高 玲呂毅夫皮海燕周永剛

1） 中國北京100080 北京市地震局

2） 中國北京 102100 延慶縣地震局

3） 中國北京 102300 門頭溝區(qū)地震局

北京地區(qū)斷層泉水文地球化學特征

高 玲1）呂毅夫2）皮海燕3）周永剛2）

1） 中國北京100080 北京市地震局

2） 中國北京 102100 延慶縣地震局

3） 中國北京 102300 門頭溝區(qū)地震局

對門頭溝沿河城新泉和延慶松山泉區(qū)域開展水文地質和水文地球化學調查工作。通過與不同類別地下水對比，分析了沿河城新泉和松山泉水文地球化學特征。結果顯示，沿河城1號泉、2號泉pH值平均7.88。水化學類型均為HCO3—Ca型。2個泉水化學地球化學性質穩(wěn)定，未受到人為影響。2個泉點地下水可能來自同一熱儲，估算溫度平均為60.6℃，深度平均為1.3km。松山泉近年來水化學性質穩(wěn)定，未受到人為明顯影響。熱儲溫度為 112℃，深度為1.8km。沿河城泉和松山泉處于特殊構造部位，水化觀測具映震前兆響應，今后應當繼續(xù)加強觀測。

北京地區(qū)；斷層泉；水文地球化學

0 引言

門頭溝沿河城泉和延慶松山泉是北京地區(qū)少有的溢出泉水化觀測臺，自觀測以來，多次記錄到前兆異常震例。例如，1998年1月河北張北6.2級地震及多次地方震（楊明波，2001）。目前，沿河城主要開展氡觀測，松山泉主要開展氡、汞等觀測。近年來，由于平原區(qū)地下水過度開采、降水量減少、旅游開發(fā)等，水位下降明顯，觀測環(huán)境發(fā)生很大變化，加之其他條件限制，使得水氡觀測質量落后全國水平。以沿河城臺為例，由于該采樣泉點日漸干枯，現(xiàn)已無法開展正常觀測。松山區(qū)域則因近年旅游開發(fā)，觀測環(huán)境發(fā)生改變。2012年4月，我們對沿河城泉區(qū)域和松山泉區(qū)域重新進行勘選。在沿河城舊泉區(qū)域重新選取2處逸出泉點，采集上述泉點水化學樣品和沿河水樣品，作為不同時期對比，采集松山泉水化學樣品，進行測試，以便了解水化觀測泉（臺）現(xiàn)狀，填補背景資料缺失狀況，為下一步改造實施提供基礎資料與判斷依據，以提高地震觀測質量與效能。

1 斷層觀測泉點區(qū)域概況

沿河城新泉群位于門頭溝區(qū)西北部齋堂鎮(zhèn)沿河城鄉(xiāng)沿河城旁約200 m處，高程450 m。構造上處于北東向沿河城斷裂與北西向鎮(zhèn)邊城斷裂交匯部位（圖1）。其中沿河城斷裂深度大多在100 m以上，最深達170 m以上（高文學等，1993；徐錫偉等，2002），其北部與延慶—懷來地震帶毗鄰。沿河城泉群直接出露于含砂礫石層。1號泉點、2號泉點水質無色無味透明，1號點水溫為13.8℃，流量平均為0.08 L/s；2號點水溫13.3℃，流量平均為0.07 L/s。沿河城河水溫度為20.5℃。

松山泉位于延慶松山自然保護區(qū)內的大海坨山溝谷，高程745 m。構造上處于壙子廟—胡家營斷裂帶交匯處，該斷裂帶長l0余千米，在大海坨花崗巖體內呈東北走向延展，松山泉出露于大海坨山花崗巖體（圖2）。該巖體裂隙發(fā)育，地下水深循環(huán)通道良好。目前松山泉水溫36℃，屬于承壓型上升泉，泉水流量0.07 L/s。

圖1 門頭溝沿河城泉采樣點示意Fig.1 Schematic location map of Yanhecheng sampled springs in Mentougou area

