济源五龙口地热区热矿水化学特征及成因

姜宝良，余晨，张石磊，齐育才

(1．华北水利水电大学，河南 郑州 450045;2．河南工程水文地质勘察院有限公司，河南 郑州 450000)

济源市五龙口地热区自1984 年发现以来，经过多年勘察、开发及应用，虽取得了一定的经济、社会效益，但仍存在无序开采、资源量不清、用途不明、没有统一的开发利用规划和管理等一系列问题，造成资源的巨大浪费，使这一宝贵的地热资源没有发挥应有的作用．本文通过对五龙口地热区热矿水化学特征［1］的分析及成因探讨［2］，为五龙口地热区地热资源的开发和可持续利用提供科学依据．

1 地热区形成背景

1．1 地层与构造

地热区地层以第四系、奥陶系中统、寒武系、太古界为主，次为古近系、二叠系、石炭系．

盘古寺和五龙口正断层奠定了区域构造的基本格局，并与其伴生断层组成规模巨大的断层带．五龙口地热区位于F17 断层与F25 断层交汇处的迎水地段，如图1 所示．

盘古寺断层是区域活动性深大断裂，断层倾向南，倾角50° ～70°，走向近东西，为正断层［3］． 该断层南侧伴有许多小正断层，形成断层阶梯或地垒、地堑，两盘反差明显．

五龙口正断层位于地热区南界，断层带走向近于东西向，倾向南，倾角50° ～70°，系一组由F17 主断层为骨架，平行或雁列的次一级断层所组成的阶梯状断层带． F25 断层属隐伏正断层，走向北东，倾向南东，倾角70°，上盘为古近系和第四系地层，下盘为寒武系碳酸盐岩地层．

1．2 地热区的成因与分布

地热区地热水的主要来源为大气降水，北部山区接受大气降水和地表水补给，沿深大断层带在静水压力作用下进行深部径流，在运移过程中遇到热源或受热源影响的围岩而加热升温，具备深循环加热条件，地热区具有较厚的第四系保温层，地热流体在径流中不断获得热能而不致散失，径流到地质环境条件适宜的地段形成地热异常区．

地热区含水岩组为松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层、碳酸盐类夹碎屑岩类含水岩组、变质岩类裂隙含水岩组．地热区内各类含水岩组富水性相对较弱，径流条件相对较差．五龙口断层带F17 断层、F25 断层使深循环水受阻，这就是位于五龙口断层带F17 断层与F25 断层交汇处的迎水地段、范围很小的地热区得以保存的主要原因．五龙口地热区的分布范围如图1 所示．

图1 五龙口地热区区域地质图及水文地质剖面图

2 热矿水化学特征

地热区地下水主要类型有冷水、温水、温热水，其化学特征因温度的不同而不同．

2．1 地热区地下水类型

五龙口地热区地下水大致分为3 种水质类型:

1)Cl·SO4－ Na 型． 此类型水的水温大于40 ℃，是五龙口地热区主要水质类型，其成分占绝对优势的阴离子是Cl－和SO42－． 温热水(40 ～60 ℃)的pH 值为7．5 ～7．9，溶解性总固体含量为1 071 ～1 398 mg/L，偏硅酸含量为75．4 ～88．1 mg/L，氟含量为4．0 ～7．6 mg/L;热水(大于60 ℃)pH 值为7． 3 ～8． 0，溶解性总固体含量为1 483 ～1 792 mg/L，偏硅酸含量为88．7 ～116．6 mg/L，氟含量为5．0 ～10．0 mg/L．

2)HCO3－Ca·Mg 型或HCO3·SO4－Ca·Mg型．此类型水是水温小于25 ℃的冷水，分布于山区和沁河之间，地下水受大气降水、山区潜流和沁河水补给，且不受热水影响． pH 值为7．30 ～7．45，溶解性总固体含量为252 ～345 mg/L，偏硅酸含量为2．6 ～13．0 mg/L，氟含量为0．20 ～0．26 mg/L，地下水水温小于25 ℃，且大多小于20 ℃．

3)第3 类型水是水温为25 ～40 ℃的温水，是热水与冷水混合的产物，水质类型比较复杂，有HCO3·SO4－Ca·Na·Mg 型、HCO3·SO4－Ca·Mg(或Mg ·Ca)型、HCO3·SO4－Ca 型等．pH 值为7．5 ～7．9，溶解性总固体含量为611 ～922 mg/L，偏硅酸含量为26．0 ～28．6 mg/L，氟含量为1．0 ～2．1 mg/L．

2．2 热矿水特征

五龙口地热区不同水温地下水的主要化学成分统计结果见表1，分析得到五龙口地热区热矿水具有三大特征:

1)矿化度高．温度越高，矿化度越高．表1 中，温水的溶解性总固体含量为611 ～922 mg/L，温热水的为1 071 ～1 398 mg/L，热水的为1 483 ～1 792 mg/L．

2)氟和偏硅酸的含量高．地热水中氟离子和偏硅酸的含量远比一般地下水高，这主要是由于温度对溶滤作用的影响造成的．《生活饮用水卫生标准》(GB 5479—2006)规定氟的含量小于等于1．0 mg/L，而热水、温热水及温水中氟的含量均高于饮用水标准值(见表1)．医疗热矿水规定偏硅酸的含量大于等于25 mg/L，而热水、温水及温热水中偏硅酸的含量均大于标准值(见表1)．

