全南—寻乌断裂带上的5个温泉的水温在42℃～72℃,属中高温温泉; TDS为215.50～767.47 mg/L,平均值495.16 mg/L,属中低矿化度水(表1)。图2为5个温泉的阴、阳离子Piper三线图,从图中可以看出所有温泉的优势阳离子均为Na⁺,除茅山温泉外,Na⁺的当量浓度在阳离子中占比均超过80%,茅山温泉含有部分Ca²⁺,当量浓度占阳离子总浓度的29%,所有温泉的Mg²⁺含量较低; 温泉的优势阴离子均为HCO^-₃,当量浓度占比均超过80%,此外还含有少量SO^2-₄,Cl^-含量相对较低。根据地下水舒卡列夫分类方法,茅山温泉为HCO₃-Na-Ca型水,其它温泉均为HCO₃-Na型水。

表1 全南一寻乌断裂带温泉水化学组成与氢氧同位素测值全南一寻乌断裂带温泉水化学组成与氢氧同位素测值
Tab.1 Chemical compositions and hydrogen and oxygen isotope compositions of the thermal spring water in the Quannan-Xunwu fault zone

表2 全南一寻乌断裂带温泉的微量元素组成
Tab.2 Trace element composition of the hot springs in the Quannan-Xunwu fault zone

图2 全南—寻乌断裂带温泉阴、阳离子Piper三线图
Fig.2 Piper diagram of the thermal spring water in the Quannan-Xunwu fault zone

全南—寻乌断裂带温泉水的阳离子主要为Na⁺,这与研究区的岩性密切相关。该断裂带上发育着较为广泛的燕山期花岗岩、花岗闪长岩和闪长岩,而这些中酸性岩浆岩主要由斜长石、钾长石和云母等矿物组成,Na和K元素含量高(李献华等,2007; 陶继华等,2013)。在热水沿着这些岩体内的断裂进行循环的过程中,在较高的温度和压力环境下,发生了较为强烈的水-岩反应,使围岩中的Na⁺和K⁺大量进入水中,Na⁺具有很强的迁移能力,容易在热水中富集,K⁺的迁移能力低,并且具有生物活性,所以在热水中含量偏低。Na⁺与TDS具有很好的相关性,也表明在水-岩反应过程中中酸性侵入岩对于热水中主要离子组分的贡献(图3a)。

温泉水的优势阴离子均为HCO^-₃,含量较高。HCO^-₃含量与Ca²⁺+Mg²⁺含量相关性弱,相关系数R为0.4(图3b),并且研究区地层的沉积碳酸盐岩分布较少,所以排除了由碳酸盐岩溶解形成温泉中高HCO^-₃含量的可能性。观察所采温泉均有气泡出露,前人对该区部分温泉的温泉气进行研究发现主要为CO₂气体,占温泉气体总体积96.47%以上(李富光,1983; 孙占学等,2014)。因此本文研究区观察到的温泉气应该以CO₂为主,CO₂气体在运移过程中不断溶解在热水中或与岩浆岩中的硅酸盐矿物发生水-岩反应,导致HCO^-₃含量升高。温泉水中含有一定量的F^-、Cl^-,也与该区中酸性侵入岩的溶滤作用有关系。因为这些岩浆岩中存在黑云母、萤石以及磷灰石等富F^-和Cl^-的矿物,并且F^-含量受Ca²⁺含量的控制,表现为F^-与Ca²⁺具有较好的负相关性(图3c),主要原因是CaF₂的溶解度低,易沉淀。

图3 全南—寻乌断裂带温泉各组分的相关性
Fig.3 Correlation of the hot water components in the Quannan-Xunwu fault zone

