威海市温泉汤温泉形成模式

隋来伦，杜桂林，陈其峰

(1.山东省地质矿产勘查开发局第六地质大队，山东 威海 264200；2.威海市地震监测中心，山东 威海 264200；3.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；4.聊城地震水化试验站，山东 聊城 252000)

0 引言

随着经济发展和人民生活水平的提高，对温泉开发和利用的需求日益增加，温泉在医疗、休闲旅游等方面发挥了越来越重要的作用，加强对温泉的研究显得尤为重要[1-6]。山东半岛地区在大地构造上处于华北板块与扬子板块碰撞结合带,具有较高的大地热流值,温泉资源非常丰富，地热井有250多口，大量的地热资源为山东半岛蓝色经济区建设提供了重要的资源保障[7]。前人对这些温泉做了大量的研究，主要集中在地热水的地热地质特征、控泉构造以及用氢氧同位素特征来研究地热水补给来源等方面[8-10]，为该地区地热的成因机理研究奠定了基础，对本文具有非常重要的指导和借鉴意义。

威海的温泉历史悠久，开发利用可以追溯到宋代，现有温泉9处、地热井30口，开发利用程度比较高的有温泉汤、宝泉汤、洪水岚汤和七里汤等温泉[1]。针对这些温泉的研究主要集中在洪水岚汤温泉成因机制、宝泉汤温泉的成因与地震活动的关系、威海温泉的开发利用和干热岩地热资源赋存条件分析等方面[11-14]，而详细研究温泉汤温泉的论文比较少。本文通过收集温泉汤温泉的地质构造资料，采集水样分析水化学特征和氢氧同位素特征，结合地形地貌调查，综合研究温泉汤温泉的成因，为温泉汤温泉的开发利用提供科学依据。

1 地质构造背景

威海温泉汤温泉在地质构造上位于牟平-即墨断裂带上，牟平-即墨断裂带是胶北地块和苏鲁造山带的分界线，在扬子板块、华北板块(胶北地块)和苏鲁造山带三者相互作用下生热，有利于威海地区浅部地热资源赋存[15-16]。威海温泉汤温泉在地理位置属于胶东半岛东部威海市环翠区，在大地构造上属于胶北地块的胶南-文登复背斜，温泉汤温泉位于河东-温泉汤断裂(F1)、虎山-河西断裂(F2)和刘家台-江家口断裂(F3)交会区附近(图1)，其控泉构造与3条推测断裂共同作用有关。

1—上更新统全新统；2—中更新统；3—燕山期花岗岩；4—元古代花岗岩；5—早元古代-太古代片麻岩；6—正断层；7—逆断层；8—走滑断层；9—推测断层；10—地质界线；11—温泉汤温泉位置图1 温泉汤温泉地质构造图(据王华林等修改)[16]

(1)河东-温泉汤断裂(F1)

该断裂全长7.5km,总体走向40°，倾向SE，倾角大于40°，起始于卫家滩附近，向西南方向经过河东村西和岭西村西,终止于温泉汤附近,断裂东北段发育在胶东群马格村岩组中，西南段发育在鲁家夼岩组和马格村岩组之间。断裂对地形地貌有一定的控制作用，东北段通过低丘和谷地间，西南段对河谷有一定的控制作用，沿断裂出露温泉[16]。

(2)虎山-河西断裂(F2)

该断裂全长3km，断裂走向90°，倾向N，倾角在75°～85°之间，起始于虎山附近,向东终止于河西村附近，断裂主要发育在鲁家夼岩组斜长片麻岩中，在地貌上有一定显示，对东西向河流发育有一定的控制，断裂露头多分布于河流北侧[16]。

(3)刘家台-江家口断裂(F3)

该断裂全长7km，NW向展布，总体走向约320°,倾向SW，倾角80°～85°。由温泉汤开始，向东南方向经过刘家台村东、后亭子村东,到达江家口村后向东南延伸约2km,尖灭于马格村岩组片麻岩中，断裂在微地貌上无明显表现，断裂多被第四系覆盖,仅在江家口西800m处有一露头，分布于鲁家夼岩组斜长片麻岩中,主要表现为强烈的岩石混合岩化作用[16]。

