北京地区断层泉水文地球化学特征

高 玲吕毅夫皮海燕周永刚

1） 中国北京100080 北京市地震局

2） 中国北京 102100 延庆县地震局

3） 中国北京 102300 门头沟区地震局

北京地区断层泉水文地球化学特征

高 玲1）吕毅夫2）皮海燕3）周永刚2）

1） 中国北京100080 北京市地震局

2） 中国北京 102100 延庆县地震局

3） 中国北京 102300 门头沟区地震局

对门头沟沿河城新泉和延庆松山泉区域开展水文地质和水文地球化学调查工作。通过与不同类别地下水对比，分析了沿河城新泉和松山泉水文地球化学特征。结果显示，沿河城1号泉、2号泉pH值平均7.88。水化学类型均为HCO3—Ca型。2个泉水化学地球化学性质稳定，未受到人为影响。2个泉点地下水可能来自同一热储，估算温度平均为60.6℃，深度平均为1.3km。松山泉近年来水化学性质稳定，未受到人为明显影响。热储温度为 112℃，深度为1.8km。沿河城泉和松山泉处于特殊构造部位，水化观测具映震前兆响应，今后应当继续加强观测。

北京地区；断层泉；水文地球化学

0 引言

门头沟沿河城泉和延庆松山泉是北京地区少有的溢出泉水化观测台，自观测以来，多次记录到前兆异常震例。例如，1998年1月河北张北6.2级地震及多次地方震（杨明波，2001）。目前，沿河城主要开展氡观测，松山泉主要开展氡、汞等观测。近年来，由于平原区地下水过度开采、降水量减少、旅游开发等，水位下降明显，观测环境发生很大变化，加之其他条件限制，使得水氡观测质量落后全国水平。以沿河城台为例，由于该采样泉点日渐干枯，现已无法开展正常观测。松山区域则因近年旅游开发，观测环境发生改变。2012年4月，我们对沿河城泉区域和松山泉区域重新进行勘选。在沿河城旧泉区域重新选取2处逸出泉点，采集上述泉点水化学样品和沿河水样品，作为不同时期对比，采集松山泉水化学样品，进行测试，以便了解水化观测泉（台）现状，填补背景资料缺失状况，为下一步改造实施提供基础资料与判断依据，以提高地震观测质量与效能。

1 断层观测泉点区域概况

沿河城新泉群位于门头沟区西北部斋堂镇沿河城乡沿河城旁约200 m处，高程450 m。构造上处于北东向沿河城断裂与北西向镇边城断裂交汇部位（图1）。其中沿河城断裂深度大多在100 m以上，最深达170 m以上（高文学等，1993；徐锡伟等，2002），其北部与延庆—怀来地震带毗邻。沿河城泉群直接出露于含砂砾石层。1号泉点、2号泉点水质无色无味透明，1号点水温为13.8℃，流量平均为0.08 L/s；2号点水温13.3℃，流量平均为0.07 L/s。沿河城河水温度为20.5℃。

松山泉位于延庆松山自然保护区内的大海坨山沟谷，高程745 m。构造上处于圹子庙—胡家营断裂带交汇处，该断裂带长l0余千米，在大海坨花岗岩体内呈东北走向延展，松山泉出露于大海坨山花岗岩体（图2）。该岩体裂隙发育，地下水深循环通道良好。目前松山泉水温36℃，属于承压型上升泉，泉水流量0.07 L/s。

图1 门头沟沿河城泉采样点示意Fig.1 Schematic location map of Yanhecheng sampled springs in Mentougou area

图2 延庆松山泉采样点示意Fig.2 Schematic location map of the Songshan sampled spring in Yanqing area

2 样品采集

对沿河城2处逸出新泉泉口出水处进行样品采集，采用现场测试和室内实验相结合方法。现场测定内容包括水温、流量、pH值，用清洗过的聚乙烯塑料瓶在每个采样点用样品水清洗多遍后，采集550 mL水样，密封。松山泉水化学样品采集测试方法同上。样品交由中国地震局地质研究所地震地下流体实验室测试。阴、阳离子标准偏差≤2%。

3 断层泉水文地球化学特征

3.1 沿河城泉水与沿河水水化学特征对比

门头沟沿河城泉主要离子组成见表1。地下水化学特征能够反映地下水在流动过程中与围岩的相互作用，且可为地下水溯源提供依据。分析显示，沿河城泉1号泉、2号泉阳离子浓度相当，其中Ca2+离子含量最高，平均为 57.1 mg/L。 其他阳离子大小依次为Mg2+、Na+、K+，平均含量分别为27.1 mg/L，7.6 mg/L，2.3 mg/L。1号泉、2号泉阴离子浓度均以为主，含量分别为262.3 mg/L和254.4 mg/L，其他阴离子大小依次为、、Cl-。但2号泉阴离子浓度普遍比1号泉高约10 mg/L，可由pH值印证。1号泉、2号泉和Ca2+离子占绝对优势，分别占阳离子和阴离子的86%和19.0%（1号泉）及77.32%和17.29%（2号泉）。其次是Mg2+和，分别占阳离子和阴离子总量的8.36%和8.82%（1号泉）及8.7%和13.71%（2号泉）。图3显示，沿河城1号、2号泉水中，Ca2+离子与离子、离子和Cl-离子呈明显正相关关系。而河水中的Ca2+离子与上述离子偏离，说明1号泉、2号泉补给源区主要来自断层两侧岩石，即为可溶性灰岩（CaCO3）、白云岩（MgCO3）等的溶解。该泉区地下热储温度约60℃，循环深度平均1.3km，增加了断层两侧岩石溶解离子的贡献量。