地下水中一些离子之间物质的量浓度比可以帮助分析地下水的各种状态与地质作用。γNa⁺/γCl^-值是表征地下水中Na⁺富集程度的常用水文地球化学参数(章光新等,2006)。γNa⁺/γCl^-值越小,变质程度越大,反映出地下水所处环境封闭条件越好; 其值越大,地下水受渗入水影响越大(郝永河,2010)。研究区所有温泉点的γNa⁺/γCl^-值均远大于海水值0.85,取值范围为12.98～62.72(表3),表明地下热水与花岗岩等围岩的水-岩相互作用强烈,溶滤作用使长石类矿物发生了水解产生大量的可溶性的Na⁺。γCl^-/γCa²⁺值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,地下水流动越缓慢(郝永河,2010)。研究区除了全南的热水温泉γCl^-/γCa²⁺值为5.32外,其它温泉均小于1(表3),表明热水温泉地下热水流动性较差,而其它大部分温泉的水动力条件好,循环更新较快。盐化系数γCl^-/(γCO^2-₃+γHCO^-₃)主要反映地下水的浓缩程度(Mondal et al,2010)。研究区所有温泉的盐化系数都低于0.1(表3),反映出地下热水的浓缩程度低,水循环较快。

表3 全南—寻乌断裂带温泉离子浓度比
Tab.3 Concentration ratio of the ions of the hot springs in the Quannan-Xunwu fault zone

温泉水中的微量元素是地下水在循环过程中水-岩反应的结果,因此研究区温泉的微量元素含量能够在一定程度上反映其水-岩反应程度(石宏宇等,2021)。由于微量元素在地下水中的溶解性和迁移性弱,所以温泉水中微量元素的含量一般是很低的,远低于1 mg/L,通常用μg/L来表示。研究区温泉的微量元素含量较低,小于1 mg/L(表2),其中Li、Sr、B含量较高,平均值分别为453.1、570.1和180.9 μg/L。一般采用富集因子EF定量评价微量元素的富集程度(颜玉聪等,2021; Zhou et al,2022b),其计算公式如下:

式中:C_R为选定的参比元素含量; C_i为样品中元素含量; w为水样中元素浓度; r为岩石中元素浓度。本文选定Ni作参比元素(Aiuppa et al,2000; Wang et al,2021),选用赣南盘古山钾长花岗岩的元素平均值作为参考背景值(方贵聪等,2016),对本文5个温泉点测定的15种微量元素进行归一化处理,并绘制微量元素的富集因子图(图4)。

图4 全南—寻乌断裂带温泉的微量元素富集因子
Fig.4 Enrichment factors of the trace element of the thermal spring water in the Quannan-Xunwu fault zone

从图4中可以看出,Li、Sr、Cs、Ba等元素的富集因子高,表明温泉水中的这些元素相对于花岗岩围岩富集程度高。Na⁺与Li、Sr都具有强相关性(图3d、e),相关系数R分别达到0.98和0.87,表明微量元素Li、Sr与常量组分Na⁺的来源一致,主要为中酸性侵入岩受热水溶滤作用而产生。研究区广泛分布的花岗岩和闪长岩中存在富集Li、Sr等元素的矿物,如锂云母中富含Li、斜长石中富含Sr,这些微量元素的活动性较强,在水-岩反应过程中容易由岩石进入流体并进行迁移,导致温泉热水中较高的Li、Sr含量。Cs、Ba的相对富集主要是与Cs、Ba在水流体中的强活动性有关系,作为强不相容性元素,它们更容易在流体相中富集。有研究表明温泉水中的B元素主要来源于浅部海相沉积岩溶滤或者深部水热活动对火山岩的溶滤(吕苑苑等,2012; 李明礼等,2015),由于研究区海相沉积岩和海相流体不发育,所以温泉热水中的含量较高的B元素主要来自地热流体对火山岩围岩的溶滤,这也说明热水在断裂带中发生了深循环。

