張保建，孫艷麗，康向陽，杜 靚，許 飛，胡楊楊

（1.中地寶聯(lián)(北京)國土資源勘查技術(shù)有限公司，北京 010020；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，濟(jì)南 250014）

基于水化學(xué)的北京及周邊巖溶地?zé)崴纬蓷l件研究

張保建1，孫艷麗2，康向陽1，杜 靚1，許 飛1，胡楊楊1

（1.中地寶聯(lián)(北京)國土資源勘查技術(shù)有限公司，北京 010020；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，濟(jì)南 250014）

北京市及周邊巖溶地?zé)崽锏責(zé)崴谟蓽\至深的深循環(huán)，在高水頭作用下上涌的過程中，溶解了熱儲及圍巖的巖鹽、石膏等成分，并不同程度與淺部冷水混合，形成了現(xiàn)今的地?zé)崴瘜W(xué)特征。水文地球化學(xué)與同位素特征表明，巖溶地?zé)崴难a(bǔ)給來源是北京市及周邊山區(qū)的大氣降水，北京平原區(qū)淺埋的巖溶冷水也可能形成補(bǔ)給。自補(bǔ)給區(qū)至巖溶熱儲深埋區(qū)，地?zé)崴难h(huán)交替條件逐步變差，水質(zhì)逐漸變復(fù)雜，變質(zhì)程度逐步增高。水化學(xué)特征顯示，除天竺、后沙峪和鳳河營等水文地質(zhì)環(huán)境較封閉的地?zé)崽锿?，北京市及周邊大部分地?zé)崽锏膸r溶地?zé)崴a(bǔ)給條件良好，地?zé)崴目砷_采資源量大。

水文地球化學(xué)；同位素；形成條件；巖溶地?zé)崴?；北京及周?/p>

0 前言

北京市及周邊地?zé)豳Y源豐富，地?zé)豳Y源的勘查與開發(fā)利用可追溯到20世紀(jì)50年代，至今已有60多年的歷史，目前開發(fā)利用的地?zé)崴詭r溶地?zé)崴疄橹?。在勘查與開發(fā)利用地?zé)豳Y源的同時(shí)，地?zé)岬刭|(zhì)勘查隊(duì)伍與科研機(jī)構(gòu)在北京市及周邊地?zé)崴牡責(zé)岬刭|(zhì)特征（呂金波， 2004；李業(yè)震， 2004；柯柏林，2009），水文地球化學(xué)與同位素特征（劉久榮等， 2002；于湲， 2006；柳春暉， 2006；肖文進(jìn)等， 2009；張煒斌等， 2013；劉穎超等， 2015；劉凱等，2015），地?zé)崴某梢?、機(jī)理等方面（王澤龍， 2006；戴文育，2007）形成了較多研究成果，這些研究成果主要集中于前兩者，對于地?zé)崴男纬蓷l件特別是從水文地球化學(xué)角度的研究不多。本文旨在從水文地球化學(xué)角度對北京及周邊巖溶地?zé)崴男纬蓷l件進(jìn)行研究，為區(qū)域巖溶地?zé)崴暮侠黹_發(fā)利用提供依據(jù)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)背景

北京地處華北平原北端，北、西、東北為燕山和太行山山脈，東、南部為平原。大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺燕山臺褶帶中段以及華北斷坳之西北隅，自西北到東南分布有延慶新斷陷、北京迭斷陷（順義迭凹陷、坨里—豐臺迭凹陷、琉璃河—涿州迭凹陷）、大廠—固安—武清新斷陷三個(gè)斷陷帶，斷陷帶內(nèi)覆蓋巨厚沉積物，為地?zé)崴纳畈窟\(yùn)移和聚集提供了條件。北京地區(qū)在深度3500 m內(nèi)、井口出水溫度大于50℃的地區(qū)面積約2760 km2，構(gòu)成相對獨(dú)立又有一定水力聯(lián)系的10 個(gè)地?zé)崽?，分別為延慶、小湯山、后沙峪、西北城區(qū)、東南城區(qū)、良鄉(xiāng)、李遂、天竺、雙橋和鳳河營地?zé)崽铮▓D1）。其中延慶地?zé)崽镂挥谘討c新斷陷，小湯山地?zé)崽镂挥诎诉_(dá)嶺中穹斷，西北城區(qū)地?zé)崽镂挥陂T頭溝迭陷褶，東南城區(qū)地?zé)崽镂挥谯缋铩S臺迭凹陷，良鄉(xiāng)地?zé)崽镂挥诹鹆Ш印弥莸枷?，后沙峪、天竺地?zé)崽镂挥陧樍x迭凹陷，李遂地?zé)崽镂挥谄焦戎旭窋?，雙橋地?zé)崽镂挥诖笈d迭隆起，鳳河營地?zé)崽镂挥诖髲S—固安—武清新斷陷。主要熱儲為薊縣系霧迷山組硅質(zhì)白云巖，鐵嶺組次之，寒武系和奧陶系灰?guī)r若具備蓋層, 也可成為較好的熱儲；巨厚的巖溶發(fā)育地層為地下水的深循環(huán)創(chuàng)造了條件（張保建等，2015），蓋層有第四系、新近系、白堊系、侏羅系、二疊—三疊系等。上述地?zé)崽镏?，延慶、小湯山、良鄉(xiāng)、李遂、雙橋地?zé)崽餆醿β裆钶^淺，熱儲頂板埋深淺處不足百米，深處不超過2500m；城區(qū)、后沙峪、天竺、鳳河營地?zé)崽餆醿敯迓裆钶^深，為1000多米至4000m。