门头沟沿河城河水与泉水存在明显差别，见图3。研究显示，河水中S、Cl、N元素一般来源于人类活动，包括农业施肥、工业生产等，多呈正相关关系，可以反映人类活动对水环境的影响程度（范暘，2009）。沿河城河水化学离子浓度中，Na+离子和占绝对优势，分别占阳离子和阴离子的39.8%和47.1.0%。其他阳离子大小依次为Ca+、Mg2+、K+、，阴离子大小依次为、Cl-、、，其中Cl-、离子浓度显著高于1号泉和2号泉，分别为79.1 mg/L 、113.4 mg/L，是2个泉点平均值的4倍（表1），说明河水受到人为影响。一般，在人为污秽和缺氧条件下，容易产生，而泉水中离子含量通常很低。NH4+离子在沿河城1号泉、2号泉含量均小于0.04 mg/L，而河水为0.11 mg/L，可见泉水源区化学性质良好，未受到人为活动影响。

图3 门头沟沿河城新泉Ca2+离子与、、Cl-离子关系Fig.3 The relationship between the cation Ca2+and the anion，and Cl-in Yanhecheng new springs of Mentougou area

表1 水化学分析结果Table 1 Analysis results of Hydro geochemistry

3.2 松山泉与松山井水化学特征对比

松山泉水化学观测结果显示，在水化学阳离子浓度中，Na+离子浓度为145 mg/L，占94.3%，其他阳离子浓度很低，含量最高不超过6 mg/L，其中Mg2+含量很低，只有0.2 mg/L。阴离子中浓度为206.5 mg/L，占绝对优势，其次是Cl-和离子。松山井与松山泉位于同一断裂破碎带，其中松山井热储循环深度约1.46km（王广才，2003），松山泉地下热储循环深度约1.77km（表3）。与松山井水化学离子相比，松山泉Na+离子和Cl-离子浓度较少，与松山井水温高于松山泉有关，体现了岩性、温度对地下水的影响和控制。其他离子浓度大致相当。离子小于＜ 0.04 mg/L，说明延庆松山泉近年来化学性质稳定，人为影响因素不明显。

安：在这个问题上我有个很极端的想法（笑），如果未来，我自己作为某项钢琴比赛艺术总监，我会把普罗科菲耶夫第二、第三《钢琴协奏曲》，拉赫玛尼诺夫第二、第三《钢琴协奏曲》，柴科夫斯基《第一钢琴协奏曲》这些“流行”的名篇从曲目列表里删除，让选手们从拉赫玛尼诺夫第一、第四《钢琴协奏曲》，勃拉姆斯《第二钢琴协奏曲》，普罗科菲耶夫《第五钢琴协奏曲》及贝多芬《第四钢琴协奏曲》这些“非典型”作品中选择他们的比赛曲目。

4 断层泉地球化学温标和热储温度估算

4.1 地球化学温标

地球化学温标是利用地下热水系统中溶解度与温度的函数关系，计算地下热储温度，是探究地下热储成因类型的重要指标。水化学温标主要包括硅温标和阳离子温标（汪集旸，1993）。水化学阳离子温标主要包括Na—K温标、Na—K—Ca温标、Na—K—Ca—Mg体系平衡图解地温计温标法。前人的研究结果显示，阳离子温标受稀释或沸腾作用的影响较石英、玉髓小（王广才，2003）。其中，Na—K温标对于温度变化反应较缓慢，代表滞留时间较长的温度。通常适用于高温热储（＞120℃），而Na—K—Ca温标由于Ca2+溶解度低，较适用于富钙低温地热水系统。

4.2 断层泉热储温度估算

一般，Mg/Ca比值可指示温泉水温高低，比值越低代表水温越高。沿河城泉1号泉Mg/Ca比值为0.439，2号泉Mg/Ca比值为0.509，比值远较松山泉Mg/Ca值（0.036）高，说明沿河城泉地下热水与大气降水再循环速率较快，为低温热水系统。而松山泉循环深度大，为典型高温热水系统。因此，本文选取Na—K温标计算延庆松山温泉热储温度，选取Na—k—Ca温标计算门头沟沿河城温泉热储。结果见表2。

表2 热储温度估算结果Table 2 The estimated results of the geothermal reservoir temperature

由表2可见，沿河城1号泉、2号泉由于富含Ca2+，采用Na—K—Ca温标估算，温度分别为60.53℃和60.57℃；松山温泉采用Na—K温标，估算得到热储温度为112℃。根据各泉的热储温度，推算热储深度解构见表3。沿河城1号泉热储深度1.3km，2号泉热储深度1.35km，松山泉水热储深度为1.77km。其中，热储温度计算公式为

