温泉科学

泡温泉不只是一种可使全身放松的休闲活动，更有实质的医疗效果。「水」本身就有很好的净化效果，何况改以富含各种矿物质成份的温泉，对身体更有加成的帮助。温泉疗效主要以渗透压、氧化还原电位和泉质特性，透过「吸、饮、泡」三道过程，来发挥温泉的功效。

「吸」：是直接吸取温泉的水蒸气，使水中的阴阳离子，透过呼吸的作用直接进入体内，有如森林浴的作用一般。

「饮」：则是直接让温泉水的酸碱质和矿物质直接进入人体作体内肠道的直接吸收。

「泡」：则是温泉的渗透压、还原性、浮力、水压、水温让血液循环顺畅，在放松、无压力的情况下，帮助自律神经、贺尔蒙及脑内啡的调整。同时温泉所含的矿物质，可调节皮脂分泌、改善皮肤搔痒等等的问题。

温泉水的形成与出露要成为必然的现象，就必须具备有热水循环的断裂点或含水层与地形切割的交会。温泉泉量的变化视露出地面所在位置及地下水补充供应而定，热水沿断层或裂隙上升则可形成温泉；地下水对地形的切割将影响下列温泉三大要素：

温泉对身体的效能

一、泉温

泉温即是温泉涌出口的温度；一般而言在地理位置、气候条件、水文地质条件大体相当的情况下，温度高矿化度就高，温度低则矿化度就低。温度是刺激皮肤神经末梢感受器传导至神经中枢而起作用，从而影响全身各系统的机能；皮肤受温热的刺激而产生某些化学物质如组织胺、乙酰胆碱等，对血液循环、新陈代谢、肌肉活动和血液成分等都有良好的影响。实验表明：微温浴能引起大脑皮层抑制的扩散，降低神经的兴奋性，有镇静的作用；温浴可促使周围血管扩张，出现血压下降；高温则能亢进新陈代谢,并有止痛、发汗的作用。但是浴温过高（40℃以上）时，会增加心脏工作，使脉搏加速，如浴中脉搏每分钟超过次，应即停浴，以免发生危险。

二、泉质

温泉形成模式为雨水渗入地下裂隙或破碎带中，受岩浆库上方高温热，再循环涌出地表，温泉水的来源包含浅层、中层及深层入渗之循环补注水，且以浅层地下水为主，热水主要蕴藏在渗透性良好之层砂岩之内，由于热水比重较小，温度也高，压力与浮力较大，热液再循岩石有裂隙通达地面，中途与其他地下水混合型成温泉；不同的热水温度、地形与地质条件，形成了泉质质量的变化。

温泉水通常含较多矿物质和气体，都是从流经的岩石里逐渐溶解出来的。通常水温愈高，所溶解的矿物质愈多，总溶解固体量（TotalDissolvedSolids）也愈大。多数温泉溶有相当量氯盐、硫酸盐、碳酸氢盐、硅酸、少量硼酸及微量重金属。溶在温泉水中的气体以二氧化碳为主，火山区温泉则通常溶有硫化氢气体。

水温对自律神经的影响

1.温泉的化学成分

温泉属于岩土中的地下水，是一种良好的溶剂，经常不断地和岩土发生作用，能溶解岩土中的可溶物质，使其变成离子状态进入温泉中，成为温泉的化学成分。在温泉的补给、径流、排泄过程中，由于地质、自然地理环境的影响，会发生浓缩、混合、离子交换吸附、脱硫酸和碳酸作用，促使温泉的化学成分不断变化。因此，温泉的化学成分，是在很长的时间内，经过各种作用形成的。温泉中各元素的含量主要取决于其周围岩石的性质及其溶解度。

⑴温泉的酸碱度(氢离子浓度)

水的酸碱度是由氢离子（H＋）浓度所构成，由于氢离子浓度是影响液体化学的重要因素，通常在习惯上会将水中氢离子（H＋）浓度取负对数值，作为它的浓度表示方式（pH＝-log〔H＋〕），这也就是一般所谓的酸碱度。一般以酸碱度7.0为中性，小于7.0是往酸性偏移，大于7.0是往碱性偏移。

火山温泉的喷气瓦斯顺着岩盘的间隙上升，气流通过山腰和顶峰到达地表的喷出口。在这这个过程当中吸收经由深裂隙上升的火山气体（水蒸汽、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氯化氢等气体），此地热水上升至地表附近时进入地表氧化带，热水或蒸气中的硫化氢气开始被氧化成为硫酸，形成与底部原生火山气体不同的酸碱pH值，这就是酸性温泉由来。火山蒸气若没有出露地表，直接地下水直接混合的话，则发生硫化氢被氧化成硫磺而析出，成为硫磺泉。