北京西北部山區(qū)在大地構(gòu)造上位于燕山臺褶帶，長期的構(gòu)造演化形成了山間盆地與山系相間的盆山耦合結(jié)構(gòu)。北西向斷裂與北北東—北東向斷裂相互錯(cuò)切，控制了延（慶）懷（來）、蔚（縣）廣（靈）、陽原、張家口等多個(gè)活動斷陷盆地的形成。盆地區(qū)地層由新至老主要有：第四系、白堊系、侏羅系、石炭—二疊系、寒武—奧陶系、青白口系、薊縣系、長城系、太古界密云群。薊縣系霧迷山組白云巖為主要熱儲。目前多以自然出露的溫泉為主，也有部分為深度數(shù)百米內(nèi)的地?zé)峋?/p>

圖1 北京地區(qū)地?zé)崽飫澐质疽鈭DFig.1 Schematic map showing geothermal fi eld divisions

2 地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)特征

2.1 地?zé)崴瘜W(xué)特征

北京市不同地?zé)崽镉捎谒幍刭|(zhì)構(gòu)造單元不同，地?zé)岬刭|(zhì)及水文地質(zhì)條件不同，其水化學(xué)類型亦呈現(xiàn)不同類型。延慶、小湯山地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?2℃～70℃，礦化度為0.4～0.7g/L，水化學(xué)類型以HCO3-Na·Ca水為主，少量為HCO3·SO4-Na·Ca水。西北城區(qū)地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?0℃～55℃，礦化度為0.4g/L左右，水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Na·Mg水為主。東南城區(qū)地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?1℃～88℃，礦化度為0.4～0.8g/L，水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Na·Ca水為主，其次為HCO3·SO4-Ca·Na水。良鄉(xiāng)地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?6℃～69℃，礦化度為0.6g/L左右，水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca·Na水為主，其次為HCO3·SO4-Na·Ca水。李遂、雙橋地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?2℃～51℃，礦化度為0.48～0.70g/L，水化學(xué)類型以HCO3-Na水為主。后沙峪地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?0℃左右，礦化度為1.0～1.6g/L，水化學(xué)類型以SO4·HCO3-Na水為主。天竺地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?7℃～89℃，礦化度為1.5～1.7g/L，水化學(xué)類型以SO4·Cl-Na水為主。鳳河營地?zé)崽锏責(zé)崴疁囟葹?00℃～118.5℃，礦化度為6.7～7.5g/L，水化學(xué)類型以Cl-Na水為主。

北京西北部山區(qū)溫度較高的地?zé)崴疁囟葹?7℃～78℃，礦化度為0.67～1.23g/L，水化學(xué)類型以SO4-Na水為主，其次還有SO4·HCO3-Na、SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na水。北京西北部山區(qū)溫度較低的地?zé)崴疁囟葹?1℃～34℃，礦化度為0.23～0.47g/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca·Na水為主。

根據(jù)地?zé)崴饕?、陽離子在Piper三線圖（圖2）的分布情況，可以看出礦化度較低的延慶、小湯山、西北城區(qū)、東南城區(qū)、良鄉(xiāng)地?zé)崽锏責(zé)崴c北京西北部山區(qū)溫度較低地?zé)崴恢孟嘟?，與補(bǔ)給區(qū)地下水位置相近并向Na+、SO42-、Cl-摩爾濃度百分比增加的方向移動，說明這幾個(gè)地?zé)崽锸苎a(bǔ)給區(qū)地下水影響明顯，補(bǔ)給條件較好。后沙峪地?zé)崽锖捅本┪鞅辈可絽^(qū)溫度較高地?zé)崴騈a+和SO42-摩爾濃度百分比增加的方向移動明顯，所處的水動力環(huán)境較封閉，地下水循環(huán)交替條件較差。天竺、鳳河營地?zé)崽锏V化度較高，向Na+和Cl-摩爾濃度百分比增加的方向移動明顯，說明其所處的水動力環(huán)境較封閉，地下水循環(huán)交替條件較差。雙橋、李遂地?zé)崽镫m然礦化度不高，但向Na+和Cl-摩爾濃度百分比增加的方向移動明顯，說明可能收到了鳳河營、天竺等地?zé)崽锏責(zé)崴挠绊憽?/p>

