莊思蝶,周曉成,李鵬飛,史浙明,賽買爾那吉·喀依木, 朱成英，顏玉聰

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083; 2. 中國地震局地震預(yù)測研究所 高壓物理與地震科學(xué)聯(lián)合實驗室(中國地震局地震預(yù)測重點實驗室)，北京 100036; 3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083; 4. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

人類活動的主要水源包括地下水、河流、水壩、池塘、人工挖掘的井和泉水，然而人口的持續(xù)增長導(dǎo)致地下水大量枯竭、地表水污染和氣候變化，淡水供應(yīng)的可持續(xù)性受到嚴(yán)重威脅。溫泉作為一種寶貴的地下熱水資源，是一種可再生的清潔綠色能源，具有開發(fā)利用安全、穩(wěn)定、清潔、高效的特點。溫泉水中含有的特殊礦物組分具有防病治病等人體特殊功效，對人體健康具有很高的理(醫(yī))療價值。尤其在干旱和半干旱地區(qū)，泉水被作為飲用、農(nóng)業(yè)和家庭用水的主要來源，但水資源有限和長期平均降水量的減少使得優(yōu)質(zhì)水資源緊缺現(xiàn)象更加突出。因此，非常有必要研究溫泉水化學(xué)特征，進(jìn)行溫泉環(huán)境評價。

自1965年Horton首次提出綜合水質(zhì)指數(shù)(Water Quality Index,WQI)后，不同計算方式的WQI指數(shù)在世界不同地區(qū)得以應(yīng)用。WQI指數(shù)是以特定用途和標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的各種水質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)，反映某一區(qū)域水質(zhì)的總體效果評級。WQI指數(shù)如今被廣泛應(yīng)用于地下水體的水質(zhì)評價。例如，印度很多地區(qū)利用WQI指數(shù)對溫泉水質(zhì)和人體健康的影響進(jìn)行評估，確定部分溫泉水飲用的適宜性，為當(dāng)?shù)厝糜诠I(yè)或農(nóng)業(yè)灌溉提供可行性建議；又如克什米爾河谷巴拉穆拉縣和尼泊爾Jhimruk河流域針對泉水的污染威脅和氣候變化對喜馬拉雅生態(tài)系統(tǒng)的影響，利用WQI指數(shù)判定絕大多數(shù)泉水的水質(zhì)屬于優(yōu)質(zhì)至良好類別，對于人體健康和生態(tài)不構(gòu)成危害，為該區(qū)域泉水資源保護(hù)提供了依據(jù)。此外，在伊拉克庫爾斯坦地區(qū)部分村莊、尼日利亞東部Ojoto省、土耳其安卡拉瓦盆地和斯里蘭卡東部等水資源緊缺的干旱地區(qū)，WQI指數(shù)都為當(dāng)?shù)厮Y源的緊缺和污染情況以及生態(tài)和健康風(fēng)險提供了科學(xué)用水依據(jù)。

GF為公格爾拉張系；KKF為喀喇昆侖走滑斷裂；KXF為喀拉喀什斷裂；MPT為主帕米爾逆沖斷裂；PFT為帕米爾前緣褶皺-逆沖斷層帶；TSF為塔什庫爾干正斷層圖1 新疆塔什庫爾干斷裂帶溫泉采樣點位置Fig.1 Location of Sampling Points of Hot Springs in Tashkurgan Fault Zone of Xinjiang

新疆塔什庫爾干斷裂帶處于帕米爾高原西昆侖構(gòu)造結(jié)的重要轉(zhuǎn)折部位，同時也是“一帶一路”倡議重點發(fā)展區(qū)域(圖1)。國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用水文地球化學(xué)方法對新疆塔什庫爾干斷裂帶地?zé)岬刭|(zhì)構(gòu)造條件及特點、地?zé)豳Y源成因機(jī)理和熱儲存量方面已經(jīng)做出較為詳細(xì)的研究，但由于地理條件艱苦(平均海拔大于3.5 km)，當(dāng)?shù)販厝_發(fā)利用程度較低，居民大多將天然出露的溫泉直接作為生活和農(nóng)業(yè)用水，缺乏符合國家標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)評價。因此，本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。對新疆塔什庫爾干斷裂帶溫泉進(jìn)行水質(zhì)評價，并應(yīng)用WQI指數(shù)等水文地球化學(xué)指標(biāo)分析水化學(xué)特征，闡明形成機(jī)理，為當(dāng)?shù)販厝Y源的合理利用提供科學(xué)依據(jù)，以期對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)和居民生活水平改善起到促進(jìn)作用。

