0 引言

在地震地下流体研究中，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，地下水的地球化学特征及变化是热点研究方向之一，特别是在地震活动断裂带，研究断裂带内部流体循环深度、热储温度变化、深部物质来源、水—岩反应程度以及岩石弱化程度等，对中强地震前兆异常信息的提取具有重要作用，对提高流体地球化学地震预测水平有重要意义（车用太等，1998；杜建国等，2000；刘耀炜，2006；周晓成等，2012；李营等，2022；施得旸等，2023）。地震监测研究表明，在中强地震发生前几天至几个月（Dadomo et al，2013）、震时（Reddy et al，2011）和震后数天至数月内（Italiano et al，2010），在震中及震中区附近均发现有明显的地下流体化学组分异常变化现象（Inan et al，2012），特别是在地震短临前兆异常阶段（地震发生前几小时至几十天）出现间断性、突发性的前兆异常。一般出露温度大于当地年多年年平均气温5 ℃且小于等于45 ℃称之为温泉，温泉的水化学成分是经过长期地下水循环演化而来的，循环过程中与围岩性质、成分、补给来源、地形、地貌、大气降水、地下水和上升过程混合作用等都密切相关（周训等，2017）。温泉与地震活动在空间分布上存在明显的一致性，常常是地震活动强的区域（车用太等，2006；Rigo，2010）。国内外研究发现，地震前后应力变化会引发断裂带附近温泉水化学特征的明显变化，且水化学异常以短临异常为主，映震效果显著（Favara et al，2001；肖琼等，2009；刘耀炜等，2015；Zhou et al，2020，2021；Li et al，2021；Wang et al，2021；鲍志诚等，2022；Yan et al，2022）。因此，对断裂带上的温泉进行水文地球化学特征的监测和研究，能够捕捉地壳深部的构造信息和地震流体的地球化学异常现象。

运城地震监测中心站（原夏县中心地震台，下文简称运城中心站）位于山西省南部，承担着山西运城、晋城辖区地震活动及构造运动的监测任务。其地处夏县南山底热水区中心区域，区内分布多口热水井。据左海风（1998）的分析，热水井均处于同一构造环境。调查发现，1998年运城中心站热水井与邻近热水井水温均约43 ℃，目前中心站热水井水温约40 ℃，而邻近热水井水温达50 ℃。近年来，对于运城中心站热水井开展了多项研究，如：杨静等（2019a，b）通过单次水样品的水化学组分和氢氧稳定同位素结果，研究了热水的水文地球化学特征；常姣等（2023）对夏县热水井开展了为期1年的氢氧稳定同位素组成变化特征研究，进一步揭示了夏县热水井成因。鉴于山西南部小震活动性近年来有所增强，有必要采用该热水区不同热水井资料进行追踪分析。本文对研究区5个热水井进行采样分析。通过分析地下水样品的水化学类型、同位素特征、离子相关性比等参数，查明温泉的水文地球化学特征、水—岩相互作用和深部循环过程，深化对该区温泉地球化学成因以及断裂带地震活动性的认识，为山西南部震情跟踪、流体异常核实和地震研判提供依据。

1 研究区概况

夏县南山底热水区位于山西省夏县城东南2 km处中条山—春燕山西麓山脚，北邻白沙河，南毗赤峪河，东靠春燕山，沿山前NE30°方向呈带状分布，热水区面积约3.8 km²（苗德雨等，2014）。其在构造上处于运城沉降盆地东部边缘，中条山山前深大断裂与NEE向隐伏断裂交叉部位，两断裂系统为控制热异常的主要地质构造，对南山底热水运移和富集起决定作用（程绍平等，2002；杨静等, 2019a, b）。夏县南山底地热田由盖层（新生界第四系中更新统砂、砂砾石与亚粘土、亚砂土互层）、基底（古生界寒武系和太古界涑水杂岩）以及热储层（奥陶—寒武系热储）组成，顶板最大埋深2 000—2 500 m，似保温隔热层。中条山北麓地质及夏县热水区地下水构造环境简图见图 1。

