河北省隆化县七家温泉特征及成因分析

郭瑞林，郭 帅，张立剑

(1.河北省地矿局第四地质大队，河北承德 067000;2.北京市地质工程勘察院，北京 100048)

地热是宝贵的可再生能源，以地下水为载体的水热型地热热能系统是常见的类型，在河北省承德市范围内，多以中低温地下热水或温泉形式分布于山区，且热水点主要分布在丰宁-隆化一带。七家温泉位于河北省隆化县七家镇温泉村，距隆化县城50 km，在承德市东北约70 km处，有102国道通过温泉区且靠近253省道，交通较为便利。温泉村地下热水开发利用历史悠久，很早就用于洗浴、洗衣、宰杀牲畜等。近年来，七家温泉的地热开发有了长足的发展，已经建起了集旅游、洗浴、游泳、采暖为一体的几家温泉度假旅游宾馆，大大带动了当地旅游业的发展(李琛等，2007)。

前人对温泉的出露特征、分布和形成等进行了大量的研究，取得了很大的进展。周海燕等(2006)将北京及其西北邻区的7个均出露于基岩山区的温泉进行总结，并结合温泉流量、水温、pH等的变化提出控制开采的建议;李娟等(2007)对秦皇岛市温泉堡附近三处温泉的出露岩性、断裂特征等进行成因分析，并通过水化学、同位素测试及分析了解了温泉的形成与演变;杨立顺(2011)分析了河北省遵化市汤泉地下热水的形成、赋存及运移，明确了汤泉受断裂构造控制的特征。管正学等(1996)、张雪(2012)、李婷(2013)曾对隆化县七家温泉的出露特征和开发利用进行了简述，但没有对七家温泉的形成原因进行详细解释，尤其是在当地隐伏断裂难以发现露头的情况下。本文根据大量的物探资料对隆化七家温泉的成因进行了分析，并通过水化学分析和计算等予以验证，为后续温泉的综合开发利用提供依据。

1 温泉及地热井简况

七家温泉区位于武烈河上源支流茅沟河“U”字型河谷南侧边缘，标高610 m，高出河床水面5 m左右。泉眼沿茅沟河右岸呈带状分布。其南段主要在一级阶地上，热异常明显。北段在一级阶地后缘及二级阶地上，不受当地河水及河谷潜水影响，地面有多处温泉出露，地热异常显示突出，在河谷内就是天然的浅表地热田(管正学等，1996)。

受特殊地形、地貌和地质构造的影响，河漫滩冲积层下形成了较大面积的浅层热水潜流。温泉村地热地表热显示分为南、北两段。南段地热异常区位于温泉村，地面温度明显偏高，冬季降雪即融，夏季雨后先干，明显的热气烘面，地热异常区宽120 m左右，长约220 m;地面下挖0.6～1.0 m，地温可达30～40℃，温泉村利用这一特点在河谷中建造了日光温室，发展反季节蔬菜种植(张雪，2012)。北段温泉多出露地表，水温一般30～80℃。

通过对七家镇热水井、温泉的水位、流量、水温的长期观测，地热流体呈现以下特征:

热水汤Q2泉眼位于温泉村北端，出露于茅沟河谷二级阶地后缘，为上升泉。最高水温39℃，最低水温37℃，最大温差2℃。最大流量0.125 L/ s，最小流量0.118 L/s，最大流量差0.007 L/s。

七家村Q3泉眼位于七家村西部庙沟，出露于山涧沟谷，为上升泉。最高水温27℃，最低水温26℃，最大温差1℃。最大流量0.24 L/s，最小流量0.2 L/s，最大流量差0.03 L/s。

温泉村SJ18热水井位于温泉山庄内，井深4.9 m，最高水位0.6 m，最低水位0.3 m，水位变幅0.3 m;最高水温64℃，最低水温60℃，温差4℃。

温泉村SJ10水井位于温泉村南端，井深7.15 m，最高水位1.15 m，最低水位0.85 m，水位变幅0.3 m;最高水温8℃，最低水温6℃，温差2℃。

2 地质、水文地质概况

2.1 地层

区域内出露地层有太古界单塔子群白庙组(Arb)片麻岩系，中生界上侏罗统白旗组(J3b)火山岩系等(图1)。

2.1.1 白庙组片麻岩系(Arb)