此外，火山瓦斯中若含有氯化氢（HCl）)则会成为盐酸，显示强酸的温泉特质。酸碱度是影响溶解度和化学成分的关键因素。如低温的碳酸水，由于水温低，能够溶解较多的二氧化碳而形碳酸，当水化学环境成为酸性时，溶解度就会增强，这可从很多温泉并不是高温热水，而是低温热水的碳酸水可以看得出，酸碱度对矿物质的溶解度是形成温泉条件的重大支持因素。

酸性温泉中的硫酸和盐酸因为有强腐蚀作用，此一温泉水将会溶解岩石而含有铝、铁等金属离子和硅酸根离子。并且会有因为中和反应而含有钠和钙等的碱土金属离子，此时温泉水的酸碱度pH会逐渐增加。而酸性泉也开始成为硫酸盐或氯盐泉了。所以，若是以模型排列来看，随着偏离火山喷气中心地带往外延伸，则温泉的酸碱度pH会逐渐增加，从酸性硫磺泉强酸性硫酸盐泉酸性硫酸盐泉弱酸性~中性硫酸盐·碳酸氢盐泉等酸碱度往上的泉质量呈现。

⑵温泉中主要离子成分

阳离子：除予上述氢离子(H+)外尚有钠离子(Na+)、钾离子(K+)、铵离子(NH4+)、镁离子(Mg2+)、钙离子(Ca2+)、亚铁离子(Fe2+)。

阴离子：氢氧根离子(OH-)、氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO42-)、亚硝酸根离子(NO2-)、硝酸根离子(NO3-)、碳酸氢根离子(HCO3-)、碳酸根离子(CO32-)、硅酸根离子(SiO32-)、磷酸根离子(PO42-)。

⑶温泉中主要气体成分

火山性温泉中的地热蒸气温泉的主要成分来源，除了水蒸气以外，硫化氢（H2S）、二氧化碳（CO2）、氯化氢（HCl，盐酸气）等；在油田（气）区块的温泉还会有甲烷等沼（油）气的存在。

a.硫化氢：由上表可以明显看出温度是造成化学成分差异的主要因素。从火山喷出口排出的超高温气体中，二氧化硫（SO2）和盐酸气（HCl）是比硫化氢H2S多的。因为SO2和H2S的存在比率是根据岩浆热释出时的温度变化而来：

SO2＋3H2＝H2S＋2H2O（当温度高反应是向左进行的的。）

硫的产生除了含硫黄成分玄武岩性岩浆的释放外，温泉水内的有机质由于大气隔绝环境中的微生物作用，SO4-将还原生成H2S。

火山喷气地区硫化氢的臭味刺鼻，到处可以看到硫磺的结晶。总硫含量2mg/kg以上的温泉即符合疗养泉中硫磺泉的定义，对慢性皮肤病、慢性妇女病等有良好的疗效。硫磺泉浸浴的效能早已耳熟能详，但是偶尔也会有引起中毒事故的发生。低气温和无风状态时，硫化氢容易浓缩，也因为比空气重，所以在低洼地区和孔洞处容易产生聚集。

有鉴于此，硫化氢被认定是具有造成缺氧和窒息的有毒气体。含有硫化氢的温泉，其温泉水和空气中的硫化氢都需要准备有测量仪器。温泉水中的硫化氢以低温、高pH的条件下溶存量较多。在pH低的酸性温泉中黄色硫磺会结晶析出，由于和大气中的氧气接触而发生氧化反应，温泉水中的溶存量会很快地减少。此外，因为硫化氢是强大的还原剂，拥有超强的氯和臭氧的中和性，它们是无法并存的。

b.二氧化碳：植物根系的呼吸作用及有机质残骸的发酵作用，会在地下水层的包气带中形成CO2，这种由有机物的氧化生成的CO2随同水一起入渗补给地下水，浅部地下水中CO2主要是这种成因的。在深部则是高温对含碳酸盐类岩石的影响下，分解生成CO2，即：CaCO3→CaO＋CO2，温泉水中CO2的含量越多，其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类风化作用的能力也越强。

c.氯化氢(HCl)：在低温温泉比较不容易被发现的原因，是因为氯化氢比较容易溶解在水成为盐酸，温泉气体的信道过程中温度下降，仅仅是水蒸气凝结的水量就足以将氯化氢气体从温泉气体中溶解排除去。