圖2 北京市及周邊各地?zé)崽锏叵滤瘜W(xué)Piper 圖解Fig. 2 Piper diagram of geothemal water and groundwater in Beijing and the surrounding

2.2 地?zé)崴?巖相互作用程度

由研究區(qū)地?zé)崴腘a-K-Mg平衡圖解上（圖3）看出，北京市各地?zé)崽锍祗煤网P河營外，其他地?zé)崽锏責(zé)崴嘉挥贛g離子的右下角頂點(diǎn)附近，這與大氣降水及淺層地下水（在Na-K-Mg平衡圖上位于Mg離子的右下角頂點(diǎn)處）接近，說明除天竺和鳳河營水動力環(huán)境較封閉的地?zé)崽锿?，其他大部分地?zé)崽镅a(bǔ)給條件較好，地?zé)崴幵谒?巖相互作用的初級階段。天竺地?zé)崽锾幵诰植科胶鈪^(qū)或局部平衡區(qū)與非平衡區(qū)交界處，說明地?zé)崴畡恿Νh(huán)境較封閉，在含水介質(zhì)中停留了較長時(shí)間，水-巖相互作用程度有所提高；也可能收到了鳳河營地?zé)崽锏雀叩V化地?zé)崴挠绊?。鳳河營地?zé)崽锏責(zé)崴挥诰植科胶鈪^(qū)，且靠近反應(yīng)平衡區(qū)，這是因?yàn)樵摰責(zé)崽锼幍乃牡刭|(zhì)環(huán)境較封閉，水-巖相互作用程度較高。

北京西北部山區(qū)溫度較低的地?zé)崴嘉挥贛g離子的右下角頂點(diǎn)附近，說明地?zé)崴幵谒?巖相互作用的初級階段，這主要是混入大量淺層地下冷水所致。北京西北部山區(qū)溫度較高的地?zé)崴糠治挥诰植科胶鈪^(qū)，部分位于非平衡區(qū)，且溫度越高，越向反應(yīng)平衡區(qū)靠近，說明溫度較高的地?zé)崴窃谒牡刭|(zhì)環(huán)境較封閉的深部加熱形成的，水-巖相互作用程度較高。

圖3 地?zé)崴甆a-K-Mg平衡圖解Fig.3 Na-k-Mg equilibrium graphic solution of geothermal water

為了說明研究區(qū)地?zé)崴畬τ诟髦饕V物的飽和狀態(tài)，使用PHREEQC軟件進(jìn)行礦物相平衡計(jì)算，得出地?zé)崴畼又懈鞣N礦物的飽和指數(shù)（SI）。當(dāng)?shù)叵滤心撤N礦物的SI ＞0時(shí)，說明該礦物在地下水中處于過飽和狀態(tài)；SI＜0時(shí)該礦物在地下水中處于非飽和狀態(tài)；SI=0時(shí)，該礦物處于平衡狀態(tài)（表1）。

由表1看出，研究區(qū)地?zé)崴饕V物成分中，易溶成分巖鹽、石膏、硬石膏等均未達(dá)到飽和。除鳳河營地?zé)崽锏壬贁?shù)地?zé)崴畼油?，絕大部分地?zé)崴休^難溶成分方解石、文石、白云石等也未達(dá)到飽和狀態(tài)。從距補(bǔ)給區(qū)較近、補(bǔ)給條件較好的地?zé)崴窖a(bǔ)給條件較差（鳳河營地?zé)崽铮┑牡責(zé)崴兹艹煞謳r鹽、石膏、硬石膏的飽和指數(shù)呈逐漸增高趨勢，說明隨著礦化度的升高，這些易溶成分逐漸向飽和過渡，發(fā)生的水-巖相互作用越來越充分，這符合從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)的水化學(xué)演變的一般特征。但易溶成分遠(yuǎn)未達(dá)到飽和狀態(tài)，說明即使在地?zé)崴a(bǔ)給條件較差的鳳河營地?zé)崽?，?巖相互作用仍在進(jìn)行。

表1 地?zé)崴饕V物飽和指數(shù)（SI）統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The main mineral saturation index (SI) statistical of geothermal water

根據(jù)相關(guān)研究（尹忠等，1994），在一定濃度的氯化鈉水溶液中，硫酸鈣的溶解度隨氯化鈉濃度的增高而增高，當(dāng)氯化鈉濃度增高到16.45～21.46g/L（溫度為25℃～80℃）時(shí)，硫酸鈣的溶解度達(dá)到最高值。由于鳳河營及天竺地?zé)崽镏蠳a+和Cl-含量較高，因而地?zé)崴氖?、硬石膏的飽和指?shù)較小。