主要分布在地热田外围，其岩性为斜长角闪片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩及条带状混合岩，混合花岗岩等。厚度大于2 190 m。

2.1.2 侏罗系上统白旗组火山岩系(J3b)

下部岩性主要以黄褐、灰褐色中厚层状砂砾岩为主，夹黑色粉砂岩，粉砂质板岩、碳质页岩，出露零星，受挤压、柔皱强烈。据此推断，大部分在火山喷发时被捕虏、吞蚀掉了。上部为一套流纹质岩屑、晶屑含角砾熔结凝灰岩，流纹质熔结凝灰角砾岩，以及灰紫、灰黑色安山岩等。在这套火山岩系中，萤石矿化较为普遍，厚度229～608 m。

2.1.3 岩浆岩

本区在燕山期岩浆活动强烈，分侵入岩和喷出岩。

(1)侵入岩。地热田一带的侵入岩，主要为燕山运动早期花岗岩(γ2－15)，分布在地热田的西南、南和东北部。其次还有花岗斑岩(γπ25)、正长岩(ξ)、钾长花岗岩(γk)、闪长岩(δ)等。

(2)喷出岩。主要为晚侏罗世(J3)的酸性火山岩，即硫酸质安山岩，流纹质熔凝灰岩、流纹岩等，分布在地热田的东部和北部，面积较大，普遍超覆在老变质岩和燕山早、中期花岗岩之上。

根据岩性、岩相特征，以及地球物理探矿资料推测，侵入岩和喷出岩为同源异相，多次活动的产物，地壳深处潜存着较大规模的岩体存在。

2.2 地质构造特征

研究区内构造类型比较单一，以脆性断裂活动为主要特征。温泉区则正好分布在丰宁-隆化深断裂北侧，两家-锦山北北东向断裂带上(陈墨香，1988)。

2.2.1 褶皱构造

区域内褶皱构造主要是过河口褶皱、断陷盆地，南起温泉村，北至梨树营，西起白杨沟脑，东至九神庙，全长9.0 km，平均宽3.0 km，面积为27.0 km2。由于受南北向挤压作用影响，南北两翼岩层倾角大部为60°左右，中部变缓，东端受七老图山脉隆起影响，向西强烈挤压，使西端岩层产状近于直立(82°)，也使河谷以西，即F1断裂以西岩层被挤压得支离破碎。

2.2.2 断裂构造

区内的断裂构造按其空间展布特征可分为以下几组。

(1)近东西向断裂构造。大多数都是表层断裂，而控制性的区域深大断裂都断到上地幔，沿断裂又不同期的中、酸性火成岩侵入。与地热田有直接关联的是热水汤东西向断裂(F8及F9)，走向一般为80～90°，倾角80°左右，延伸规模一般在几公里。这两个断裂直接控制着热水的分布。

(2)北北东向断裂。即是两家-锦山断裂。该断裂为张扭性断裂，稍向北西倾斜，倾角近于直立。产状为0～50°∠78°～82°，规模较大，在区内长约十几公里。断裂沿茅沟河西岸呈北东向展布，贯穿温泉村南北两段地热异常区。由于该断裂生成较早，主要活动时代为侏罗纪(河北省地质矿产局，1989)，性质多变，破碎带较宽(地面可见宽20～50余米)，时而呈挤压紧密状态，时呈而开启状态，且受其牵引影响，在两侧形成北西向、北北西向、北东向断裂。同时受到七老图山脉隆起影响，被挤压，断距加大，沉降更深。

