王祥永，劉超，盧雨，尹成亮，孟錦，王磊，趙閃閃，張文靜

(山東鈺鏹地質(zhì)資源勘查開發(fā)有限責(zé)任公司，山東 泰安 271000)

大汶口盆地位于泰安市西南約25km，為一受斷裂構(gòu)造控制的、極緩傾的寬緩不對稱向斜褶皺，盆地平原區(qū)海拔+80～+115m，東北部較西南部盆地中心略高。盆地東北部的北臭泉村出露一天然含硫化氫泉，泉水呈淺翠綠色，因其具有強(qiáng)烈的臭雞蛋味被當(dāng)?shù)胤Q為臭泉，村莊也由此而得名。含硫化氫機(jī)(民)井分布于泉點(diǎn)北自灌莊、西北至肖家官莊以東、東南至紙坊以西、南部止于泉點(diǎn)一帶的區(qū)域內(nèi)①山東鈺鏹地質(zhì)資源勘查開發(fā)有限責(zé)任公司，山東省泰安市岱岳區(qū)上泉地區(qū)泉水資源調(diào)查報告，2018年。(圖1)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地層

新太古代泰山巖群變質(zhì)巖呈帶狀或透鏡狀殘留體產(chǎn)于后期侵入巖中，并與新太古代、古元古代巖漿巖出露于盆地北部和東部的布山凸起。古生代寒武-奧陶系巖性為灰?guī)r、白云巖及其過渡類巖石夾碎屑巖，呈帶狀環(huán)繞于盆地東部外側(cè)，與泰山巖群變質(zhì)巖和巖漿巖呈斷層接觸。

1—第四紀(jì)臨沂組；2—第四紀(jì)大站組；3—隱伏古近紀(jì)大汶口組二、三段；4—隱伏古近紀(jì)朱家溝組；5—隱伏奧陶紀(jì)馬家溝群；6—隱伏寒武系；7—泰山巖群及侵入巖；8—地質(zhì)界線；9—推測地質(zhì)界線；10—推測平行不整合界線；11—推測角度不整合界線；12—斷層及產(chǎn)狀；13—推測平移斷層；14—含硫化氫泉點(diǎn)；15—含硫化氫民井；16—含硫化氫機(jī)井；17—不含硫化氫民井圖1 大汶口盆地東北部地質(zhì)略圖

盆地主要被古近紀(jì)官莊群覆蓋，總厚度1500m。其中：朱家溝組灰褐色灰質(zhì)礫巖夾少量紫紅色砂巖分布于盆地東北部的迎駕莊、泉水灣一帶；大汶口組一段埋藏于盆地下部，巖性為棕紅色泥巖夾藍(lán)灰色薄層砂巖、偶見薄層纖維狀石膏；二段沉積于一段之上，巖性為深灰色泥巖夾數(shù)層石膏礦、巖鹽、自然硫、油頁巖等，為含礦段；三段蓋于二段之上，巖性上部以杏黃色、灰黑色泥巖夾頁巖為主，中部為深灰色含膏泥質(zhì)灰?guī)r，屬賦存含硫化氫水的含水層，下部為灰黑色泥巖夾薄片狀鈣質(zhì)頁巖。第四系以松散砂質(zhì)粘土堆積，廣泛覆蓋于下伏基巖之上。

1.2 構(gòu)造

與形成含硫化氫泉有關(guān)的構(gòu)造主要為寬緩的大汶口向斜褶皺和F3斷層。盆地內(nèi)NNE向、NW向兩組斷層將大汶口盆地東北部分割成大西牛、滿莊、上泉、北西遙、東向等大小不等的菱形塊段。F3斷層?xùn)|起東南部的東大吳，向北西至劉石墻被NE向的F6斷層錯斷，向北西延伸于北臭泉西部再次被F4斷層錯位，向北西至馬家店交于F11斷層，其總體走向305°，傾向SW，傾角80°，垂直斷距630m，其南西盤為下降盤。

2 泉域邊界條件

泉域即泉水的補(bǔ)給徑流域，含硫化氫泉點(diǎn)位于泉域的排泄區(qū)最低處。根據(jù)含硫化氫機(jī)(民)井分布、鉆探揭露和地下水流場形態(tài)特征資料，含硫化氫含水層為埋藏的古近紀(jì)官莊群大汶口組三段含膏泥質(zhì)灰?guī)r層，巖石裂隙、巖溶發(fā)育，呈密集蜂窩狀溶蝕，溶孔溶洞0.5～5cm，用嘴吹氣可由其他孔口出氣，表明溶洞連通性較好，賦水性較強(qiáng)。結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、地層沉積韻律特征圈定泉域面積約16.33km2(圖2)。

