盧兆群

(中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟南 250013)

地?zé)豳Y源是一種集“熱、礦、水”為一體的綠色資源，除用于發(fā)電、取暖外，地?zé)岬V泉獨特的保健理療價值越來越受人們青睞[1-2]。實現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用是當(dāng)今中國也是世界地?zé)岙a(chǎn)業(yè)所面臨的最為關(guān)鍵的問題，查明地?zé)豳Y源的成因機制是實現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵[3]。近年來，國內(nèi)外對于地?zé)豳Y源的勘查和開發(fā)利用投入逐年加大，對于地?zé)豳Y源的形成研究正成為一個新的熱點。20世紀(jì)70年代，地礦部門在平陰縣大孫莊地區(qū)進行鐵礦普查時意外發(fā)現(xiàn)了氡溫泉，氡溫泉水中因含有多種較高濃度且對人體有益的微量元素組分，具有特殊的醫(yī)療價值，是一種特色地?zé)釡厝猍4]。2018年，在大孫莊氡溫泉東南約6.3 km的中土樓地區(qū)新發(fā)現(xiàn)了一處地?zé)岬V水資源，其水化學(xué)特征與大孫莊氡溫泉水具有一定的相似特征，但也存在一些明顯的區(qū)別。前人對于大孫莊氡溫泉水的成因機制已進行過相關(guān)的研究[5-9]，但對于此處新發(fā)現(xiàn)的地?zé)岬V水資源的成因尚缺乏研究。本文將通過地質(zhì)構(gòu)造特征、水化學(xué)特征、同位素組成特征等方面對中土樓地區(qū)地?zé)岬V水的成因進行分析，為該地區(qū)相同類型地?zé)豳Y源的勘查和開發(fā)工作提供參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 自然地理概況

平陰縣位于山東省的中西部，地處泰山山脈西延余脈與魯西平原的過渡地帶，地勢南高北低，地貌類型以丘陵和山前沖洪積平原為主。該地區(qū)屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫14.2 ℃，多年平均降水量602 mm，主要集中在汛期。

1.2 地層和構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地層以新太古代泰山巖群變質(zhì)巖系為基底，上覆古生代的寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r、白云巖夾泥巖、頁巖以及新生代第四系松散沉積物。地層呈單斜構(gòu)造，寒武—奧陶紀(jì)地層走向北東，傾向北西，傾角一般5 °～8 °。區(qū)內(nèi)地層較穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造規(guī)模及發(fā)育程度也相對較弱。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及物探解譯成果，區(qū)內(nèi)發(fā)育有數(shù)條北西-北北西向斷裂構(gòu)造(圖1)，均為高角度正斷層，傾向北東，傾角一般75 °～85 °，斷裂均切入泰山巖群基底。區(qū)內(nèi)北西和北北西向斷裂大多以張性或張扭性為主[10]。

圖1 研究區(qū)地?zé)釡厝恢梅植紙D

1.3 水文地質(zhì)概況

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)特點，依據(jù)區(qū)內(nèi)出露含水層的水理性質(zhì)及水力特征，區(qū)內(nèi)地下水主要分為：第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水。其中，碳酸鹽巖類裂隙巖溶水為區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水主要開采對象，含水巖組主要由寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)碳酸鹽巖組成，富水性較強-強，水質(zhì)較好，礦化度小于1 g/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型為主；區(qū)內(nèi)泰山巖群變質(zhì)巖無地表出露，據(jù)區(qū)內(nèi)已有的深部鉆孔資料，巖性以混合花崗巖類為主，大孫莊及中土樓地區(qū)的地?zé)釡厝V水均屬于該類型地下水，其主要賦存于深部斷裂構(gòu)造破碎帶及古風(fēng)化裂隙中，富水性不均勻，pH值7.5左右，礦化度6 g/L左右，水化學(xué)類型均為Cl·SO4-Na·Ca型。