⑷温泉中的胶体成分与有机质

以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。主要成分就是腐殖（mold）、有机聚合物或腐殖酸，而大量有机质的存在，有利于进行还原作用。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在于地下水中，其中分布最广的是Fe（OH）2、A1（OH）3及SO2。

2.温泉的物理性质

温泉的理化性质包括温度、颜色、气味、导电性、总溶解固体（TotalDissolvedSolids,TDS）和氧化还原电位（OxidationReductionPotential,ORP）等，叙述如下：

⑴温度

温泉的温度除予受到地热梯度影响外，岩石受构造运动、岩石水膨胀热和放射性元素等，都是除了积存岩浆以外的热源。温泉温度差别可以很大，有沸点（℃）以下温泉，也有沸点以上温泉，甚至有临界温度（℃）以上的温泉。

⑵颜色

温泉的颜色由化学成分及悬浮物决定，一般而言以无色较多，但含某些离子或悬浮物质较多时则会有颜色。例如，含硫化氢（H2S）的温泉为翠绿色；含钙镁离子（Ca2+、Mg2+）的温泉为微蓝色；含亚铁离子（二价铁Fe2+）的温泉为灰蓝色；含铁离子（三价铁Fe3+）的温泉为褐黄色，即是所谓看『金の汤』或『黄金泉』；含有机腐殖质时为黑灰暗色即所谓『黑汤』。含悬浮物的水，其颜色决定于悬浮物。

腐植酸是一种液态的有机质，其来源大都是动物、植物及微生物的残体或排泄物等经一连串长期物理、化学性及微生物作用而产生。腐植质是土壤有机质最重要的一种成分。在日本神奈川县内的京滨-湘南地区，因为含水层含有大量腐植酸，因此泉水呈现褐色就是典型的例子。

这种泉质大部分属于碳酸氢钠泉，因而在浸浴时肌肤有滑嫩的感觉，浴后皮肤则是清洁又光滑。也由于含有大量有机腐植酸和碳酸根的特性，氯系的消毒杀菌剂在这种泉质完全无法发生作用，池水卫生条件的维持困难度较高。

⑶气味

温泉因含有不同的气体成分和有机物而有一定气味。如含硫化氢时有臭蛋味，有机质含量多时会有“沼泽”味异味。

⑷味道

温泉味道主要取决于地下水的化学成分。含NaCl的水具咸味；含CaCO3入的水清凉爽口；含Ca（OH）2和Mg（HCO）2的水有甜味；当MgC12和MgSO4存在时，温泉有苦味。

⑸导电性

当含有一些电解质时，温泉的导电性增强，当然也受温度的影响。

⑹总溶解固体

又称矿化度（Mineralizeddegree）是指在水中所有溶解固体的总量，包括各种盐类、矿物和金属的化合物。矿化度通常以1升水中含有各种盐分的毫克数来表示（毫克/升）即ppm来表示的。“盐度”一般是用来描述水中氯TDS的含量。

⑺渗透压

温泉所含有的溶存成分。溶存成分的分类是人为制定的。泉质的分类是以仟克温泉中，溶存成分含量的毫克数表示。在相关的医疗矿泉分析是疗养泉的认定依据。而渗透压亦称为矿化度，指的是仟克温泉中，总溶解固体含量的毫克数。由于温泉所含盐类浓度不一样，其渗透压也不相同。

例如低渗透压性温泉其含矿物含量少，属低张性温泉，胃肠里容易吸收；硫酸钠泉浓度高，属高张性，在胃肠里难吸收，且阻碍水分的吸收，能引起轻泻。所以，饮泉时的应用时应考虑温泉的渗压而适当调节，一般的饮泉是以低张或等张温泉为主。高张性温泉不仅口感不好，饮效不易发明挥，但是浸疗却效果明显。

a.高张性泉

渗透压是一种物质浓度的调整，某一方面物质浓度高，压力就会大，此时物质就会由压力大的一方渗透至压力小的一方，以取得双方的平衡。高张泉因为矿物质浓度较高，所以渗透压也较大，浸泡高张泉时矿物质成分进入人体细胞的机会较多，同时也排挤了皮肤的亲水性，共并且因为高张泉的总溶解固体含量多矿化度高，相对比热也较大，这就是为什么高张泉比较不容易泠却、结冰和浸泡高张泉后体温较高、皮肤不起皱的原因。

b.等张性泉

水的渗透压大约与人体的细胞液相同，所含有的矿物质则和市面上的运动饮料类似。

c.低张性泉

如一般的自来水，浸浴时容易引起皮肤起皱的原因，则是因为自来水渗透到表皮层和真皮层之间，这两层细胞结构、性质有较大的差异，表皮层主要由角质层构成，吸水后会膨胀，而角质层下面的真皮层是结缔组织，不会由于大量吸水而膨胀，这样一来就造成了内外两层之间的体积差，从而发生褶皱的现象。