2.1 北部邊界

北部以含膏泥質(zhì)灰?guī)r與第四系松散堆積物接觸處露頭帶為界，自東向西展布于曹家寨以南、灌莊以北、肖家官莊一線。露頭帶地表可見風(fēng)化灰白色含膏泥質(zhì)灰?guī)r礫石，礫徑3～15cm，可見0.5～2cm不等的溶孔。

1—第四紀(jì)臨沂組；2—隱伏古近紀(jì)大汶口組二、三段；3—隱伏古近紀(jì)朱家溝組；4—隱伏奧陶紀(jì)馬家溝群；5—隱伏寒武系；6—泰山巖群及侵入巖；7—推測地質(zhì)界線；8—推測平行不整合界線；9—斷層及產(chǎn)狀；10—推測平移斷層；11—含硫化氫泉點(diǎn)及溢出標(biāo)高(m)；12—含硫化氫機(jī)(民)井；13—含硫化氫水等水位線及標(biāo)高(m)(2017年11月5日)；14—含硫化氫水流向；15—已關(guān)閉石膏礦；16—含硫化氫泉泉域邊界圖2 含硫化氫泉泉域邊界條件圖

2.2 東部邊界

泉點(diǎn)東南側(cè)QJ28為泉域最東側(cè)的含硫化氫民井，位于其東側(cè)的勘探線、F3斷層以北各鉆孔均在下部大汶口組一段棕紅色泥巖中鉆進(jìn)，未鉆遇上部三段含膏泥質(zhì)灰?guī)r含水層，F(xiàn)3斷層以南鉆孔在大汶口組三段上部泥巖中鉆進(jìn)，未鉆遇含膏泥質(zhì)灰?guī)r含水層。據(jù)此推斷含硫化氫含水層露頭帶展布于QJ28民井東側(cè)，向北露頭帶經(jīng)紙坊西北側(cè)、新莊東側(cè)一帶與北部邊界連接，同時表明F3斷層南盤下降。

2.3 南部邊界

F3斷層以北大部分鉆孔均鉆遇含膏泥質(zhì)灰?guī)r含水層，巖石裂隙巖溶發(fā)育，呈密集蜂窩狀溶蝕，個別鉆孔鉆遇溶洞發(fā)生落鉆現(xiàn)象，最大落鉆1.2m，表明鉆孔鉆遇較大溶洞。F3斷層南盤未見含硫化氫機(jī)(民)井分布，且南盤各鉆孔均在大汶口組三段含膏泥質(zhì)灰?guī)r含水層的上部灰黑色泥巖中鉆進(jìn)，表明F3斷層南盤下降。對比斷層兩盤巖性，北盤含膏泥質(zhì)灰?guī)r為含硫化氫的含水、透水地層，南盤相同標(biāo)高處則為泥巖、頁巖、粉砂巖等阻水地層，據(jù)此確定F3斷層為含硫化氫含水層的南部阻水邊界，即含硫化氫含水層被F3斷層所切，含硫化氫水沿F3斷層北盤迎水面上升涌出地表形成斷層上升泉。

2.4 西部邊界

含膏泥質(zhì)灰?guī)r含水層沉積韻律與大汶口組其他地層一致，與頂、底板地層為連續(xù)沉積，F(xiàn)3斷層北盤西部部分鉆孔未鉆遇該含水層，確定位于肖家官莊西側(cè)一帶的含膏泥質(zhì)灰?guī)r尖滅線為含硫化氫含水層的西邊界。

2.5 含水層頂、底板

ZK3水文孔揭露含硫化氫含水層頂、底板埋深分別為23.5m、51.5m，含水層厚度28.0m。頂板為灰黑色泥巖，底板為大汶口組二段深灰色泥巖、薄層狀鈣質(zhì)頁巖夾石膏層，頂、底板巖石均具有隔水性，含硫化氫水自泉點(diǎn)溢出，表明地下水具有承壓性。