1 研究區(qū)概況

塔什庫爾干斷裂帶位于青藏高原西北部，屬于帕米爾構(gòu)造區(qū)中東部喀喇昆侖構(gòu)造帶內(nèi)，是青藏高原西部犄角構(gòu)造活動最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。塔什庫爾干斷裂帶總體走向為NNW向，全長約190 km，由多條次級斷層右階斜列組合而成，以右行走滑為主要運動特征，為一條全新世活動斷裂，控制著木吉至塔什庫爾干5個斷陷谷地的形成和演化，呈向青藏高原逐漸增高的SN向帶狀變化趨勢。研究區(qū)及其外圍地層發(fā)育元古界(Pt)片麻巖、片巖、大理巖和石英巖，分布較廣，是熱儲圍巖的組成巖性，地層熱蝕變現(xiàn)象普遍。侏羅系(J)和新近系(N)灰色碳酸鹽巖及碎屑巖沉積主要巖性為泥巖、砂巖和礫巖，透水條件差，覆蓋在熱儲上部，具備良好的蓋層條件。第四系(Q)巖性為砂礫石，透水性和富水條件較好，喜山期侵入巖(γ、ξ)為花崗巖和正長巖，為高產(chǎn)熱巖體；該套侵入巖富含U、Th、K等長壽命放射性同位素，是研究區(qū)熱水主要的熱量來源，發(fā)育在塔什庫爾干谷地西側(cè)的廣大山區(qū)。

研究區(qū)緯度范圍為37.26°N～38.03°N，經(jīng)度范圍為75.13°E～75.86°E，位于新疆維吾爾自治區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣和阿克陶縣(圖1)。該區(qū)域人口稀少，無工廠、農(nóng)田和生活污染物排放。根據(jù)塔什庫爾干氣象站資料，該區(qū)屬于帕米爾高原高寒氣候區(qū)，日照時間長，多年平均氣溫3.3 ℃，平均地溫7.9 ℃，溫度變化劇烈導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降雨68.9 mm，最大蒸發(fā)量達(dá)2 629.0 mm，當(dāng)?shù)睾恿髦饕獮楸ㄈ谒痛髿饨邓a(bǔ)給。

2 樣品采集、檢測和評價方法

2.1 樣品采集和檢測方法

本次實驗數(shù)據(jù)來自2018年9月在新疆維吾爾自治區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣和阿克陶縣沿塔什庫爾干斷裂帶的天然溫泉露頭采集的6個溫泉(公格爾、塔合曼、達(dá)布達(dá)爾、馬爾洋、瓦恰、拜什庫爾干)水樣，共檢測了12種離子和30種元素成分。樣品收集后在30 d內(nèi)完成檢測，水化學(xué)檢測的詳細(xì)數(shù)據(jù)列于表1和表2。

溫泉水樣采用容量為250 mL的聚乙烯塑料瓶進(jìn)行收集。在天然溫泉露頭處，用待采集的溫泉水潤洗取樣瓶3、4次；潤洗后的水不要倒回泉水中，防止造成人為誤差；野外采集水樣時，盡量緊臨溫泉在地表的出露源頭。為保證溫泉水樣不受空氣的影響，從水樣收集開始至封閉瓶口結(jié)束，需要始終保持采樣瓶的瓶口完全浸沒于水面以下。向用于檢測陽離子的采樣瓶中加入分析純級的HNO溶液，直至水樣的pH值小于2；向用于檢測SiO的采樣瓶中加入超純水稀釋10倍，目的在于防止水中微生物的分解作用和產(chǎn)生沉淀；漂浮物及泉水中的固體物質(zhì)不屬于懸浮物，采樣時應(yīng)當(dāng)避免。將采集的水樣放置于實驗室4 ℃環(huán)境中保存直至分析。溫泉水化學(xué)參數(shù)中的溫度、電導(dǎo)率、pH值采用Wagtech CP1000便攜式水質(zhì)測試套件設(shè)備在野外檢測，溫度和電導(dǎo)率傳感器探頭的測量精度分別為0.1 ℃、1.0 μs·cm，pH值精確度為0.01。

(1)

