威海市溫泉湯溫泉形成模式

隋來倫，杜桂林，陳其峰

(1.山東省地質礦產勘查開發局第六地質大隊，山東 威海 264200；2.威海市地震監測中心，山東 威海 264200；3.山東科技大學地球科學與工程學院，山東 青島 266590；4.聊城地震水化試驗站，山東 聊城 252000)

0 引言

隨著經濟發展和人民生活水平的提高，對溫泉開發和利用的需求日益增加，溫泉在醫療、休閑旅游等方面發揮了越來越重要的作用，加強對溫泉的研究顯得尤為重要[1-6]。山東半島地區在大地構造上處于華北板塊與揚子板塊碰撞結合帶,具有較高的大地熱流值,溫泉資源非常豐富，地熱井有250多口，大量的地熱資源為山東半島藍色經濟區建設提供了重要的資源保障[7]。前人對這些溫泉做了大量的研究，主要集中在地熱水的地熱地質特征、控泉構造以及用氫氧同位素特征來研究地熱水補給來源等方面[8-10]，為該地區地熱的成因機理研究奠定了基礎，對本文具有非常重要的指導和借鑒意義。

威海的溫泉歷史悠久，開發利用可以追溯到宋代，現有溫泉9處、地熱井30口，開發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]。針對這些溫泉的研究主要集中在洪水嵐湯溫泉成因機制、寶泉湯溫泉的成因與地震活動的關系、威海溫泉的開發利用和干熱巖地熱資源賦存條件分析等方面[11-14]，而詳細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構造資料，采集水樣分析水化學特征和氫氧同位素特征，結合地形地貌調查，綜合研究溫泉湯溫泉的成因，為溫泉湯溫泉的開發利用提供科學依據。

1 地質構造背景

威海溫泉湯溫泉在地質構造上位于牟平-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，有利于威海地區淺部地熱資源賦存[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翠區，在大地構造上屬于膠北地塊的膠南-文登復背斜，溫泉湯溫泉位于河東-溫泉湯斷裂(F1)、虎山-河西斷裂(F2)和劉家臺-江家口斷裂(F3)交會區附近(圖1)，其控泉構造與3條推測斷裂共同作用有關。

1—上更新統全新統；2—中更新統；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—地質界線；11—溫泉湯溫泉位置圖1 溫泉湯溫泉地質構造圖(據王華林等修改)[16]

(1)河東-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°，起始于衛家灘附近，向西南方向經過河東村西和嶺西村西,終止于溫泉湯附近,斷裂東北段發育在膠東群馬格村巖組中，西南段發育在魯家夼巖組和馬格村巖組之間。斷裂對地形地貌有一定的控制作用，東北段通過低丘和谷地間，西南段對河谷有一定的控制作用，沿斷裂出露溫泉[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，斷裂主要發育在魯家夼巖組斜長片麻巖中，在地貌上有一定顯示，對東西向河流發育有一定的控制，斷裂露頭多分布于河流北側[16]。

(3)劉家臺-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，向東南方向經過劉家臺村東、后亭子村東,到達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，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,主要表現為強烈的巖石混合巖化作用[16]。

從已有的年代學測試和地質調查,河東-溫泉湯斷裂、虎山-河西斷裂和劉家臺-江家口斷裂活動時代為早更新世-中更新世，晚更新世以來已經停止活動，在3個斷裂的共同作用下，形成了溫泉湯溫泉[16]。

2 研究方法

水化學方法可以用來分析水質的類型和水巖化學平衡特征，是溫泉的成因分析的基礎。氫氧同位素方法可以分析溫泉水與大氣降水的關系，從而了解溫泉水的補給源。當然，溫泉水成因分析離不開詳細的基礎地質資料研究和地熱地質調查。因此，綜合地熱水水化學特征和地熱地質條件是研究溫泉成因的基礎。

為了分析溫泉湯的成因，本文對溫泉湯溫泉進行了取樣，樣品采樣瓶使用50mL高密度聚乙烯細頸瓶，采樣前使用被采水樣清洗采樣瓶3次，每個水樣至少采集3瓶作為平行樣品進行分析。采樣瓶裝滿水樣，瓶內無氣泡，最后用封口膜封好瓶口。水化學分析由中國地震局預測研究所重點實驗室完成，氫氧同位素測試由核工業北京地質研究院分析中心完成，本文水樣的分析結果見表1。另外，收集了金秉福等[8]和史猛等[14]測試的數據進行分析。

表1 威海市溫泉湯溫泉水化學特征

3 溫泉水成因模式

在前面地質資料收集和水化學、氫氧同位素測試的基礎上，首先利用水化學數據分析了溫泉湯溫泉水質類型和水巖化學平衡特征，然后根據氫氧同位素特征分析溫泉水與大氣降水的關系，在此基礎上通過地質和地熱地質調查，結合溫泉水的循環深度確定補給源，在總結熱儲、蓋層、通道、熱源的基礎上，探討溫泉湯溫泉的成因模式。