图1 七家地区地质图Fig.1 Geological map of Qijia area

2.3 水文地质概况

七家地热田通过地质填图、钻探及物探资料的综合分析后认为，北东-南西向的F1断层是本区呈半隐伏状的主干断裂。地热异常区出露的破碎带、钻孔中见到的破碎带均为流纹质含角砾凝灰岩，且裂隙发育，局部裂隙充填方解石岩脉，时有小型溶洞及呈破碎状角砾岩及硅化构造，从物探反映出低阻、高极化、低磁性的明显特征来看，该主干断裂为张扭性断裂，局部压扭性，破碎带宽度一般为50 m，产状近于直立，稍向北西倾斜。该断裂沿茅沟河西岸呈北东向展布，贯穿温泉村南北两处地热异常区，沿F1向南2 km处，地表水有常年不冻冰现象，向北3 km处的茅荆坝地热区有与本区地热成因相似的90℃热水溢出地表(吴迪等，2012)。

区内还有很多南北向、北北东向的次级断层与F1断层相交，在南段破碎带宽度达100～120 m，为地下水汇集与地下热水循环提供了主要通道，形成了水温达82℃的地热井群。北段次级断层与F1交汇处破碎带宽度达130～180 m，构成了向深部发展的热储层，同时也构成了区内主要导水和控热构造，形成了北段温泉群。

F1断层沿茅沟河谷呈带状分布。其南段主要在I级阶地上，热异常明显。北段(热水汤)地热异常区，位于I级阶地后缘及II级阶地上，不受当地河水及河谷潜水影响，地面有多处温泉出露，热异常显示突出。地温异常与泉水温度呈正相关的关系。泉水流量(1.634～10.04 m3/h)与水温(30～80℃)均较稳定。第四系地层厚7.0～15.0 m，个别地方达20余米，其表层的亚粘土层厚4.00～7.00 m，是很好的盖层，基岩裸露部位，尽管有热异常显示，但仅有温水(20～28℃)溢出。

南段热异常区第四系地层厚6.0～9.7 m，表层有0.5～1.0 m的砂质粉土层，下伏为砂砾、卵石、漂石。基岩为流纹质含角砾凝灰岩，裂隙发育，充填有方解石脉、且有溶洞，或呈破碎角砾岩状。其地下水位埋深小，约为2.98～4.30 m(表1)。

从表1可以看出:SJ17-SJ02一带就是南段的高温热异常中心-导热通道。位于SJ17西南方向的SJ03-SJ05水温20～29℃，SJ9、SJ13即为冷水，说明北东-南西沿线即是热水的地下排泄场。其西北侧为基岩裂隙水排泄方向，东南侧为与河水有关的地下潜流。

表1 热水井水位和水温Table 1 Water level and temperature of wells

七家村庙沟泉眼Q3，通过地质填图、钻探及物探资料的综合分析，近南北向断裂F12控制了Q3的形成。该断裂深部延伸较大至－400 m，产状直立，浅部局部倾向西，小于100(Ω·m)的垂向低阻带沿断裂附近分布，为赋水破碎带，其宽度在25－30 m。该断裂沟通了深部运移的地下热水，并可能与北西向构造带交汇，使地下热水在庙沟形成温水上升泉Q3。Q3流量20.76 m3/d，水温27℃，流量和水温都很稳定。与Q3相距仅40m的SJ25水温只有4℃，泉周围地面也无明显地热异常，可见Q3严格受构造控制。

通过地质测绘、物探、钻探等结果综合分析，物探报告推断的F10、F11近南北向断层均为张扭性断层，两条断层产状直立，在断层北部破碎带宽度较大，向南逐渐闭合。从布置在两条断裂带上的ZK1，ZK3，ZK5钻探结果看，两条断裂破碎带较窄，钻孔岩芯节理裂隙不发育，且裂隙面水活动痕迹不明显。孔内最高温度出现在 ZK2，最高温度33.8℃。由此可见，河东村F10、F11两条断裂与F1深大断裂之间没有直接的水力联系。

3 水化学特征

3.1 水质评价

从表2中七家温泉水化学分析结果可知，其水化学类型为SO4·HCO3-Na型水，矿化度为510～720 mg/L，pH值为7.52～8.2，总硬度(以CaCO3计):中温泉水39.63～50.44 mg/L，而高温泉水为32.03～33.23 mg/L。上述资料说明，地热田区深层水的水化学性质不但与温度呈负相关，且没有永久硬度，这是七家热水与浅层水的显著区别。

