河北北部四处温泉的水化学特征及成因分析

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.004

现代地质 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (02): 494-506.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2022.004

河北北部四处温泉的水化学特征及成因分析

王艺璇¹(), 周训¹^,²(), 陈梦颖¹, 马静茹¹, 海阔¹, 肖萌¹, 尚子琦¹, 张颖¹, 余鸣潇¹

1. 中国地质大学(北京) 水资源与环境学院,北京 100083
2. 中国地质大学(北京) 地下水循环与环境演化教育部重点实验室,北京 100083

收稿日期:2021-11-18 修回日期:2022-02-22 出版日期:2022-04-10 发布日期:2022-06-01
通讯作者: 周训
作者简介:周训,男,教授,博士生导师,1963年出生,水文地质学专业,从事地下热水(温泉)、海岸带地下水、地下卤水(盐泉)、矿泉水、地下水循环及其模拟等研究工作。Email: zhouxun@cugb.edu.cn。
王艺璇,女,硕士研究生,1998年出生,水文地质学专业,从事水文地质学等研究工作。Email: 18810819709@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(42172269);国家自然科学基金项目(41772261)

Hydrochemical Characteristics and Formation of Four Hot Springs in Northern Hebei

WANG Yixuan¹(), ZHOU Xun¹^,²(), CHEN Mengying¹, MA Jingru¹, HAI Kuo¹, XIAO Meng¹, SHANG Ziqi¹, ZHANG Ying¹, YU Mingxiao¹

1. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. MOE Key Laboratory of Groundwater Circulation and Environmental Evolution, China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Received:2021-11-18 Revised:2022-02-22 Online:2022-04-10 Published:2022-06-01
Contact: ZHOU Xun

摘要/Abstract

摘要：

以河北北部承德地区的4处温泉,漠河沟温泉(A10)、三道营温泉(A11)、山湾子温泉(A12)和北大坝温泉(A13)为研究对象,根据2010年与2018年的温泉水样测试数据,分析温泉的水化学特征,并总结其成因模式。研究区出露地层主要有中新元古界、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和新近系以及第四系,并伴随有大量侵入岩岩体。温泉的出露温度为36~75 ℃,pH值为7.2~8.2,TDS均小于1 g/L。研究区温泉阳离子均以Na⁺占绝对优势,毫克当量百分数在90%以上,阴离子主要以HC $O 3 -$ 和S $O 4 2 -$ 为主,4处温泉的水化学类型分别为SO₄·HCO₃-Na型、HCO₃·SO₄-Na型、HCO₃-Na型和SO₄·HCO₃-Na型,且温泉的偏硅酸和F^-含量高。研究区温泉稀土元素总含量(∑REEs)为0.030~15.525 μg/L,主要以碳酸盐络合物和F的络合物形式存在;地下热水的稀土元素球粒陨石标准化配分模式较为平缓,轻稀土元素略显富集。研究区温泉水补给主要源于大气降水,利用 SiO₂ 温标估算的温泉地下热储温度为85~125 ℃,地下热水经深循环后通过接触带、破碎带或导水断裂上升出露地表。

关键词: 温泉, 稀土元素, 同位素, 热储温度, 河北

Abstract:

This study examined four hot springs in northern Hebei, namely Mohegou (A10), Sandaoying (A11), Shanwanzi (A12) and Beidaba (A13). Through analyzing hot-spring water samples in 2010 and 2018, we unravel the hydrochemical characteristics of the springs and elucidate their formation. Local stratigraphy comprises mainly the Mesoproterozoic, Permian, Triassic, Jurassic, Cretaceous, Neogene and Quaternary sequences, with large number of plutonic units. The hot spring temperatures range from 26 to 75 ℃, and the pH and TDS is 7.2-8.2 and < 1 g/L, respectively. The cations of the local hot springs are dominated (> 90%) by Na⁺, whilst the anions are dominated by HC $O 3 -$ and S $O 4 2 -$ . The hydrochemical types of the four hot springs are of SO₄·HCO₃-Na, HCO₃·SO₄-Na, HCO₃-Na and SO₄·HCO₃-Na type. The local hot springs have generally high H₂SiO₃ and F^- concentrations, and their total REE contents range from 0.030 to 15.525 μg/L, existing mainly as carbonate and fluorine complexes. The chondrite-normalized REE patterns of the hot water samples are relatively gentle with LREE enrichment. The local hot springs are mainly recharged by atmospheric precipitation, and the geothermal reservoir temperatures are estimated to be 85-125 ℃ with the SiO₂ geothermometer. The thermal groundwater may have undergone deep circulation, rises along the contact zone, fracture zones and faults, and emerges as hot springs on the land surface.