从已有的年代学测试和地质调查,河东-温泉汤断裂、虎山-河西断裂和刘家台-江家口断裂活动时代为早更新世-中更新世，晚更新世以来已经停止活动，在3个断裂的共同作用下，形成了温泉汤温泉[16]。

2 研究方法

水化学方法可以用来分析水质的类型和水岩化学平衡特征，是温泉的成因分析的基础。氢氧同位素方法可以分析温泉水与大气降水的关系，从而了解温泉水的补给源。当然，温泉水成因分析离不开详细的基础地质资料研究和地热地质调查。因此，综合地热水水化学特征和地热地质条件是研究温泉成因的基础。

为了分析温泉汤的成因，本文对温泉汤温泉进行了取样，样品采样瓶使用50mL高密度聚乙烯细颈瓶，采样前使用被采水样清洗采样瓶3次，每个水样至少采集3瓶作为平行样品进行分析。采样瓶装满水样，瓶内无气泡，最后用封口膜封好瓶口。水化学分析由中国地震局预测研究所重点实验室完成，氢氧同位素测试由核工业北京地质研究院分析中心完成，本文水样的分析结果见表1。另外，收集了金秉福等[8]和史猛等[14]测试的数据进行分析。

表1 威海市温泉汤温泉水化学特征

3 温泉水成因模式

在前面地质资料收集和水化学、氢氧同位素测试的基础上，首先利用水化学数据分析了温泉汤温泉水质类型和水岩化学平衡特征，然后根据氢氧同位素特征分析温泉水与大气降水的关系，在此基础上通过地质和地热地质调查，结合温泉水的循环深度确定补给源，在总结热储、盖层、通道、热源的基础上，探讨温泉汤温泉的成因模式。

3.1 温泉水水质类型分析

1—本文的数据；2—金秉福等的数据；3—史猛等的数据图2 温泉水水化学Piper图解[8,14]

3.2 水岩化学平衡特征

目前主要采用Na+-K+-Mg2+三角图解法来分析温泉的水—岩平衡状态[17-21]。在Na+-K+-Mg2+三角图中，由完全平衡线和部分平衡线把三角图分为反应平衡区、局部平衡区和非平衡区3个区域。根据本文的水化学分析数据，按照Na+-K+-Mg2+进行分析(图3)，图中曲线为矿物平衡线，从图3中可以看出，数据基本上分布在Mg2+端部附近，属于不饱和水，水岩作用尚未达到离子平衡状态，水岩作用还在进行，表明温泉汤温泉具有浅层水的特征。

3.3 氢氧稳定同位素特征

环境同位素分析方法已经具备了成熟的理论体系和实验条件，在水文地质研究中得到了广泛应用[22-26]。其中的氢氧同位素分析法是传统水文地球化学方法的有益补充，是研究地壳中水和其他流体起源与迁移的有效示踪方法，它能帮助人们了解和认识地热水的来龙去脉。其原理是，水分子同位素组成不同，水分子质量出现差异，从而导致水体在蒸发和降雨过程中发生氢氧同位素分馏现象[22-26]。威海雨水的δ18O值为-14×10-3，威海雨水的δ2H值为-105×10-3，威海海水的δ18O值为-2.34×10-3，威海海水的δ2H值为-13.8×10-3(表2)，与温泉水的δ18O值和δ2H差别较大，可见，不同水体具有特定的氢氧同位素含量，据此可以判断地下流体的补给来源[13]。根据本文的氢氧稳定同位素测试以及田粟[13]和史猛等[14]的氢氧稳定同位素测试数据来绘图，中国东部大气降水线如图4中直线所示，3个样品的数据位于中国东部大气降水线附近，漂移偏离量很少[14]。结合威海地区的气候条件和地质条件分析，表明温泉汤温泉的主要补给来源是大气降水、地表水和地下水，海水的影响较小。