从温泉村北部热水汤泉的水质化验结果看，微量元素中氟(13.4 mg/L)、偏硅酸(120.2 mg/L)含量不仅达到且超过国家标准(GB11615—89)“附录C”规定的医疗热矿水水质标准。其中氟含量高的原因除深层热源，还有盆地内火山岩中萤石矿化普遍，其在地下热水的高温、高压、溶滤等作用下，易于溶解、迁移、聚集而成。可溶性二氧化硅含量高的原因是硅酸盐矿物在高温地下热水的高压溶解等作用下，加之剩余碳酸气的作用，促使铝硅酸盐分解生成的。

表2 2010年SJ02地热井水化学成分Table 2 Hydrochemical compositions of SJ02 in 2010 mg·L－1

从七家温泉2010年1月水化学分析结果与1997年5月水化学分析结果对比来看(表3)，含量增加、矿化度降低，Na+、K+含量显著减少矿化度变化不大。HCO3－、H2SiO3、F－含量减少。

表3 2010年与1997年水化学成分对比表Table 3 Comparison of hydrochemical compositions in 2010 and 1997 mg·L－1

根据表2，除氟超标(标准≤1.0 mg/L)外，其余指标都达到生活饮用水和矿泉水标准。但氟含量超标，如能除氟，即成偏硅酸-锂、锶优质矿泉水。

此处温泉水，除氟超标外，其余都符合农田灌溉及渔业养殖标准，当地农物作对此水已经有一定的适应性，温泉区的水稻、蔬菜等，均比周边作物高产。植被、树木的叶子，均比周边色绿，渔业、养殖业也正兴起，繁殖热带鱼早已成功，这些将成为当地经济发展强项。

此处温泉水温度都大于34℃，是氟水的6.7倍，是硅水的2.4倍，已达到医疗热矿水标准，这里的洗浴、治病历史可远溯到隋、唐。

从长观数据证实，枯、丰水季节观测泉水流量和水温，始终是稳定的。即使在连续降雨两天后，观测的水量和水温也没有明显变化，说明其补给源很远，水循环深度大。

3.2 地热温标计算热储温度

地热流体在热储温度下，与矿物达到了矿物平衡，且随后地热流体温度降低时，这个平衡仍予保持。根据本地热田的条件，分别选用以下三种热储温标法进行热储温度计算。

(1)钾镁温标计算公式为(Giggenbach，1988):

式中:t为热储温度(℃);C1为水中钾离子的浓度(mg/l);C2为水中镁离子的浓度(mg/l);计算结果为T=85.67℃。

(2)钾钠温标计算公式为(Arnorsson，1983):

式中:t为热储温度(℃);C1为水中钾离子的浓度(mg/l);C3为水中钠离子的浓度(mg/l);计算结果为T=176.75℃。

(3)钾钠钙温标计算公式为(Fournier等，1973):

式中:t为热储温度(℃);C1为水中钾离子的浓度(mg/l);C3为水中钠离子的浓度(mg/l);C4为水中钙离子的浓度(mg/l);计算结果为T= 173.17℃。

从以上三种计算结果来看，钾镁温标值与实测温度不符，可以忽略不计。则七家温泉的热储温度为钾钠温标和钾钠钙温标的平均值174.96℃。

3.3 热水循环深度

根据地温梯度公式导出的热水平均循环深度计算公式(Sorey et al.，1997;Sanchez et al.，2004):

式中:t为热储温度(℃);t0为恒温层温度(℃);T为地温梯度，本区参考北京地区平均地热增温率，为4℃/100m;H0为恒温层埋深(m);计算结果为H=3 175 m。