3 含硫化氫泉水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

3.1 含硫化氫水補(bǔ)給來源

大汶口盆地內(nèi)地表被第四系廣泛覆蓋，按平均地層傾角7°計算含水層北部露頭帶出露寬度應(yīng)在220m左右，與野外調(diào)查的露頭帶地表分布礫石寬度基本一致。各勘探線鉆孔鉆遇含水層露頭帶上覆第四系厚度1.60～25.90m，至泉點(diǎn)一帶埋深逐漸增大至23.5m，含水層接受露頭帶上部第四系孔隙水的下滲補(bǔ)給，地下水在自北向南徑流運(yùn)動過程中逐漸具有承壓性。

3.2 徑流、排泄條件

天然狀態(tài)下含水層接受露頭帶第四系孔隙水下滲補(bǔ)給后，在西北部肖家官莊、北部灌莊一帶形成高水位區(qū)，地下水總體自西北、北部向排泄區(qū)泉點(diǎn)一帶徑流運(yùn)動，至F3斷層附近受其阻擋產(chǎn)生壅水現(xiàn)象使水位抬升，在水頭壓力作用下于低洼處穿過第四系松散堆積涌出地表成泉(圖3)。

1—砂質(zhì)粘土；2—泥巖；3—鈣質(zhì)頁巖；4—含膏泥質(zhì)灰?guī)r及溶洞；5—石膏礦；6—斷層及產(chǎn)狀；7—含硫化氫泉及溢出標(biāo)高(m)；8—地下水位線；9—地下水流向；10—鉆孔及孔深(m)；11—大汶口組三段；12—大汶口組二段圖3 含硫化氫泉水文地質(zhì)條件剖面示意圖

4 含硫化氫水同位素特征

區(qū)內(nèi)各類型水體氘(D)、氧(18O)穩(wěn)定同位素分析結(jié)果見表1，并將分析結(jié)果在δD-δ18O關(guān)系圖上投點(diǎn)(圖4)。

表1 含硫化氫水與其他類型水體同位素測試結(jié)果

1—雨水；2—含硫化氫水；3—第四系孔隙水；4—巖溶水；5—地表水圖4 各類型水體δD(氘)―δ18O(氧)關(guān)系圖

由表1、圖4看出，含硫化氫水機(jī)(民)井取樣點(diǎn)氫(2H)、氧(18O)穩(wěn)定同位素測試結(jié)果近于一致，點(diǎn)位集中，靠近中國東部地區(qū)降水線附近，且距第四系孔隙水點(diǎn)位相對較近，與地表水、巖溶水點(diǎn)位距離相對較遠(yuǎn)，表明該類型水主要來自大氣降水入滲補(bǔ)給和第四系孔隙水下滲補(bǔ)給，與地表水、巖溶水直接補(bǔ)給關(guān)系相對不強(qiáng)，這與含硫化氫水含水層埋藏條件相符。

同時，根據(jù)氚(T)放射性同位素分析數(shù)據(jù)，核爆試驗(yàn)前(1953年前)天然狀態(tài)下大氣降水氚濃度為10TU，根據(jù)法國J.ch.馮特經(jīng)驗(yàn)估算法，0～5TU為40年前的“古水”占優(yōu)，5～40TU為新近的入滲補(bǔ)給水與40年前“古水”的混合水。雨水、地表水、第四系孔隙水、巖溶水的氚值變化范圍在(6.6～7.6)±1.0TU之間，表明這些類型水為新近水或新近入滲水與40年前“古水”的混合水；含硫化氫水為2.6±0.9TU并偏向最小值5TU，說明其為40年前的“古水”占優(yōu)，新近入滲水的補(bǔ)給量較少，地下水在含水層中徑流運(yùn)動時間較長，氚經(jīng)歷了較長時間的衰變，進(jìn)一步表明與該類型水埋藏、補(bǔ)給、徑流條件相符。

5 含硫化氫水動態(tài)特征

3月初至6月底雨季到來前地下水位呈緩慢波狀下降狀態(tài)，雨季水位上升，雨季結(jié)束后水位又呈緩慢下降態(tài)勢，表明地下水接受大氣降水的入滲補(bǔ)給明顯。監(jiān)測資料顯示，2017年7月15日至8月5日雨季期間歷時22日降水16次，降水量272.3mm，地下水位上升0.81～2.04m，但水位開始上升時間滯后于降水時間約15日，達(dá)到峰值時間滯后于降水時間約25日，說明含硫化氫水主要為第四系孔隙水接受大氣降水入滲補(bǔ)給后，再經(jīng)含水層露頭帶下滲補(bǔ)給含水層，在經(jīng)過一定徑流路程后水位方開始上升，這與含水層的埋藏、補(bǔ)給、徑流條件吻合。