圖2 延慶松山泉采樣點示意Fig.2 Schematic location map of the Songshan sampled spring in Yanqing area

2 樣品采集

對沿河城2處逸出新泉泉口出水處進行樣品采集，采用現(xiàn)場測試和室內實驗相結合方法?，F(xiàn)場測定內容包括水溫、流量、pH值，用清洗過的聚乙烯塑料瓶在每個采樣點用樣品水清洗多遍后，采集550 mL水樣，密封。松山泉水化學樣品采集測試方法同上。樣品交由中國地震局地質研究所地震地下流體實驗室測試。陰、陽離子標準偏差≤2%。

3 斷層泉水文地球化學特征

3.1 沿河城泉水與沿河水水化學特征對比

門頭溝沿河城泉主要離子組成見表1。地下水化學特征能夠反映地下水在流動過程中與圍巖的相互作用，且可為地下水溯源提供依據。分析顯示，沿河城泉1號泉、2號泉陽離子濃度相當，其中Ca2+離子含量最高，平均為 57.1 mg/L。 其他陽離子大小依次為Mg2+、Na+、K+，平均含量分別為27.1 mg/L，7.6 mg/L，2.3 mg/L。1號泉、2號泉陰離子濃度均以為主，含量分別為262.3 mg/L和254.4 mg/L，其他陰離子大小依次為、、Cl-。但2號泉陰離子濃度普遍比1號泉高約10 mg/L，可由pH值印證。1號泉、2號泉和Ca2+離子占絕對優(yōu)勢，分別占陽離子和陰離子的86%和19.0%（1號泉）及77.32%和17.29%（2號泉）。其次是Mg2+和，分別占陽離子和陰離子總量的8.36%和8.82%（1號泉）及8.7%和13.71%（2號泉）。圖3顯示，沿河城1號、2號泉水中，Ca2+離子與離子、離子和Cl-離子呈明顯正相關關系。而河水中的Ca2+離子與上述離子偏離，說明1號泉、2號泉補給源區(qū)主要來自斷層兩側巖石，即為可溶性灰?guī)r（CaCO3）、白云巖（MgCO3）等的溶解。該泉區(qū)地下熱儲溫度約60℃，循環(huán)深度平均1.3km，增加了斷層兩側巖石溶解離子的貢獻量。

門頭溝沿河城河水與泉水存在明顯差別，見圖3。研究顯示，河水中S、Cl、N元素一般來源于人類活動，包括農業(yè)施肥、工業(yè)生產等，多呈正相關關系，可以反映人類活動對水環(huán)境的影響程度（范暘，2009）。沿河城河水化學離子濃度中，Na+離子和占絕對優(yōu)勢，分別占陽離子和陰離子的39.8%和47.1.0%。其他陽離子大小依次為Ca+、Mg2+、K+、，陰離子大小依次為、Cl-、、，其中Cl-、離子濃度顯著高于1號泉和2號泉，分別為79.1 mg/L 、113.4 mg/L，是2個泉點平均值的4倍（表1），說明河水受到人為影響。一般，在人為污穢和缺氧條件下，容易產生，而泉水中離子含量通常很低。NH4+離子在沿河城1號泉、2號泉含量均小于0.04 mg/L，而河水為0.11 mg/L，可見泉水源區(qū)化學性質良好，未受到人為活動影響。

圖3 門頭溝沿河城新泉Ca2+離子與、、Cl-離子關系Fig.3 The relationship between the cation Ca2+and the anion，and Cl-in Yanhecheng new springs of Mentougou area