⑻氧化还原电位

氧化还原电位（OxidationReductionPotential,ORP）是表示水中的氧化或还原的化学电位，也是水中氧化或还原力量的表示指标。它的单位是毫伏特（mV），ORP是一种可以测量水中电子的吸收或释放的表示，也可以简单的说，是一种测量水中含氧量的工具，与溶氧(DissolvedOxygen)不同的是，它不单纯是测氧的存在，它可以测得水中负溶氧（需氧量）的存在。

由于温泉蕴藏深入地底之下，是属于高温、高压而且缺氧的环境的条件，在长期的浸泡下会有各式各样丰富的矿物质溶解在温泉水中，所以是属于还原性低ORP值的。相反的氯、臭氧和空气中的氧则是属于氧化性高ORP值的，它们是绝对相反、互斥的东西。

a.温泉的劣化（AGING）

当温泉从地表涌出后就与空气中的氧气开始接触，也就是氧化过程的开始，其间更由于压力下降导致溶解性气体的挥发、温度下降且产生沈淀等种种的温泉成分与物理化学变化后，温泉的性质已由地底的稳定静态转变为动态不稳定，随着时间增长后最终成为氧化性的另一稳定的静态，这就是温泉的劣化（AGING）过程，而其复杂的温泉水化学的改变，则以氧化还原电位（ORP）的上升的差距来表示温泉的劣化（AGING）程度。

b.温泉与自由基

人体新陈代谢的能量来自于生物氧化过程，在此一过程中会产生各种的自由基（FreeRadical），使得细胞结构及生理功能的改变，导致促进各种疾病发生，这就是生物的氧化作用，现今医学界普遍证实自由基的氧化行为是人体衰老的一个重要原因，它是体内脂质过氧化的所引起的危害。

因此“抗氧化研究”已经是近代医学研究抗老化的重要角色；人体的皮肤不仅是弱酸性，而且是『还原态』，还原具有防止铁生锈氧化的效果，天然温泉具有还原性的特征，有还原作用的功能，因此被推论有老化抑制功能；会将活性氧加以还原、去除，降低氧化作用。抑制自由基的生成与攻击，则是传统泡汤养生文化的最重要理论依据，也是美人汤名词的由来，而氯、臭氧等氧化性消毒剂则是摧毁泡汤养生文化与美人汤的毁灭性武器。

c.温泉的ORP分析书

虽然温泉以还原态为主，但进入储槽后，因受到不同程度的空气混入，使得温泉的还原性渐渐被氧化，而形成正值的氧化电位，所以在储槽中所测的氧化还原电位应不能代表温泉水的原始状态。温泉从地底泉源的涌出即是氧化过程的开始，也是温泉劣化的开始；因此，隔绝与空气的接触，缩短贮存桶的停留时间，缩短泉源到浴池的距离以减少注入浴池的时间等条件因素，是降低温泉劣化的重要条件，也是『温泉新鲜度』的重要考虑因素。

浸泡在新鲜天然还原系的温泉中，皮肤将受到还原物质的中和保护，避免继续受到自由基的氧化攻击，降低皮肤老化的速度；相反的，若是浸泡在具氧化性的加氯温泉，相当于浸泡在高ORP的氧化态环境中，这将促使皮肤老化的速度加快，导致角质断裂皮肤干涩。温泉加氯，温泉水的ORP值将往氧化端偏移，此时的泉质已产生变化，温泉的特异性也将随着氯含量的增加而逐渐失去，甚至于变为完全相反，这就是强调温泉养生的嗜老们坚决反对温泉加氯最主要的原因。

为了强调天然温泉原汤原味的还原特质，温泉劣化（AGING）的行为模式，已进一步演化成对「温泉新鲜度」的保证：比较同一泉源与浴池系统之间的「氧化还原电位（ORP）值差」，即是所谓的「温泉新鲜度」，而表此示「温泉劣化程度值差」即是日本温泉业界『温泉ORP分析书』和『真假温泉判断』的重要理论依据。

