河南鲁山县五大温泉水质变化及原因探讨.pdf

第3 7卷 第4期 V o l.3 7,N o.42 0 2 3年8月 M I N E R A L R E S OUR C E S AN D G E O L OG YA u g.,2 0 2 3D O I:1 0.1 9 8 5 6/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-5 6 6 3.2 0 2 3.0 4.0 1 8河南鲁山县五大温泉水质变化及原因探讨吴继新1,杨陛涵2(1.河南省第五地质勘查院有限公司,河南 郑州 4 5 0 0 0 1;2.中核勘察设计研究有限公司,河南 郑州 4 5 0 0 0 2)摘 要:利用近十年的水化学资料,总结了河南省鲁山县五大温泉水质主要特征,分析了水质变化的总体趋势,对水质变化的具体原因进行了探讨。五大温泉具有富钠、高硫酸盐、高氟、高偏硅酸的水化学特征,为氟硅复合型理疗热矿水。水质变化的总体趋势为,HC O-3 含量呈明显的上升趋势,S O2-4、N a+、F-、H2S i O3含量总体上呈下降趋势,而H2S i O3尤为明显。造成这种变化的原因在于:由于十余年的持续大规模开发,开采量不断加大,热储压力逐渐降低,导致浅层凉水混入比例增加,从而引起水质发生上述变化。关键词:五大温泉;水质特征;水质变化;总体趋势;原因探讨中图分类号:P 3 1 4.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-5 6 6 3(2 0 2 3)0 4-0 8 3 1-0 60 引言河南省鲁山县中西部,沿沙河谷地自西向东依次出露上汤、中汤、温汤、下汤、碱场(神汤)温泉,俗称“五大温泉”。前人的研究多集中于地热地质条件、温泉成因、可开采量等方面,对水质的探讨侧重于水质评价和利用方向、方式等,而缺乏一定时期内水质变化趋势方面的研究。本文利用近十年的水化学资料,总结了温泉水质主要特征,对水质变化的总体趋势进行了分析,进而对造成这种变化的具体原因进行了初步探讨。对于加强资源管理,合理开发利用,本研究具有重要的现实意义。1 五大温泉地热地质条件及开发利用简述1.1 五大温泉地热地质条件简述五大温泉出露于车村下汤断裂地热带。地热带北界为车村下汤断裂,南界为二郎庙温汤庙断裂和水磨庄栗村断裂(图1)。断裂带内分布较多的硅化岩带、萤石脉及少量蛋白石、重晶石、方解石脉,均属低温热液作用形成,是水热强烈活动的证据1。地热类型属于断裂深循环(对流)型,地热资源的形成受断裂构造控制。五大温泉均出露于次级N E向与NW向断裂的交汇部位。这些次级断裂是重要的导热构造,控制着热水的赋存、运移和温泉的出露。据2 0 1 9年实测,温泉温度分别为5 8.0、6 1.0、4 4.5、5 8.0、4 7.0。1.2 五大温泉开发利用简况鲁山县温泉开发利用历史悠久。先民主要用来洗浴,屠宰牲畜、家禽等。2 0世纪9 0年代,首先在上汤、下汤、碱场施工地热井,扩大利用规模。2 1世纪以来,鲁山县以温泉经济为引擎,大力发展旅游产业。鲁山县旅游品牌定位于“游尧山、拜大佛、浴温泉”,既符合实际又能推动整个旅游产业链的完备和发展2。目前,开发集中在上汤、下汤、神汤(碱场)3处。在上汤,开发大佛旅游景区,建设尧山福泉、福泉大酒店;在下汤,规模较大的温泉酒店有玉京温泉度假酒店、皇姑浴温泉国际酒店;神汤温泉水通过管道输送至昭平台水库的森林温泉酒店。其中,玉京、皇姑浴和森收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 7;修回日期:2 0 2 3-0 3-1 3基金项目:河南省地质矿产勘查开发局地质环境项目“鲁山典型构造地热田资源潜力评价方法研究与应用”(豫地环2 0 2 03号)资助。第一作者:吴继新(1 9 7 1),男,高级工程师,长期从事水文地质及环境地质勘查工作。E-m a i l:w y w j x x x 1 2 6.c o m引文格式:吴继新,杨陛涵.河南鲁山县五大温泉水质变化及原因探讨J.矿产与地质,2 0 2 3,3 7(4):8 3 1-8 3 6.图1 车村下汤断裂地热带概念模型示意图F i g.1 S c h e m a t i c m a p o f t h e c o n c e p t u a l m o d e l o f C h e c u n-X i a t a n g f a u l t g e o t h e r m a l b e l t林温泉设有一部分室外洗浴设施3。