式中：()表示陽離子的濃度；()表示陰離子的濃度；陰、陽離子的測量誤差均小于5%。

氫氧同位素分析采用氣體同位素質(zhì)譜儀(MAT253)，δD分析精度優(yōu)于±1‰，δO分析精度優(yōu)于±0.2‰。As、Hg、Se等3種微量元素采用ASF2202原子熒光光度計測量，鍶同位素Sr/Sr值采用Phoenix熱表面電離質(zhì)譜儀測定，誤差范圍為(1.5～1.9)×10，SiO濃度檢測儀器為電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Optima-5300DV)。

表1 溫泉水樣主量元素水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

2.2 樣品評價方法

地下水質(zhì)量的綜合評價是地下水資源保護(hù)和管理中不可缺少的部分，也是采取相應(yīng)防御措施及制定科學(xué)有效治理方案的必要前提。綜合水質(zhì)指數(shù)(WQI)提供了一個有效的地下水質(zhì)量評價綜合模型，將大量水質(zhì)數(shù)據(jù)指標(biāo)表示為一個單一的數(shù)字，最早由Horton于1965年開發(fā)。WQI指數(shù)可以用于評估多種有害元素對生態(tài)系統(tǒng)的總體影響，被廣泛應(yīng)用于地表水和地下水的水質(zhì)評價。WQI指數(shù)()權(quán)重公式為

(2)

式中：是水中檢測到的第種參評元素濃度；是第種參評元素的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)極限值；為參評元素數(shù)量。

WQI指數(shù)包括4類：1類(幾乎未受污染)，≤1；2類(輕度污染)，1<≤2；3類(中度污染)，2<≤3；4類(重度污染)，>3。此外，為了消除個別元素因空間分布異常影響總體評價結(jié)果，將參評元素在采樣點的濃度應(yīng)用單因子水質(zhì)指數(shù)分別做出評價，以便于突出單一元素對總體結(jié)果的貢獻(xiàn)。單因子水質(zhì)指數(shù)根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)將其分為Ⅰ～Ⅴ類污染等級，污染程度隨等級指示遞增，具體評價方法參考文獻(xiàn)[44]和[45]。本次主量和微量元素水質(zhì)評價均參照國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的含義為地下水化學(xué)組分含量中等，主要適用于集中式飲用水水源及工農(nóng)業(yè)用水。本文按照“從優(yōu)不從劣”的評價原則，選擇標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)下限值。

3 結(jié)果分析

3.1 水化學(xué)離子特征

水樣微量元素濃度較低，但個別溫泉水樣Li、Sr、B濃度出現(xiàn)高值：達(dá)布達(dá)爾溫泉水樣Li濃度為2 249.00 μg·L，Sr濃度為2 061.00 μg·L，B濃度為5 133.00 μg·L；馬爾洋溫泉水樣Sr濃度為4 308.00 μg·L；公格爾溫泉水樣B濃度為5 049.00 μg·L。Hg、Se濃度很低，均在檢測限以下(表2)。

表2 溫泉水樣微量元素濃度分析結(jié)果

3.2 水質(zhì)評價結(jié)果

3.2.1 主量元素

主量元素水質(zhì)評價結(jié)果表明，本次采集的溫泉水樣均不適合作為生活飲用水和農(nóng)業(yè)用水。溶解性總固體普遍偏高，達(dá)布達(dá)爾溫泉和馬爾洋溫泉水樣為微咸水，且達(dá)布達(dá)爾溫泉水樣pH值為9.08，超出《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(pH值為6.5～8.5)。值得注意的是，溫泉水樣氟化物均超標(biāo)，長期飲用會對人體造成潛在危害(表3)。

3.2.2 微量元素

選取溫泉水樣中的20種與人體健康密切相關(guān)的微量元素，采用WQI指數(shù)進(jìn)行環(huán)境水質(zhì)評價，評價結(jié)果見圖2。大多數(shù)溫泉水樣WQI指數(shù)均在3類以下，但部分元素存在空間異常，WQI指數(shù)在1類到3類之間。

