我们身边的地热现象之一---温泉

  【一】最受人类青睐的温泉

 

  温泉是地球上分布最广又最常见的一种地热显示。它较为集中地出露在高山峡谷、沟谷、河谷以及盆地的边缘地带。世界各国以及我们祖先留下的文海当中，描述、歌颂、神传温泉的记载史料甚多。为何全球人类都如此青睐温泉呢？原因很简单，一是泉水清澈又温热；二是用它洗浴或饮用有治疗疾病之功效。目前，我国的温泉区大约有3000余处。出露数量最多的前5位省分别为云南、西藏、广东、四川和福建。其中云南被誉为“温泉之乡”，历代文人墨客对云南温泉考察和记载之多，可谓举不胜举。安宁温泉是云南省著名温泉，距昆明37.5km，是我国开发利用较早的温泉之一。金鸡温泉是保山地区八景之一。与云南接壤的西藏，据不完全的统计，温泉区有677处之多。温若璀璨的繁星，点缀在世界屋脊之上，闪烁在高山雪岭之间。它所散射出的耀眼光芒历来受到中外人士的瞩目。仅从滇藏两省列举有关温泉的记载内容，大体包括3个方面：一是对出露温泉区自然景观的描述；二是温泉利用的记载；三是对温泉疗疾的神奇功效的歌颂。总之，通过对我国历代卷帙浩繁的文献和诗词歌赋的点滴认识，大体能了解到我国的温泉多，开发利用历史悠久，而且从留下的对温泉景观、温泉治疗等方面的记载，都将为后人研究温泉区的演变、开发和利用提供了珍贵的史料。

 

  【二】温泉源源何处来

 

  地球上出露这么多的温泉，人们不禁要问，赋存于地下丰富的热水从何而来？要了解温泉水源的来历，首先要认识到地球是个庞大的热库，地球内部有源源的热流为其不断地补充热量，这个热“锅炉”就是温泉乃至其他不同类型地热显示的热源。有了热源还不行，还需要了解地壳内大量的水是从哪里来的，地下水又是如何被加热的。被加热的地下水还必须具备第三个条件，那就是为这些埋深的热水筑造一个上升的通道，只有这样才能涌流出地表形成温泉。这就是温泉形成的三大要素：热源、水源加通道。

 

  地球的内热作为温泉的热源，大体由两种形式提供。一种是以特殊的局部的热源来加热地下水，诸如出露在现代火山区或地下有年轻侵入体存在的地区的温泉，它们是被下伏埋藏不深的岩浆囊的热加温，这类温泉水温高，甚至形成汽水两相赋存于地下，称之为高温温泉。但是，并不是任何地质年代的侵入体都能作为温泉的局部热源，因为这些侵入体的温度一般在850-1100℃，经历漫长的年代之后，侵入体本身会渐渐变凉，加上侵入体的规模不大，就更难维持自身的温度了。所以地质学家普遍认为：自地质年代为300万年以前形成的侵入体，不论其温度、体积分布有多高多大，对当今而言，它早已在地壳内变成“凉”体了，不可能形成高温温泉的局部热源。所以这就是在前文中提到的侵入体前为什么要加上“年轻”二字的缘故。另一种是不在火山和岩浆插动区域内的而且是数量远远大于高温温泉的低温温泉，它们的升温是靠地球的内热。有关这方面的知识和感受在日常生活中屡见不鲜。我国北方黑龙江省冬季气温在零下40至零下30℃，但在鹤岗煤矿300m深的矿坑里，温暖如春，温度达20℃。钻井工人也有同样感受，在华北平原施工时，当钻至1000m深时，井下温度为46 8℃，钻进到2100m时，井底升温到84.5℃，平均每百米增温3.4℃。井孔内的增温源自地球的内热，通常所讲的地下水随其深度以当地的地热增温率来增温，一般情况是每百米深度地下水平均增温在2.5-3℃。

 

  地球内热是加热温泉的“锅炉”，那么“锅炉”里源源不断的水又是来自何方？

 

  地球表面的面积约5.1×104亿平方公里，其中的3.61×104亿平方公里为海洋所占据。海洋中的水体并非处于静止状态，太阳辐射热的作用下，海水被蒸发到空中成为水汽，一部分水汽在空中被冷凝之后，又以雨或雪重新降落到海洋，另一部分则随大气流动降到陆地上，落入陆地的雨雪，有的流入河流，有的注入湖泊，有的落到高山地区或寒冷地带后形成了积雪和冰川，还有一部分则从地表渗透，在土壤和岩石裂隙中流动，这就是地下水。降到陆地的水，无论是河水、湖水还是地下水，都从高处往低处流，最后又都汇入到海洋。自然界中的水基本就是按照海洋-空气-陆地-海洋这样的模式不停地运动着。

