新疆塔什库尔干断裂带温泉环境地球化学特征

庄思蝶,周晓成,李鹏飞,史浙明,赛买尔那吉·喀依木, 朱成英，颜玉聪

(1. 中国地质大学(北京) 水资源与环境学院，北京 100083; 2. 中国地震局地震预测研究所 高压物理与地震科学联合实验室(中国地震局地震预测重点实验室)，北京 100036; 3. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083; 4. 新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

0 引 言

人类活动的主要水源包括地下水、河流、水坝、池塘、人工挖掘的井和泉水，然而人口的持续增长导致地下水大量枯竭、地表水污染和气候变化，淡水供应的可持续性受到严重威胁。温泉作为一种宝贵的地下热水资源，是一种可再生的清洁绿色能源，具有开发利用安全、稳定、清洁、高效的特点。温泉水中含有的特殊矿物组分具有防病治病等人体特殊功效，对人体健康具有很高的理(医)疗价值。尤其在干旱和半干旱地区，泉水被作为饮用、农业和家庭用水的主要来源，但水资源有限和长期平均降水量的减少使得优质水资源紧缺现象更加突出。因此，非常有必要研究温泉水化学特征，进行温泉环境评价。

自1965年Horton首次提出综合水质指数(Water Quality Index,WQI)后，不同计算方式的WQI指数在世界不同地区得以应用。WQI指数是以特定用途和标准相关的各种水质参数为基础，反映某一区域水质的总体效果评级。WQI指数如今被广泛应用于地下水体的水质评价。例如，印度很多地区利用WQI指数对温泉水质和人体健康的影响进行评估，确定部分温泉水饮用的适宜性，为当地泉水用于工业或农业灌溉提供可行性建议；又如克什米尔河谷巴拉穆拉县和尼泊尔Jhimruk河流域针对泉水的污染威胁和气候变化对喜马拉雅生态系统的影响，利用WQI指数判定绝大多数泉水的水质属于优质至良好类别，对于人体健康和生态不构成危害，为该区域泉水资源保护提供了依据。此外，在伊拉克库尔斯坦地区部分村庄、尼日利亚东部Ojoto省、土耳其安卡拉瓦盆地和斯里兰卡东部等水资源紧缺的干旱地区，WQI指数都为当地水资源的紧缺和污染情况以及生态和健康风险提供了科学用水依据。

GF为公格尔拉张系；KKF为喀喇昆仑走滑断裂；KXF为喀拉喀什断裂；MPT为主帕米尔逆冲断裂；PFT为帕米尔前缘褶皱-逆冲断层带；TSF为塔什库尔干正断层图1 新疆塔什库尔干断裂带温泉采样点位置Fig.1 Location of Sampling Points of Hot Springs in Tashkurgan Fault Zone of Xinjiang

新疆塔什库尔干断裂带处于帕米尔高原西昆仑构造结的重要转折部位，同时也是“一带一路”倡议重点发展区域(图1)。国内学者应用水文地球化学方法对新疆塔什库尔干断裂带地热地质构造条件及特点、地热资源成因机理和热储存量方面已经做出较为详细的研究，但由于地理条件艰苦(平均海拔大于3.5 km)，当地温泉开发利用程度较低，居民大多将天然出露的温泉直接作为生活和农业用水，缺乏符合国家标准的水质评价。因此，本文根据国家标准《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)规定的Ⅲ类标准。对新疆塔什库尔干断裂带温泉进行水质评价，并应用WQI指数等水文地球化学指标分析水化学特征，阐明形成机理，为当地温泉资源的合理利用提供科学依据，以期对当地经济建设和居民生活水平改善起到促进作用。