下汤还致力于打造温泉小镇,不仅建设温泉酒店,还开发了温泉小区,出现了竞相打井的局面。自此,地热资源利用规模迅速扩大。除了上述酒店以外,比较著名的温泉企业有下汤温泉度假村、丽水神泉有限公司等,利用方式为温泉洗浴、理疗康乐、温泉养殖等。由于持续的大规模开发,近十年来热储压力逐渐下降,温泉景观消失,开采方式由泉采过渡为井采为主。2 五大温泉的水质变化2.1 五大温泉水质特征2 0世纪7 08 0年代,已经有地质工作者采集温泉水样进行化学分析,探讨理疗功效及地热田成因。9 0年代以后,河南省驻马店地质工程勘察院在温泉区开展地热资源勘查评价工作,对温泉水质也做过分析研究。为了申报“中国温泉之乡”,当地管理部门自2 0 0 9年开始,定期取样进行化学分析。后来,由于种种原因没有长期坚持下来。近年来,笔者在鲁山县开展过一些地热勘查评价工作,积累了一些水质资料。将历次工作得到的五大温泉主要特征因子(包括体现水化学类型的阴阳离子及理疗热矿水命名因子)含量及温度整理列于表1,统一采用冬季开采高峰期的水样测试数据。表1数据来源于 鲁山县五大温泉动态监测报告 鲁山县神汤温泉有限公司地热资源储量核实报告 河南省鲁山县中原大佛景区地热详查(可行性勘查)报告 及 鲁山典型构造地热田资源潜力评价方法研究与应用成果报告。综合以往资料表明,五大温泉具有富钠、高硫酸盐、高氟、高 偏 硅 酸 的 水 化 学 特 征,水 化 学 类 型 为HC O-3S O2-4N a+或S O2-4HC O-3N a+型,F-、H2S i O3含量均超过理疗热矿水的浓度标准,为氟硅复合型理疗热矿水,具有很好的理疗保健功效。2.2 五大温泉水质变化的总体趋势现通过五大温泉主要特征因子含量的动态变化,对近十年来水质变化的总体趋势进行对比分析。利用表1数据制作各主要特征因子的动态变化曲线(图2)。由图2可见,2 0 0 92 0 1 1年,五大温泉没有 明 显 的 水 质 变 化 规 律。以 下 汤 温 泉 为 例,HC O-3、S O2-4、N a+、H2S i O3含量微微下降,F-含量微微上升。而上汤温泉则是HC O-3、S O2-4、H2S i O3含量微微上升,F-含量微微下降,N a+含量大幅度下降。对于同一化学因子,各温泉没有明显的上升或下降趋势。2 0 1 1年之后,五大温泉水质变化的总体趋势有以下两点:(1)体现水化学类型的阴阳离子中,H C O-3 含量呈明显的上升趋势,S O2-4、N a+含量总体上呈下降趋势。以下汤温泉为例,H C O-3 含量由2 0 1 1年的1 3 1.9 m g/L上升 到2 0 1 9年 的 1 7 6.7 m g/L,升 幅 达3 3.9%;S O2-4含量由2 0 1 1年的1 2 3.9 m g/L下降到2 0 1 9年的1 1 7.1 m g/L,降幅为5.4 9%;N a+含量由2 0 1 1年的1 5 1.0 m g/L下降到2 0 1 9年的 1 4 1.2 m g/L,降幅为6.4 6%。(2)作为理疗热矿水命名因子的F-、H2S i O3 含量总体上呈下降趋势,而H2S i O3尤为明显。仍以下汤温泉为例,F-含量由2 0 1 1年的1 6.8 0 m g/L下降到2 0 1 9年的1 0.9 8 m g/L,降幅达3 4.6%;H2S i O3含量由2 0 1 1年的9 2.0 m g/L下降到2 0 1 9年的5 7.4 m g/L,降幅达3 7.6%。238矿 产 与 地 质2 0 2 3年 表1 五大温泉主要特征因子含量及温度T a b l e 1 C o n t e n t o f m a i n c h a r a c t e r i s t i c f a c t o r s a n d t e m p e r a t u r e o f t h e f i v e t h e r m a l s p r i n g s取样地点年份含量/(m gL-1)N a+HC O-3S O2-4F-H2S i O3温度/水化学类型上汤2 0 0 91 5 3.21 4 1.01 3 7.81 5.7 08 3.06 0.22 0 1 11 4 2.71 4 5.51 4 2.11 5.4 08 4.66 0.02 0 1 31 4 3.91 4 2.71 3 1.61 5.2 77 7.95 9.62 0 1 71 3 9.51 4 6.51 1 4.91 3.2 86 8.75 8.52 0 1 91 