该热水区分布有运城中心站（ZXZ）、温泉（WQJD）、南山底热水（NSD1）、电力宾馆（DLBG）、南山底半热水（NSD2）等多口热水井（图 1）。其中：中心站热水井（ZXZ）主要观测水氡、水汞、阴离子、溶解气等水化学指标，旨在监测中条山山前地下水化学组分的变化。其水化学测项对地震响应敏感，如水氡测项，在观测井周边发生5级以上地震前常表现出显著异常（范雪芳等，2000；穆慧敏等，2019）。温泉（WQJD）热水井位于夏县温泉酒店内，该酒店主营洗浴及食宿；电力宾馆（DLBG）热水井位于电力宾馆院内，该酒店原营业食宿，2020年起仅供电力公司内部使用；南山底热水（NSD1）热水井位于中条山山脉春燕山脚下，主要有南山底村、周边温泉游泳馆及维也纳酒店使用；南山底半热水（NSD2）位于白沙河旁，用于南山底村农田灌溉。

2 水样采集及检测

2022年5月，选取位于中条山山前断裂的中心站、温泉、南山底热水、电力宾馆、南山底半热水等5处热水井（图 1）进行水样采集。以100 mL和30 mL聚乙烯瓶为采样容器，每个测点取2个水样。采样步骤如下：①清洗采样瓶：将聚乙烯瓶使用采样点储水反复清洗3次；②水样采集：将水样缓慢注入聚乙烯瓶直至溢出，以排净瓶内气体，避免空气污染水样，使用封口膜缠紧瓶口。需要注意的是，5个热水井的水样均需在开泵15 min后进行采集。

将采集样品送中国地震局地壳应力研究所（现应急管理部国家自然灾害防治研究院）地壳动力学重点实验室进行检验。检验参数包含阴阳离子含量、氢氧同位素含量、溶解性总固体值（TDS值）及电导率值。其中，阴阳离子含量使用ICS-2100离子色谱仪进行检测，氢氧同位素含量使用LWA-24-EP氢氧同位素分析仪进行检测。采用SGAS3.0软件（苏鹤军编写），计算并分析检测结果。

3 地球化学特征分析

研究区各热水井地球化学组分及氢氧同位素检测结果见表 1。基于表 1，根据舒卡列夫分类方法，夏县热水区地下水的水化学类型为Cl-Na型，阳离子中Na⁺含量最高，平均值为821 mg/L，最高达1 024 mg/L；阴离子中Cl^-含量最高，平均值为409 mg/L，最高可达468 mg/L，SO₄^2-含量次之。研究区地下热水水温在31.6 ℃—53.0 ℃，属中低温热水；TDS及电导率值相对较高，属微咸水，表明地下热水水—岩反应程度较强，循环深度较大或在地下滞留时间较长，符合温泉水的特性。

离子平衡系数ib是评价温泉水样中离子组分数据是否合格的重要参数之一（Woith et al，2013），计算公式为

$ i b(\%)=\frac{\sum \text { 阳离子 }-\sum \text { 阴离子 }}{\sum \text { 阳离子 }+\sum \text { 阴离子 }} \times 100 $

(1)

将表 1所测数代入式（1），计算夏县热水区5个水样的离子平衡系数ib，发现所有样品的ib均小于5%，表明此次水化学分析测试数据质量较好。

3.1 地下水中离子组分特征

Pipper三线图被广泛应用于地下水类型及循环的判断（温煜华等，2011；张磊等，2014），其由2个三角形和1个菱形组成，其中阳离子三角图由Na⁺ + K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的毫克当量百分数表示，阴离子三角图由Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-的毫克当量百分数表示。Pipper图显示，夏县热水区5个热水井均以碱金属离子和强酸为主，水化学类型均为Cl-Na型（图 2）。

水化学类型可直接反映水样中主要离子的分布。然而，在传统三线图中，离子分布区域较为离散，且表征的离子种类受限。为此，采用Scholler图来分析温泉水样中主要离子的毫克当量，其每条折线均可形象客观地展现相应温泉的水化学特征。夏县热水区地下水Schoeller图见图 3。

由图 3可见，热水井的优势阴离子为Cl^-、SO₄^2-，HCO₃^-含量相对较低，表明热水井水—岩反应程度强，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（苏春田等，2018；付云霞等，2021）。

3.2 地下水中特征组分比值

地下水中特征组分比值是地下水时空演化过程的有效指示，能反映水的赋存环境及变化过程。地下水中某些离子间物质的量浓度比，有助于分析地下水的各种状态与地质作用（周训等，2017）。