圖2 WQI指數(shù)風(fēng)險評價圖Fig.2 Risk Assessment Chart of WQI Index

公格爾、瓦恰和拜什庫爾干溫泉水樣As濃度均超出《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(As濃度為10 μg·L)，其中公格爾和拜什庫爾干溫泉水樣分別達(dá)到235.00 μg·L和51.40 μg·L，分別超標(biāo)23倍和5倍。所有水樣Hg和Pb濃度均在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(Hg和Pb濃度分別為1 μg·L和10 μg·L)以內(nèi)，說明這兩種元素對研究區(qū)居民飲水不構(gòu)成危害。公格爾和達(dá)布達(dá)爾溫泉水樣B濃度超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(B濃度為500 μg·L)10倍以上，分別為5 049.00 μg·L和5 133.00 μg·L。僅有達(dá)布達(dá)爾溫泉水樣Ti濃度超過Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(Ti濃度為0.1 μg·L)，為0.44 μg·L,其余各水樣均在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。公格爾溫泉水樣Sb濃度超出Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(Sb濃度為5 μg·L)，為16.9 μg·L。除以上元素外，其余微量元素濃度均在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

4 討 論

4.1 溫泉水的主要來源

研究溫泉水氫氧同位素特征可以判斷補(bǔ)給來源和計算補(bǔ)給高程，確定補(bǔ)給條件與大氣降水、地下水之間的聯(lián)系程度，進(jìn)而了解溫泉水的循環(huán)途徑和演化歷史。根據(jù)新疆塔什庫爾干斷裂地理位置，采用新疆大氣降水線(D)=7.3(O)+3.5近似代表當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，并與全球大氣降水線(D)=8(O)+10進(jìn)行比較(圖3)。其中，(D)為δD值；(O)為O值。從圖3可以看出，采樣點基本都分布在新疆大氣降水線附近，表明溫泉水補(bǔ)給來源為當(dāng)?shù)卮髿饨邓?/p>

圖3 溫泉水樣δD-δ18O圖解Fig.3 Diagram of δD-δ18O of Hot Spring Samples

溫泉水樣δO漂移現(xiàn)象不明顯，推斷為蒸發(fā)作用所致。因為研究區(qū)處于高原干旱—半干旱氣候，蒸發(fā)量較大，遠(yuǎn)離海洋，離岸效應(yīng)對大氣降水線的偏離影響微弱。馬爾洋溫泉分布在大氣降水線左側(cè)，熱水中可能存在斷裂帶深部CO的加入或冰川融雪補(bǔ)給。大氣降水的同位素效應(yīng)與溫度、緯度、離岸遠(yuǎn)近、區(qū)域和高程等因素有著密切關(guān)系，因此，根據(jù)δD、δO值與高程的關(guān)系可以計算地下熱水的補(bǔ)給區(qū)高程()。其表達(dá)式為

=((G)-(P))/+

(3)

表3 溫泉水樣主量元素水質(zhì)評價結(jié)果

式中：(G)為水樣的δD值或δO值；(P)為大氣降水的δD值或δO值；為取樣點標(biāo)高；為大氣降水氫或氧同位素梯度，采用全球平均值(每百米-0.25‰)；大氣降水氫氧同位素組成采用新疆和田地區(qū)大氣降水同位素加權(quán)平均值，δD值為-41‰，δO值為-6.4‰。

根據(jù)式(3)計算塔什庫爾干地區(qū)地下熱水的補(bǔ)給高程見表1。平均補(bǔ)給高程相對較高，大于4.7 km。除馬爾洋溫泉外，大部分溫泉水樣位于全球大氣降水線下方，這與塔什庫爾干地區(qū)高原干旱—半干旱氣候?qū)е抡舭l(fā)作用強(qiáng)烈的特點相吻合，且研究區(qū)溫泉水樣γNa/γCl值大于1，γCl/γBr值大于300，屬于循環(huán)型地下熱水，再次說明補(bǔ)給來源為大氣降水。

4.2 溫泉水中主量和微量元素的來源

4.2.1 主量元素來源

研究區(qū)水巖反應(yīng)主要由碳酸鹽巖和硅酸鹽巖地層的溶濾作用主導(dǎo)。溫泉水沿著裂隙上升過程中，受圍巖溶濾作用或不同程度未飽和冷水混合影響，會導(dǎo)致主要離子水化學(xué)類型的改變。利用舒卡列夫分類法進(jìn)行分類，溫泉水化學(xué)類型主要有HCO-Ca、HCO-Na、SO-Na等3種，總體水化學(xué)特征簡單，大多數(shù)離子與溫度、溶解性總固體成正相關(guān)關(guān)系。

xmeq(·)為離子毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)圖4 溫泉水樣水化學(xué)Piper圖Fig.4 Piper Diagram of Hydrogrochemistry of Hot Spring Samples