表1 水化學分析結果Table 1 Analysis results of Hydro geochemistry

3.2 松山泉與松山井水化學特征對比

松山泉水化學觀測結果顯示，在水化學陽離子濃度中，Na+離子濃度為145 mg/L，占94.3%，其他陽離子濃度很低，含量最高不超過6 mg/L，其中Mg2+含量很低，只有0.2 mg/L。陰離子中濃度為206.5 mg/L，占絕對優(yōu)勢，其次是Cl-和離子。松山井與松山泉位于同一斷裂破碎帶，其中松山井熱儲循環(huán)深度約1.46km（王廣才，2003），松山泉地下熱儲循環(huán)深度約1.77km（表3）。與松山井水化學離子相比，松山泉Na+離子和Cl-離子濃度較少，與松山井水溫高于松山泉有關，體現(xiàn)了巖性、溫度對地下水的影響和控制。其他離子濃度大致相當。離子小于＜ 0.04 mg/L，說明延慶松山泉近年來化學性質穩(wěn)定，人為影響因素不明顯。

安：在這個問題上我有個很極端的想法（笑），如果未來，我自己作為某項鋼琴比賽藝術總監(jiān)，我會把普羅科菲耶夫第二、第三《鋼琴協(xié)奏曲》，拉赫瑪尼諾夫第二、第三《鋼琴協(xié)奏曲》，柴科夫斯基《第一鋼琴協(xié)奏曲》這些“流行”的名篇從曲目列表里刪除，讓選手們從拉赫瑪尼諾夫第一、第四《鋼琴協(xié)奏曲》，勃拉姆斯《第二鋼琴協(xié)奏曲》，普羅科菲耶夫《第五鋼琴協(xié)奏曲》及貝多芬《第四鋼琴協(xié)奏曲》這些“非典型”作品中選擇他們的比賽曲目。

4 斷層泉地球化學溫標和熱儲溫度估算

4.1 地球化學溫標

地球化學溫標是利用地下熱水系統(tǒng)中溶解度與溫度的函數關系，計算地下熱儲溫度，是探究地下熱儲成因類型的重要指標。水化學溫標主要包括硅溫標和陽離子溫標（汪集旸，1993）。水化學陽離子溫標主要包括Na—K溫標、Na—K—Ca溫標、Na—K—Ca—Mg體系平衡圖解地溫計溫標法。前人的研究結果顯示，陽離子溫標受稀釋或沸騰作用的影響較石英、玉髓小（王廣才，2003）。其中，Na—K溫標對于溫度變化反應較緩慢，代表滯留時間較長的溫度。通常適用于高溫熱儲（＞120℃），而Na—K—Ca溫標由于Ca2+溶解度低，較適用于富鈣低溫地熱水系統(tǒng)。

4.2 斷層泉熱儲溫度估算

一般，Mg/Ca比值可指示溫泉水溫高低，比值越低代表水溫越高。沿河城泉1號泉Mg/Ca比值為0.439，2號泉Mg/Ca比值為0.509，比值遠較松山泉Mg/Ca值（0.036）高，說明沿河城泉地下熱水與大氣降水再循環(huán)速率較快，為低溫熱水系統(tǒng)。而松山泉循環(huán)深度大，為典型高溫熱水系統(tǒng)。因此，本文選取Na—K溫標計算延慶松山溫泉熱儲溫度，選取Na—k—Ca溫標計算門頭溝沿河城溫泉熱儲。結果見表2。

表2 熱儲溫度估算結果Table 2 The estimated results of the geothermal reservoir temperature

由表2可見，沿河城1號泉、2號泉由于富含Ca2+，采用Na—K—Ca溫標估算，溫度分別為60.53℃和60.57℃；松山溫泉采用Na—K溫標，估算得到熱儲溫度為112℃。根據各泉的熱儲溫度，推算熱儲深度解構見表3。沿河城1號泉熱儲深度1.3km，2號泉熱儲深度1.35km，松山泉水熱儲深度為1.77km。其中，熱儲溫度計算公式為

式中，T為熱儲層溫度（℃）；K為地熱水中K+的濃度（mg/L）；Na為地熱水中Na+的濃度；Ca 為地熱水中Ca2+的濃度。利用熱儲溫度公式，可計算熱儲深度，公式為