温泉的氢氧同位素组成通常记录了温泉的起源和形成过程的信息(顾慰祖,2011)。大气降水成因的温泉水,其同位素组成与大气降水类似。如果出现偏离大气降水线的现象,则可能是水-岩反应或者水-气作用所造成的同位素分馏(图5)。全南—寻乌断裂带温泉的δD和δ¹⁸O值分别为-40.38‰～-44.50‰和-6.42～-6.95‰(表1),变异系数均为0.03,说明氢氧同位素组成变化不大,这主要是由于采样点的高程都在250～300 m,并且在纬度上较为接近,所产生的同位素分馏效应较小。从图5可见,对比全球大气降水线和全国大气降水线(Piper,1953; 郑淑蕙等,1983),全南—寻乌断裂带温泉的氢氧同位素值均在大气降水线附近,表明温泉水来源于当地的大气降水; 除了汤湖温泉点,其它温泉相对于全国大气降水线,都存在不同程度的左侧偏离,表现为氧同位素贫化(负漂)的特征,以豆头温泉最为明显。通过进一步分析发现,温泉的HCO^-₃含量和δ¹⁸O值的负相关性较好(图3f),即HCO^-₃含量越高,δ¹⁸O值越低。全南—寻乌断裂带温泉的高HCO^-₃含量主要是由于其中的CO₂气体溶解造成的,因此可以认为CO₂含量与δ¹⁸O具有负相关性。研究表明当CO₂气体相对于地下水占主导地位时,同位素交换作用会导致地下水中氧同位素的负向漂移(Pang et al,2017)。因此,研究区热水在运移的过程中与其中的CO₂气体发生了水-气相互作用,进行了同位素交换,造成了δ¹⁸O的负漂。

图5 全南—寻乌断裂带温泉氢氧同位素组成
Fig.5 Composition of the hydrogen and oxygen isotopes of the hot springs in the Quannan-Xunwu fault zone

Cl-Li-B三角图通常用来区分不同来源的热水,可用来研究热水的起源问题和判断水-岩相互作用程度(Giggenbach,1991a,b)。由于温泉水样的Li含量较高,样品点主要落在三角图的Li端元附近,其中民裕温泉靠近闪长岩,汤湖和热水温泉位于花岗岩和闪长岩的连线上,豆头和茅山温泉靠近花岗岩(图6)。总体上,研究区热水来源类似,主要是通过构造裂隙流经中酸性岩浆岩,并与这些岩体发生了水-岩相互作用,从而具备了特征的主微量元素分布。温泉所在的研究区主要以燕山期的花岗岩、花岗闪长岩和闪长岩为主,沉积碎屑岩和碳酸盐岩发育较少,这也与图6结果一致。

图6 全南—寻乌断裂带温泉Cl-Li-B三角图
Fig.6 Cl-Li-B ternary plot of the hot springs in the Quannan-Xunwu fault zone

Na-K-Mg三角图可用来分析地下水水-岩平衡状态、地下水热储温度、循环深度等,对体系的开放与封闭条件的判断、时间及运移过程的判断非常有用(Giggenbach,1988; 孙小龙等,2016)。本文利用Na-K-Mg三角图分析温泉水的水-岩平衡状态以及循环深度。由图7可见,民裕温泉分布在部分平衡水区域,表明其水-岩相互作用已达到部分平衡,地下热水循环深度较深,这与其水温高(71.2℃)相吻合; 其它温泉主要分布在未成熟水区域的Mg端元附近,表明地下水循环周期相对较快,水-岩相互作用尚未达到平衡,水-岩相互作用仍在进行,但汤湖温泉和热水温泉整体具有向部分平衡水区域靠近的趋势,说明其水-岩相互作用相对较高,地下热水循环深度较深,这也与其水温较高(>60℃)相对应。Na-K-Mg三角图是基于Na-K温标和K-Mg温标建立的,因此可用于估算地下水样的热储温度,但是采用阳离子温标计算的前提是地下水中离子达到平衡状态,所以本文只对达到部分平衡的民裕温泉的热储温度进行估算。依据图7中温标线(图中绿色实线)的指示,民裕温泉的热储温度在175 ℃左右,属于高温热储。热水循环深度计算公式为:

H=(T-T₀)/G+H₀(2)

式中:H为循环深度(km); T为热储温度(℃); T₀为恒温层温度(℃),取当地平均温度19 ℃; G是地温梯度(℃/km),取25 ℃/km的地壳平均垂向地温梯度; H₀为恒温层深度(km),取值0.02 km。根据式(2)可以计算出民裕温泉的循环深度在6.3 km左右,这与全南—寻乌断裂带切割较深相吻合。

图7 全南—寻乌断裂带温泉Na-K-Mg三角图
Fig.7 Na-K-Mg triangular diagram of the hot springs in the Quannan-Xunwu fault zone