4.2.2 微量元素來源

微量元素在天然水中的濃度很低，自然水域(如河流和湖泊)中為1 mg·L，但是重金屬和有毒元素(如As和Hg)對于人類健康起著重要影響。研究區(qū)溫泉大多數(shù)微量元素濃度較低，僅少量元素呈現(xiàn)高值。為了判斷研究區(qū)溫泉水微量元素的來源，常用富集因子(EF)定性比較。其計算方法為

=()/()

(4)

式中：為元素的富集因子；為選定的參比元素的濃度；為樣品中元素的濃度；下標(biāo)w表示水樣；下標(biāo)r表示巖石。

采用塔什庫爾干地區(qū)微量元素濃度平均值作為參考背景，使用Ti濃度對微量元素濃度進(jìn)行歸一化處理，計算得到研究區(qū)微量元素富集因子(圖5)。從圖5可以看出，塔什庫爾干地區(qū)溫泉水中Sr、Al明顯富集，Ba、Fe、B相對富集，元素虧損現(xiàn)象不明顯。

圖5 溫泉水樣富集因子分布Fig.5 Distribution of Enrichment Coefficient of Hot Spring Samples

區(qū)域深大斷裂帶循環(huán)型溫泉中的微量元素濃度特征與該地區(qū)巖石地球化學(xué)背景值、元素物化特性、地下含水層物理化學(xué)條件以及水巖相互作用等密切相關(guān)。Sr和Ba屬于大離子親石元素，往往與生熱元素Th、U共同富集，采樣點區(qū)域分布元古界角閃巖、斜長石片麻巖，且伴有喜山期花崗巖和正長巖侵入，大量角閃石在富水條件下分離結(jié)晶后導(dǎo)致SiO濃度升高，使角閃石變質(zhì)雜巖基底呈現(xiàn)出富集Ba的特點。Cu、Zn以及其他重金屬硫化物礦物通常與Hg、Pb一起沉積，由于溫泉水在上升過程中和淺部含水層的冷水發(fā)生混合作用，此類重金屬元素析出沉淀，所以富集因子分布圖(圖5)中沒有出現(xiàn)此類離子的明顯富集。過渡元素Fe濃度偏高，平均值為6.00 μg·L，研究區(qū)堿性正長巖源區(qū)存在的富鐵巖石圈地幔巖漿和富鎂鋁軟流圈地幔巖漿混合，發(fā)生地幔交代作用，從而引起部分熔融。富霓輝石和金云母礦物也是該類堿性源區(qū)固有特征，成為Fe富集的主要物質(zhì)來源。

B平均濃度高達(dá)2 095.00 μg·L。由于親石的活潑化學(xué)性質(zhì)，B在巖漿噴氣和溫泉水溶濾作用以及其他各成巖階段均可參與，變質(zhì)巖體中的角閃石斜長片麻巖賦存大量硼鐵礦物質(zhì)和硼鎂礦物。B由于化學(xué)性質(zhì)活潑且與放射性元素Th、U等緊密共生，在水巖反應(yīng)過程中，當(dāng)溫度、pH值、氧化-還原電位等水文地球化學(xué)條件改變時，易以硼酸鹽的形式經(jīng)溶濾作用通過水巖交換進(jìn)入熱水系統(tǒng)中，導(dǎo)致研究區(qū)B濃度普遍偏高。

As是無色無味的非金屬元素，已被證實在非常低的濃度(10 μg·L)下有毒。公格爾溫泉水樣As超出飲用水標(biāo)準(zhǔn)23倍，濃度達(dá)到235.00 μg·L，拜什庫爾干溫泉為51.40 μg·L，超標(biāo)5倍。天然熱泉中的As主要來源于含砷硫化物的氧化，當(dāng)溫泉沿斷裂帶上升至淺部含水層直至出露到地表后，在O的參與下由還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境，區(qū)內(nèi)變質(zhì)片麻巖中富砷黃鐵礦的As進(jìn)入到水體中并產(chǎn)生大量Fe，導(dǎo)致該區(qū)域部分溫泉的As濃度高于標(biāo)準(zhǔn)值。