3 地?zé)崴凰靥卣?/h2>

3.1 氫氧穩(wěn)定同位素

翟遠(yuǎn)征等根據(jù)北京地區(qū)大氣降水中的氫氧同位素組成，得出了北京地區(qū)大氣降水線方程為：δD=6.931δ18O+3.927（翟遠(yuǎn)征等，2011）。北京地區(qū)大氣降水線的斜率（6.931）明顯小于全球大氣降水線（GMWL：δD= 8δ18O+10）的斜率（8），這主要是因?yàn)楸緟^(qū)氣候相對較干旱，蒸發(fā)作用較強(qiáng)，從而導(dǎo)致重同位素富集。

為了便于比較不同地區(qū)大氣降水的氫氧同位素差異， Dansgaard （1964）提出了氘過量參數(shù)（d）的概念，并定義為： d=δD- 8δ18O（Dansgaard，1964）。d值的一個(gè)重要的特性就是：在同一區(qū)域內(nèi)不受季節(jié)、高度和其他因素的影響，只與它在含水層內(nèi)滯留時(shí)間的長短直接相關(guān)（尹觀等，2001），因而適用于研究地下水的循環(huán)交替條件與變質(zhì)程度。d值可以作為水-巖相互作用中18O同位素交換程度的衡量指標(biāo)，d值越小，水文地質(zhì)環(huán)境越封閉，地下水徑流速度愈慢，在含水層中滯留時(shí)間愈長，變質(zhì)程度越高。另外，水-巖相互作用的結(jié)果往往使水中的18O 增大，此現(xiàn)象稱為“18O漂移”，“18O漂移”程度的強(qiáng)弱能較好地反映水在含水層中滯留時(shí)間的長短和變質(zhì)程度的強(qiáng)弱。

由圖4看出，研究區(qū)地?zé)崴摩腄和δ18O值均位于北京地區(qū)大氣降水線附近，說明地?zé)崴淖罱K補(bǔ)給來源為大氣降水。大部分地?zé)崴挥诖髿饨邓€的右側(cè)，δ18O有一定程度的正漂移，說明在一定程度上受到了蒸發(fā)作用的影響。

圖4 熱水δD和δ18O含量關(guān)系圖Fig.4 Relationship between δD and δ18O content of geothermal water

在各地?zé)崽镏校本┪鞅辈可絽^(qū)溫度較高的地?zé)崴脱討c-小湯山地?zé)崽锏摩腄和δ18O值偏小，這是由于其補(bǔ)給區(qū)的海拔較高，由于同位素的高程效應(yīng)，海拔高區(qū)降水的δD和δ18O值會降低。北京西北部山區(qū)溫度較低的地?zé)崴腄和δ18O值有所增加，這主要是由于受到了其出露點(diǎn)海拔較低的淺層地下冷水的影響。除距補(bǔ)給區(qū)較遠(yuǎn)、水文地質(zhì)環(huán)境較封閉的鳳河營等地?zé)崽锿?，北京地區(qū)地?zé)崴蟛糠治挥诋?dāng)?shù)卮髿饨邓€的兩側(cè)，這主要是因?yàn)楸本┏菂^(qū)的西部、北部、東北部和西南部分布有面積和厚度較大的薊縣系及寒武—奧陶系碳酸鹽巖，雖有斷層錯(cuò)斷，但這些巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖地層整體上自然延伸并隱伏于北京城區(qū)之下，因而北京城區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給條件較好，地?zé)崴邮苎a(bǔ)給的速度較快，因而整體上基本保持了大氣降水的同位素特征。鳳河營地?zé)崽锏摩?8O漂移最明顯，鳳河營凸起是位于固安—武清新斷陷內(nèi)的低凸起，碳酸鹽巖熱儲層被周邊厚度較大、滲透性能較差的新生界、中生界所包圍，地?zé)崴难a(bǔ)給條件較差。

北京各地?zé)崽镏?，在同一地區(qū)，d 值隨著地下水埋深加大而減??；從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)，地下水的d 值整體上逐漸降低，其中北部補(bǔ)給區(qū)平均d 值為7.31，北京斷陷盆地平均d 值為5.68，南部鳳河營地區(qū)僅為-9.2～-15.6。說明整體上隨著熱儲埋深增大、距補(bǔ)給區(qū)距離越遠(yuǎn)，地?zé)崴难a(bǔ)給條件逐漸變差。在各地?zé)崽镏校P河營地?zé)崽锏責(zé)崴膁值為負(fù)值外，其他地?zé)崴膁值均相對較高，為3.6～19.2，說明除了鳳河營等少數(shù)水文地質(zhì)環(huán)境較封閉的地?zé)崽锿?，北京城區(qū)及西北部山區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給條件均較好。