3.1 溫泉水水質類型分析

1—本文的數據；2—金秉福等的數據；3—史猛等的數據圖2 溫泉水水化學Piper圖解[8,14]

3.2 水巖化學平衡特征

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[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平衡區、局部平衡區和非平衡區3個區域。根據本文的水化學分析數據，按照Na+-K+-Mg2+進行分析(圖3)，圖中曲線為礦物平衡線，從圖3中可以看出，數據基本上分布在Mg2+端部附近，屬于不飽和水，水巖作用尚未達到離子平衡狀態，水巖作用還在進行，表明溫泉湯溫泉具有淺層水的特征。

3.3 氫氧穩定同位素特征

環境同位素分析方法已經具備了成熟的理論體系和實驗條件，在水文地質研究中得到了廣泛應用[22-26]。其中的氫氧同位素分析法是傳統水文地球化學方法的有益補充，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識地熱水的來龍去脈。其原理是，水分子同位素組成不同，水分子質量出現差異，從而導致水體在蒸發和降雨過程中發生氫氧同位素分餾現象[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，據此可以判斷地下流體的補給來源[13]。根據本文的氫氧穩定同位素測試以及田粟[13]和史猛等[14]的氫氧穩定同位素測試數據來繪圖，中國東部大氣降水線如圖4中直線所示，3個樣品的數據位于中國東部大氣降水線附近，漂移偏離量很少[14]。結合威海地區的氣候條件和地質條件分析，表明溫泉湯溫泉的主要補給來源是大氣降水、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特征

3.4 成因模式分析

通過計算水循環深度、估計補給源，結合地熱地質調查，討論溫泉湯溫泉的地熱成因模式。

3.4.1 溫泉水的循環深度估計

溫泉湯溫泉經過一定深度的熱循環作用，如何來估計深部的循環深度，通常采用以下計算公式[13]：

H=(t-t0)/r+h

式中：H為溫泉水循環深度(m)；r為地溫梯度(℃/100m，參考黃縣盆地取22.7m/℃)，t為熱儲溫度，根據田粟利用K-Mg法計算的熱儲溫度取90℃，t0為補給區年平均氣溫，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，計算結果約為1743m，與其他研究者計算的結果相近[13,27-29]。

1—本文的數據；2—田粟(2012)的數據；3—史猛等(2019)的數據圖4 水樣氫氧同位素與大氣降水關系圖

3.4.2 溫泉水的補給源估計

按照氫氧同位素的高程效應原理,δ2H值隨著地下水補給高程的增大而減小[18],根據溫泉湯溫泉的δ2H值變化來計算地熱流體的補給高程,初步推斷其可能補給區域,補給高程計算公式如下:

H=(δg-δp)/K+h

式中：H—補給區高程(m);K—區域大氣降水δ2H高度梯度；(2.5～2.0)×10-3/100m;δg—溫泉水δ2H值(×10-3);δp—地熱流體采樣點附近大氣降水δ2H值(×10-3);h—溫泉所在位置的海拔高度(m)。

由于研究區整體海拔相對內陸較低,為25m,該次計算取δ2H值為2.0×10-3/100m,經計算研究區地熱流體補給區的高程為225～265m之間,該高程是一個平均高程而非絕對高程，周邊地形地貌調查結果顯示，南部山區約為240m左右，北部山區相對較低，約為64m左右，可見南部山區是主要的補給源。

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子板塊碰撞結合帶，與華北板塊的其他地區相比較而言，具有較高的大地熱流值，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，山東半島地區的地熱田均屬于受斷裂構造控制的開放式對流型柱狀熱儲地熱田類型,溫泉湯溫泉位于河東-溫泉湯斷裂、虎山-河西斷裂和劉家臺-江家口斷裂交會處附近，斷裂交會形成的柱狀破碎帶為其主要的導水通道[18]。

根據現場地熱地質調查，溫泉湯地熱田所在的溫泉鎮駐地是個小型的盆地，四周均為丘陵，大氣降水主要從南部山區匯聚到盆地當中，在大地熱源的加熱下形成溫泉熱水，運移到地表。上述的水質分析、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。結合地質地貌調查，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行熱交換，然后運移到地表，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—大地熱流方向；7—溫泉水運動方向圖5 溫泉湯溫泉成因模式圖

4 結論

(2)Na+-K+-Mg2+三角圖分析表明，數據基本上分布在Mg2+端部附近，屬于不飽和水，水巖作用尚未達到離子平衡狀態，水巖作用還在進行。

(3)氫氧穩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給來源是大氣降水。

(4)通過計算水循環深度、利用氫氧同位素的高程效應原理估計補給源，結合地熱地質調查，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行熱交換形成溫泉熱水，然后運移到地表，形成溫泉湯溫泉，為溫泉湯溫泉的資源量評價和可持續開發利用提供科學依據。