3 3.81 6 3.71 1 1.31 2.0 05 1.05 8.0S O2-4HC O-3N a+HC O-3S O2-4N a+中汤2 0 0 91 4 3.81 2 8.71 1 8.71 5.7 08 8.06 1.32 0 1 11 4 9.41 2 9.51 1 6.81 6.0 09 0.76 1.32 0 1 31 4 1.71 3 7.71 0 4.51 4.8 88 6.66 1.22 0 1 71 3 7.31 5 6.78 9.11 3.7 07 8.06 1.12 0 1 91 3 0.51 7 5.28 0.51 3.1 15 6.86 1.0HC O-3S O2-4N a+S O2-4HC O-3N a+HC O-3S O2-4N a+温汤2 0 0 91 4 6.51 3 9.61 1 2.31 5.6 09 2.54 8.52 0 1 11 5 2.31 5 9.41 1 5.61 5.7 09 4.64 8.02 0 1 31 3 8.81 6 8.31 0 1.51 4.7 68 8.84 7.62 0 1 71 3 5.51 7 5.58 3.21 3.5 57 8.04 5.42 0 1 91 3 2.21 9 9.58 2.21 3.1 15 6.24 4.5HC O-3S O2-4N a+下汤2 0 0 91 5 1.21 3 6.21 3 2.01 6.4 09 3.36 1.22 0 1 11 5 1.01 3 1.91 2 3.91 6.8 09 2.06 1.12 0 1 31 4 7.51 4 5.21 2 6.61 5.9 38 9.16 0.52 0 1 71 4 4.81 5 4.11 2 0.71 3.2 08 0.65 8.72 0 1 91 4 1.21 7 6.71 1 7.11 0.9 85 7.45 8.0S O2-4HC O-3N a+HC O-3S O2-4N a+S O2-4HC O-3N a+HC O-3S O2-4N a+碱场2 0 0 91 6 8.41 7 9.11 4 0.41 2.4 59 6.04 9.02 0 1 11 7 3.31 6 9.81 3 2.71 1.6 08 9.34 8.82 0 1 31 6 9.61 8 6.51 4 2.21 2.7 88 5.24 8.42 0 1 71 6 6.72 0 5.71 3 4.71 1.3 67 6.74 7.52 0 1 91 6 3.92 1 4.11 3 1.91 0.5 05 6.44 7.0HC O-3S O2-4N a+需要指出的是,之所以说是总体趋势,是指五大温泉水质变化的长期走势和综合表现,不排除某个温泉在某一年份的震荡回调。另外,碱场温泉HC O-3含量的上升趋势、H2S i O3含量的下降趋势比较明显,而S O2-4、N a+、F-含量的变化相对较小,但总体上也是稍微下降。2.3 五大温泉的温度变化2 0 0 9年以来,五大温泉温度的变化趋势是逐渐下降(图2 f)。但是,每个温泉下降的速度前后不同:2 0 0 92 0 1 1年 降 速 较 慢,2 0 1 1年 以 后 降 速 加 快。2 0 0 9年实测的五大温泉温度分别为6 0.2、6 1.3、4 8.5、6 1.2、4 9.0,而到了2 0 1 9年,温度分别为5 8.0、6 1.0、4 4.5、5 8.0、4 7.0,都有不同程度的下降。其中,温汤温泉下降幅度最大,达4.0;中汤温泉下降幅度最小,只有0.3。3 五大温泉水质变化原因探讨3.1 水质特征机理分析高氟、高偏硅酸的理疗热矿水多存在于花岗岩地区,这与它们的形成机理有密切关系。一般来说,酸性岩含氟量大于基性岩,基性岩含氟量大于超基性岩4。云母属于含氟硅酸盐矿物,在花岗岩中广泛分布。沿裂隙侵入的萤石脉,也是主要的含氟矿物。而花岗岩中的主要造岩矿物如长石、石英、云母等,都是硅酸盐矿物。上述矿物在地下深处高温、高压、低氧的物理化学环境下,发生水解反应,分解出来的氟、偏硅酸溶解在水中,致使地热流体中氟、偏硅酸含量大大高于浅层地下水。