3.2 放射性同位素

（1）氚同位素特征

氚（T或3H）是氫的放射性同位素，一般認(rèn)為用它可半定量的估算60年以內(nèi)的水年齡。Ian Clark和 Peter Fritz 針對大陸地區(qū)給出經(jīng)驗(yàn)劃分方案：①氚含量＜0.8TU，為1953年以前補(bǔ)給；②氚含量在0.8～4TU之間，為1953年以前補(bǔ)給水與近代補(bǔ)給水的混合；③氚含量在5～15TU之間，為現(xiàn)代水（5～10年）；④氚含量在15～30TU之間，小部分水為20世紀(jì)60—70年代補(bǔ)給；⑤氚含量＞30TU，相當(dāng)一部分可能為20世紀(jì)60—70年代補(bǔ)給；⑥氚含量＞50TU，主要在20世紀(jì)60—70年代補(bǔ)給。

北京及周邊各地?zé)崽锏責(zé)崴碾昂吭?.00～10.65TU之間，其中氚含量在1.00～4.93TU的地?zé)崴妓鶞y地?zé)崴畼拥?0%，為1953年以前補(bǔ)給水與近代補(bǔ)給水的混合形成的，直接來自熱儲的可能性大；測定氚含量在6.28～10.65TU的地?zé)崴妓鶞y地?zé)崴畼拥?0%，主要為現(xiàn)代水，推測可能是補(bǔ)給區(qū)冷水經(jīng)深大斷裂和破碎帶補(bǔ)給地?zé)崴篃崴暗暮吭龈摺?/p>

（2）14C同位素特征

14C測年的指示意義在于識別不同地質(zhì)年代下地?zé)崃黧w的形成，為地?zé)崃黧w的起源、成因及所經(jīng)歷的地質(zhì)年代提供依據(jù)（馬致遠(yuǎn)等，2004）。

北京市各地?zé)崽锏責(zé)崴?4C測年年齡為19.4～39.0ka。其中小湯山地?zé)崴挲g為24.4～30.8ka，北部的年齡小，南部的年齡大，說明該地?zé)崽餆崴难a(bǔ)給區(qū)位于北部，地?zé)崴畯搅鞣较蚴怯杀毕蚰希坏責(zé)崴挲g呈現(xiàn)隨地?zé)峋疃仍黾佣黾拥奶攸c(diǎn)，反映出補(bǔ)給區(qū)地下水的特點(diǎn)（圖5）。鳳河營、后沙峪、良鄉(xiāng)、西北城區(qū)地?zé)崽锏責(zé)崴挲g較大，均在30ka之上，為31.7～39.0ka，其中鳳河營地?zé)崽锏責(zé)崴挲g較大是由于距補(bǔ)給區(qū)較遠(yuǎn)、熱儲埋深較大且所處水文地質(zhì)環(huán)境較封閉；后沙峪地?zé)崽锏責(zé)崴挲g較大是由于位于水文地質(zhì)環(huán)境較封閉的順義迭凹陷；良鄉(xiāng)、西北城區(qū)地?zé)崽锞嘌a(bǔ)給區(qū)較近，其地?zé)崴挲g較大的原因可能是：距補(bǔ)給區(qū)較遠(yuǎn)、深循環(huán)的地?zé)崴哂休^高的水頭（如鳳河營地?zé)崴試姼叨瓤蛇_(dá)52m），在水頭差的驅(qū)動下，可向距補(bǔ)給區(qū)較近、水頭較低的地段反向運(yùn)動（即自排泄區(qū)向補(bǔ)給區(qū)運(yùn)動）（張保建，2011），因而使距補(bǔ)給區(qū)較近的地?zé)崴渤尸F(xiàn)較大的年齡。東南城區(qū)地?zé)崽锏責(zé)崴挲g較小，為19.4～21.8ka，這可能是由于該地?zé)崽锬蟼?cè)為大興迭隆起，地?zé)崴赡芙邮芰舜笈d迭隆起淺埋巖溶水的補(bǔ)給（淺埋區(qū)巖溶含水層埋深不到百米），而大興迭隆起淺埋巖溶水可能接受來自西部永定河側(cè)向補(bǔ)給和西山降水入滲越過北京迭斷陷的側(cè)向補(bǔ)給（哈承祐等，1980），也可能來自西南部太行山裸露薊縣系含水層的補(bǔ)給。

圖5 地?zé)崴挲g與地?zé)峋疃汝P(guān)系散點(diǎn)圖Fig.5 Relationship between geothermal water age and geothermal well depth

4 巖溶地?zé)崴男纬蓷l件分析

氫、氧同位素特征及水化學(xué)特征表明，北京市及周邊巖溶地?zé)崴难a(bǔ)給來源是大氣降水，屬于中低溫對流型地?zé)嵯到y(tǒng)。但由于距補(bǔ)給區(qū)的距離、構(gòu)造條件、巖溶熱儲埋藏條件等因素的不同，不同地?zé)崽锏責(zé)崴乃瘜W(xué)及同位素特征也有明顯差別。因此，地?zé)崴乃瘜W(xué)及同位素特征對北京市及周邊巖溶地?zé)崴男纬蓷l件有很好的指示作用。

