，河南 鄭州 450045;2．河南工程水文地質勘察院有限公司，河南 鄭州 450000)

濟源市五龍口地熱區(qū)自1984 年發(fā)現(xiàn)以來，經(jīng)過多年勘察、開發(fā)及應用，雖取得了一定的經(jīng)濟、社會效益，但仍存在無序開采、資源量不清、用途不明、沒有統(tǒng)一的開發(fā)利用規(guī)劃和管理等一系列問題，造成資源的巨大浪費，使這一寶貴的地熱資源沒有發(fā)揮應有的作用．本文通過對五龍口地熱區(qū)熱礦水化學特征［1］的分析及成因探討［2］，為五龍口地熱區(qū)地熱資源的開發(fā)和可持續(xù)利用提供科學依據(jù)．

1 地熱區(qū)形成背景

1．1 地層與構造

地熱區(qū)地層以第四系、奧陶系中統(tǒng)、寒武系、太古界為主，次為古近系、二疊系、石炭系．

盤古寺和五龍口正斷層奠定了區(qū)域構造的基本格局，并與其伴生斷層組成規(guī)模巨大的斷層帶．五龍口地熱區(qū)位于F17 斷層與F25 斷層交匯處的迎水地段，如圖1 所示．

盤古寺斷層是區(qū)域活動性深大斷裂，斷層傾向南，傾角50° ～70°，走向近東西，為正斷層［3］． 該斷層南側伴有許多小正斷層，形成斷層階梯或地壘、地塹，兩盤反差明顯．

五龍口正斷層位于地熱區(qū)南界，斷層帶走向近于東西向，傾向南，傾角50° ～70°，系一組由F17 主斷層為骨架，平行或雁列的次一級斷層所組成的階梯狀斷層帶． F25 斷層屬隱伏正斷層，走向北東，傾向南東，傾角70°，上盤為古近系和第四系地層，下盤為寒武系碳酸鹽巖地層．

1．2 地熱區(qū)的成因與分布

地熱區(qū)地熱水的主要來源為大氣降水，北部山區(qū)接受大氣降水和地表水補給，沿深大斷層帶在靜水壓力作用下進行深部徑流，在運移過程中遇到熱源或受熱源影響的圍巖而加熱升溫，具備深循環(huán)加熱條件，地熱區(qū)具有較厚的第四系保溫層，地熱流體在徑流中不斷獲得熱能而不致散失，徑流到地質環(huán)境條件適宜的地段形成地熱異常區(qū)．

地熱區(qū)含水巖組為松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層、碳酸鹽類夾碎屑巖類含水巖組、變質巖類裂隙含水巖組．地熱區(qū)內各類含水巖組富水性相對較弱，徑流條件相對較差．五龍口斷層帶F17 斷層、F25 斷層使深循環(huán)水受阻，這就是位于五龍口斷層帶F17 斷層與F25 斷層交匯處的迎水地段、范圍很小的地熱區(qū)得以保存的主要原因．五龍口地熱區(qū)的分布范圍如圖1 所示．

圖1 五龍口地熱區(qū)區(qū)域地質圖及水文地質剖面圖

2 熱礦水化學特征

地熱區(qū)地下水主要類型有冷水、溫水、溫熱水，其化學特征因溫度的不同而不同．

2．1 地熱區(qū)地下水類型

五龍口地熱區(qū)地下水大致分為3 種水質類型:

1)Cl·SO4－ Na 型． 此類型水的水溫大于40 ℃，是五龍口地熱區(qū)主要水質類型，其成分占絕對優(yōu)勢的陰離子是Cl－和SO42－． 溫熱水(40 ～60 ℃)的pH 值為7．5 ～7．9，溶解性總固體含量為1 071 ～1 398 mg/L，偏硅酸含量為75．4 ～88．1 mg/L，氟含量為4．0 ～7．6 mg/L;熱水(大于60 ℃)pH 值為7． 3 ～8． 0，溶解性總固體含量為1 483 ～1 792 mg/L，偏硅酸含量為88．7 ～116．6 mg/L，氟含量為5．0 ～10．0 mg/L．