五大温泉出露区及其西部存在大面积的侵入岩,岩性主要有黑云母花岗岩、二长花岗岩、黑云母二长338 第3 7卷 第4期 吴继新等:河南鲁山县五大温泉水质变化及原因探讨图2 五大温泉主要特征因子含量动态变化曲线(a e)与温度动态变化曲线(f)F i g.2 D y n a m i c c h a n g e c u r v e o f t h e c o n t e n t o f m a i n c h a r a c t e r i s t i c f a c t o r(a-e),a n d d y n a m i c c h a n g e c u r v e o f t e m p e r a t u r e(f)i n t h e f i v e h o t s p r i n g s花岗岩、花岗闪长岩等。地热流体中的钠、氟、偏硅酸等,均来自高温高压条件下地下水对岩石中硅酸盐矿物的溶滤作用。侵入岩中分布着大量的萤石脉,也是地热流体中氟的重要来源。地热流体形成相同的水化学类型,表明该区地热流体在运移过程中溶滤的围岩成分相似5。在漫长的地质历史时期,地下水径流缓慢,长时间的水岩化学作用使地下水中的各种化学成分达到一种平衡。一旦径流交替速度加快,就会打破这种平衡,从而引起水质变化。五大温泉水质的上述变化,实质上就是开采量不断加大,径流交替作用加快,浅层凉水混入比例增加的结果。3.2 水质变化原因探讨(1)开采量不断加大,热储压力逐渐降低。2 0 0 5年以前,还没有大规模开发,除了碱场进行规模化水产养殖外,其他多是利用简易澡堂洗浴,开采量较小。随后几年,下汤施工了大量地热井,开始建设皇姑浴438矿 产 与 地 质2 0 2 3年 温泉国际酒店、玉京温泉度假酒店等。上汤经天瑞旅游集团开发成为大佛景区,建设尧山佛泉、福泉大酒店。这些酒店及配套的洗浴康乐设施在2 0 1 0年前后先后投入使用。碱场也向昭平台库区的森林温泉酒店等单位供应热水。从此,地热水利用规模逐渐增大,热储压力逐渐降低。据估算,五大温泉年均水位降速0.3 01.1 2 m,昔日热气腾腾的温泉景观不复存在。(2)无论是以往的温泉水,还是目前以井采方式开采的地热水,都是深部高温高压环境下形成的地热流体,在压力释放后与上部浅层水混合的结果。利用地球化学温标计算的热储温度,均比井口出水温度高出很多。以往以温泉形式排泄时,流量很稳定,径流与排泄速度基本不变,水岩物质交换时间长,地热流体中的各种化学成分达到一种平衡。随着开采量的逐渐增大,热储压力逐渐降低,浅层的凉水在压力作用下与上涌的地热流体加大混合,从而导致水质逐渐发生变化。(3)依据五大温泉外围2 4组浅层地下水样分析结果,HC O-3 平均值为2 1 6.6 7 m g/L,S O2-4平均值为6 1.7 3 m g/L,N a+平均值为2 8.1 7 m g/L,F-平均值为0.7 2 m g/L,H2S i O3平均值为2 4.4 4 m g/L。而据2 0 0 9年五大温泉水质资料,地热流体HC O-3 平均值为1 4 4.9 m g/L,S O2-4平均值为1 2 8.2 m g/L,N a+平均值 为1 5 2.6 m g/L,F-平 均 值 为1 5.2 m g/L,H2S i O3平均值为9 0.6 m g/L。可以看出,浅层水HC O-3 均值明显高于地热流体,而S O2-4、N a+、F-、H2S i O3均值明显低于地热流体。如果地热流体中浅层水的混入比例加大,必然会导致HC O-3 含量上升,而S O2-4、N a+、F-、H2S i O3的含量下降。(4)前已述及,五大温泉温度的变化趋势是逐渐下降。尽管各温泉下降的速度前后不同,各温泉下降的幅度也不相同,但温度下降的总体趋势是一致的。12 0万鲁山幅区域水文地质普查,在五大温泉出露区以外的花岗岩地区,调查了大量的井、泉点,这些水点以风化裂隙水为主,少数为风化裂隙构造裂隙水。其中约8 0%的水点,水温介于1 11 9之间。平均水温为1 5,与当地的年平均气温近似。因此,可以认为1 11 9为区内花岗岩分布区浅层水的正常水温。地热流体上涌到地表附近,如果停留时间很长,也会因为浅层岩土的温度较低而形成温度损失。但现实的情况是径流与排泄速度加快了,因而五大温泉温度的下降,只能是由浅层凉水的混入比例增加引起的。总之,经过十多年的持续开发,五大温泉的开采量逐渐增大,热储压力逐渐降低,浅层的凉水混入比例有所增加,从而导致水温有所下降,水质发生变化。作为理疗热矿水命名因子的F-、H2S i O3含量总体上呈下降趋势,而H2S i O3尤为明显。如果任其继续发展,用不了多少年H2S i O3含量就会降到命名矿水浓度(5 0 m g/L)以下,地热流体的理疗功效将会大大降低,品质大打折扣。因此,加强地热资源的保护,已经刻不容缓。随着国家“双碳”指标的奋力追求以及生态战略对清洁能源的迫切需求,各地对地热勘查开发进入快速发展阶段6-1 3。