河北省遵化市汤泉地下热水赋存特征

杨立顺

(河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛066001)

汤泉地热久负盛名，其自然出露的温泉，早在元、明、清朝就已作为治疗皮肤病浴用［1］。现还保留有明朝蓟镇总兵戚继光在温泉地表以下用花岗岩石料砌成长7m、宽4 m、深6 m，可容水168 m3的温泉池，温泉池高出地表1m，南、北各有一个出水口，温泉池南侧建有“流杯亭”，北侧的“六棱石幢”记录了当时的汤泉胜景。汤泉的地热井井深一般为100～300 m，热水温度33℃ ～55℃，最高可达68℃。其特点是地下热水埋藏浅，便于开发利用，但地下热水异常区面积小，呈条带状分布，热储层赋存于基岩断裂带中，断裂交汇部位既是热储通道又是储热层位，地下热水的出露范围主要受控于断裂构造。

1 地质背景

汤泉位于河北省遵化市西北部，为山前丘陵地区，座落在一个断面呈U字型的山角谷地，地势北高南低，三面环山，北部及东西部为陡峭的山峰，南部为冲积河谷，背枕燕山期茅山花岗岩体，面向遵化北川盆地。大地构造位置为华北地台燕山沉降带马兰峪复斜轴部偏南，马兰峪山字型的脊柱部位。

地下热水出露区域主要地层为新生界第四系沉积的松散岩类和太古界迁西群马兰峪组变质岩类。

第四系地层由洪坡积和残坡积的粘土、亚粘土夹碎石组成，厚度因所处地貌位置不同差异较大，最薄处小于1米，碎石成分主要为黑云角闪斜长片麻岩及花岗岩。

太古界迁西群马兰峪组主要为紫苏黑云角闪斜长片麻岩，麻粒岩，局部加有斜长角闪岩，磁铁石英岩透晶体和混合岩类。地层片麻理走向NNE，倾向NW，倾角40°～60°，风化层厚度约10 m。

断裂构造发育，共分布5条规模较大的断裂带，发育方向分别为:北东向、北北东向、近南北向、北西向4组，东西向断裂是规模较大的断裂，宽度可达50～60 m，其中4组断裂交汇于自然出露的温泉附近。

2 地温场特征

汤泉地下热水区地热显示明显，地温场呈条带状沿断裂走向分布，地热温度异常在平面和垂向上的空间分布均存在差异。

2.1 地温场平面展布

在区域地温场的总体背景上，汤泉一带地热异常有呈断续带状分布的特点，多受北东向、北西向和近南北向断裂的控制，平面地温场温度极不均一，热异常带内泉水温度17.7℃ ～28.0℃，自然出露的温泉温度为62℃，远离地热异常的民井水温9.0℃ ～12.0℃，温度变化明显，是一个极不均一的地温场［2］。

2.2 地温场的垂向变化

汤泉一带地热钻孔孔深相差较大，浅者103 m，最深的可达282 m。大部分地段基岩裸露，第四系盖层最厚18.48 m。热储层均属于太古界变质岩系地层，尽管热储岩性相同，但钻孔温度相差较大，地温垂向变化却十分复杂，其原因是区内不同方向、不同规模的断裂构造，大多以张性断裂的形式复活，形成多处不同方向断裂的复合交汇区，在受其影响范围内构造裂隙发育，裂隙率增加，成为地下水赋存场所和深循环通道。地下水在循环过程中为岩温所加热［3］，多呈强制性的对流形式沿断裂交汇处上升，产生横向迁移、扩散，并在一定的范围内储存起来，形成地热异常区。这种对流型地热系统的形式是一种复杂的热传递过程。沿断裂带上升的地下热水是一种局部的附加热源，是导致汤泉地下热水异常区高低温度相差较大，形成不均一地温场的主要原因。因此，汤泉的不均一地温场的形成，是深部热源在地壳上层所构成的传导和对流叠加的结果。

3 热储层特征

汤泉地下热水异常区的热储层主要为基岩裂隙型带状热储。热储是由控热断裂带和不同方向的断裂交汇处构造裂隙发育的岩石组成，控热断裂构造及其破碎带融为一体，其结构比较简单，热储的边界与断裂破碎带的边界密切相关。在有地热显示的地段，热储宽度一般与断裂破碎带及其影响宽度相近，但沿断裂带走向的延伸远远小于断裂带的长度。热储层主要受北东向断裂控制，该向断裂为汤泉地区的构造主体，在与后期几组断裂的交汇部位形成热通道，使深部热水沿交汇部位上升，形成浅层热储层。

根据钻孔揭露的热储层厚度为90～230 m。断裂破碎带的岩石比较破碎，裂隙比较发育，裂隙面上有明显的绿泥石化、绿帘石化、黄铁矿化等水热蚀变现象。热储的宽度、长度、埋深、富水型、渗透性及热水温度等主要特征，完全受断裂构造的性质、活动强度，特别是复合关系等因素控制，但不受地层的岩性限制，岩体本身的渗透性很差，主要靠裂隙和破碎带导水［4］，根据钻孔揭露热水层底界至少大于282 m，热水温度33℃～68℃，温度的高低取决与钻孔所处的构造部位和深度，地形低处水位一般高出地表2.5～6.0 m，热储层的富水性极不均一，水量变化较大。