4.1 北京西北部山區(qū)地?zé)崴?/p>

北京西北部山區(qū)地?zé)崴饕x存于燕山、太行山北部的山間盆地及其邊緣。受淺層冷水影響較弱的較高溫地?zé)崴摩腄和δ18O值偏小，說明地?zé)崴难a(bǔ)給區(qū)高程較高，高處的降水沿?cái)嗔?、?gòu)造裂隙及巖溶含水層向斷裂深部及山間盆地深處的巖溶含水層運(yùn)移，經(jīng)深循環(huán)加熱，因補(bǔ)給區(qū)的水位較高而使接受其補(bǔ)給的深部地?zé)崴哂懈咚^，在水頭差的驅(qū)動下，深循環(huán)的地?zé)崴盅厣畲髷嗔鸦驑?gòu)造破碎帶向盆地邊緣運(yùn)移，出露于地表形成溫泉。若溫泉出露點(diǎn)受淺層地下冷水影響較小，則形成溫度、礦化度較高的溫泉；若溫泉出露點(diǎn)受淺層地下水影響較大，則形成溫度、礦化度較低的溫泉。另外，在深大斷裂的交匯處，由于與深部熱源溝通較好，因此會形成溫度、礦化度較高的溫泉（如赤城、塘子廟、后郝窯溫泉）。

北京西北部山區(qū)的構(gòu)造發(fā)育，并有多條深大斷裂相交匯；同時(shí)山間盆地深部均有薊縣系、寒武-奧陶系巖溶發(fā)育的熱儲含水層，熱儲上部也發(fā)育石炭-二疊系、中生界、新生界等良好的保溫蓋層，為地?zé)崴男纬商峁┝吮匾獥l件。地?zé)崴械牧蚧瘹錃怏w（部分地?zé)徙@孔在采樣過程中味道很重，表明熱水中有硫化氫氣體的存在）與圍巖煤系地層、花崗巖、片麻巖中的黃鐵礦在氧化作用下會形成H2SO4，H2SO4又與長石反應(yīng)，消耗H+并釋放出Na+等離子，形成Na-SO4水。這就是北京西北部山區(qū)受淺層冷水影響較弱的較高溫地?zé)崴瘜W(xué)類型主要呈現(xiàn)Na-SO4水的原因。

4.2 北京市各地?zé)崽锏責(zé)崴?/p>

北京市各地?zé)崽锏責(zé)崴?4C測年年齡為19.4～39.0ka，也就是說大約從19.4～39.0ka前，由當(dāng)時(shí)的大氣降水入滲經(jīng)過深循環(huán)開始形成地?zé)崴?，同時(shí)由于各地?zé)崽锞嘌a(bǔ)給區(qū)的遠(yuǎn)近及構(gòu)造位置的不同，而受到近現(xiàn)代降水不同程度的影響。

延慶地?zé)崽锏某梢蚺c北京西北部山區(qū)地?zé)崴愃?，直接揭露薊縣系白云巖熱儲的地?zé)峥姿瘜W(xué)類型為HCO3-Ca·Na水，說明補(bǔ)給條件較好，受大氣降水影響明顯；而松山溫泉為Na-SO4水，這與地?zé)崴衣饵c(diǎn)位于侏羅系、花崗巖中有關(guān)；地?zé)崴摩腄和δ18O值偏小，說明補(bǔ)給區(qū)高程較高。

小湯山地?zé)崽锉辈繛镠CO3-Na·Ca水，年齡較新，補(bǔ)給條件較好；南部為HCO3·SO4-Na·Ca水，年齡相對較老，補(bǔ)給條件較差。表明自北（補(bǔ)給區(qū)）而南（徑流-排泄區(qū)），地?zé)崴艽髿饨邓挠绊懼饾u變?nèi)?，同時(shí)受深循環(huán)地?zé)崴挠绊懼饾u變強(qiáng)。

西北城區(qū)、東南城區(qū)、良鄉(xiāng)地?zé)崽锏責(zé)崴乃瘜W(xué)類型為HCO3-Ca·Na水、HCO3·SO4-Ca·Na水和HCO3·SO4-Na·Ca水，越靠近西北部補(bǔ)給區(qū)，和Ca2+的相對含量越高，說明受大氣降水的影響越明顯；同時(shí)西北城區(qū)和良鄉(xiāng)地?zé)崽锏哪挲g反而比距補(bǔ)給區(qū)較遠(yuǎn)的東南城區(qū)地?zé)崽锏哪挲g老，這說明西北城區(qū)和良鄉(xiāng)地?zé)崽锸艿搅松钛h(huán)地?zé)崴拿黠@影響，同時(shí)也說明東南城區(qū)地?zé)崽锟赡苁艿搅似淠蟼?cè)大興迭隆起淺埋巖溶冷水的影響。