对于鲁山县五大温泉,如何做到资源开发与保护达到一种平衡,将是地方政府今后需要解决的问题。4 结论(1)鲁山县五大温泉具有富钠、高硫酸盐、高氟、高偏硅 酸的水化学 特征,水化学 类型为HC O-3S O2-4N a+或 S O2-4HC O-3N a+型,F-、H2S i O3含量均超过理疗热矿水的浓度标准,为氟硅复合型理疗热矿水。(2)自2 0 0 9年以来,尤其是2 0 1 1年以后,五大温泉水质发生一些变化,体现水化学类型的阴阳离子中,HC O-3含量呈明显的上升趋势,S O2-4、N a+含量总体上呈下降趋势;作为理疗热矿水命名因子的F-、H2S i O3含量总体上呈下降趋势,而H2S i O3尤为明显。(3)引起五大温泉水质变化的原因是由于十余年的持续大规模开发,开采量不断加大,热储压力逐渐降低,导致浅层凉水混入比例增加。混合以后的地热流体品质有所降低,温度有所下降,亟待加强地热资源的保护。参考文献:1 吕志涛,罗文金,陈少茹,等.河南省五大温泉成因研究及综合开发利用规划J.地下水,2 0 0 6(4):4 2-4 4,5 1.2 郭奇奇.河南省鲁山县温泉旅游品牌建设研究J.环球人文地理,2 0 1 7(7):2 3 2.3 贾晶,李霞.鲁山县温泉旅游资源开发研究J.河南科学,2 0 1 0,2 8(1 2):1 6 1 6-1 6 1 9.4 王婷.地下水型高氟区本底高氟对蔬菜氟残留量的影响研究D.天津:南开大学,2 0 1 0.5 王茜.河南鲁山县五大温泉水文地球化学特征及成因模式D.北京:中国地质大学(北京),2 0 1 2.6 王建超,施玉娇,曾晖,等.多种物化探方法在贺州某地热温泉538 第3 7卷 第4期 吴继新等:河南鲁山县五大温泉水质变化及原因探讨勘查中的综合应用J.矿产与地质,2 0 1 9,3 3(2):3 0 4-3 0 9.7 张正鹏,周大吉,孙东.四川石棉县草科乡大热水温泉成因探讨J.矿产与地质,2 0 2 1,3 5(2):2 4 3-2 4 8.8 李善民,刘红舟,王新伟,等.广西贺州市杨梅冲温泉热储特征及其资源量评价J.矿产与地质,2 0 2 2,3 6(2):3 7 4-3 7 9.9 张艳花,徐世光,巴俊杰,等.宜良地热田水化学特征分析与研究J.矿产与地质,2 0 1 6,3 0(5):8 3 7-8 4 1.1 0 倪昆,卢磊.浅析河南省中深层地热流体同位素特征J.矿产与地质,2 0 2 1,3 5(5):9 0 9-9 1 7.1 1 郭山峰,何伟民.漯河市浅层地热能开发利用评价J.矿产与地质,2 0 2 0,3 4(2):2 6 0-2 6 5.1 2 任鸿飞,朱怀亮,闫晋龙,等.太康隆起尉氏段地热资源勘探远景分析J.矿产与地质,2 0 1 9,3 3(3):5 0 2-5 0 7.1 3 廖海吉,蓝俊康,洪淑娜,等.汤水寨温泉带状热储特征及其热储量评价J.桂林理工大学学报,2 0 1 3,3 3(3):4 4 9-4 5 3.D i s c u s s i o n o n w a t e r q u a l i t y c h a n g e a n d c a u s e o f t h e f i v e t h e r m a l s p r i n g s i n L u s h a n C o u n t y,H e n a nWU J i x i n1,YANG B i h a n2(1.H e n a n F i f t h G e o l o g i c a l E x p l o r a t i o n I n s t i t u t e C o.,L t d.,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1,H e n a n,C h i n a;2.CNN C S u r v e y a n d D e s i g n R e s e a r c h C o.,L t d.,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2,H e n a n,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e h y d r o c h e m i c a l d a t a i n r e c e n t t e n y e a r s,t h e m a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e