γNa⁺/γCl^－系数称为地下水的成因系数，是表征地下水中Na⁺富集程度的一个水文地球化学参数。标准海水的γNa⁺/γCl^－系数平均值为0.85，γNa⁺/γCl^－值越小，变质程度越大，反映地下水所处环境封闭条件越好；其值越大，反映地下水受渗入水影响越大。研究区测点的γNa⁺/γCl^－取值范围为1.07—4.67（表 2），即γNa⁺/γCl^－系数均大于1，表明地下水在径流过程中不断通过水解和酸作用，造成岩石矿物风化溶解，使Na⁺从长石中释放出来（章光新等，2006；鲍志诚等，2022）。此外，地热水中的Mg²⁺含量普遍偏低（表 2），进一步说明地热水含水层的封闭程度较高。

γCl^-/γCa²⁺值用于表征地下水水动力特征，其值越大，表明地下水流动条件越差，流动速度越缓慢（郝永河，2010）。研究区地下热水的γCl^-/γCa²⁺值均大于5，表明其流动性较差，水动力条件不足，循环更新缓慢。由表 2可知，5个热水井的水循环更新速度如下：南山底半热水（NSD2）＞中心站（ZXZ）＞电力宾馆（DLBG）＞南山底热水（NSD1）＞温泉（WQJD）。地下水循环更新速度快，水温则会相应降低，与各热水井水温数据高低相对应。

盐化系数γCl^-/(γCO₃^2-+γHCO₃^-)主要反映地下水的浓缩程度（沈照理等，1993）。研究区地下热水的γCl^-/(γCO₃^2-+γHCO₃^-)盐化系数均大于1（表 2），明显高于地下冷水与泉水，反映测区热水的浓缩程度较高，水循环较慢。由表 2可知，各热水井的热水浓缩程度大小如下：温泉（WQJD）＞南山底热水（NSD1）＞电力宾馆（DLBG）＞中心站（ZXZ）＞南山底半热水（NSD2）。

综上所述，夏县热水区5口热水井中，南山底半热水（NSD2）井水循环动力较快，浓缩程度较小，与冷水层交替的程度较快，其余热水井循环速度由快到慢依次为中心站（ZXZ）、电力宾馆（DLBG）、南山底热水（NSD1）、温泉（WQJD）。

3.3 同位素分析

将水样中的δ¹⁸O和δD与全球和区域大气降水线进行对比，能够了解水的来源与补给、水—岩作用以及地下水混合作用等水文循环特征（Pang et al，2017）。夏县热水井氢氧稳定同位素分布见图 4，图中：GMWL为全球大气降水线，δD＝8δ¹⁸O+10（Craig，1961）；LMWL为区域降水线，据地理位置采用西安大气降水线，δD＝7.49δ¹⁸O+6.13（王兴等，2020）。由图 4可见：氢氧同位素基本位于大气降水线附近，说明夏县热水井补给源主要为大气降水；δ¹⁸O和δD存在不同程度的向右偏移现象，表明夏县热水井在水循环过程中与岩石发生了氧同位素交换作用，显示出一定程度的水—岩作用特征。

3.4 热储温度及循环深度

Giggenbach（1988）提出，Na-K-Mg三角图是以Na/1 000、K/100和Mg^1/2为3个顶点，划分为完全平衡、部分平衡的地下热水和未成熟的水（即处于岩石溶解、淋滤过程中的水），常被用来判断水—岩平衡状态及区分水样类型。绘制夏县各热水井的Giggenbach图，见图 5，可知地下热水均为部分成熟水，表明热水井的水—岩反应程度较强。

阳离子地热温标是基于热水与固相物质间的K、Na、Ca、Mg等阳离子的交换与温度的关系建立起来的。当地下水达到部分平衡状态，可利用Na-K温标、K-Mg温标公式计算热水井热储温度。

Na-K温标计算公式（汪集旸等，1993）如下

$ t=\frac{933}{\log \mathrm{Na} / \mathrm{K}+0.933}-273.15 $

(2)

K-Mg地热温标计算公式（吴红梅等，2006）如下

$ t=\frac{4410}{14.0-\log \mathrm{K}^2 / \mathrm{Mg}}-273.15 $

(3)

地下水循环深度计算公式（张人权等，2018）为

$ D=(T-t) / r+h $

(4)