2)HCO3－Ca·Mg 型或HCO3·SO4－Ca·Mg型．此類型水是水溫小于25 ℃的冷水，分布于山區(qū)和沁河之間，地下水受大氣降水、山區(qū)潛流和沁河水補給，且不受熱水影響． pH 值為7．30 ～7．45，溶解性總固體含量為252 ～345 mg/L，偏硅酸含量為2．6 ～13．0 mg/L，氟含量為0．20 ～0．26 mg/L，地下水水溫小于25 ℃，且大多小于20 ℃．

3)第3 類型水是水溫為25 ～40 ℃的溫水，是熱水與冷水混合的產(chǎn)物，水質類型比較復雜，有HCO3·SO4－Ca·Na·Mg 型、HCO3·SO4－Ca·Mg(或Mg ·Ca)型、HCO3·SO4－Ca 型等．pH 值為7．5 ～7．9，溶解性總固體含量為611 ～922 mg/L，偏硅酸含量為26．0 ～28．6 mg/L，氟含量為1．0 ～2．1 mg/L．

2．2 熱礦水特征

五龍口地熱區(qū)不同水溫地下水的主要化學成分統(tǒng)計結果見表1，分析得到五龍口地熱區(qū)熱礦水具有三大特征:

1)礦化度高．溫度越高，礦化度越高．表1 中，溫水的溶解性總固體含量為611 ～922 mg/L，溫熱水的為1 071 ～1 398 mg/L，熱水的為1 483 ～1 792 mg/L．

2)氟和偏硅酸的含量高．地熱水中氟離子和偏硅酸的含量遠比一般地下水高，這主要是由于溫度對溶濾作用的影響造成的．《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5479—2006)規(guī)定氟的含量小于等于1．0 mg/L，而熱水、溫熱水及溫水中氟的含量均高于飲用水標準值(見表1)．醫(yī)療熱礦水規(guī)定偏硅酸的含量大于等于25 mg/L，而熱水、溫水及溫熱水中偏硅酸的含量均大于標準值(見表1)．

3)含有重金屬、有害成分(As、Hg 等)及各種無機鹽類．如鋰、鍶、鋇、錳、鐵、鋁等含量均較高，熱水中Ca2+、Mg2+、HCO3－的含量比冷水中的含量低，其他組分含量均較高，其中Na+、K+、Cl－、F－、、SiO2含量要高得多．

表1 五龍口地熱區(qū)地下水的主要化學指標統(tǒng)計表mg/L

3 熱礦水成因探究

巖石的地球化學特征，是地下水水質形成的基礎．不同時代、不同性質的巖石具有不同的地球化學特征，巖石中的礦物成分決定著熱礦水特征組分的形成，因此，在不同性質的巖石中可形成不同類型的熱礦水［4］．熱礦水的形成，是特定地質環(huán)境中的地下水在一定的水溫、水壓及水動力條件下，水巖長期相互作用［5］，經(jīng)溶濾、陰陽離子交換吸附、生物地球化學等一系列的物理化學作用，巖石中的有益元素進入到地下水中，并達到適當?shù)臐舛龋纬刹煌愋偷臒岬V水．

3．1 鍶的來源

地下水中鍶的含量主要取決于巖石中鍶元素含量、溶濾時間及溫度條件［6］． 在沉積巖中，以碳酸鹽巖特別是深海相碳酸鹽巖中鍶含量最高． 五龍口地熱區(qū)主要為寒武—奧陶系海湖相碳酸鹽巖，鍶含量較高，并且地下水有較好的徑流條件． 含有CO2的地下水與富鍶的巖石接觸時，巖石中的鍶元素大部分可形成重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽進入水中．這是五龍口地熱區(qū)地熱水中鍶含量較高的原因．

3．2 偏硅酸的來源

硅酸鹽礦物在一定的水文、水壓及富含CO2水的長期作用下，經(jīng)一系列化學反應，形成偏硅酸型熱礦水．地熱區(qū)深部變質巖的SiO2含量高達70%以上，且?guī)r芯中有溶孔、溶隙存在，說明地熱水在其活動過程中溶解了其中的硅酸鹽礦物，使熱水中硅酸鹽含量增高．