w a t e r q u a l i t y o f t h e f i v e t h e r m a l s p r i n g s i n L u s h a n C o u n t y,H e n a n P r o v i n c e a r e s u mm a r i z e d,t h e o v e r a l l t r e n d o f w a t e r q u a l i-t y c h a n g e i s a n a l y z e d,a n d t h e s p e c i f i c c a u s e o f w a t e r q u a l i t y c h a n g e i s a l s o d i s c u s s e d.T h e f i v e t h e r m a l s p r i n g s h a v e t h e h y d r o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f r i c h s o d i u m,h i g h s u l f a t e,h i g h f l u o r i d e a n d h i g h m e t a s i l i c i c a c i d.A n d,s p r i n g w a t e r i s c o m p o u n d p h y s i o t h e r a p y h o t m i n e r a l w a t e r b e i n g r i c h i n f l u o r i n e a n d s i l i c o n.T h e o v e r a l l t r e n d o f w a t e r q u a l i t y c h a n g e i s t h a t t h e c o n t e n t o f HC O-3 s h o w s a n o b v i o u s u p w a r d t r e n d,t h e c o n-t e n t o f S O2-4,N a+,F-,H2S i O3 s h o w s a n o v e r a l l d o w n w a r d t r e n d,a n d t h a t t h e d o w n w a r d t r e n d o f H2S i O3 i s p a r t i c u l a r l y o b v i o u s.T h e c a u s e s f o r t h i s c h a n g e a r e l i s t e d a s f o l l o w.B e c a u s e o f t h e c o n t i n u o u s l a r g e-s c a l e d e v e l o p m e n t f o r m o r e t h a n t e n y e a r s,t h e e x p l o i t a t i o n v o l u m e i s i n c r e a s i n g,t h e t h e r m a l r e s e r v o i r p r e s s u r e i s g r a d u a l l y d e c r e a s i n g,i t l e a d s t o t h e i n c r e a s e o f t h e p r o p o r t i o n o f s h a l l o w c o o l g r o u n d w a t e r m i x e d,a n d t h e a-b o v e c h a n g e s o f w a t e r q u a l i t y.K e y w o r d s:t h e f i v e t h e r m a l s p r i n g s,w a t e r q u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c s,w a t e r q u a l i t y c h a n g e,o v e r a l l t r e n d,c a u s e d i s c u s s i o n638矿 产 与 地 质2 0 2 3年