1 研究区概况

塔什库尔干断裂带位于青藏高原西北部，属于帕米尔构造区中东部喀喇昆仑构造带内，是青藏高原西部犄角构造活动最为强烈的地区之一。塔什库尔干断裂带总体走向为NNW向，全长约190 km，由多条次级断层右阶斜列组合而成，以右行走滑为主要运动特征，为一条全新世活动断裂，控制着木吉至塔什库尔干5个断陷谷地的形成和演化，呈向青藏高原逐渐增高的SN向带状变化趋势。研究区及其外围地层发育元古界(Pt)片麻岩、片岩、大理岩和石英岩，分布较广，是热储围岩的组成岩性，地层热蚀变现象普遍。侏罗系(J)和新近系(N)灰色碳酸盐岩及碎屑岩沉积主要岩性为泥岩、砂岩和砾岩，透水条件差，覆盖在热储上部，具备良好的盖层条件。第四系(Q)岩性为砂砾石，透水性和富水条件较好，喜山期侵入岩(γ、ξ)为花岗岩和正长岩，为高产热岩体；该套侵入岩富含U、Th、K等长寿命放射性同位素，是研究区热水主要的热量来源，发育在塔什库尔干谷地西侧的广大山区。

研究区纬度范围为37.26°N～38.03°N，经度范围为75.13°E～75.86°E，位于新疆维吾尔自治区塔什库尔干塔吉克自治县和阿克陶县(图1)。该区域人口稀少，无工厂、农田和生活污染物排放。根据塔什库尔干气象站资料，该区属于帕米尔高原高寒气候区，日照时间长，多年平均气温3.3 ℃，平均地温7.9 ℃，温度变化剧烈导致蒸发强烈，多年平均降雨68.9 mm，最大蒸发量达2 629.0 mm，当地河流主要为冰川融水和大气降水补给。

2 样品采集、检测和评价方法

2.1 样品采集和检测方法

本次实验数据来自2018年9月在新疆维吾尔自治区塔什库尔干塔吉克自治县和阿克陶县沿塔什库尔干断裂带的天然温泉露头采集的6个温泉(公格尔、塔合曼、达布达尔、马尔洋、瓦恰、拜什库尔干)水样，共检测了12种离子和30种元素成分。样品收集后在30 d内完成检测，水化学检测的详细数据列于表1和表2。

温泉水样采用容量为250 mL的聚乙烯塑料瓶进行收集。在天然温泉露头处，用待采集的温泉水润洗取样瓶3、4次；润洗后的水不要倒回泉水中，防止造成人为误差；野外采集水样时，尽量紧临温泉在地表的出露源头。为保证温泉水样不受空气的影响，从水样收集开始至封闭瓶口结束，需要始终保持采样瓶的瓶口完全浸没于水面以下。向用于检测阳离子的采样瓶中加入分析纯级的HNO溶液，直至水样的pH值小于2；向用于检测SiO的采样瓶中加入超纯水稀释10倍，目的在于防止水中微生物的分解作用和产生沉淀；漂浮物及泉水中的固体物质不属于悬浮物，采样时应当避免。将采集的水样放置于实验室4 ℃环境中保存直至分析。温泉水化学参数中的温度、电导率、pH值采用Wagtech CP1000便携式水质测试套件设备在野外检测，温度和电导率传感器探头的测量精度分别为0.1 ℃、1.0 μs·cm，pH值精确度为0.01。

(1)

式中：()表示阳离子的浓度；()表示阴离子的浓度；阴、阳离子的测量误差均小于5%。

氢氧同位素分析采用气体同位素质谱仪(MAT253)，δD分析精度优于±1‰，δO分析精度优于±0.2‰。As、Hg、Se等3种微量元素采用ASF2202原子荧光光度计测量，锶同位素Sr/Sr值采用Phoenix热表面电离质谱仪测定，误差范围为(1.5～1.9)×10，SiO浓度检测仪器为电感耦合等离子体发射光谱仪(Optima-5300DV)。

表1 温泉水样主量元素水化学参数统计结果

2.2 样品评价方法

地下水质量的综合评价是地下水资源保护和管理中不可缺少的部分，也是采取相应防御措施及制定科学有效治理方案的必要前提。综合水质指数(WQI)提供了一个有效的地下水质量评价综合模型，将大量水质数据指标表示为一个单一的数字，最早由Horton于1965年开发。WQI指数可以用于评估多种有害元素对生态系统的总体影响，被广泛应用于地表水和地下水的水质评价。WQI指数()权重公式为

(2)