Key words: hot spring, rare earth element, isotope, geothermal reservoir temperature, Hebei

中图分类号:

P641.3

王艺璇, 周训, 陈梦颖, 马静茹, 海阔, 肖萌, 尚子琦, 张颖, 余鸣潇. 河北北部四处温泉的水化学特征及成因分析[J]. 现代地质, 2022, 36(02): 494-506.

WANG Yixuan, ZHOU Xun, CHEN Mengying, MA Jingru, HAI Kuo, XIAO Meng, SHANG Ziqi, ZHANG Ying, YU Mingxiao. Hydrochemical Characteristics and Formation of Four Hot Springs in Northern Hebei[J]. Geoscience, 2022, 36(02): 494-506.

图/表 15

图1 研究区及其周边地质简图(据“中国陆域1:25万分幅建造构造图空间数据库”[12]修改) 1.第四系;2.新近系;3.白垩系;4.侏罗系;5.三叠系;6.二叠系;7.石炭系;8.奥陶系;9.寒武系;10.青白口系;11.蓟县系;12.长城系;13.红旗膏子群;14.太古宇;15.混合花岗岩;16.各期侵入岩;17.次火山岩;18.第四纪砂砾石;19.白垩纪凝灰岩、粉砂岩;20.侏罗纪凝灰岩;21.二叠纪凝灰岩、泥岩;22.花岗岩;23.安山岩;24.玄武岩;25.平行不整合、角度不整合;26.地层界线;27.断层;28.温泉;A10.漠河沟温泉;A11.三道营温泉;A12.山湾子温泉;A13.北大坝温泉

Fig.1 Simplified geological map of the study area and surroundings(modified after Spatial Database of Serial Suite-Tectonic Map-sheets of Mainland China(1:250,000)[12])

表1 研究区温泉出露情况

Table 1 Summary of exposed hot springs in the study area

温泉名称	地理位置	地形地貌	温度/℃	流量/(L/s)	高程/m	主要用途
漠河沟温泉(A10)	隆化县郭家屯镇漠河村	山地峡谷地形	49~52	1.2~1.8	897	洗浴
三道营温泉(A11)	隆化县汤泉沟三道营村	河岸边缘的箱型沟谷	76~80	1.8~20.0	967	疗养
山湾子温泉(A12)	围场县山湾子乡热水汤村	剧烈上升侵蚀生成的中山地形	74~82	1.5~5.0	1 077	洗浴
北大坝温泉(A13)	隆化县唐三营镇北大坝村	水库下游地区,侵蚀构造中山区	35.0~35.5	10	751	洗浴

图2 研究区温泉水样Piper图

Fig.2 Piper diagram of hot spring samples from the study area

表2 研究区温泉水样水化学测试数据

Table 2 Chemical compositions of hot spring water samples from the study area

水样编号	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	F^-	Li	Sr	Fe	Mn	Cl^-
A10-1	5.37	224	11.40	1.200	14.0	0.718	0.874	0.004	0.047 0	37.2
A10-2	4.68	211	12.60	0.875	13.6	0.818	0.915	0.021	0.096 0	27.9
A11-1	6.20	234	5.00	0.600	22.5	1.170	0.386	0.002	0.010 0	35.4
A11-2	6.32	236	6.40	0.570	20.8	1.350	0.363	0.003	0.007 0	26.7
A12-1	6.06	214	5.00	0.600	26.5	0.664	0.278	0.002	0.008 0	34.7
A12-2	5.43	213	2.15	<0.050	23.1	0.707	0.249	0.021	0.017 9	27.8
A12-3	5.49	213	2.26	<0.050	24.7	0.731	0.257	0.031	0.017 0	27.2
A12-4	4.97	190	8.65	1.220	20.3	0.621	0.433	0.005	0.021 2	25.3
A13-1	3.69	208	13.00	<0.500	13.0	0.503	0.803	0.002	0.001 0	42.5
A13-2	3.75	198	12.70	0.623	12.6	0.561	0.837	0.003	0.000 7	32.5
水样编号	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	C $O 3 2 -$	H₂SiO₃	δ²H/‰	δ¹⁸O/‰	TDS	T/℃	pH	Eh/mV
A10-1	242.0	248	0	56.30	-88.8	-10.9	826	49.2	7.68	-17
A10-2	217.0	245	0	80.51	-86.8	-11.4	734	50.7	7.20	-17
A11-1	134.0	354	6.00	44.30	-90.9	-11.2	832	68.0	8.08	35
A11-2	136.0	361	8.41	109.76	-86.5	-11.4	802	71.7	7.40	35
A12-1	33.6	423	6.00	61.40	-94.8	-11.7	797	74.5	8.13	-56
A12-2	32.5	398	17.60	84.69	-89.1	-12.1	720	71.3	7.80	-28
A12-3	32.7	400	16.80	77.16	-90.6	-12.4	722	72.9	7.40	10
A12-4	29.8	414	0	68.25	-91.8	-12.4	695	46.0	7.60	-89
A13-1	250.0	171	6.00	64.40	-86.0	-12.0	757	36.3	8.18	-89
A13-2	247.0	157	5.83	76.61	-84.4	-11.8	671	37.5	7.80	-151