 

  地壳中的水不是孤立存在，它是水在自然界运动的整体锁链中的一个环节。从地表以下，大陆上平均约厚35km的地壳岩石中，凡是有裂缝和孔隙空间几乎都有水的分布。当然，随着地壳厚度的递增，压力的加大，深部岩石的裂隙就越少。因此，可以肯定，地壳深部的含水量将会大大地少于上部。巨厚的地下水层与海洋水和陆地上河流、湖泊、积雪、冰川等水体相联，组成地壳上部统一的水层，也就是通常所讲的水圈。

 

  大气降水是地下水的主要来源。此外，地下水还有两个数量不大的来源，其一是岩浆水，许多到过有温泉出露地区旅游、疗养、洗浴的人只要到泉区就能闻到浓浓的硫磺气味。硫磺和火山关系密切，因此人们就会自然联想到温泉水可能就是地下岩浆中所含的水吧！这种想法，在地质学界中是曾流行一时的“原生水假说”。持这一观点的学者认为，地壳中岩浆凝固时释放出的水汽，是沿着裂隙上升不断凝结形成的水。由岩浆分离出来的原生水，数量很有限，即使在现代火山和近代岩浆活动地区，岩浆水和岩浆蒸汽的数量也不会超过那里热水和蒸汽总量的5%-10%。还有一种说法认为这是古海洋残留水。在长达几十亿年的地质历史时期内，经过多次的地质构造运动，海洋和陆地的位置、面积在不断地发生变化，陆地的某些部分有时下沉力海洋，海洋的某些部分则上升为陆地。当海水退去，古海洋底上的饱含海水的巨厚沉积岩固结成岩时，一部分水被保存下来，封存在沉积岩层中，这种水叫古海洋残留水或封存水。为区别于大气降水（或称外生水），上述两种水源又称为“内生水”。

 

  随着世界各国野外地热调查工作的深人，以及全球深钻技术的发展，发现许多温泉出露地区以及钻探出热水的地区附近，并无火山活动，也没有发现地下有强烈的岩浆侵入话动。结果人们逐渐认识到，地下水加温“锅炉”不仅分布在现代火山区和近代岩浆活动区，其他区域的地下也有“锅炉”存在。所以，“原生水假说”也就无法自圆其说而被人们渐渐淡化了。

 

  【三】温泉的特性

 

  源源畅流的温泉水看起来虽然很清澈，但闻起来常感觉有股特殊的气味，的确，它是一种成分复杂的天然溶液。温泉水不仅自身具有一定的温度，而且还溶解了各种盐类、化学元素以及不同组分的气体。如前文所述，这些组分的形成是与地质环境密切相关的。因此，可以说温泉是一种固、液、气三相融合热的天然流体。当温泉水中某些盐类、化学元素以及气体组分的含量达到一定数量时，它就显示出自身的特性一一医疗保健价值，这就是通常所讲的“热矿水”。所以通常把温泉水又称为“热矿水”。

 

  热矿水和文献中常见的医疗矿泉水之间有什么概念上的区别？

 

  目前，普遍认为医疗矿泉水能治病，主要靠水的温度、热水中气体组分以及化学组分三大要素对人体所产生药物化学作用的结果。也就是说，凡具备有上述要素之一者，而且可用于医疗保健的地下水，均属医疗矿水。温泉水的物理、化学特性决定了它属于矿泉之列。但是这并不等于矿泉就是温泉。因为有些矿泉的水温并不高，如黑龙江五大连池的碳酸泉，常年水温仅5-6℃，它虽然是一般“冷泉”，但仍是很有医疗价值的矿泉。

 

  温泉的主要补给来自天然水，无论是大气降水或地表水，还是少量的由岩浆分泌形成的原生水，它们都具有独特的化学组分，在这些水体渗入或汇聚到地下岩层之后形成地下水的过程中，必然溶入不同的化学成分，构成地下水的原始组分。这些原始组分就是地下水演化形成各种温泉水化学组分的基础。

 