式中：是水中检测到的第种参评元素浓度；是第种参评元素的水质标准极限值；为参评元素数量。

WQI指数包括4类：1类(几乎未受污染)，≤1；2类(轻度污染)，1<≤2；3类(中度污染)，2<≤3；4类(重度污染)，>3。此外，为了消除个别元素因空间分布异常影响总体评价结果，将参评元素在采样点的浓度应用单因子水质指数分别做出评价，以便于突出单一元素对总体结果的贡献。单因子水质指数根据水环境功能区将其分为Ⅰ～Ⅴ类污染等级，污染程度随等级指示递增，具体评价方法参考文献[44]和[45]。本次主量和微量元素水质评价均参照国家标准《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)规定的Ⅲ类标准。Ⅲ类标准的含义为地下水化学组分含量中等，主要适用于集中式饮用水水源及工农业用水。本文按照“从优不从劣”的评价原则，选择标准水质下限值。

3 结果分析

3.1 水化学离子特征

水样微量元素浓度较低，但个别温泉水样Li、Sr、B浓度出现高值：达布达尔温泉水样Li浓度为2 249.00 μg·L，Sr浓度为2 061.00 μg·L，B浓度为5 133.00 μg·L；马尔洋温泉水样Sr浓度为4 308.00 μg·L；公格尔温泉水样B浓度为5 049.00 μg·L。Hg、Se浓度很低，均在检测限以下(表2)。

表2 温泉水样微量元素浓度分析结果

3.2 水质评价结果

3.2.1 主量元素

主量元素水质评价结果表明，本次采集的温泉水样均不适合作为生活饮用水和农业用水。溶解性总固体普遍偏高，达布达尔温泉和马尔洋温泉水样为微咸水，且达布达尔温泉水样pH值为9.08，超出《生活饮用水卫生标准》规定的Ⅲ类标准(pH值为6.5～8.5)。值得注意的是，温泉水样氟化物均超标，长期饮用会对人体造成潜在危害(表3)。

3.2.2 微量元素

选取温泉水样中的20种与人体健康密切相关的微量元素，采用WQI指数进行环境水质评价，评价结果见图2。大多数温泉水样WQI指数均在3类以下，但部分元素存在空间异常，WQI指数在1类到3类之间。

图2 WQI指数风险评价图Fig.2 Risk Assessment Chart of WQI Index

公格尔、瓦恰和拜什库尔干温泉水样As浓度均超出《生活饮用水卫生标准》规定的Ⅲ类标准(As浓度为10 μg·L)，其中公格尔和拜什库尔干温泉水样分别达到235.00 μg·L和51.40 μg·L，分别超标23倍和5倍。所有水样Hg和Pb浓度均在Ⅲ类标准(Hg和Pb浓度分别为1 μg·L和10 μg·L)以内，说明这两种元素对研究区居民饮水不构成危害。公格尔和达布达尔温泉水样B浓度超出Ⅲ类标准(B浓度为500 μg·L)10倍以上，分别为5 049.00 μg·L和5 133.00 μg·L。仅有达布达尔温泉水样Ti浓度超过Ⅲ类标准(Ti浓度为0.1 μg·L)，为0.44 μg·L,其余各水样均在Ⅲ类标准以内。公格尔温泉水样Sb浓度超出Ⅲ类标准(Sb浓度为5 μg·L)，为16.9 μg·L。除以上元素外，其余微量元素浓度均在Ⅲ类标准以内。

4 讨 论

4.1 温泉水的主要来源

研究温泉水氢氧同位素特征可以判断补给来源和计算补给高程，确定补给条件与大气降水、地下水之间的联系程度，进而了解温泉水的循环途径和演化历史。根据新疆塔什库尔干断裂地理位置，采用新疆大气降水线(D)=7.3(O)+3.5近似代表当地大气降水线，并与全球大气降水线(D)=8(O)+10进行比较(图3)。其中，(D)为δD值；(O)为O值。从图3可以看出，采样点基本都分布在新疆大气降水线附近，表明温泉水补给来源为当地大气降水。

