0 引言

目前，地下流体化学方法已广泛应用于地震监测、预报、分析工作。地下水作为地下流体的重要组成部分，在运移过程中会携带大量地质信息。在孕震过程中，地下水的运移以及与周围介质的相互作用会发生变化，从而使得地下水化学成分发生改变。对发生变化的化学组分进行研究，是地震预报的突破口，目前已有不少学者对不同地区的水化学特征开展了相关研究，如：张华等（2007）采用Piper图和Q型群法，分析广西北海市多年地下水系统水化学特征，研究北海地区地下水矿化度特点；刘玉等（2007）以Piper图为基础，分析云南维西地区水文地球化学特征，并利用主成分分析法探讨其形成机制；苏鹤军等（2010）通过地下水化学组分和饱指数SI值，分析祁连山断裂带地下水成因、水质类型、循环速度及深度等水化特征；伍剑波等（2013）通过分析甘肃西秦岭北缘温泉水水化特征，讨论温泉水循环深度对地震活动性的影响；张国盟（2015）通过水化学特征分析，对新疆天山地区地下流体观测点水文地质环境进评价与研究。

夏县中心地震台（以下简称为夏县台）作为山西南部专业地震台站，对山西南部、运城盆地地震活动及构造运动监测起着重要作用。该台站主要采用流体观测手段进行地震监测，水化学测项有水氡、水汞、离子、气体，用于监测中条山山前地下水化学组分的变化特征。夏县台水化学观测样品取自台站温泉井，该井成井于1982年，当时取得一些相关背景数据，在此后长期观测过程中，未对井水样品进行水化学特征全面分析，对当前观测手段而言，流体观测背景资料已不完善。文中采集夏县台温泉热水井及周边冷水样品进行水化学组分及同位素特征分析，利用矩形图、Na-K-Mg三角图等方法，初步分析温泉水的水质类型、水-岩平衡状态、热储温度以及循环深度等，并与建井时期背景资料进行对比分析，结合氢氧同位素组成特征，初步分析温泉水补给来源，为今后夏县地区地下流体异常研究判定提供基础资料。

1 温泉井观测背景 1.1 台站及温泉井概况

夏县台为国家基本地震台，位于山西南部运城盆地，地处祁、吕、贺兰山“山”字型构造体系东翼。温泉热水井位于该台站院内，建于1982年，井深170 m，出水口温度常年保持42.5℃±0.5℃，地下流体水化学观测始于1984年，目前有水氡、水汞、离子、气体等水化学测项，属国家Ⅱ类台，用于监测运城盆地及晋陕豫交界地区地震活动。

1.2 地质背景

夏县台温泉热水井地处夏县南山底地热田中心位置附近。该热田背靠中条山山前北麓断裂带，北邻白沙河，南毗赤峪河（图 1）。白沙河、赤峪河目前均已干涸，为冲积洪扇边缘，由于沉积物颗粒较细，且交错互层，形成较好的隔水、隔热的热田边界，与中条山山前北麓断裂带共同作用形成1 km²的地热区域（左海风，1998；杨静等，2019）（图 1）。断裂带属中条山山前北麓断裂带东段（夏县段），总体走向NE，长约30 km，倾角60°-80°，是正断层性质的高角度深断裂，晚新生代以来活动强烈（苗德雨等，2014）。断裂构造是深部地热能及地下热水向上扩散、传导、运移的良好通道，该断裂为夏县地热田的能量补充创造了良好条件。

夏县地热区含水层单一，属承压孔隙水，盖层为新生界第四系中更新统砂、砂砾石与亚粘土、亚砂土互层，导热性较差，可起到保温隔热作用；基底由古生界寒武系和太古界涑水杂岩构成；热储层为奥陶-寒武系热储层段，上部不含第四系冷水层，钻孔可直接引出热水。