据以上计算可知，地下热水平均循环深度为3 175 m，本计算结果与物探翻译成果吻合。

4 温泉成因

4.1 水源分析

七家温泉的补给来源主要是大气降水(周海燕等，2006)，但由于温泉区距离茅沟河较近，需要判断地下热水与河水的关系。

(1)温泉区北段位于I级阶地后缘及II级阶地上，热水出露位置的基岩面，都高于河水位。其补给来源与河水无关。南段虽然位于I级阶地上，热异常中心水位标高高于周围热水井0.5～0.7 m，比周围冷水水位更高。从物探资料可知，两段热田中间，恰是F1断裂的挤压紧密、封闭地段，故此，河水对热水无补给关系。

(2)用氟离子含量对比分析。河水中氟含量0.20 mg/L，其比温泉水氟离子含量低15～67倍，仍证明温泉水的补给来源与河水无关。

(3)热水周边胶结硬壳隔水。在当地热水井施工过程中首先见粘土、砂等胶结的黑色硬壳，厚5～10 cm，将其凿穿就见到了热水，说明其化学沉淀物与其周围的岩土体胶结成自身保护壳，成为与冷水隔离的界线层。

(4)本区基岩风化构造裂隙水对深层热储源不起补给作用。本区与承德山区基岩风化的特点一样，强风化带5～20 m，中风化带-微风化带20～60 m。且凝灰岩和花岗岩风化后的高岭土和粘土充填于风化构造裂隙之中，因此不存在其对于深层热水的补给。

4.2 热源分析

研究区大地构造位于中朝准地台北缘的内蒙地轴(II1)南侧，围场拱断束(III2)中的喀喇泌台穹(IV28)西南嵎，过河口紧密褶皱的断陷盆地(V21)西半部。从内蒙地轴的发展史来看，两家－锦山断裂(F1)形成较早，在各个地壳运动时期都有活动，尤其燕山运动期更为强烈。当燕山运动早期花岗岩()侵入之后，内蒙地轴受到南北向挤压力影响强烈，沿花岗岩与片麻岩的接触线形成东西向的沉降带。该带在发展中接受燕山中期火山碎屑物质堆积，形成断陷盆地——过河口盆地(V21)(河北省地质矿产局，1989;贾建称，1995)。燕山晚期又有规模不等的岩浆侵入活动，未达地表的岩浆存在于地壳深处，从而蓄存了热量，成为现代沿F1断裂存在于盆地内接触带上的带状地热田的热源。

4.3 构造成因分析

4.3.1 物探解译结果

在七家温泉地区进行了地球物理探测，主要采用了电法、磁法等方法，对寻找研究区构造断裂具有很好的效果(李保国，2002)。物探结果结合当地地质资料分析，F10、F11断裂为两家-锦山北东向大断裂的区内段，分别位于茅沟河谷东西两侧分布，是区域地热(温泉)分布的控制构造，两断裂的张性开启和压扭(闭合)表现突出，加之不同方向断裂构造的交汇，形成了宽度不等的构造破碎带，这些构造破碎带为温泉的形成提供了构造条件。

通过对CSAMT勘查成果综合分析，本区温泉的形成受断裂F12的控制，该断裂对深部地下热水的运移起到重要作用，温泉的出露大多是与不同方向(北西向)构造带相交汇部位，该区可能存在北西向构造或裂隙带。

采用“联合剖面”、“电测深”，磁法(He-95型氦光泵磁力仪)的高精度测量等方法对温泉村地热田做过较详尽的物探工作，基本查明如下问题。

(1)查明区内火成岩体与变质岩接触带的深部，有规模较大的隐伏岩体，或为热源。

(2)结合航磁资料，认为控制地热田发育的深断裂构造，就是区域内北北东向的两家-锦山断裂，其为高角度的张扭性断裂，倾向北西。

(3)近东西向断裂形成较晚，它们切断了主干断裂(F1)，并产生错移，才使地热田分成南北两段，成为各自集中的热通道区。而北段的东、西亦略有差异。

(4)热储埋深2～3 km。七家温泉即属于断裂-深循环型温泉(周训等，2010)。

4.3.2 补给部位分析

根据地球物理探测结果，下面对温泉水补给部位进行分析:

(1)深断裂开启部位补给。根据区域地质发展史，该断裂生成较早，各次大的地壳运动都有活动，晚近期显示与张性-张扭性，在断裂北段地势较高的开启部位，接受大气降水及风化裂隙水补给，经深循环加温，至地热田的排热通道上涌而出(欧阳庆等，2011)。

(2)盆地轴向补给。过河口褶皱盆地东段为扬起的开启部位，同时由航磁异常解释图及地貌特征分分析，那里的南北向及北西向断裂发育，植被茂盛，地表水及地下水丰富，此地可能是沿褶皱轴向深层补给的最佳部位。经深循环加温，至F1断裂带的排热通道涌出。

4.3.3 成因分析

具有明显张扭性质的F1主干断裂和次级近南北向、北北西向及东西向的F2-F8断裂构造的交汇处，产生了宽度达百米的构造破碎带，与热源导通，为地下水的分布、循环和加热提供了良好空间，温泉村和热水汤两处地热区的形成严格受其控制。同时也是主要导水和控热构造，为地下水的汇集与出露提供了主要通道(汪集旸等，1993)。从图1中也反映出温泉多沿两家-锦州断裂分布，在断裂交汇处分布集中的特征。

从物探资料看，南北两处地热区的中间地段断层破碎带宽度仅有50 m左右，由于地表次级构造较少，浅部阻碍了地下水的流出，从而将热水汤和温泉村两处地热区阻隔开来。

除了以上断裂构造构成地热的主要通道外，区内的花岗岩体和侏罗系及白庙组的变质岩的接触带均是热储结构中重要的组成部分(李学礼等，1992)。同时，致密巨厚的花岗岩体为热储盖层，对热储起到保温作用。

本区局部有重力低异常，推测在接触带深部有规模较大的隐伏岩体存在，构成了地热田的深部热源(图2)。

5 结论

图2 七家地热田地热地质模型示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of thermal geological model of Qijia geothermal area

七家温泉泉眼有6处，温泉水温普遍为30～80℃，为中低温地下热水。采用钾镁、钾钠及钾钠钙三种地热温标计算七家温泉的热储温度达174.96℃。依据地温梯度公式计算温泉水的循环深度为3 175m，计算结果与物探翻译成果相吻合。根据水化学分析得出其地下热水类型为SO4·HCO3-Na型，温泉水的氟离子超标，温泉水可命名为偏硅酸-锂、锶医疗热矿水。

七家温泉的补给来源主要是大气降水，与研究区较近的茅沟河及风化裂隙构造水无关。在区域构造史上分析，研究区在燕山晚期有规模不等的岩浆侵入活动，未达地表的岩浆存在于地壳深处，从而蓄存了热量，成为现代沿F1断裂存在于盆地内接触带上的带状地热田的热源。

七家地区的物探结果显示区内火成岩体与变质岩接触带的深部，有规模较大的隐伏岩体，或为热源;区域内北北东向的两家-锦山断裂带即为七家温泉的控热构造，温泉多沿两家-锦州断裂分布，在断裂交汇处分布集中;近东西向断裂与主干断裂(F1)交汇处为温泉出露区，由于近东西向构造不同温泉在研究区南、北部略有差异。南段多为深度较大的高温地热井群，而北段浅层地温异常明显，广泛分布中低温温泉群。

研究区内两家-锦山断裂是具有明显张扭性质的区域深大断裂，与各个次级断裂构造的交汇处产生了宽度达数百米的构造破碎带，并与深部的热源导通，为地下水的储存提供了良好空间，同时也是主要的导水、控热构造，为地下水的汇集与循环提供了主要通道。

因此，七家温泉表现出沿两家-锦州断裂分布，在断裂交汇处分布集中的特征。七家温泉的形成可以简述为:在两家-锦山断裂北段地势较高的开启处，大气降水沿断裂通道经过长距离的深部循环与推测花岗岩与变质岩接触带隐伏岩体(热源)沟通，并获得加温，在温泉村的构造交汇处涌出形成温泉。

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