图3 温泉水样δD-δ18O图解Fig.3 Diagram of δD-δ18O of Hot Spring Samples

温泉水样δO漂移现象不明显，推断为蒸发作用所致。因为研究区处于高原干旱—半干旱气候，蒸发量较大，远离海洋，离岸效应对大气降水线的偏离影响微弱。马尔洋温泉分布在大气降水线左侧，热水中可能存在断裂带深部CO的加入或冰川融雪补给。大气降水的同位素效应与温度、纬度、离岸远近、区域和高程等因素有着密切关系，因此，根据δD、δO值与高程的关系可以计算地下热水的补给区高程()。其表达式为

=((G)-(P))/+

(3)

表3 温泉水样主量元素水质评价结果

式中：(G)为水样的δD值或δO值；(P)为大气降水的δD值或δO值；为取样点标高；为大气降水氢或氧同位素梯度，采用全球平均值(每百米-0.25‰)；大气降水氢氧同位素组成采用新疆和田地区大气降水同位素加权平均值，δD值为-41‰，δO值为-6.4‰。

根据式(3)计算塔什库尔干地区地下热水的补给高程见表1。平均补给高程相对较高，大于4.7 km。除马尔洋温泉外，大部分温泉水样位于全球大气降水线下方，这与塔什库尔干地区高原干旱—半干旱气候导致蒸发作用强烈的特点相吻合，且研究区温泉水样γNa/γCl值大于1，γCl/γBr值大于300，属于循环型地下热水，再次说明补给来源为大气降水。

4.2 温泉水中主量和微量元素的来源

4.2.1 主量元素来源

研究区水岩反应主要由碳酸盐岩和硅酸盐岩地层的溶滤作用主导。温泉水沿着裂隙上升过程中，受围岩溶滤作用或不同程度未饱和冷水混合影响，会导致主要离子水化学类型的改变。利用舒卡列夫分类法进行分类，温泉水化学类型主要有HCO-Ca、HCO-Na、SO-Na等3种，总体水化学特征简单，大多数离子与温度、溶解性总固体成正相关关系。

xmeq(·)为离子毫克当量百分数图4 温泉水样水化学Piper图Fig.4 Piper Diagram of Hydrogrochemistry of Hot Spring Samples

4.2.2 微量元素来源

微量元素在天然水中的浓度很低，自然水域(如河流和湖泊)中为1 mg·L，但是重金属和有毒元素(如As和Hg)对于人类健康起着重要影响。研究区温泉大多数微量元素浓度较低，仅少量元素呈现高值。为了判断研究区温泉水微量元素的来源，常用富集因子(EF)定性比较。其计算方法为

=()/()

(4)

式中：为元素的富集因子；为选定的参比元素的浓度；为样品中元素的浓度；下标w表示水样；下标r表示岩石。

采用塔什库尔干地区微量元素浓度平均值作为参考背景，使用Ti浓度对微量元素浓度进行归一化处理，计算得到研究区微量元素富集因子(图5)。从图5可以看出，塔什库尔干地区温泉水中Sr、Al明显富集，Ba、Fe、B相对富集，元素亏损现象不明显。

图5 温泉水样富集因子分布Fig.5 Distribution of Enrichment Coefficient of Hot Spring Samples

区域深大断裂带循环型温泉中的微量元素浓度特征与该地区岩石地球化学背景值、元素物化特性、地下含水层物理化学条件以及水岩相互作用等密切相关。Sr和Ba属于大离子亲石元素，往往与生热元素Th、U共同富集，采样点区域分布元古界角闪岩、斜长石片麻岩，且伴有喜山期花岗岩和正长岩侵入，大量角闪石在富水条件下分离结晶后导致SiO浓度升高，使角闪石变质杂岩基底呈现出富集Ba的特点。Cu、Zn以及其他重金属硫化物矿物通常与Hg、Pb一起沉积，由于温泉水在上升过程中和浅部含水层的冷水发生混合作用，此类重金属元素析出沉淀，所以富集因子分布图(图5)中没有出现此类离子的明显富集。过渡元素Fe浓度偏高，平均值为6.00 μg·L，研究区碱性正长岩源区存在的富铁岩石圈地幔岩浆和富镁铝软流圈地幔岩浆混合，发生地幔交代作用，从而引起部分熔融。富霓辉石和金云母矿物也是该类碱性源区固有特征，成为Fe富集的主要物质来源。