为进一步探究温泉的水文地球化学特征与断裂带地震活动性之间的关系,本文选取了1970—2022年全南—寻乌断裂带上(24°30'N～25°N)记录到的M≥2.0地震,结合所获得的温泉水文地球化学数据进行分析。由于全南—寻乌断裂带是一条近东西向的构造带,因此以经度为横坐标,对温泉的点位、水温、TDS、地震震级以及震源深度进行作图(图8)。

从图8b～c中可以发现,全南—寻乌断裂带东段的民裕温泉和中段的汤湖温泉的水温高,均大于70 ℃,断裂带中段的豆头温泉和汤湖温泉的TDS也较高,大于500 mg/L; 从地震活动性来看,全南—寻乌断裂带的东段和中段的地震分布较为密集(图8d),并且震级较大、震源深度也较深(图8e),尤其是中段发生了1982年的龙南5.0级主震-余震型地震。总体来看,地震活动性较强的中段114.8°E附近和东段115.6°E附近(图8黄色阴影部分)所发育的温泉具有较高的水温和TDS,而其它段不发育温泉或者温泉的水温和TDS较低。以上说明断裂带活动性越强,切割深度越深,断裂中热水的循环深度和热储温度越高,循环过程中的所发生的水-岩作用越强,从而导致热水的TDS含量升高。另一方面,温泉热水在深部循环的过程中也会对断层围岩产生一定的弱化作用。深部断层系统中的孔隙流体压力增大,容易驱使流体流动,导致断裂面的有效正压力降低,从而起到弱化断层强度和控制地震活动的作用(Richard et al,1977; Sibson et al,1988; Snell et al,2020); 此外,断裂深部热储温度较高,水-岩反应将导致矿物蚀变,形成摩擦系数低的黏土矿物,从而改变断层岩石的抗压强度与地震活动性(宋贯一等,2000; 段庆宝等,2015; Dorsey et al,2021)。综上可知,全南—寻乌断裂带为温泉热水的运移和聚集提供了通道和场所,流体与岩石发生物理化学效应从而改变断层的状态,进而影响该区的地震活动性。

图8 全南—寻乌断裂带温泉点位(a)与水温(b)、TDS(c)、地震震级(d)和震源深度(e)的空间分布关系
Fig.8 The location of the hot springs in the Quannan-Xunwu fault zone(a)and its relationship with water temperature(b),TDS(c),magnitude(d),and focal depth(e)

全南—寻乌断裂带是一条分布于燕山期岩浆岩中的近EW向的深断裂,断裂带既是良好的渗水通道,也是良好的导热构造,因此发育有较多的中高温温泉。本文对这些温泉进行了系统的水文地球化学研究,发现温泉补给主要是大气降水,降水沿着断裂带渗入地下,通过纵横交错的裂隙系统,以不同的运动路径深入地壳深部6 km左右,地下水经过加热形成地下热水,经过深循环后,地下热水分别在有利的断裂通道(张性断裂或者构造交汇处)上涌至地表而形成各个温泉点,并沿着断裂带分布。全南—寻乌断裂带温泉的热源主要来自地热增温、燕山期岩浆岩余热和断层摩擦热(李学礼,1992; 李学礼,杨忠耀,1992; 林乐夫等,2017)。地下热水在运移过程中,尤其是在深部高温高压的环境下容易与其周边的中酸性侵入岩发生水-岩相互作用,从而导致出露的温泉相对富集Na⁺、Li、F^-、Sr等主微量元素组分。同时,地下热水在地壳深部运移的过程中,汇入了深部的CO₂气体,在随热水上升至浅部的过程中,CO₂不断溶解在热水中或与硅酸盐矿物发生水-岩反应,导致热水中的HCO^-₃含量升高,形成HCO₃-Na型水。此外,地下热水与其中的CO₂气体发生的水-气相互作用会产生氧同位素交换,从而导致部分温泉的δ¹⁸O发生负漂。

全南—寻乌断裂带上的温泉水动力条件较好、循环更新较快,部分温泉的热储温泉高(大于150℃),经历了深循环。温泉的水文地球化学特征与断裂带的地震活动性具有较好的对应关系,从而有利于获取地震前兆流体信号,对于地震监测预报具有重要意义。