2 样品采集及检测

2018年5月，采集夏县台温泉水、附近赤峪村凉水井及水库水样，下文简称温泉水、井水、水库水，采样点分布见图 1。

采样容器采用100 ml、30 ml聚乙烯瓶，在每个测点分别取2个样品进行检测。采样步骤如下：聚乙烯瓶用采样点储水清洗3次，将水样缓慢注入聚乙烯瓶直至溢出，以便排净采样瓶中的气体，避免空气对水样的影响，并用封口膜缠紧瓶口。其中：①温泉水。取自台站日常观测用热水井，与日常水化学观测取样方式一致，开泵15 min后采集样品；②水库水。取自水库泄水渠道中流水表层下10 cm深度；③井水。凉水井样品取自一农户家自用井，开泵抽水20 min后取水。

样品送检单位为中国地震局地壳应力研究所（地壳动力学重点实验室），检验参数包含阴阳离子含量、氢氧同位素含量、TDS值及电导率值。其中：使用ICS-2100离子色谱仪检测阴阳离子含量，LWA-24-EP氢氧同位素分析仪检测氢氧同位素含量，利用便携电导仪测定样品的TDS值及电导率值，采用苏鹤军制作的软件SGAS3.0计算分析检测结果，并与1982年建井初期背景资料进行对比，结果见表 1。

3 水化学特征分析

采用矩形图、Na-K-Mg三角图、阳离子温标法以及氢氧同位素比率法等水化学方法，对夏县台温泉水及周边水体样品进行综合分析。目前，水化学类型分析多采用Piper三线图、durov图以及矩形图方法，均基于舒卡列夫分类法，以离子相对质量浓度大于25%作为分级原则。其中：Piper三线图应用广泛，化学组分含量在图中较为直观可见，但对于水化类型的直接定名不方便；durov图在处理大量数据时，不便于水化学定名以及分类；矩形图针对阴、阳离子的相对质量浓度进行研究，直接将水化学分类显示于矩形中（孙亚乔等，2007）。

3.1 水化学类型分析

采用矩形水化学图对采集样品进行分类，结果见图 2（纵横坐标中c表示相对质量浓度）。由图 2可见：①温泉水样化学组分与1982年建井时期变化不大，均位于G区，Na⁺、Ca²⁺、SO₄^2-含量较高，水化类型为Na-Cl·SO₄型，是因离子交换作用而形成的以Na⁺为主的硫酸类型水，TDS及电导率值相对较高，表明温泉水水-岩反应程度较强，循环深度较大或在地下滞留时间较长，结果与温泉水的特性相符合；②井水位于H区，Na⁺、Ca²⁺以及HCO₃^-含量较高，水化学类型为Na-HCO₃·SO₄·Cl，属于碳酸型水，TDS及电导率值比温泉水低，应属大气水与岩石的初步反应阶段；③水库水与其他2个水样差别较大，位于B区，Ca²⁺、HCO₃^-含量较高，水化学类型为Ca·Mg-HCO₃·SO₄·Cl，TDS及电导率值最低，具地表水特征。另外，该水库做为当地饮用水水源，NO₃^-含量较低，说明其水质较好，未受生活或农业用水污染。

3.2 水-岩平衡状态

目前对于地下热水水-岩平衡状态的评价广泛采用Na-K-Mg三角图解法，该方法由Giggenbach（1988）提出，由完全平衡线和部分平衡线把三角图分为完全成熟水、部分成熟和未成熟水3个区域。

据此，得到夏县水样Na-K-Mg三角图，见图 3。由图 3可知，温泉水属于部分成熟水，水-岩反应程度较强；1982年温泉水位于部分平成熟水与未成熟水的分界线上，刚达到部分平衡状态，经多年水文作用，目前温泉水成熟度更高；井水和水库水属于未完全成熟水，表明其水-岩反应较弱，溶解作用仍在进行，尤其是水库水，几乎位于Mg端元附近，属于典型的地表水。

由图 3推测，温泉水热储温度约为160℃-180℃。

3.3 深层热储分析

由3.2节分析可知，夏县温泉水为部分成熟水，可采用阳离子温标法来计算其热储温度。阳离子温标法是经验性的近似方法，利用地下水成分中阳离子比值与温度的关系建立。阳离子温标建立在阳离子交换反应基础上，反应平衡常数随温度的改变而改变（刘永涛，2009）。据刘永涛（2009）给出的7个Na-K阳离子温标计算公式（表 2），分别求取夏县台温泉水热储温度，计算结果见表 3，可得平均温度为148.8℃，与图 3给出的估算结果相近。