3)含有重金属、有害成分(As、Hg 等)及各种无机盐类．如锂、锶、钡、锰、铁、铝等含量均较高，热水中Ca2+、Mg2+、HCO3－的含量比冷水中的含量低，其他组分含量均较高，其中Na+、K+、Cl－、F－、、SiO2含量要高得多．

表1 五龙口地热区地下水的主要化学指标统计表mg/L

3 热矿水成因探究

岩石的地球化学特征，是地下水水质形成的基础．不同时代、不同性质的岩石具有不同的地球化学特征，岩石中的矿物成分决定着热矿水特征组分的形成，因此，在不同性质的岩石中可形成不同类型的热矿水［4］．热矿水的形成，是特定地质环境中的地下水在一定的水温、水压及水动力条件下，水岩长期相互作用［5］，经溶滤、阴阳离子交换吸附、生物地球化学等一系列的物理化学作用，岩石中的有益元素进入到地下水中，并达到适当的浓度，形成不同类型的热矿水．

3．1 锶的来源

地下水中锶的含量主要取决于岩石中锶元素含量、溶滤时间及温度条件［6］． 在沉积岩中，以碳酸盐岩特别是深海相碳酸盐岩中锶含量最高． 五龙口地热区主要为寒武—奥陶系海湖相碳酸盐岩，锶含量较高，并且地下水有较好的径流条件． 含有CO2的地下水与富锶的岩石接触时，岩石中的锶元素大部分可形成重碳酸盐、氯化物和硫酸盐进入水中．这是五龙口地热区地热水中锶含量较高的原因．

3．2 偏硅酸的来源

硅酸盐矿物在一定的水文、水压及富含CO2水的长期作用下，经一系列化学反应，形成偏硅酸型热矿水．地热区深部变质岩的SiO2含量高达70%以上，且岩芯中有溶孔、溶隙存在，说明地热水在其活动过程中溶解了其中的硅酸盐矿物，使热水中硅酸盐含量增高．

3．3 氟的来源

隆起山区热矿水主要分布在深大断裂带附近，赋存岩性主要为碳酸盐岩、岩浆岩及变质岩，热矿水类型主要为氟·硅水．地热区深部含氟石(CaF2)以及方解石、角闪石、黑云母等含氟矿物．在高温、高压环境下，发生水岩相互作用，从而形成氟·硅水，以弱碱性为主．

3．4 其他成分的来源

地热水中的臭鸡蛋气味和淡黄色悬浮物是H2S存在的标志． 当含有H2S 的热水上升到地壳浅部，遇到含氧较多的浅层地下水时，产生混合作用．一部分H2S 被氧化，生成，使地下热水中含有大量的;另一部分H2S 上升到地表浅部，呈气体逸散到岩石裂隙和孔隙中，氧化后生成自然硫．

热水中溶解的CO2较少，低于冷水． 参与深循环的大气降水，其CO2含量较高，在溶解碳酸盐岩后形成具有一定CO2含量的HCO3－Ca·Mg 型水渗入到地下深处，与深部的CO2一起溶于热水中．其中一部分CO2生成HCO－3、CO32－，因MgCO3和CaCO3易沉淀，所以地下热水中Mg2+、Ca2+含量均较低，且MgCO3更易沉淀，Mg2+含量小于Ca2+含量．另一部分CO2仍呈气体形式溶于水中，运移到地表浅部，在高温、低压条件下，迅速逸散到周围环境中，所以热水中CO2含量很低．

4 结 语

1)五龙口地热区地下水主要水质类型因温度的不同可分为3 种:①水温大于40 ℃的温热水和热水为Cl·SO4－Na 型;②水温为25 ～40 ℃的温水是热水与冷水混合的产物，水质类型比较复杂，有HCO3·SO4－Ca·Na·Mg 型、HCO3·SO4－Ca·Mg(或Mg ·Ca)型、HCO3·SO4－Ca 型等;③水温小于25 ℃的冷水为HCO3－Ca·Mg 型或HCO3·SO4－Ca·Mg 型．

2)五龙口地热区热矿水有三大特征，分别是:矿化度随着温度的增高而增高;氟和偏硅酸的含量高;重金属等有害物质的含量较高．

3)北部山区大气降水由盘古寺断层带入渗到深部，经径流、深循环加温后，沿着五龙口断层带及伴生的构造裂隙的迎水面上涌，并与围岩中的矿物离子发生交换、转移等化学反应，形成各种水质类型的温水、温热水．其中，锶元素主要来源于寒武—奥陶系海湖相碳酸盐岩;偏硅酸主要来源于硅酸盐矿物;氟主要来源于氟石及一系列含氟矿物;其他普通离子成分也由热水与围岩反应而形成．

［1］何文君，向贤礼，李勇刚，等．贵州新萝热矿水化学特征及其成因分析［J］．地下水，2014，36(5):39 －40．

［2］刘华平，彭森博，李杨． 驻马店—遂平一带地热资源赋存规律研究［J］． 华北水利水电大学学报(自然科学版)，2014，35(6):37 －41．

［3］高晓，景金明，杨书民，等．济源市省庄地热区地质条件及成因分析［J］． 地质找矿论丛，2007，22(3):228－231．

［4］王继华．河南省医疗热矿水资源基本特征［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，潘伟清．饮用天然矿泉水的锶限量指标［J］．广东微量元素科学，2001，8(1):16 －22．