威海市溫泉湯溫泉形成模式

隋來倫，杜桂林，陳其峰

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，山東 威海 264200；2.威海市地震監(jiān)測中心，山東 威海 264200；3.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；4.聊城地震水化試驗(yàn)站，山東 聊城 252000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)溫泉開發(fā)和利用的需求日益增加，溫泉在醫(yī)療、休閑旅游等方面發(fā)揮了越來越重要的作用，加強(qiáng)對(duì)溫泉的研究顯得尤為重要[1-6]。山東半島地區(qū)在大地構(gòu)造上處于華北板塊與揚(yáng)子板塊碰撞結(jié)合帶,具有較高的大地?zé)崃髦?溫泉資源非常豐富，地?zé)峋?50多口，大量的地?zé)豳Y源為山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)提供了重要的資源保障[7]。前人對(duì)這些溫泉做了大量的研究，主要集中在地?zé)崴牡責(zé)岬刭|(zhì)特征、控泉構(gòu)造以及用氫氧同位素特征來研究地?zé)崴a(bǔ)給來源等方面[8-10]，為該地區(qū)地?zé)岬某梢驒C(jī)理研究奠定了基礎(chǔ)，對(duì)本文具有非常重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

威海的溫泉?dú)v史悠久，開發(fā)利用可以追溯到宋代，現(xiàn)有溫泉9處、地?zé)峋?0口，開發(fā)利用程度比較高的有溫泉湯、寶泉湯、洪水嵐湯和七里湯等溫泉[1]。針對(duì)這些溫泉的研究主要集中在洪水嵐湯溫泉成因機(jī)制、寶泉湯溫泉的成因與地震活動(dòng)的關(guān)系、威海溫泉的開發(fā)利用和干熱巖地?zé)豳Y源賦存條件分析等方面[11-14]，而詳細(xì)研究溫泉湯溫泉的論文比較少。本文通過收集溫泉湯溫泉的地質(zhì)構(gòu)造資料，采集水樣分析水化學(xué)特征和氫氧同位素特征，結(jié)合地形地貌調(diào)查，綜合研究溫泉湯溫泉的成因，為溫泉湯溫泉的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

威海溫泉湯溫泉在地質(zhì)構(gòu)造上位于牟平-即墨斷裂帶上，牟平-即墨斷裂帶是膠北地塊和蘇魯造山帶的分界線，在揚(yáng)子板塊、華北板塊(膠北地塊)和蘇魯造山帶三者相互作用下生熱，有利于威海地區(qū)淺部地?zé)豳Y源賦存[15-16]。威海溫泉湯溫泉在地理位置屬于膠東半島東部威海市環(huán)翠區(qū)，在大地構(gòu)造上屬于膠北地塊的膠南-文登復(fù)背斜，溫泉湯溫泉位于河?xùn)|-溫泉湯斷裂(F1)、虎山-河西斷裂(F2)和劉家臺(tái)-江家口斷裂(F3)交會(huì)區(qū)附近(圖1)，其控泉構(gòu)造與3條推測斷裂共同作用有關(guān)。

1—上更新統(tǒng)全新統(tǒng)；2—中更新統(tǒng)；3—燕山期花崗巖；4—元古代花崗巖；5—早元古代-太古代片麻巖；6—正斷層；7—逆斷層；8—走滑斷層；9—推測斷層；10—地質(zhì)界線；11—溫泉湯溫泉位置圖1 溫泉湯溫泉地質(zhì)構(gòu)造圖(據(jù)王華林等修改)[16]

(1)河?xùn)|-溫泉湯斷裂(F1)

該斷裂全長7.5km,總體走向40°，傾向SE，傾角大于40°，起始于衛(wèi)家灘附近，向西南方向經(jīng)過河?xùn)|村西和嶺西村西,終止于溫泉湯附近,斷裂東北段發(fā)育在膠東群馬格村巖組中，西南段發(fā)育在魯家夼巖組和馬格村巖組之間。斷裂對(duì)地形地貌有一定的控制作用，東北段通過低丘和谷地間，西南段對(duì)河谷有一定的控制作用，沿?cái)嗔殉雎稖厝猍16]。