3．3 氟的來源

隆起山區(qū)熱礦水主要分布在深大斷裂帶附近，賦存巖性主要為碳酸鹽巖、巖漿巖及變質巖，熱礦水類型主要為氟·硅水．地熱區(qū)深部含氟石(CaF2)以及方解石、角閃石、黑云母等含氟礦物．在高溫、高壓環(huán)境下，發(fā)生水巖相互作用，從而形成氟·硅水，以弱堿性為主．

3．4 其他成分的來源

地熱水中的臭雞蛋氣味和淡黃色懸浮物是H2S存在的標志． 當含有H2S 的熱水上升到地殼淺部，遇到含氧較多的淺層地下水時，產(chǎn)生混合作用．一部分H2S 被氧化，生成，使地下熱水中含有大量的;另一部分H2S 上升到地表淺部，呈氣體逸散到巖石裂隙和孔隙中，氧化后生成自然硫．

熱水中溶解的CO2較少，低于冷水． 參與深循環(huán)的大氣降水，其CO2含量較高，在溶解碳酸鹽巖后形成具有一定CO2含量的HCO3－Ca·Mg 型水滲入到地下深處，與深部的CO2一起溶于熱水中．其中一部分CO2生成HCO－3、CO32－，因MgCO3和CaCO3易沉淀，所以地下熱水中Mg2+、Ca2+含量均較低，且MgCO3更易沉淀，Mg2+含量小于Ca2+含量．另一部分CO2仍呈氣體形式溶于水中，運移到地表淺部，在高溫、低壓條件下，迅速逸散到周圍環(huán)境中，所以熱水中CO2含量很低．

4 結 語

1)五龍口地熱區(qū)地下水主要水質類型因溫度的不同可分為3 種:①水溫大于40 ℃的溫熱水和熱水為Cl·SO4－Na 型;②水溫為25 ～40 ℃的溫水是熱水與冷水混合的產(chǎn)物，水質類型比較復雜，有HCO3·SO4－Ca·Na·Mg 型、HCO3·SO4－Ca·Mg(或Mg ·Ca)型、HCO3·SO4－Ca 型等;③水溫小于25 ℃的冷水為HCO3－Ca·Mg 型或HCO3·SO4－Ca·Mg 型．

2)五龍口地熱區(qū)熱礦水有三大特征，分別是:礦化度隨著溫度的增高而增高;氟和偏硅酸的含量高;重金屬等有害物質的含量較高．

3)北部山區(qū)大氣降水由盤古寺斷層帶入滲到深部，經(jīng)徑流、深循環(huán)加溫后，沿著五龍口斷層帶及伴生的構造裂隙的迎水面上涌，并與圍巖中的礦物離子發(fā)生交換、轉移等化學反應，形成各種水質類型的溫水、溫熱水．其中，鍶元素主要來源于寒武—奧陶系海湖相碳酸鹽巖;偏硅酸主要來源于硅酸鹽礦物;氟主要來源于氟石及一系列含氟礦物;其他普通離子成分也由熱水與圍巖反應而形成．

［1］何文君，向賢禮，李勇剛，等．貴州新蘿熱礦水化學特征及其成因分析［J］．地下水，2014，36(5):39 －40．

［2］劉華平，彭森博，李楊． 駐馬店—遂平一帶地熱資源賦存規(guī)律研究［J］． 華北水利水電大學學報(自然科學版)，2014，35(6):37 －41．

［3］高曉，景金明，楊書民，等．濟源市省莊地熱區(qū)地質條件及成因分析［J］． 地質找礦論叢，2007，22(3):228－231．

［4］王繼華．河南省醫(yī)療熱礦水資源基本特征［J］．地下水，2009，31(1):87 －89．

［5］JI Yuanyuan，ZHOU Jinlong，GAO Yexin，et al．Groundwater quality and pollution evaluation in Xinjiang plain area［J］．WIT Transactions on Biomedicine and Health，2014，18:961 －969．

［6］秦俊法，潘偉清．飲用天然礦泉水的鍶限量指標［J］．廣東微量元素科學，2001，8(1):16 －22．