此外，Sr濃度在研究區(qū)溫泉采樣點之間相差較大，最高差值達(dá)47.3倍。作為水巖相互作用過程中的有力天然示蹤劑，將溫泉水樣中的鍶同位素比值與不同來源鍶同位素標(biāo)準(zhǔn)值作比較，所有溫泉點鍶同位素比值均在碳酸鹽巖與殼源硅鋁質(zhì)來源之間(圖6)。塔合曼、馬爾洋和拜什庫爾干溫泉水樣Sr/Sr值接近現(xiàn)代海水平均值，圍巖主要為侏羅系和新近系碳酸鹽巖沉積物，說明地?zé)崃黧w在大氣降水深循環(huán)過程中與殼源深部富集Sr的巖石相互作用形成。公格爾溫泉水樣Sr/Sr值接近于碳酸鹽巖來源Sr/Sr平均值，在熱水循環(huán)過程中主要受到元古界變質(zhì)圍巖的溶濾作用的影響。

87Sr/86Sr平均值參照線引自文獻(xiàn)[3]圖6 溫泉水樣m(Sr)-87Sr/86Sr圖解Fig.6 Relationship Between Strontium Concentration and Strontium Isotope of Hot Spring Samples

前人研究認(rèn)為，過濾后水樣的元素濃度盡管與真實值相似，但仍然會被低估，當(dāng)溫泉的pH值和氧化-還原電位變?yōu)閴A性時，有害微量元素會重新回到水體中，進(jìn)一步威脅人類健康。因此，研究區(qū)富集的微量元素B、As、Sr濃度可能會比水樣測得濃度更高，從而對人體危害可能更大。

4.3 溫泉水的循環(huán)深度

循環(huán)深度是控制主量元素和微量元素的重要因素。塔什庫爾干斷裂帶屬于區(qū)域控?zé)峥厮當(dāng)嗔褞?，為溫泉提供了良好的熱儲通道。大氣降水?jīng)過入滲補(bǔ)給后，在地下深部循環(huán)加熱上升至地表形成熱水，計算熱儲溫度和循環(huán)深度可以更好地了解溫泉水巖反應(yīng)程度和循環(huán)途徑。根據(jù)Na-K-Mg三角圖解判斷所有溫泉水樣均分布在水巖反應(yīng)的完全平衡線以下(圖7)，說明所有水樣經(jīng)歷了淺層冷水的混合作用，導(dǎo)致熱儲系統(tǒng)內(nèi)部礦物未達(dá)到平衡。采用石英-無蒸汽損失SiO地?zé)釡貥?biāo)(<300 ℃，符合精度需求)計算熱儲溫度和熱水循環(huán)深度。熱儲溫度()計算式為

(5)

w(·)為元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖7 溫泉水樣Na-K-Mg三角圖解Fig.7 Na-K-Mg Triangle Plot of Hot Spring Samples

SiO平均濃度為34.50 mg·L，平均溫度為41.6 ℃，計算得出溫泉熱儲溫度為63.4 ℃～105.4 ℃。主要熱量來源于侵入高熱花崗巖、正長巖與其內(nèi)部的放射性同位素。循環(huán)深度()計算式為

=(-)+

(6)

式中：為研究區(qū)平均氣溫，取多年平均氣溫3.3 ℃；為地溫梯度，取每百米5.59 ℃；為常溫帶深度，取20 m。

根據(jù)式(6)計算得出研究區(qū)熱水循環(huán)深度為1.4～2.1 km，平均循環(huán)深度為1.7 km，計算結(jié)果見表5。

表5 溫泉水樣熱儲溫度和循環(huán)深度計算結(jié)果

總體上看，塔什庫爾干斷裂帶溫泉來源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓霛B地表后沿斷裂帶進(jìn)入含水層，通過溶濾作用與圍巖進(jìn)行離子交換，深部加熱后在壓力差和密度差的作用下上涌至地表形成天然泉水露頭。由于泉水在上升過程中被淺部冷水混合，導(dǎo)致流體內(nèi)部系統(tǒng)并未達(dá)到平衡。

4.4 溫泉利用建議

根據(jù)研究區(qū)水樣基本化學(xué)組分和微量元素濃度分析結(jié)果，除瓦恰溫泉外，其他溫泉根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定的F濃度標(biāo)準(zhǔn)(2 mg·L)可以命名為氟水，屬氟理療熱礦水；WQI指數(shù)表明，研究區(qū)溫泉總體水質(zhì)介于1類至3類之間，整體水質(zhì)較為原始，受人類活動影響小，溫泉溶解性總固體普遍偏高，其中達(dá)布達(dá)爾和馬爾洋溫泉為微咸水。各溫泉中的 Li、B、As、Sb、Ti、Mn、Be濃度出現(xiàn)不同程度的超標(biāo)情況，F(xiàn)濃度則均超出《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，濃度為標(biāo)準(zhǔn)值上限的幾倍，不宜直接作為生活用水以及農(nóng)業(yè)用水。