(2)虎山-河西斷裂(F2)

該斷裂全長3km，斷裂走向90°，傾向N，傾角在75°～85°之間，起始于虎山附近,向東終止于河西村附近，斷裂主要發(fā)育在魯家夼巖組斜長片麻巖中，在地貌上有一定顯示，對(duì)東西向河流發(fā)育有一定的控制，斷裂露頭多分布于河流北側(cè)[16]。

(3)劉家臺(tái)-江家口斷裂(F3)

該斷裂全長7km，NW向展布，總體走向約320°,傾向SW，傾角80°～85°。由溫泉湯開始，向東南方向經(jīng)過劉家臺(tái)村東、后亭子村東,到達(dá)江家口村后向東南延伸約2km,尖滅于馬格村巖組片麻巖中，斷裂在微地貌上無明顯表現(xiàn)，斷裂多被第四系覆蓋,僅在江家口西800m處有一露頭，分布于魯家夼巖組斜長片麻巖中,主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈的巖石混合巖化作用[16]。

從已有的年代學(xué)測試和地質(zhì)調(diào)查,河?xùn)|-溫泉湯斷裂、虎山-河西斷裂和劉家臺(tái)-江家口斷裂活動(dòng)時(shí)代為早更新世-中更新世，晚更新世以來已經(jīng)停止活動(dòng)，在3個(gè)斷裂的共同作用下，形成了溫泉湯溫泉[16]。

2 研究方法

水化學(xué)方法可以用來分析水質(zhì)的類型和水巖化學(xué)平衡特征，是溫泉的成因分析的基礎(chǔ)。氫氧同位素方法可以分析溫泉水與大氣降水的關(guān)系，從而了解溫泉水的補(bǔ)給源。當(dāng)然，溫泉水成因分析離不開詳細(xì)的基礎(chǔ)地質(zhì)資料研究和地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查。因此，綜合地?zé)崴瘜W(xué)特征和地?zé)岬刭|(zhì)條件是研究溫泉成因的基礎(chǔ)。

為了分析溫泉湯的成因，本文對(duì)溫泉湯溫泉進(jìn)行了取樣，樣品采樣瓶使用50mL高密度聚乙烯細(xì)頸瓶，采樣前使用被采水樣清洗采樣瓶3次，每個(gè)水樣至少采集3瓶作為平行樣品進(jìn)行分析。采樣瓶裝滿水樣，瓶內(nèi)無氣泡，最后用封口膜封好瓶口。水化學(xué)分析由中國地震局預(yù)測研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，氫氧同位素測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析中心完成，本文水樣的分析結(jié)果見表1。另外，收集了金秉福等[8]和史猛等[14]測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 威海市溫泉湯溫泉水化學(xué)特征

3 溫泉水成因模式

在前面地質(zhì)資料收集和水化學(xué)、氫氧同位素測試的基礎(chǔ)上，首先利用水化學(xué)數(shù)據(jù)分析了溫泉湯溫泉水質(zhì)類型和水巖化學(xué)平衡特征，然后根據(jù)氫氧同位素特征分析溫泉水與大氣降水的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上通過地質(zhì)和地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查，結(jié)合溫泉水的循環(huán)深度確定補(bǔ)給源，在總結(jié)熱儲(chǔ)、蓋層、通道、熱源的基礎(chǔ)上，探討溫泉湯溫泉的成因模式。

3.1 溫泉水水質(zhì)類型分析

1—本文的數(shù)據(jù)；2—金秉福等的數(shù)據(jù)；3—史猛等的數(shù)據(jù)圖2 溫泉水水化學(xué)Piper圖解[8,14]