式中，T为热储层温度（℃）；K为地热水中K+的浓度（mg/L）；Na为地热水中Na+的浓度；Ca 为地热水中Ca2+的浓度。利用热储温度公式，可计算热储深度，公式为

式中，H为估算的热储深度（m）；G为地温梯度（℃/km），延河城为30℃/km，松山泉为35℃/km（吴璐苹，1996）；t0为恒温带温度（℃），采用温泉温度；h0为恒温带深度（m），本区域采用0 m。

表3 热储深度估算结果Table 3 The estimated results of the geothermal reservoir depth

5 断层泉前兆响应分析

沿河城水氡连续观测始于1989年1月，运行初期仪器经多次调试，观测结果显示，仪器动态响应灵敏，能够记录到地震前兆信息。如，1990年亚运会期间，昌平小汤山发生M4.0地震，该泉点在该时段记录到一次明显的地震前兆异常变化（图4），为判断当时的地震活动趋势发挥了作用①引自北京市地震监测志。

图4 门头沟沿河城泉水氡1990年1月—1991年12月动态曲线Fig.4 The dynamic curve of water radon of the Yanhecheng Spring in Mentougou area from Jan.，1990 to Dec.，1991

2013年沿河城新泉水氡观测初步结果显示，年动态总体呈冬低夏高的变化特征（图5）。本次沿河城新泉1号点、2号点测试结果显示，该泉区域水氡背景值约15 Bq/L。由于观测时间短，水氡资料有待积累研究。需指出，CO2对泉水具有指示意义（高玲，2010）。CO2有2种来源：①有机变质或生物成因；②碳酸岩高温变质作用生成CO2。新泉水中1号泉和2号泉检测CO2（TCD）含量均为5.4 mg/L，而CO2释放是否与构造活动有关，有待进一步研究。

图5 门头沟沿河城新泉水氡2013年动态曲线Fig.5 The dynamic curve of water radon of the Yanhecheng new spring in Mentougou area in 2013

图6 延庆松山气氡2007年12月至2009年3月动态曲线Fig.6 The dynamic curve of gas radon of the Songshan spring in Yanqing area from Dec.，2007 to Mar.，2009

6 结论

门头沟沿河城1号泉、2号泉均呈碱性，水化学类型为HCO3—Ca型。通过相关性分析可知，沿河城 1号泉、2号泉水离子与河水来自不同源区，该泉水补给源区主要来自断层两侧岩石。2个泉点热水可能来自同一热储，估算温度平均60.6℃，深度1.3km。

松山泉近年来水化学性质稳定，未受到明显的人为干扰。pH值较高，泉水呈碱性，水化学类型为SO4—Na型。热储温度112℃，深度1.8km。观测结果显示，该泉能够反映地下深部流体信息。

门头沟沿河城水氡背景值约15 Bq/L，延庆松山泉水氡背景值约20 Bq/L。Rn半衰期为3.832天，因此上述泉中Rn应当来自浅层热储，与地热温标结果相符（表3）。本次对门头沟沿河城水氡观测区域重新勘选2处泉点，水化学、溶解Rn等测试结果显示，沿河城新泉具备观测Rn的良好条件，是目前该区域唯一一处流体观测点。由于京西北部地区地震台网密度低，地震监测能力较弱，该观测点对于加强该地区地震监测能力具有重要意义。

由于氡观测是流体监测的重要手段，上述泉点处于特殊构造部位，易于捕捉地震前兆信息，今后应当继续加强观测。

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Geochemical characteristics of fault springs in Beijing area

Gao Ling1），Lv Yifu2），Pi Haiyan3）and Zhou Yonggang2）
1） Earthquake Administration of Beijing Municipacity，Beijing 100080，China
2） Earthquake Administration of Yanqing County，Beijing 102100，China
3） Earthquake Administration of Mentougou，Beijing 102300，China

This paper reports the hydrogeological and hydro geochemical investigations carried out on the Yanhecheng new springs and the Songshan springs regions.Compared to the different categories of groundwater，the hydro geochemical features of the Yanhecheng new springs and the Songshan spring are analyzed.The result shows that pH value is 7.88 averaged and is HCO3-Ca type of water chemistry.The chemical geochemical properties of the two springs are stability，and not affected by human impact.The two springs of hot water may be from the same geothermal reservoir with estimated temperature 60 .6 ℃averagely，and 1.3km depth.The Songshan spring is stable chemically in recent years，and is not be affected by human impact significantly.Geothermal reservoir temperature is 112℃，and the depth is 1.8km.It should be significant to strengthen precursor observation in fault springs.

Beijing area，fault springs，hydro geochemistry

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.010

高玲（1973—），女，副研究员，主要从事地下流体地震前兆监测预报研究工作。E-mail：gaolingh@163.com

北京市地震局基金项目资助（JZX-201203）

本文收到日期：2015-07-05