图3 温泉汤温泉Na+-K+-Mg2+三角图

表2 威海市温泉汤温泉水化学特征

3.4 成因模式分析

通过计算水循环深度、估计补给源，结合地热地质调查，讨论温泉汤温泉的地热成因模式。

3.4.1 温泉水的循环深度估计

温泉汤温泉经过一定深度的热循环作用，如何来估计深部的循环深度，通常采用以下计算公式[13]：

H=(t-t0)/r+h

式中：H为温泉水循环深度(m)；r为地温梯度(℃/100m，参考黄县盆地取22.7m/℃)，t为热储温度，根据田粟利用K-Mg法计算的热储温度取90℃，t0为补给区年平均气温，取值为l2.1℃，h为本地多年常温带深度，参考温泉汤邻近的水温观测井h取25m，计算结果约为1743m，与其他研究者计算的结果相近[13,27-29]。

1—本文的数据；2—田粟(2012)的数据；3—史猛等(2019)的数据图4 水样氢氧同位素与大气降水关系图

3.4.2 温泉水的补给源估计

按照氢氧同位素的高程效应原理,δ2H值随着地下水补给高程的增大而减小[18],根据温泉汤温泉的δ2H值变化来计算地热流体的补给高程,初步推断其可能补给区域,补给高程计算公式如下:

H=(δg-δp)/K+h

式中：H—补给区高程(m);K—区域大气降水δ2H高度梯度；(2.5～2.0)×10-3/100m;δg—温泉水δ2H值(×10-3);δp—地热流体采样点附近大气降水δ2H值(×10-3);h—温泉所在位置的海拔高度(m)。

由于研究区整体海拔相对内陆较低,为25m,该次计算取δ2H值为2.0×10-3/100m,经计算研究区地热流体补给区的高程为225～265m之间,该高程是一个平均高程而非绝对高程，周边地形地貌调查结果显示，南部山区约为240m左右，北部山区相对较低，约为64m左右，可见南部山区是主要的补给源。

3.4.3 温泉水的成因模式

如前所述，温泉汤温泉由于位于华北板块与扬子板块碰撞结合带，与华北板块的其他地区相比较而言，具有较高的大地热流值，山东半岛的温泉普遍分布于早元古-太古代片麻岩中[8]。另外，山东半岛地区的地热田均属于受断裂构造控制的开放式对流型柱状热储地热田类型,温泉汤温泉位于河东-温泉汤断裂、虎山-河西断裂和刘家台-江家口断裂交会处附近，断裂交会形成的柱状破碎带为其主要的导水通道[18]。

根据现场地热地质调查，温泉汤地热田所在的温泉镇驻地是个小型的盆地，四周均为丘陵，大气降水主要从南部山区汇聚到盆地当中，在大地热源的加热下形成温泉热水，运移到地表。上述的水质分析、Na+-K+-Mg2+三角图和氢氧同位素分析显示，温泉汤温泉具有浅层水的特征。结合地质地貌调查，本文绘制了成因模式图，温泉汤温泉主要受浅部大气降水的影响，大气降水通过断裂破碎带在深部进行热交换，然后运移到地表，出露形成温泉(图5)。

1—温泉；2—早元古代-太古代片麻岩；3—第四系松散堆积物；4—断裂带；5—地层分界线；6—大地热流方向；7—温泉水运动方向图5 温泉汤温泉成因模式图

4 结论

(2)Na+-K+-Mg2+三角图分析表明，数据基本上分布在Mg2+端部附近，属于不饱和水，水岩作用尚未达到离子平衡状态，水岩作用还在进行。

(3)氢氧稳定同位素分析方法是一种重要的成因分析方法，温泉汤温泉水测试得到的氢氧同位素值位于中国东部大气降水线附近，分析表明具有浅层水的特征，可见，威海温泉汤温泉受浅部大气降水的影响，温泉水的主要来源是补给来源是大气降水。

(4)通过计算水循环深度、利用氢氧同位素的高程效应原理估计补给源，结合地热地质调查，分析了温泉汤的成因模式。大气降水从温泉汤温泉南部山区汇聚到盆地中，大气降水、地表水、地下水等通过断裂破碎带在深部进行热交换形成温泉热水，然后运移到地表，形成温泉汤温泉，为温泉汤温泉的资源量评价和可持续开发利用提供科学依据。