B平均浓度高达2 095.00 μg·L。由于亲石的活泼化学性质，B在岩浆喷气和温泉水溶滤作用以及其他各成岩阶段均可参与，变质岩体中的角闪石斜长片麻岩赋存大量硼铁矿物质和硼镁矿物。B由于化学性质活泼且与放射性元素Th、U等紧密共生，在水岩反应过程中，当温度、pH值、氧化-还原电位等水文地球化学条件改变时，易以硼酸盐的形式经溶滤作用通过水岩交换进入热水系统中，导致研究区B浓度普遍偏高。

As是无色无味的非金属元素，已被证实在非常低的浓度(10 μg·L)下有毒。公格尔温泉水样As超出饮用水标准23倍，浓度达到235.00 μg·L，拜什库尔干温泉为51.40 μg·L，超标5倍。天然热泉中的As主要来源于含砷硫化物的氧化，当温泉沿断裂带上升至浅部含水层直至出露到地表后，在O的参与下由还原环境转变为氧化环境，区内变质片麻岩中富砷黄铁矿的As进入到水体中并产生大量Fe，导致该区域部分温泉的As浓度高于标准值。

此外，Sr浓度在研究区温泉采样点之间相差较大，最高差值达47.3倍。作为水岩相互作用过程中的有力天然示踪剂，将温泉水样中的锶同位素比值与不同来源锶同位素标准值作比较，所有温泉点锶同位素比值均在碳酸盐岩与壳源硅铝质来源之间(图6)。塔合曼、马尔洋和拜什库尔干温泉水样Sr/Sr值接近现代海水平均值，围岩主要为侏罗系和新近系碳酸盐岩沉积物，说明地热流体在大气降水深循环过程中与壳源深部富集Sr的岩石相互作用形成。公格尔温泉水样Sr/Sr值接近于碳酸盐岩来源Sr/Sr平均值，在热水循环过程中主要受到元古界变质围岩的溶滤作用的影响。

87Sr/86Sr平均值参照线引自文献[3]图6 温泉水样m(Sr)-87Sr/86Sr图解Fig.6 Relationship Between Strontium Concentration and Strontium Isotope of Hot Spring Samples

前人研究认为，过滤后水样的元素浓度尽管与真实值相似，但仍然会被低估，当温泉的pH值和氧化-还原电位变为碱性时，有害微量元素会重新回到水体中，进一步威胁人类健康。因此，研究区富集的微量元素B、As、Sr浓度可能会比水样测得浓度更高，从而对人体危害可能更大。

4.3 温泉水的循环深度

循环深度是控制主量元素和微量元素的重要因素。塔什库尔干断裂带属于区域控热控水断裂带，为温泉提供了良好的热储通道。大气降水经过入渗补给后，在地下深部循环加热上升至地表形成热水，计算热储温度和循环深度可以更好地了解温泉水岩反应程度和循环途径。根据Na-K-Mg三角图解判断所有温泉水样均分布在水岩反应的完全平衡线以下(图7)，说明所有水样经历了浅层冷水的混合作用，导致热储系统内部矿物未达到平衡。采用石英-无蒸汽损失SiO地热温标(<300 ℃，符合精度需求)计算热储温度和热水循环深度。热储温度()计算式为

(5)

w(·)为元素质量分数图7 温泉水样Na-K-Mg三角图解Fig.7 Na-K-Mg Triangle Plot of Hot Spring Samples

SiO平均浓度为34.50 mg·L，平均温度为41.6 ℃，计算得出温泉热储温度为63.4 ℃～105.4 ℃。主要热量来源于侵入高热花岗岩、正长岩与其内部的放射性同位素。循环深度()计算式为

=(-)+

(6)

式中：为研究区平均气温，取多年平均气温3.3 ℃；为地温梯度，取每百米5.59 ℃；为常温带深度，取20 m。

根据式(6)计算得出研究区热水循环深度为1.4～2.1 km，平均循环深度为1.7 km，计算结果见表5。

表5 温泉水样热储温度和循环深度计算结果

总体上看，塔什库尔干断裂带温泉来源于当地大气降水，入渗地表后沿断裂带进入含水层，通过溶滤作用与围岩进行离子交换，深部加热后在压力差和密度差的作用下上涌至地表形成天然泉水露头。由于泉水在上升过程中被浅部冷水混合，导致流体内部系统并未达到平衡。