4 地下热水的形成、赋存及运移

区域内降水丰沛，第四系含水层结构较松散，透水性强，基底断裂构造发育，为大气降水、地表水、浅层地下水向深部渗透提供了有利条件。

从地貌上看，北部为峰峦迭嶂的山地，南部为山前平原，地势北高南低，大气降水可沿风化裂隙、节理和断裂破碎带补给地下水，这就为地下热水提供了丰富的水资源。但并非所有地下水都成为热水，只有顺断裂构造渗入地下深处，被地下热能加热后通过热对流循环形成地下热水。断裂构造沟通了地壳深部的强大热源，在运移过程中溶解地层中的某些离子并与热储岩层进行热交换，在压力差和密度差的作用下产生对流，在构造发育地段地下热水以较快的速度上涌，而来不及与围岩达到热平衡，从而将热能输送到地壳浅部，在构造有利部位形成地热异常区。

汤泉的温泉就出露在北东、北西和近南北向断裂的交汇部位，由此可见，地下热水的补径排条件主要受控于构造断裂带及其复合部位，经深部循环而成为地下热水，沿着断裂不断运移，在多条断裂构造的交汇部位直接溢出地表而形成温泉。

5 控制因素

断裂构造是控制汤泉地区地热分布的主要因素，深大的断裂带起到导通深部热能的作用［5］，控制着地热异常区的形态和展布。不同方向的断裂相互切割，构成纵横交错的构造网格，成为地下热水的良好通道，是沟通深部热源、导热、导水、储热、储水的基础条件，构造裂隙不仅是储热裂隙，更主要的是导热的构造裂隙［6］，地下热水沿透水性能良好的张性断裂或压性结构面相对开启的部位形成集中渗流，沿通道向上运移，将来自上地幔和花岗岩放射性热能输送到地壳浅部，形成地热异常区。

6 地下热水水化学特征

汤泉地下热水的水化学类型为SO4－Na型，矿化度一般为 0.595 ～0.840 g/L，pH 值为 7.9 ～8.3，阳离子以 Na+为主，其毫克当量百分数在 80.41% ～90.52%;阴离子以SO42－为主，其毫克当量百分数在66.71% ～73.7%。而 冷水阴离子以 Ca2+和 Na+为主，Ca2+的毫克当量百分数42.03% ～57.23%，Na+的毫克当量百分数32.61 ～42.25%，阴离子以HCO3－和SO42－为主，HCO3－的毫克当量百分数 50.63% ～94.05%，而 SO42－的毫克当量百分数最高28.16% ，从 Cl－、SO42－、F－、K+、Na+、SiO2的含量看，地下热水均比冷水高得多，Cl－高2～4倍，SO42－高6～10倍，F－高8～70倍，K+高4～9倍，Na+高8～10倍。在地下水化学成分中，许多化学组分存在着某种相关关系，冷热水中主要离子存在着很大差异。热水中有些元素高的原因认为是地下热水在运移过程中对围岩的溶解作用。

地下热水F－、SiO2浓度高，主要与汤泉地区大面积的变质岩系和花岗岩有关。遵化地区变质岩中SiO2含量在52.82% ～60.88%，而花岗岩中的含量更高，从图1可以看出F－和SiO2与其温度呈正相关关系，地下热水较高的温度加强了氟化物和SiO2的溶解，造成了有利于F－和SiO2迁移和积聚的水文地球化学环境。

图1 汤泉地下热水中F－、SiO2含量与温度关系图

7 结语

遵化市汤泉的地下热水赋存于基岩裂隙构造带中，温泉的出露位置位于断裂交汇部位，控制地温的主要因素为断裂构造，断裂控制着地下热水活动的强度与分布。汤泉的地下热水属由地下水深循环形成的地热异常，热能的传递形式以水热对流为主，热传导为辅的低温地热资源，水化学类型为硫酸－钠型，热水中F、H2SiO3含量较高，按医疗热矿水可命名为氟水、硅水，在医疗保健和农副业生产方面有着广泛用途。汤泉的地热资源埋藏较浅，易于开采，地理位置优越，交通方便，地下热水开发前景十分广阔。

［1］李海龙.遵化市汤泉地热资源开发利用建议［J］.河北水利，2009，6:43.

［2］秦皇岛矿产水文工程地质大队.河北省唐山市地热资源调查评价报告［R］.2003.

［3］陈默香.华北地热［M］.北京:科学出版社，1998:116

［4］周念泸.地热资源开发利用实务全书［M］.北京:中国地质科学出版社，2005.

［5］高仰才，葛玉玮.内蒙古地热资源成因类型及开发前景初探［A］.见:刘久荣.北京地热国际研讨会论文集［C］.北京:地质出版社，2002.91～95.

［6］张戈，姜玉成等.辽宁地热资源与开采潜力研究［J］.地质与资源，2004，13(1):22 ～25，42.