表2 研究区温泉水样水化学测试数据

Table 2 Chemical compositions of hot spring water samples from the study area

水样编号	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	F^-	Li	Sr	Fe	Mn	Cl^-
A10-1	5.37	224	11.40	1.200	14.0	0.718	0.874	0.004	0.047 0	37.2
A10-2	4.68	211	12.60	0.875	13.6	0.818	0.915	0.021	0.096 0	27.9
A11-1	6.20	234	5.00	0.600	22.5	1.170	0.386	0.002	0.010 0	35.4
A11-2	6.32	236	6.40	0.570	20.8	1.350	0.363	0.003	0.007 0	26.7
A12-1	6.06	214	5.00	0.600	26.5	0.664	0.278	0.002	0.008 0	34.7
A12-2	5.43	213	2.15	<0.050	23.1	0.707	0.249	0.021	0.017 9	27.8
A12-3	5.49	213	2.26	<0.050	24.7	0.731	0.257	0.031	0.017 0	27.2
A12-4	4.97	190	8.65	1.220	20.3	0.621	0.433	0.005	0.021 2	25.3
A13-1	3.69	208	13.00	<0.500	13.0	0.503	0.803	0.002	0.001 0	42.5
A13-2	3.75	198	12.70	0.623	12.6	0.561	0.837	0.003	0.000 7	32.5
水样编号	S $O 4 2 -$	HC $O 3 -$	C $O 3 2 -$	H₂SiO₃	δ²H/‰	δ¹⁸O/‰	TDS	T/℃	pH	Eh/mV
A10-1	242.0	248	0	56.30	-88.8	-10.9	826	49.2	7.68	-17
A10-2	217.0	245	0	80.51	-86.8	-11.4	734	50.7	7.20	-17
A11-1	134.0	354	6.00	44.30	-90.9	-11.2	832	68.0	8.08	35
A11-2	136.0	361	8.41	109.76	-86.5	-11.4	802	71.7	7.40	35
A12-1	33.6	423	6.00	61.40	-94.8	-11.7	797	74.5	8.13	-56
A12-2	32.5	398	17.60	84.69	-89.1	-12.1	720	71.3	7.80	-28
A12-3	32.7	400	16.80	77.16	-90.6	-12.4	722	72.9	7.40	10
A12-4	29.8	414	0	68.25	-91.8	-12.4	695	46.0	7.60	-89
A13-1	250.0	171	6.00	64.40	-86.0	-12.0	757	36.3	8.18	-89
A13-2	247.0	157	5.83	76.61	-84.4	-11.8	671	37.5	7.80	-151

图3 温泉水样F-含量与pH(a)、温度(b)及Ca2+(c)的关系图

Fig.3 Plots of F- vs. pH (a), temperature (b) and Ca2+ concentrations (c)

图4 研究区地下热水稀土元素球粒陨石标准化配分模式

Fig.4 Chondrite-normalized REE concentrations of thermal groundwater in the study area

表3 研究区温泉Ce和Eu异常值计算结果

Table 3 Calculated Ce and Eu anomalies of hot springs in the study area

水样编号	A10-2	A11-2	A12-2	A12-3	A12-4	A13-2	平均值
Ce/Ce^*	0.604 4	0.000 5	0.284 9	0.270 6	0.334 5	0.806 5	0.383 6
Eu/Eu^*	2.178 3	2.178 3	2.178 3	0.276 6	1.540 3	0.628 8	1.496 7

图5 水样中稀土元素总量与pH和T关系

Fig.5 Correlation of total REEs with pH and T

图6 水样中稀土元素与Fe、Mn含量关系图

Fig.6 Correlation of total REEs with the Fe and Mn contents

图7 研究区地下热水中Nd、Gd和Er的主要络合形态及其比例 1. Gd3+;2. Gd F 2 +;3. GdF2+;4. GdF3;5. Gd(OH ) 2 +;6. Gd(SO4 ) 2 -;7. Gd(CO3 ) 2 -;8. GdC O 3 +;9.Nd3+;10. Nd F 2 +;11. NdF2+;12.NdF3;13.Nd(OH ) 2 +;14.Nd(SO4 ) 2 -;15.Nd(CO3 ) 2 -;16.NdC O 3 +;17.Er3+;18.Er F 2 +;19.ErF2+;20.ErF3;21.Er(OH ) 2 +;22. Er(SO4 ) 2 -;23.Er(CO3 ) 2 -;24.ErC O 3 +;(a)A10-2;(b)A11-2;(c)A12-2;(d)A12-3;(e)A12-4;(f)A13-2