雙橋、李遂地?zé)崽锏責(zé)崴乃瘜W(xué)類型為礦化度較低的HCO3-Na水，說明受大氣降水的影響較明顯；由于熱儲埋深較淺，埋深淺處不足百米，成熱地質(zhì)條件較差，地?zé)峥自?00m左右的水溫為43℃左右，按碳酸鹽巖的地溫梯度一般小于2℃/100m，兩個(gè)地?zé)崽镌?00m左右的水溫應(yīng)不超過30℃，這說明兩個(gè)地?zé)崽锩黠@受到了其周邊深循環(huán)地?zé)崴ㄈ瑛P河營、天竺、后沙峪地?zé)崽铮┑挠绊?；HCO3-Na水可能是淺部HCO3-Ca水與深循環(huán)的SO4·Cl-Na、Cl·SO4-Na水混合的結(jié)果。

鳳河營、天竺、后沙峪地?zé)崽锏責(zé)崴挲g較大，礦化度較高，水質(zhì)較差，為Cl-Na、Cl·SO4-Na及SO4·Cl-Na水，這是由于熱儲埋深較大，且所處的水動力環(huán)境較封閉，地下水循環(huán)交替條件較差，受近現(xiàn)代降水的影響程度明顯變?nèi)酰ū?）。

總的說來，北京市巖溶地?zé)崴男纬蓷l件主要受距補(bǔ)給區(qū)的遠(yuǎn)近、熱儲埋深、構(gòu)造條件所控制。距補(bǔ)給區(qū)越近、熱儲埋深越淺、構(gòu)造條件越開放，則地?zé)崴臏囟?、礦化度越低，水質(zhì)越好；距補(bǔ)給區(qū)越遠(yuǎn)、熱儲埋深越深、構(gòu)造條件越封閉，則地?zé)崴疁囟?、礦化度越高，水質(zhì)越差。

表2 地?zé)崴瘜W(xué)特征指示的地?zé)崴男纬蓷l件Tab.2 Formation conditions of geothermal water indicated by chemical characteristics of geothermal water

5 結(jié)論

（1）地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)與同位素特征對水文地質(zhì)特征有著積極的響應(yīng)和重要的指示作用。北京市及周邊巖溶地?zé)崽锏責(zé)崴难a(bǔ)給來源是大氣降水，其補(bǔ)給區(qū)主要為西部、北部山區(qū)，其次為東北部、西南部山區(qū)，另外北京平原區(qū)淺埋的巖溶冷水也可能形成補(bǔ)給。深大斷裂在補(bǔ)給區(qū)是地下水下滲的通道，在深大斷裂的交匯處等合適的構(gòu)造部位還往往形成深循環(huán)地?zé)崴嫌颗判沟耐ǖ馈?/p>

（2）地?zé)崴谟蓽\至深的深循環(huán)，在高水頭作用下上涌的過程中，與所經(jīng)過的熱儲及圍巖發(fā)生水-巖相互作用，溶解了巖鹽、石膏等成分，并與淺部冷水混合，形成了現(xiàn)今的地?zé)崴瘜W(xué)特征。自周邊山區(qū)至北京平原內(nèi)部，隨著熱儲埋深逐漸加深，地?zé)崴牡V化度逐步升高，水質(zhì)逐漸變復(fù)雜，變質(zhì)程度逐步增高，18O漂移程度漸趨明顯，地?zé)崴难h(huán)交替條件逐步變差，地?zé)崴挲g逐漸變老。

（3）由于巨厚的薊縣系、寒武—奧陶系等碳酸鹽巖地層自然延伸并隱伏于北京平原之下，除天竺、后沙峪和鳳河營水動力環(huán)境較封閉的地?zé)崽锿猓本┦屑爸苓叴蟛糠值責(zé)崽锏膸r溶地?zé)崴a(bǔ)給條件良好，地?zé)崴目砷_采資源量大，但因?yàn)榈責(zé)崴男纬梢?jīng)過長距離的運(yùn)移并經(jīng)過弱透水層與阻水構(gòu)造的阻隔，大多地段的地?zé)崴?jīng)過幾年至數(shù)十年才能部分更新，集中開采會引起地?zé)崴坏娘@著降低。因此有必要繼續(xù)加強(qiáng)研究區(qū)地?zé)崴乃瘜W(xué)、水動力、熱儲及構(gòu)造條件的綜合分析研究，為北京及周邊地區(qū)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用提供地學(xué)依據(jù)。

Dansgaard W，1964. Stable isotopes in precipitation [J]. Tellus, 16(4)：436-468.

戴文育，2007. 北京城區(qū)地?zé)嵝纬蓹C(jī)理及開采動態(tài)研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）.

哈承祐，王懷穎，楊平，1980. 北京平原區(qū)淺埋巖溶水賦存規(guī)律[J]. 工程勘察，(1)：66-68.

柯柏林，2009. 北京城區(qū)地?zé)崽镂鞅辈康責(zé)岬刭|(zhì)特征[J] . 現(xiàn)代地質(zhì)，23(1)：49-56.

柯柏林，2009. 北京市平原區(qū)北部孫河斷裂的地?zé)岬刭|(zhì)特征[J] . 現(xiàn)代地質(zhì)，23(1) ：43-48.