8月中旬雨季結(jié)束后水位緩慢下降，10月中旬又小幅回升，期間正值當(dāng)?shù)夭シN小麥農(nóng)灌；11月上旬水位繼續(xù)下降，12月上旬再次出現(xiàn)回升，此時為當(dāng)?shù)匦←湷雒绾笠啵?2月中下旬以后水位重現(xiàn)下降態(tài)勢。因此，含硫化氫水水位動態(tài)受大氣降水和農(nóng)灌的雙重影響(圖5)。

1—降水量；2—含硫化氫泉點(diǎn)；3—含硫化氫水機(jī)井圖5 含硫化氫水水位動態(tài)曲線圖

6 含硫化氫水成因

含水層含膏泥質(zhì)灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，巖石礦物成分主要為隱晶質(zhì)方解石，含石膏、自然硫、粘土、有機(jī)質(zhì)、炭質(zhì)碎屑、白云石等?；瘜W(xué)成分以CaO為主含量25%～40%，其次為SO3含量0.8%～34%、MgO含量0.3%～12%、S含量6%～76%、H2O含量≤10%。巖石中石膏呈塊狀、條帶狀、纖維狀集合體分布于方解石晶粒間，自然硫呈銅褐色晶質(zhì)粒狀集合體、棕黃色條紋狀分布在方解石中。地下水在徑流運(yùn)動過程中溶解了大量石膏組分形成SO4-Ca型水，在含水層頂、底板封閉的構(gòu)造還原環(huán)境和有機(jī)質(zhì)作用下發(fā)生脫硫酸作用，脫硫酸菌使硫酸根還原為硫化氫并溶于水中形成含硫化氫水，地下水在水頭壓力作用下穿過第四系松散堆積物溢出地表成泉。硫酸根離子是生成硫化氫的供體，脫硫酸作用發(fā)生在有利于脫硫酸菌促進(jìn)還原作用的封閉環(huán)境中，這與含水層的埋藏條件一致。這一作用過程使電子供體的有機(jī)質(zhì)C失去電子升高化合價，作為電子受體的S由S6+還原為S2-?；瘜W(xué)方程式為：

7 水土地球化學(xué)特征

7.1 含硫化氫水水化學(xué)成分及時空變化

表2 含硫化氫水水質(zhì)分析結(jié)果統(tǒng)計 mg/L

7.2 表層土壤地球化學(xué)特征

受地下水資源條件制約，因含硫化氫水含水層埋藏相對較淺，當(dāng)?shù)厝罕姸嗤诰⒋驒C(jī)井或用泉水作為灌溉水源，但一般僅能用于農(nóng)作物成苗灌溉，因水中硫化氫、氟離子較高水質(zhì)不適宜灌溉，一般灌溉幼苗后會發(fā)生枯死。經(jīng)測定當(dāng)?shù)亓蜇S度背景值為0.01×10-6，以0.03×10-6圈定土壤硫高值區(qū)，結(jié)果與機(jī)(民)井分布、灌溉范圍吻合，并且峰值區(qū)出現(xiàn)在泉點(diǎn)下游排入主河道位置，表明利用含硫化氫水灌溉后易使土壤中的硫含量升高和聚集(圖6)。

1—斷層及產(chǎn)狀；2—平移斷層；3—含硫化氫機(jī)(民)井；4—含硫化氫泉點(diǎn)；5—硫豐度高值區(qū)；6—硫豐度值圖6 含硫化氫泉點(diǎn)及其附近土壤地球化學(xué)特征圖

8 結(jié)語

含硫化氫泉水的形成是由其特定的地層巖性、斷裂構(gòu)造、埋藏條件等因素所控制，三者均為含硫化氫泉水的控制性因素，使其形成相對獨(dú)立的地下水系統(tǒng)。水中硫酸根離子在封閉的構(gòu)造還原環(huán)境和有機(jī)質(zhì)作用下發(fā)生脫硫酸作用還原為硫化氫并溶于水中形成含硫化氫水，在水頭壓力作用下于排泄區(qū)溢出地表成泉，形成具有獨(dú)特地質(zhì)意義的泉水，因此可以作為一處稀有的地質(zhì)教學(xué)點(diǎn)。