式中，H為估算的熱儲深度（m）；G為地溫梯度（℃/km），延河城為30℃/km，松山泉為35℃/km（吳璐蘋，1996）；t0為恒溫帶溫度（℃），采用溫泉溫度；h0為恒溫帶深度（m），本區(qū)域采用0 m。

表3 熱儲深度估算結果Table 3 The estimated results of the geothermal reservoir depth

5 斷層泉前兆響應分析

沿河城水氡連續(xù)觀測始于1989年1月，運行初期儀器經多次調試，觀測結果顯示，儀器動態(tài)響應靈敏，能夠記錄到地震前兆信息。如，1990年亞運會期間，昌平小湯山發(fā)生M4.0地震，該泉點在該時段記錄到一次明顯的地震前兆異常變化（圖4），為判斷當時的地震活動趨勢發(fā)揮了作用①引自北京市地震監(jiān)測志。

圖4 門頭溝沿河城泉水氡1990年1月—1991年12月動態(tài)曲線Fig.4 The dynamic curve of water radon of the Yanhecheng Spring in Mentougou area from Jan.，1990 to Dec.，1991

2013年沿河城新泉水氡觀測初步結果顯示，年動態(tài)總體呈冬低夏高的變化特征（圖5）。本次沿河城新泉1號點、2號點測試結果顯示，該泉區(qū)域水氡背景值約15 Bq/L。由于觀測時間短，水氡資料有待積累研究。需指出，CO2對泉水具有指示意義（高玲，2010）。CO2有2種來源：①有機變質或生物成因；②碳酸巖高溫變質作用生成CO2。新泉水中1號泉和2號泉檢測CO2（TCD）含量均為5.4 mg/L，而CO2釋放是否與構造活動有關，有待進一步研究。

圖5 門頭溝沿河城新泉水氡2013年動態(tài)曲線Fig.5 The dynamic curve of water radon of the Yanhecheng new spring in Mentougou area in 2013

圖6 延慶松山氣氡2007年12月至2009年3月動態(tài)曲線Fig.6 The dynamic curve of gas radon of the Songshan spring in Yanqing area from Dec.，2007 to Mar.，2009

6 結論

門頭溝沿河城1號泉、2號泉均呈堿性，水化學類型為HCO3—Ca型。通過相關性分析可知，沿河城 1號泉、2號泉水離子與河水來自不同源區(qū)，該泉水補給源區(qū)主要來自斷層兩側巖石。2個泉點熱水可能來自同一熱儲，估算溫度平均60.6℃，深度1.3km。

松山泉近年來水化學性質穩(wěn)定，未受到明顯的人為干擾。pH值較高，泉水呈堿性，水化學類型為SO4—Na型。熱儲溫度112℃，深度1.8km。觀測結果顯示，該泉能夠反映地下深部流體信息。

門頭溝沿河城水氡背景值約15 Bq/L，延慶松山泉水氡背景值約20 Bq/L。Rn半衰期為3.832天，因此上述泉中Rn應當來自淺層熱儲，與地熱溫標結果相符（表3）。本次對門頭溝沿河城水氡觀測區(qū)域重新勘選2處泉點，水化學、溶解Rn等測試結果顯示，沿河城新泉具備觀測Rn的良好條件，是目前該區(qū)域唯一一處流體觀測點。由于京西北部地區(qū)地震臺網密度低，地震監(jiān)測能力較弱，該觀測點對于加強該地區(qū)地震監(jiān)測能力具有重要意義。

由于氡觀測是流體監(jiān)測的重要手段，上述泉點處于特殊構造部位，易于捕捉地震前兆信息，今后應當繼續(xù)加強觀測。

范旸.城市化過程對北京周邊河流水化學特征的影響［J］.首都師范大學學報（自然科學版），2010，31（5）：43-50.

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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，副研究員，主要從事地下流體地震前兆監(jiān)測預報研究工作。E-mail：gaolingh@163.com

北京市地震局基金項目資助（JZX-201203）

本文收到日期：2015-07-05