  由于水在地层话动中的溶解、溶滤和混合作用，温泉水含有各种具有独特作用的离子，但不同的自然环境和气候条件，以相同的地表水或大气降水所形成的水溶液，其化学成分相差很大。各种不同化学成分的地表水在渗入地下形成温泉补给水源时，其原始的化学成分就各有差别。这就是在它们未渗入岩石裂隙时之前，地下水所处于的初始成分和初始性质，此后具有初始状态的地下水进入与周围岩石以及伴随的地层增温相互作用，使其成分特征开始在地球这一巨大天然实验室里进行长期不断的物理变化、化学反应和生物化学反应，使其初始状态的地下水将发生一系列的变化。反应结果，一方面不断地改变了地下水的化学成分，另一方面也在不断地改变地壳物质的分布状况。当然上述的各种反应，离不开地壳增温的作用。

 

  热矿水获取各种化学成分的另一重要手段是混合作用。混合作用是通过两种不同成分水的混合，而发生的一系列化学反应，致使离子交换后所形成新的组分矿水。混合作用是促使地下水化学组分不断发生化学作用的重要“手段”。热矿水中化学成分的形成过程中，除了上述重要的溶滤作用、混合作用之外，还有很多吸附作用、物理化学作用和生物化学作用。

 

  温泉水中除含有不同成分的化学元素外，还溶有多种气体成分。这些气体与天然水中溶有的成分有很大区别，天然水通常溶含的气体都是源自大气的氮、氧、二氧化碳等组分，含量不高。如地表水中含氧在0-14mg/L；二氧化碳<1mg/L。但地下深部的地热水，所溶含的气体组分就大不一样，其中包括硫化氢、甲烷、二氧化碳等，所以当它涌出地面形成温泉时，人们常感觉有股臭鸡蛋味、硫磺味，或者常发现有一些温度不高的泉口，却似如刚刚启开瓶口的汽水一样向上鼓出大量的气泡等。通过对溶入温泉气体的分析，不仅能为揭示其赋存于地下的地质环境提供重要的地球化学方面信息，同时也能对气体含量的定性和定量之后，为温泉的医疗保健价值提供科学依据。下面分析一下目前常见温泉水中富含的硫化氢和二氧化碳气体是从何而来，又是怎样溶入温泉水中的。

 

  首先来分析一下富含二氧化碳气体的碳酸泉是怎样形成的。自然界中的二氧化碳较为广泛存在，空气中就含二氧化碳气，但是它在大气中仅占0.03%，因此由大气中二氧化碳所构成的分压很小，只相当30.4Pa，在这样分压条件下，二氧化碳气在每升水中的可溶总量超不过0.59mg。专家们认为二氧化碳的来源有3种渠道：一是有机源；二是海成碳酸盐岩的变质活动；三是地幔脱气。也有专家认为只有有机和无机两种来源之分。有机来源是指矿化热水使生物物质分解并放出二氧化碳，或者是矿化热水使烃类氧化而放出二氧化碳。无机源包括地幔脱气，岩浆侵入体放气，碳酸盐岩变质和石灰岩被地下水溶解。许多近代和现代火山区喷气孔的气体里均含有大量的二氧化碳，它是火山活动最常见的副产物。火山区的地下常常积存有大量的二氧化碳。它既有源自如大洋中脊处地幔脱气的原初二氧化碳，或叫岩浆源的二氧化碳，也包括岩浆侵入与围岩接触变质过程中产生的二氧化碳。

 

  碳酸泉作为温泉中的一种，一般水温较低，常称之低温碳酸泉。另外，还有一部分出露的碳酸泉达不到温泉规定温度的起点，所以属于冷泉之列。碳酸泉的温度为何较低，这是与它在形成过程中，二氧化碳在水中溶解度与水温有密切关系。水温越低，溶解度就越大。二氧化碳在O℃水中的溶解度大约是20℃时溶解度的3倍，所以二氧化碳含量高的碳酸泉水温均不高，甚至是没有温度异常的普通冷泉。但是在现代火山区和岩浆滔动区也有高温碳酸泉的出露。我国大陆惟一的一条高温地热带——藏滇高温地热带（也称喜马拉雅高温地热带）的两侧，就有高温碳酸泉分布，这是由于二氧化碳在水中的溶解度与压力和酸碱度有关。

 