4.4 温泉利用建议

根据研究区水样基本化学组分和微量元素浓度分析结果，除瓦恰温泉外，其他温泉根据《地热资源地质勘查规范》规定的F浓度标准(2 mg·L)可以命名为氟水，属氟理疗热矿水；WQI指数表明，研究区温泉总体水质介于1类至3类之间，整体水质较为原始，受人类活动影响小，温泉溶解性总固体普遍偏高，其中达布达尔和马尔洋温泉为微咸水。各温泉中的 Li、B、As、Sb、Ti、Mn、Be浓度出现不同程度的超标情况，F浓度则均超出《地下水质量标准》规定的Ⅲ类标准，浓度为标准值上限的几倍，不宜直接作为生活用水以及农业用水。

根据温泉温度、酸碱度和人体所需的微量元素进行分析，塔合曼、达布达尔、马尔洋温泉的天然露头温度超过42 ℃，能刺激交感神经使人精神放松，同时增加能量消耗，可以用来辅助治疗没有并发症的糖尿病患者及肥胖人群，且对代偿不全的心脏病患者具有良好的理疗作用。按照热泉资源的温度分级，公格尔、塔合曼、瓦恰和拜什库尔干温泉的热储温度符合《地热资源地质勘查规范》规定的低温热泉标准(60 ℃～90 ℃)，达布达尔和马尔洋温泉符合中温热泉标准(90 ℃～150 ℃)，所有温泉均可以用作洗浴、采暖；达布达尔、马尔洋温泉还可用作发电。

天然泉水含有的多种微量元素对于人体具有特定的医疗价值和健康意义。在研究区温泉微量组分中，F、B、Li浓度达到对人体健康有益标准。达布达尔温泉水样Li浓度为2.33 mg·L，超过《地热资源地质勘查规范》规定的有医疗价值浓度(1 mg·L)；所有温泉F浓度均达到有医疗价值浓度(1 mg·L)；公格尔、达布达尔和拜什库尔干温泉水样B浓度超过有医疗价值浓度(1.2 mg·L)，且公格尔和达布达尔温泉达到《地热资源地质勘查规范》规定的B浓度标准(5 mg·L)。

温泉水中携带Li、Fe、F等特征离子组分对人体具有保健理疗等特殊功效，但部分温泉中B、As等有害元素浓度超标，在温泉水的开发利用中应当引起注意。研究区整体水质较为原始，周围目前没有工厂和人为排泄污染源，建议在开发利用温泉时采取管理措施来保持和提高水质。

5 结 语

(2)塔什库尔干断裂带温泉热储温度为63.4 ℃～105.4 ℃，循环深度为1.1～1.8 km，属于区域热控断裂中的循环型温泉。温泉水样的锶同位素比值为0.708 779～0.717 837，平均值为0.712 335，均在碳酸盐岩与壳源硅铝质来源之间，说明研究区温泉水主要来自于壳源物质，地热流体在大气降水深循环过程中与壳源富锶岩石相互作用形成。温泉的补给来源主要为大气降水，补给高程为4.3～5.6 km。氢氧同位素分析结果表明，研究区温泉水具有高原干旱—半干旱气候下的蒸发作用特征。

(3)主量元素水质评价结果表明，本次采集的温泉水样均不适合直接作为生活饮用水和农业用水，所有温泉水样的F浓度均超出《地下水质量标准》规定的Ⅲ类标准，浓度为标准值上限的几倍。微量元素水质WQI指数显示温泉水样共有6种元素超出标准值，分别为Be、Sb、Ti、B、Mn、As；其余微量元素浓度在Ⅰ类至Ⅲ类水质之间，浓度未超出《生活饮用水卫生标准》，WQI指数表明温泉总体水质介于1类至3类之间，整体水质较为原始，受人类活动影响小，但公格尔和马尔洋温泉中的B和As浓度出现高值。部分温泉水Li、Fe、F浓度及温度达到了《地热资源地质勘查规范》规定的医疗热泉标准，具有理疗和保健功效。