式中：D为循环深度，单位km；T为热储温度，单位℃；t为年平均气温，单位℃；r为地温梯度，单位℃/km；h为常温带深度，单位km。

夏县地区年平均气温（t）为13 ℃，年常温带深度（h）取为32 m，地温梯度（r）为(3.5 ℃—5.5 ℃)/100 m（左海风，1998），代入式（2）、式（3），计算得到夏县各热水井循环深度，结果见表 3。由此可知，夏县热水区的热储区在地下2.2—2.8 km，为深部热储层。

3.5 地下水成因分析

夏县热水区的补给来源为大气降水，大气降水通过渗透作用到达该区域热储层区域，通过大地热流（地热增温）和岩石生热等作用加热，并进行一系列水—岩反应，之后在独特构造部位和良好的储水条件下，沿断裂上升出露地表，并在上升过程中与浅层地下冷水混合，形成矿化度较高的温泉水（Wu et al，2021；Wang et al，2024）（图 6）。研究区内5口热水井的热储层基本相同，因此上升到地表后水温相差不大，区别主要在于与冷水的混合程度。

左海风（1998）研究南山底地热田区地温分布趋势发现，夏县热水区南部和东部地温较高，西部和北部稍低。根据热水井分布位置，中心站（ZXZ）、南山底热水（NSD1）、温泉（WQJD）应为地温偏高区，南山底半热水（NSD2）与电力宾馆（DLBG）为地温较低区。夏县热水区热水井水温及TDS数据统计结果见图 7。

由图 7可知：热水井水温数据对比如下：温泉（WQJD）＞南山底热水（NSD1） > 中心站（ZXZ） > 电力宾馆（DLBG） > 南山底半热水（NSD2），与左海风（1998）的研究结果一致。TDS含量对比如下：温泉＞南山底热水 > 电力宾馆 > 中心站 > 南山底半热水，与3.2节中热水循环速度相对应，循环速度越快，TDS值越小，循环速度越慢，TDS值越大。

1998年，中心站（ZXZ）与温泉（WQJD）、南山底热水井（NSD1）水温均在43 ℃左右。目前，中心站（ZXZ）水温约40℃，而温泉（WQJD）和南山底热水（NSD1）水温达46 ℃、53℃。究其原因，中心站（ZXZ）热水井虽处于地热高温区，2009年以前作为开发井，用水量较大，2009年后抽水仅用于水化学日常观测，用水量大幅减少，由此造成地下热水在经地下深循环上升至地表过程中，与浅层地下冷水混合时冷水占比增加，从而使得中心站（ZXZ）水温降低。相较之下，南山底热水（NSD1）、温泉（WQJD）、电力宾馆（DLBG）仍为温泉开发井，开采量较大，水温相对较高，而南山底半热水井（NSD1）水温低、TDS值小，是由于其地处热水区北部，且有冷水混入，主用于当地农田灌溉。

4 结论

综上所述，可以得出以下结论：

（1）夏县热水区地下5口热水井TDS在1 000—3 000 mg/L，水化学类型为均为Cl-Na型，属中低温微咸热水。

（2）离子含量比值可表明夏县热水区地下水循环程度，其中：南山底半热水（NSD2）井水循环动力较快，浓缩程度较小，与冷水层交替程度较快，其余热水井循环速度由快到慢依次为：中心站（ZXZ）、电力宾馆（DLBG）、南山底热水（NSD1）、温泉（WQJD）。

（3）通过对热水区同位素及热水循环深度进行分析，认为夏县热水区地下水在独特构造部位和良好储水条件下，由大气降水经深循环、大地热流（地热增温）和岩石生热等作用加热，通过水—岩反应，在上升到地表的过程中与浅层地下冷水混合，并沿断裂上升出露地表，形成矿化度较高的温泉水。

（4）针对中心站热水井（ZXZ）TDS值低、水温降低现象，且其水循环动力强于周边热水井，源于其开采量减少，地下水在经地下深循环上升至地表过程中，与浅层地下冷水混合比例变大所致。

山西省地震局运城地震监测中心站同事为样品采集及资料分析提供了帮助，应急管理部国家自然灾害防治研究院张磊、任宏微对数据进行了分析测试，甘肃省地震局苏鹤军提供了地球化学分析软件，审稿专家为论文的完善提出诸多宝贵意见，在此一并表示感谢。