  再来分析硫化氢泉的形成过程。目前国内执行的医疗矿泉分类标准为每升水中总硫量大于2mg，才能定名为硫化氢泉。硫化氢不是大气起源的气体，它只能在缺氧的还原条件下形成，因此地下水中有硫化氢的存在，一定程度上标志着它通常是处在一种封闭还原的地质环境之中。地壳中高浓度的硫化氢水，主要是生物化学作用形成的，它在封闭的地质条件中，通过有机物的分解和脱硫菌类作用，由硫酸盐还原产生。温泉中硫化氢泉的出露，与现代火山或岩浆活动密切相关。火山气体和岩浆分异可以产出硫化氢气体；地壳岩石圈中的金属硫化物，诸如黄铁矿、黄铜矿等，在高温下与水作用后也能产出硫化氢，形成硫化氢水。从收集云南腾冲温泉中选出气体的22个气样中，经分析后有18个样品含有硫化氢，其中含量最高的约占气体总量的16%（体积分数）。专家们认为：该地热区硫化氢气体的富集是腾冲近代火山活动期后的产物。至于西藏羊八井、羊易等高温地热田的温泉中富古硫化氢，是与目前地下深部仍处于大规模岩浆活动而产生气体分异相关。硫化氢泉在医疗矿泉中具有重要医疗价值。

 

  【四】温泉疗疾功效神奇

 

  温泉洗浴能治病，在我国史料中最早的文字记载可以追溯到先秦时期，距今的有3000多年了。至今，即使医学高度发达，温泉仍被人们视为大自然赐给人类的一种医疗保健的珍品。直到20世纪，科学工作者对温泉水深入的研究后，才逐渐揭开这种奇的“内幕”。目前，医学界专家根据温泉水的物理、化学等综合资料，结合对人体各系统器官所能产生生理效应的研究，共同认识到温泉水的神奇疗效，主要是依靠泉水的温度、压力、浮力以及放射性元素对人体的物理作用，加上泉水中所含各种气体成分、盐类、微量元素等药物的化学作用所产生的综合医疗效应。

 

  (l)温热作用

 

  温泉淋浴，最受关注的是水温的高低，因为人群中皮肤的平均体温34-35℃，高或低于这一温度，就会感觉温热或过冷。泉水的温度首先对人体的皮肤会产生刺激作用，从而引起肌体内部相关器官、各个功能系统的不同反应。因此，对动脉硬化、早期高血压、脑血管病后遗症、半身不遂等病症均有一定的治疗作用。由此可见，泉水的温热作用是疗疾的重要因素之一。

 

  (2)静压作用

 

  人体浸泡在浴池里，会感受到周围水体对自身的静压力。天然水相对密度为1，但由于温泉水中含有矿物质，高矿化度的泉水，其相对密度将大于l。海洋水的矿化度高达35g/L．其相对密度为1.03，所以人体浸泡在温泉水中的压力要比普通水体承受压力要略大一些，这种压力可以压迫周围静脉，使血液容易流向心脏，从而加强心脏功能，这种压力可促使软组织收缩，促进四肢动脉的血液和淋巴液的回流，加强了呼吸运动及气体代谢，所以对早期肺功能不全的病人有助于恢复作用。

 

  (3)浮力作用

 

  由于温泉水的矿化度高于普通天然水，所以泉水浮力也相应略大些。在温泉水中浸浴时，将会明显感受到自身轻飘，从而使运动器官负担明显减轻，关节肢体活动感到轻松省力，因此能为僵硬的关节、麻痹的肢体、瘫痪肌肉的患者创造恢复功能的良好治疗条件。如果再加上温泉水的温热刺激作用，使肌肉张力和能量代谢下降，能缓解痉挛和疼痛，就更有利于关节功能的恢复。

 

  (4)化学元素的作用

 

  上述温泉水的温热压力和浮力对人体所起的作用只是物理作用。普通天然水体也同样具备这三项条件，但温泉水中所含有的各种化学元素，在人体内产生的药物化学作用，则是它自身具备的特殊性，是普通天然水无法比拟的。温泉水是调节各种元素理想的补充剂。它可以通过饮疗，使各种有用的化学成分通过胃肠道黏膜的吸收进入血液起作用，也可在浴疗过程中通过皮肤吸收。此外，泉水中所含一些气体组分及挥发性物质，还可经呼吸道进入人体内后发挥作用。

 

  泉水中各种元素的作用主要有如下：①碳酸作用②硅酸盐作用③氡气作用④硫化氢作用⑤硫磺作用⑥碳酸氢根作用。

 

  【五】温泉的定义

 