氧化还原电位(ORP)值差

3.温泉的放射性

人类没有认识医疗氡水以前,称氡泉为“神泉”。一直到年发现放射性元素之后，人们才知道所谓“神泉”原来是高浓度的氡放射性在起作用。

氡是一种自然产生的放射性惰性气体，它无色、无味、无臭。自然界中的氡是由镭衰变产生，是人类所接触到的唯一气体放射性元素。氡的半衰期只有3.8天，氡形成后很快衰变并产生一系列放射性产物，最终成为稳定元素铅。它产生于铀衰变链中的镭，而铀是世界各地所有岩石和土壤中都能找到的一种元素，含量各不相同。氡的浓度随一年中的不同时间，每天及每小时都可有所不同。

鉴于这种起伏，估算温泉中氡的年平均浓度需要对氡的平均浓度至少进行三个月的可靠测定。短期测定氡仅提供有限的信息。氡的放射性活度以贝可（Bq）为单位。1贝可相当于每秒转换1个原子核。空气中存在的天然氡浓度按1立方公尺计算测定，室外平均氡含量约为5-15Bq/m3，室内平均约为39Bq/m3。

一般的地下水源（水泉、水井和钻孔井）流动时常会穿过含有氡的铀、镭矿石而溶入。温泉水中含有的放射性成分有镭（Ra：Ra）、氡（Rn：Rn）、土气（Tn：Rn）及阿气（An：Rn）等，但放射泉以氡为主流。氡是从铀的衰变链中的镭产生的：

铀的衰变链

氡对人类的健康影响表现为在高浓度氡的暴露下，会出现血细胞的变化如外周血液中红细胞增加，中性白细胞减少，淋巴细胞增多，血管扩张，血压下降，并可见到血凝增加和高血糖。氡对人体脂肪有很高的亲和力，特别是神经系统与氡结合产生痛觉缺失等。

在放射泉的利用方法上东西有别，东方人以入浴为主，而欧洲国家则着重在饮用。科技不发达的时代，要发现氡温泉不是一件容易的事，因为氡气看不见摸不着，全靠电子科学仪器的测量。氡温泉是三大医疗矿泉之一。

比较三大医疗矿泉：碳酸泉、氡泉、硫化氢泉结果，氡泉也属最难发现的一种，因为硫化氢水有臭味，可以嗅到臭鸡蛋味；碳酸泉有浓烈的气泡，寻找不难；惟有氡泉是放射性气体，无色无味，就算是专业人员站在氡泉旁边，单凭感官也不能判定是否氡泉。从水文地质专业角度来看，碳酸泉、硫化氢泉是在有先兆的情况下，利用化学药品现场采样或化验，就能发现上述两种矿水，而氡泉是在没有先兆的情况下，利用电子仪器一个一个泉水的实测来发现的。

三、涌出量

涌出量是指从温泉井或地表中，以人工或动力方式连续抽取的温泉量。温泉涌出量是指每分钟从源泉采取的温泉量。在多数的情况下，如果要维持溢流排放的温泉池能够拥有足够温度，那么最少需要60升/分（LPM）的涌出量。在涌出量是足够的情况下，溢流排放式温泉池就能顺利运作，店家的温泉设施也就相对简单，消费者对泉质的争议性也较小。另一方面，涌出量较少的条件下，在设置较大规模的温泉浴池时，有可能会依一定的比例对水稀释，或是作循环利用，此时较容易发生「原汤原汁」、「天然温泉」、「头汤」、「勾对」与「温泉回收」等争议和真假温泉的质疑。

同时，温泉涌出量的变化也可以作为监测地下水的补给情况的参考依据，避免温泉过度或不当开发，造成地面沉降和温泉混入地表水，引起地面局部沉降和地面塌陷。此外，也可以防上泉温降低和避免地下水污染，因为地下水混入时将对温泉中元素含量发生变化如界面活性剂、大肠杆菌等就是一种污染的发生。

结论

温泉也是自然疗法的一种，在科学的基础上建立已知的化学参数，可提升温泉疗养的可信度，例如在浸泡温泉时微量的化学物质会沉淀在皮肤上，改变皮肤酸碱度，加上泉质特性、渗透压和氧化还原电位的参数标示，可明显区隔具有药理学和医疗效果的普通浴池水源。

因此，在温泉水质检验报告中应详细列入下表参数，以符合的各地区部会相关医疗矿泉水水质标准。并且把温泉检验结果的分析报告贴在明显的地方以正视听。

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