根據(jù)溫泉溫度、酸堿度和人體所需的微量元素進(jìn)行分析，塔合曼、達(dá)布達(dá)爾、馬爾洋溫泉的天然露頭溫度超過42 ℃，能刺激交感神經(jīng)使人精神放松，同時增加能量消耗，可以用來輔助治療沒有并發(fā)癥的糖尿病患者及肥胖人群，且對代償不全的心臟病患者具有良好的理療作用。按照熱泉資源的溫度分級，公格爾、塔合曼、瓦恰和拜什庫爾干溫泉的熱儲溫度符合《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定的低溫?zé)崛獦?biāo)準(zhǔn)(60 ℃～90 ℃)，達(dá)布達(dá)爾和馬爾洋溫泉符合中溫?zé)崛獦?biāo)準(zhǔn)(90 ℃～150 ℃)，所有溫泉均可以用作洗浴、采暖；達(dá)布達(dá)爾、馬爾洋溫泉還可用作發(fā)電。

天然泉水含有的多種微量元素對于人體具有特定的醫(yī)療價值和健康意義。在研究區(qū)溫泉微量組分中，F(xiàn)、B、Li濃度達(dá)到對人體健康有益標(biāo)準(zhǔn)。達(dá)布達(dá)爾溫泉水樣Li濃度為2.33 mg·L，超過《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定的有醫(yī)療價值濃度(1 mg·L)；所有溫泉F濃度均達(dá)到有醫(yī)療價值濃度(1 mg·L)；公格爾、達(dá)布達(dá)爾和拜什庫爾干溫泉水樣B濃度超過有醫(yī)療價值濃度(1.2 mg·L)，且公格爾和達(dá)布達(dá)爾溫泉達(dá)到《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定的B濃度標(biāo)準(zhǔn)(5 mg·L)。

溫泉水中攜帶Li、Fe、F等特征離子組分對人體具有保健理療等特殊功效，但部分溫泉中B、As等有害元素濃度超標(biāo)，在溫泉水的開發(fā)利用中應(yīng)當(dāng)引起注意。研究區(qū)整體水質(zhì)較為原始，周圍目前沒有工廠和人為排泄污染源，建議在開發(fā)利用溫泉時采取管理措施來保持和提高水質(zhì)。

5 結(jié) 語

(2)塔什庫爾干斷裂帶溫泉熱儲溫度為63.4 ℃～105.4 ℃，循環(huán)深度為1.1～1.8 km，屬于區(qū)域熱控斷裂中的循環(huán)型溫泉。溫泉水樣的鍶同位素比值為0.708 779～0.717 837，平均值為0.712 335，均在碳酸鹽巖與殼源硅鋁質(zhì)來源之間，說明研究區(qū)溫泉水主要來自于殼源物質(zhì)，地?zé)崃黧w在大氣降水深循環(huán)過程中與殼源富鍶巖石相互作用形成。溫泉的補(bǔ)給來源主要為大氣降水，補(bǔ)給高程為4.3～5.6 km。氫氧同位素分析結(jié)果表明，研究區(qū)溫泉水具有高原干旱—半干旱氣候下的蒸發(fā)作用特征。

(3)主量元素水質(zhì)評價結(jié)果表明，本次采集的溫泉水樣均不適合直接作為生活飲用水和農(nóng)業(yè)用水，所有溫泉水樣的F濃度均超出《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，濃度為標(biāo)準(zhǔn)值上限的幾倍。微量元素水質(zhì)WQI指數(shù)顯示溫泉水樣共有6種元素超出標(biāo)準(zhǔn)值，分別為Be、Sb、Ti、B、Mn、As；其余微量元素濃度在Ⅰ類至Ⅲ類水質(zhì)之間，濃度未超出《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，WQI指數(shù)表明溫泉總體水質(zhì)介于1類至3類之間，整體水質(zhì)較為原始，受人類活動影響小，但公格爾和馬爾洋溫泉中的B和As濃度出現(xiàn)高值。部分溫泉水Li、Fe、F濃度及溫度達(dá)到了《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定的醫(yī)療熱泉標(biāo)準(zhǔn)，具有理療和保健功效。