  早在1875年，吉尔伯特(Gilbert)就对温泉下过定义；“凡温度高于当地年平均温度8.3℃的泉水，就叫温泉或热泉”。我国著名的地质学家陈炎冰在1939年对温泉定义为“地下涌出之泉水，其温度较涌出地点之年平均温度为高者称温泉”。美国地热地质学家怀特(White)于1957年重新定义温泉为“温度显著高于当地年平均气温的泉水叫温泉或热泉，一般来说，5℃或5.6℃就算显著”。无疑，出露于地表的高于当地年平均气温的地下水，均系地球内热作用的岩温加热所致，所以上述定义都是科学的。然而，我国各地的年平均温度均不一样，北方高纬度区和西部的高寒山区与华南广东地区对比起来，相差甚大。西藏的年平均温度才0℃，如果出露的泉口水温有8-9℃，理应属于温泉。但在东南各沿海省的年平均温度有的高达21.8℃，那么泉口水温要达到30℃者才算温泉。根据上述温泉定义，有的地区温泉温度只有8～9℃，这样“冷”的温泉只能称它为地热学定义的温泉，而且理论上是科学的，但它不具备经济适用性，所以不可能构成有价值的资源加以利用。关于温泉的下限温度，国际上没有统一的划分标准，德国和英国的标准为高于20℃，日本依据1948年通过的《温泉法规》规定25℃为温泉的下限温度。我国政府有关部门在借鉴国外标准，结合国内自然地理和地热地质条件以及考虑到地下热水的综合利用，所制定的地热勘查国家标准GB 11615-89的规定，把温泉的下限温度定为25℃。温泉水温的上限温度能达多少度？这个问题理应容易得到共识，那就是温泉出露地的高程，当地水的沸点温度。但是在一些文章和文献中时有一些这样的报道：在西藏高原上找到100℃的温泉；云南腾冲大滚锅的水温高达104℃等。如何判断这类报道的准确性，大家都知道，沸腾是在液体内部进行汽化的现象，也就是说水由液态变成了汽态。出现沸腾只能在固定的温度条件下进行，发生沸腾时的温度为沸点，达到沸点的水叫饱和水。海拔高程为0m时，一个大气压下，水的沸点是100℃。压力升高，沸点温度也升高；反之，压力下降，沸点温度也下降。各地温泉出露高程不一，所以不能统一以100℃作为温泉上限的沸点温度。高程1000m时，沸点96.7℃；高程2000m时，沸点93.4℃；高程3000m时，沸点901℃；高程4000m时，沸点86.8℃；高程5000m时，沸点85.3℃。

 

  在地表压力一定的条件下，从地下出露的水是对应于当地高程的饱和水。因此它的温度一般不会超过当地的沸点。也就是说在平均海拔高程超过4000m的西藏高原上，温泉的最高温度为86.8℃，在海拔1600m的云南腾冲大滚锅最高水温在95℃，这也是当地温泉的沸点温度。综上所述，可以认为上面所指的报道数据是失真的。专家曾在藏北野外考察地热多次，从未测到超过90℃的水温。羊八井地热田海拔4300m，沸泉温度86℃左右，谷露间歇喷泉区海拔4700m，沸泉最高温度85-86℃。云南腾冲大滚锅海拔约1500m，也多次测过水温在96℃左右。在滇西野外考察时确实遇到过在沸泉区内测温值高于当地海拔高程的沸点，如金平县的勐坪海拔160m处，测到沸泉的水温102.2℃，在勐海县的勐满，海拔高程860m，测到沸泉水温达100℃。这种现象，有人把它称做过热水泉，这种解释欠妥，因为沸泉水并不是过热水，而是饱和水。出现上述情况是一种不常见的汽水两相共存的过热态现象，致使沸泉水温可能略超过沸点，但最大超幅仅在2-3℃。所有报道腾冲大滚锅水温104℃，是难以令人置信的。通常由于不同的工作单位、不同时间、不同仪器、不同测温员读数以及不同测温的深浅部位等因素，导致野外测温数据偏差在2-3℃也是完全可能的。综上所述，可以认为科学地定义温泉的温度下限，理应是高于当地年平均温度8℃；温泉温度的上限理应对应当地高程的沸点温度，或略高于沸点2-3℃。

 

  【六】温泉的分类

 

  早期人类对温泉本身的认识，只能凭借人体对泉水直接感觉以及温泉和其周围环境冷热的比较，来分出温泉的冷、温、热、烫。随着科学的发展，人们对温泉的研究和在长期利用的实践中，摸索到有3个温度数据十分关键：一是当地的年平均温度；二是地球的年平均最高温(35℃)；三是对应当地高程的沸点温度。依此，以泉水溢出地表时温度高于当地年平均温度8℃，低于地球年平均最温35℃时，称为微温泉。水温高于35℃，而低于45℃时定为温泉。45℃作为温泉和热泉的界限，因为它是人体洗浴承受温度上限，也是生活设施直接利用热能的低限温度。热泉的上限应该是略低当地高程的沸点温度。若达到沸点就是沸泉了。