左海风于1998年分别采用Na-K阳离子温标法、SiO₂温标法以及SO₄-H₂O氧同位素法计算夏县台温泉井水热储温度（左海风，2009），结果均接近120℃，与本研究的计算结果相比偏低，分析认为：①计算方法存在差异。2个研究均采用Na-K阳离子温标法进行计算，文中结果取自表 2中7个公式计算所得平均温度，而左海风采用表 2中公式（3）进行计算，由此造成结果差异；②左海风研究时段为20年前，温泉开发远小于现今水平，其样品取样温度略高于本研究样品，参考夏县温泉井建井初期背景资料，认为左海风样品中Na-K离子含量略高于本研究样品，因此导致其计算结果偏低。

3.4 循环深度估算

温泉水的循环深度可以根据温泉水的热储温度以及当地的地温梯度进行计算（王大纯等，1980；汪万红等，2008）。已知地下水水温（T）、年平均气温（t）、地温梯度（r）、年常温带深度（h）时，可由下式推算地下水大致循环深度（H），即

$ H=\frac{T-t}{r}-h $

查阅相关文献，夏县地区年平均气温（t）为11.2℃（左海风，2009），年常温带深度（h）取为20 m，地温梯度(r)为（3.5℃-5.5℃）/100 m，地下水水温按148.8℃，计算求得夏县温泉水最大循环深度为3.911 km。

3.5 氢氧同位素分析

氢氧同位素比率法是研究地壳中水和其他流体起源与迁移的有效示踪方法。其原理是，水分子同位素组成不同，水分子质量出现差异，从而导致水体在蒸发和降雨过程中发生氢氧同位素分馏现象。不同水体具有特定的氢氧同位素组成，据此可判断地下流体的补给来源（张磊等，2016）。一般采用与当地大气降水线对比方法进行氢氧同位素分析。

文中以西安地区大气降水线为标准：δD = 7.18¹⁸O+4.8（Currell et al，2012），绘制3个样品的δD和δ¹⁸O的线性关系，见图 4。由图 4可见，水库水近似坐落于西安大气降水线上，表明其基本来源于大气降水；温泉水与井水相邻，位于降水线附近，表明二者补给来源基本相同，主要为大气降水；温泉水与井水的氢氧同位素含量接近，与由图 2、图 3得出的温泉水与井水的水化学类型相差不大，但温泉水成熟度更高，说明夏县台温泉水可能是经较深层地质循环过程排泄出来形成的断裂型温泉。

4 结论与讨论

采用不同的水化学方法，对夏县台温泉水及周边水体样品进行综合分析，可知该台温泉水具有以下地球化学特征。

（1）利用矩形图分析可知，夏县台站温泉水水化类型为Na-Cl·SO₄型，与建井初期一致，是以Na⁺为主的硫酸类型水，离子交换作用较强。井水水化学类型为Na-HCO₃·SO₄·Cl，属于碳酸型水，水库水水化学类型为Ca·Mg-HCO₃·SO₄·Cl。

（2）根据Na-K-Mg三角图结果，温泉水属部分成熟水，水-岩反应程度较强，在地下滞留或循环时间较长，可携带深部水化水学信息；井水和水库水属于未完全成熟水，尤其是水库水，表现出典型的地表水特征。

（3）利用阳离子温标法，计算得到温泉水热储温度为148.8 ℃，其最大循环深度为3.911 km。

（4）据氢氧同位素特征分析，认为温泉水、井水、水库水的补给来源均为大气降水。

（5）温泉水、井水的水化学类型接近，氢氧同素含量差别较小，说明夏县台温泉水可能是经较深层地质循环过程排泄出来形成的断裂型温泉。

本文通过分析计算得到夏县台观测井的水质类型、补给和混合特征、循环深度及主要来源等地球化学特征，可为夏县台流体数据分析以及异常落实与短临跟踪工作奠定基础，并为夏县流体地震监测效能判定提供依据。