Fig.7 Major complex forms and proportions of Nd, Gd and Er for hot springs in the study area

图8 样品中Nd、Gd和Er的ln(CO3 ) 2 -与lnC O 3 +含量图

Fig.8 Proportions of the complexes of ln(CO3 ) 2 - and lnC O 3 + for Nd, Gd and Er of samples

图9 研究区温泉δ2H和δ18O的关系图 GMWL. 全球大气降水线;CMWL. 我国大气降水线

Fig.9 Plot of δ2H vs. δ18O of hot springs in the study area

表4 研究区温泉补给高程计算结果

Table 4 Calculated recharge altitude of hot springs in the study area

水样编号	温泉名称	δ²H/‰	δ¹⁸O/‰	泉口海拔/m	式(5)δ²H 计算结果/m	式(5)δ¹⁸O 计算结果/m	式(6) 计算结果/m	补给高程/m
A10-1	漠河沟温泉	-88.8	-10.9	897	1 657.00	1 198.72	1 237.93	1 200~1 900
A10-2	漠河沟温泉	-86.8	-11.4	850	1 543.33	1 237.93	1 993.33	1 200~1 900
A11-1	三道营温泉	-90.9	-11.2	967	1 797.00	1 320.45	2 130.00	1 400~2 100
A11-2	三道营温泉	-86.5	-11.4	980	1 663.33	1 367.93	1 983.33	1 400~2 100
A12-1	山湾子温泉	-94.8	-11.7	1 077	2 037.00	1 516.66	2 260.00	1 600~2 200
A12-2	山湾子温泉	-89.1	-12.1	1 080	1 850.00	1 588.62	2 070.00
A12-3	山湾子温泉	-90.6	-12.4	1 080	1 900.00	1 640.34	2 120.00
A12-4	山湾子温泉	-91.8	-12.4	1 080	1 940.00	1 640.34	2 160.00
A13-1	北大坝温泉	-86.0	-12.0	751	1 417.67	1 242.38	1 966.67	1 300~1 900
A13-2	北大坝温泉	-84.4	-11.8	790	1 403.33	1 246.90	1 913.33	1 300~1 900

表5 研究区温泉热储温度计算结果

Table 5 Calculated temperature of hot-spring geothermal reservoirs in the study area

水样编号	温泉名称	水温/℃	w(SiO₂) /(mg/L)	热储温度/℃					热储温度/℃
水样编号	温泉名称	水温/℃	w(SiO₂) /(mg/L)	式(7)	式(8)	式(9)	式(10)	式(11)	热储温度/℃
A10-1	漠河沟温泉	49.2	43.31	95.70	95.23	96.86	44.97	64.83	95~112
A10-2	漠河沟温泉	50.7	61.93	112.36	112.06	111.38	61.51	82.94	95~112
A11-1	三道营温泉	68.0	34.08	85.26	84.74	87.72	34.78	53.69	85~125
A11-2	三道营温泉	71.7	84.43	128.12	127.95	124.91	77.30	100.29	85~125
A12-1	山湾子温泉	74.5	47.23	99.61	99.17	100.28	48.83	69.05	99~113
A12-2	山湾子温泉	71.3	65.14	114.84	114.57	113.52	63.99	85.67
A12-3	山湾子温泉	72.9	59.36	110.31	109.99	109.60	59.46	80.70
A12-4	山湾子温泉	46.0	52.50	104.48	104.10	104.53	53.66	74.34
A13-1	北大坝温泉	36.3	49.54	101.79	101.38	102.18	50.99	71.42	100~110
A13-2	北大坝温泉	37.5	58.93	109.96	109.64	109.29	59.11	80.31	100~110

图10 研究区温泉成因示意图 1. 第四系砂砾石;2. 侏罗系凝灰岩;3. 燕山期花岗岩;4. 断层;5. 大气降水;6. 地下水径流方向;7. 温泉;8. 大地热流;A10. 漠河沟温泉;A11. 三道营温泉;A12. 山湾子温泉;A13. 北大坝温泉

Fig.10 Schematic hot spring formation models in the study area

参考文献 26

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河北北部四处温泉的水化学特征及成因分析

Hydrochemical Characteristics and Formation of Four Hot Springs in Northern Hebei

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