劉久榮，潘小平，楊亞軍，等，2002. 北京城區(qū)地?zé)崽锬车責(zé)峋疅崴厍蚧瘜W(xué)研究[J]. 現(xiàn)代地質(zhì)，16(3)：318-321.

劉凱，劉穎超，孫穎，等，2015. 北京地區(qū)地?zé)崴^量參數(shù)特征分析[J]. 中國地質(zhì)，42(6)：2029-2035.

劉穎超，劉凱，孫穎，等，2015. 良鄉(xiāng)地?zé)崽锏責(zé)崴瘜W(xué)特征及同位素分析[J]. 南水北調(diào)與水利科技，13(5)：963-967.

李業(yè)震，2004. 蔚縣地?zé)岬刭|(zhì)特征及地?zé)豳Y源開發(fā)利用[J] . 中國煤田地質(zhì)，(S1)：72-73.

呂金波， 2004. 京北地?zé)崽锾卣骷捌溟_發(fā)對地震地下流體動態(tài)的影響[D]. 北京：中國地震局地質(zhì)研究所.

柳春暉，2006. 白廟溫泉、赤城溫泉及塘子廟溫泉的水化學(xué)及同位素研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）.

馬致遠(yuǎn)，錢會，2004. 環(huán)境同位素地下水文學(xué)[M]. 西安：陜西科技出版社.

王澤龍，2006. 北京市小湯山地區(qū)地溫場特征及地?zé)崴梢蚰Ｊ椒治鯷D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）.

肖文進(jìn)，路九如，劉清曉，等，2009. 北京奧林匹克公園—北苑家園地區(qū)地?zé)崴黧w地球化學(xué)特征和形成時(shí)代分析[J]. 地學(xué)前緣, 16(2)：384-395.

尹忠，趙曉東，1994. 硫酸鈣在鹽酸和氯化鈉水溶液中的溶解度[J]. 油田化學(xué)，11(4)：345-347.

尹觀，倪師軍，張其春，2001. 水體氘過量參數(shù)及其水文地質(zhì)學(xué)意義[J]．成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，7(3)：251-254 .

于湲，2006. 北京城區(qū)地?zé)崽锏責(zé)崴乃瘜W(xué)及同位素研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）.

翟遠(yuǎn)征，王金生，滕彥國，等，2011. 北京市不同水體中D和18O組成的變化及其區(qū)域水循環(huán)指示意義[J]. 資源科學(xué)，33(1)：92-97.

張保建，2011. 魯西北地區(qū)地?zé)崴乃牡厍蚧瘜W(xué)特征及形成條件研究[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）.

張煒斌，杜建國，周曉成，等，2013. 首都圈西部盆嶺構(gòu)造區(qū)地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)研究[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)，32 (4)：489-496.

張保建，高宗軍，張鳳禹，等，2015. 華北盆地地?zé)崴乃畡恿l件及水化學(xué)響應(yīng)[J]. 地學(xué)前緣，22(6)：217-226.

The Study of Formation Conditions of Karst Geothermal Water in Beijing and Its Peripheral Areas Based on Hydrochemical Analysis

ZHANG Baojian1, SUN Yanli1,2, KANG Xiangyang1, DU Liang1, XU Fei1, HU Yangyang1

(1. Zhongdi Baolian (Beijing) Land & Resource Exploration Technology Co.,Ltd., Beijing 100193; 2.No1 Institute of Geology and Mineral Resources of Shandong Province, Jinan 250014)

Geothermal reservoir, surrounding rock, gypsum and other ingredients are dissolved and mixed with shallow cold water under the cycling of geothermal water from shallow and deep and the upwelling of geothermal water due to the high hydraulic head, which contributes to the hydrochemical characteristics of geothermal water. Hydrogeological and isotopic characteristics analysis indicates that the water recharge sources of karst geothermal water is the atmospheric precipitation in Beijing and its peripheral mountains, and the shallow karst cold water in Beijing plain is the other possible replenishment of karst geothermal water. The cyclic alternation condition of geothermal water gradually becomes poor, the water quality becomes complex, and the metamorphic degree gradually increased along the recharge area to karst reservoir area. Hydrochemical characteristics analysis indicates that there are good karst geothermal water supply conditions in most geothermal fi elds in Beijing and its peripheral areas, except for some closed hydrological and geological conditions in Tianzhu, Houshayu and Fengheying, and there are large amount of exploitable geothermal water resources.

Hydrogeochemistry; Isotopes; Formation conditions; Karst geothermal water; Beijing and its peripheral areas

P641.3

A

1007-1903（2017）01-0011-09

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.003

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目——西部地區(qū)博士后人才資助計(jì)劃資助（編號2014M552531XB）。

張保建（1972- ），男，高工，博士后，從事水文地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的勘查及研究工作。E-mail：baojianzh@sohu.com。