3.2 水巖化學(xué)平衡特征

目前主要采用Na+-K+-Mg2+三角圖解法來分析溫泉的水—巖平衡狀態(tài)[17-21]。在Na+-K+-Mg2+三角圖中，由完全平衡線和部分平衡線把三角圖分為反應(yīng)平衡區(qū)、局部平衡區(qū)和非平衡區(qū)3個(gè)區(qū)域。根據(jù)本文的水化學(xué)分析數(shù)據(jù)，按照Na+-K+-Mg2+進(jìn)行分析(圖3)，圖中曲線為礦物平衡線，從圖3中可以看出，數(shù)據(jù)基本上分布在Mg2+端部附近，屬于不飽和水，水巖作用尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，水巖作用還在進(jìn)行，表明溫泉湯溫泉具有淺層水的特征。

3.3 氫氧穩(wěn)定同位素特征

環(huán)境同位素分析方法已經(jīng)具備了成熟的理論體系和實(shí)驗(yàn)條件，在水文地質(zhì)研究中得到了廣泛應(yīng)用[22-26]。其中的氫氧同位素分析法是傳統(tǒng)水文地球化學(xué)方法的有益補(bǔ)充，是研究地殼中水和其他流體起源與遷移的有效示蹤方法，它能幫助人們了解和認(rèn)識(shí)地?zé)崴膩睚埲ッ}。其原理是，水分子同位素組成不同，水分子質(zhì)量出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致水體在蒸發(fā)和降雨過程中發(fā)生氫氧同位素分餾現(xiàn)象[22-26]。威海雨水的δ18O值為-14×10-3，威海雨水的δ2H值為-105×10-3，威海海水的δ18O值為-2.34×10-3，威海海水的δ2H值為-13.8×10-3(表2)，與溫泉水的δ18O值和δ2H差別較大，可見，不同水體具有特定的氫氧同位素含量，據(jù)此可以判斷地下流體的補(bǔ)給來源[13]。根據(jù)本文的氫氧穩(wěn)定同位素測試以及田粟[13]和史猛等[14]的氫氧穩(wěn)定同位素測試數(shù)據(jù)來繪圖，中國東部大氣降水線如圖4中直線所示，3個(gè)樣品的數(shù)據(jù)位于中國東部大氣降水線附近，漂移偏離量很少[14]。結(jié)合威海地區(qū)的氣候條件和地質(zhì)條件分析，表明溫泉湯溫泉的主要補(bǔ)給來源是大氣降水、地表水和地下水，海水的影響較小。

圖3 溫泉湯溫泉Na+-K+-Mg2+三角圖

表2 威海市溫泉湯溫泉水化學(xué)特征

3.4 成因模式分析

通過計(jì)算水循環(huán)深度、估計(jì)補(bǔ)給源，結(jié)合地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查，討論溫泉湯溫泉的地?zé)岢梢蚰Ｊ健?/p>

3.4.1 溫泉水的循環(huán)深度估計(jì)

溫泉湯溫泉經(jīng)過一定深度的熱循環(huán)作用，如何來估計(jì)深部的循環(huán)深度，通常采用以下計(jì)算公式[13]：

H=(t-t0)/r+h

式中：H為溫泉水循環(huán)深度(m)；r為地溫梯度(℃/100m，參考黃縣盆地取22.7m/℃)，t為熱儲(chǔ)溫度，根據(jù)田粟利用K-Mg法計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度取90℃，t0為補(bǔ)給區(qū)年平均氣溫，取值為l2.1℃，h為本地多年常溫帶深度，參考溫泉湯鄰近的水溫觀測井h取25m，計(jì)算結(jié)果約為1743m，與其他研究者計(jì)算的結(jié)果相近[13,27-29]。

1—本文的數(shù)據(jù)；2—田粟(2012)的數(shù)據(jù)；3—史猛等(2019)的數(shù)據(jù)圖4 水樣氫氧同位素與大氣降水關(guān)系圖

3.4.2 溫泉水的補(bǔ)給源估計(jì)

按照氫氧同位素的高程效應(yīng)原理,δ2H值隨著地下水補(bǔ)給高程的增大而減小[18],根據(jù)溫泉湯溫泉的δ2H值變化來計(jì)算地?zé)崃黧w的補(bǔ)給高程,初步推斷其可能補(bǔ)給區(qū)域,補(bǔ)給高程計(jì)算公式如下:

H=(δg-δp)/K+h

式中：H—補(bǔ)給區(qū)高程(m);K—區(qū)域大氣降水δ2H高度梯度；(2.5～2.0)×10-3/100m;δg—溫泉水δ2H值(×10-3);δp—地?zé)崃黧w采樣點(diǎn)附近大氣降水δ2H值(×10-3);h—溫泉所在位置的海拔高度(m)。

由于研究區(qū)整體海拔相對(duì)內(nèi)陸較低,為25m,該次計(jì)算取δ2H值為2.0×10-3/100m,經(jīng)計(jì)算研究區(qū)地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)的高程為225～265m之間,該高程是一個(gè)平均高程而非絕對(duì)高程，周邊地形地貌調(diào)查結(jié)果顯示，南部山區(qū)約為240m左右，北部山區(qū)相對(duì)較低，約為64m左右，可見南部山區(qū)是主要的補(bǔ)給源。

3.4.3 溫泉水的成因模式

如前所述，溫泉湯溫泉由于位于華北板塊與揚(yáng)子板塊碰撞結(jié)合帶，與華北板塊的其他地區(qū)相比較而言，具有較高的大地?zé)崃髦?，山東半島的溫泉普遍分布于早元古-太古代片麻巖中[8]。另外，山東半島地區(qū)的地?zé)崽锞鶎儆谑軘嗔褬?gòu)造控制的開放式對(duì)流型柱狀熱儲(chǔ)地?zé)崽镱愋?溫泉湯溫泉位于河?xùn)|-溫泉湯斷裂、虎山-河西斷裂和劉家臺(tái)-江家口斷裂交會(huì)處附近，斷裂交會(huì)形成的柱狀破碎帶為其主要的導(dǎo)水通道[18]。

根據(jù)現(xiàn)場地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查，溫泉湯地?zé)崽锼诘臏厝?zhèn)駐地是個(gè)小型的盆地，四周均為丘陵，大氣降水主要從南部山區(qū)匯聚到盆地當(dāng)中，在大地?zé)嵩吹募訜嵯滦纬蓽厝獰崴\(yùn)移到地表。上述的水質(zhì)分析、Na+-K+-Mg2+三角圖和氫氧同位素分析顯示，溫泉湯溫泉具有淺層水的特征。結(jié)合地質(zhì)地貌調(diào)查，本文繪制了成因模式圖，溫泉湯溫泉主要受淺部大氣降水的影響，大氣降水通過斷裂破碎帶在深部進(jìn)行熱交換，然后運(yùn)移到地表，出露形成溫泉(圖5)。

1—溫泉；2—早元古代-太古代片麻巖；3—第四系松散堆積物；4—斷裂帶；5—地層分界線；6—大地?zé)崃鞣较颍?—溫泉水運(yùn)動(dòng)方向圖5 溫泉湯溫泉成因模式圖

4 結(jié)論

(2)Na+-K+-Mg2+三角圖分析表明，數(shù)據(jù)基本上分布在Mg2+端部附近，屬于不飽和水，水巖作用尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，水巖作用還在進(jìn)行。

(3)氫氧穩(wěn)定同位素分析方法是一種重要的成因分析方法，溫泉湯溫泉水測試得到的氫氧同位素值位于中國東部大氣降水線附近，分析表明具有淺層水的特征，可見，威海溫泉湯溫泉受淺部大氣降水的影響，溫泉水的主要來源是補(bǔ)給來源是大氣降水。

(4)通過計(jì)算水循環(huán)深度、利用氫氧同位素的高程效應(yīng)原理估計(jì)補(bǔ)給源，結(jié)合地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查，分析了溫泉湯的成因模式。大氣降水從溫泉湯溫泉南部山區(qū)匯聚到盆地中，大氣降水、地表水、地下水等通過斷裂破碎帶在深部進(jìn)行熱交換形成溫泉熱水，然后運(yùn)移到地表，形成溫泉湯溫泉，為溫泉湯溫泉的資源量評(píng)價(jià)和可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。