2 地?zé)岬刭|(zhì)概況

2.1 地?zé)峋艣r

中土樓地?zé)峋挥谄疥幙h城西部的中土樓村西南，為中土樓村根據(jù)以往物探成果資料自行組織施工，成井于2018年9月，井深1 800 m，井口直徑273 mm，據(jù)抽水試驗資料，涌水量為465.6 m3/d(降深250.73 m)，出水水溫42 ℃。

2.2 地?zé)崴x存條件

中土樓地?zé)峋┕r缺乏詳細(xì)的鉆孔編錄資料，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)結(jié)合綜合測井資料，該井上部蓋層厚度約600 m，為第四系松散層及寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r、白云巖夾泥巖、頁巖地層；600～1 800 m為新太古代泰山巖群變質(zhì)巖，巖性以混合花崗巖類為主，為熱儲層。

該井位于斷裂F4-1附近，據(jù)物探解譯資料，該斷裂走向北西，傾向北東，傾角約85 °，為高角度正斷層，斷裂發(fā)育深度超過1 500 m，斷裂破碎影響帶寬度約100 m。該井取水層段為1 200～1 800 m，根據(jù)測井解釋資料，該井在800～1 800 m深度內(nèi)發(fā)育有多段地層破碎含水段，應(yīng)為斷裂F4-1破碎影響帶，因此地?zé)崴饕x存于深部基底斷裂構(gòu)造破碎帶及古風(fēng)化裂隙中。

2.3 熱儲類型

中土樓地區(qū)地?zé)岬V水水溫42 ℃，其賦存主要受北西向深部基底斷裂構(gòu)造控制，含水層巖性以混合花崗巖類為主，屬于中低溫帶狀基巖裂隙型地?zé)豳Y源。

3 地?zé)岬V水成因探討

3.1 補給來源

氫、氧穩(wěn)定同位素已廣泛應(yīng)用于識別地下熱水的補給來源和循環(huán)途徑[11]。Craig通過研究北美大陸大氣降水，首先提出了大氣降水δD和δ18O 值之間有明顯的線性關(guān)系：δD=8δ18O+10，這個方程稱為全球大氣降水線[12]。在不同地區(qū)大氣降水線略有差異，本文選取柳鑒榮等建立的中國東部季風(fēng)區(qū)局地大氣降水線方程δD=7.46δ18O+0.90[13]，將中土樓地?zé)岬V水及附近常溫地下水氫氧同位素組成繪制在大氣降水線圖中，可以看出各類型地下水樣品氫氧同位素組成較接近，樣品點均位于當(dāng)?shù)亟邓€附近(表1、圖2)，未發(fā)生明顯的氧漂移現(xiàn)象，說明各樣品補給來源均為大氣降水；但地?zé)岬V水樣品的氫氧同位素值明顯低于2個常溫地下水樣品，說明該地?zé)岬V水不是來源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓木徒a給[14]，應(yīng)是經(jīng)歷了較長時間和途徑的徑流過程，并且地?zé)岬V水深部熱儲溫度不高，屬于中低溫地下熱水。

表1 研究區(qū)各類型地下水氫氧同位素組成

圖2 研究區(qū)各類型地下水樣δD與δ18O關(guān)系

3.2 補給高程

大氣降水的δD和δ18O值具有隨地形高程升高而降低的高程效應(yīng)[15]，據(jù)此可以確定地?zé)崃黧w的同位素入滲高程(即補給區(qū)高程)，進而判別地?zé)崴难a給位置。由于地?zé)崴谏畈繜醿Ω邷氐淖饔孟陆?jīng)常會出現(xiàn)δ18O漂移現(xiàn)象，所以通常利用大氣降水同位素的δD值高程效應(yīng)計算補給區(qū)高程更準(zhǔn)確[16]。故中土樓地?zé)岬V水補給區(qū)高程可利用下列公式進行計算：

H=h+(D-Dr)/gradD

(1)

式中：H為地?zé)岬V水補給區(qū)高程/m；h為地?zé)岬V水采樣點高程/m，為61 m；D為地?zé)岬V水的δD值/‰；Dr為地?zé)岬V水取樣點附近大氣降水δD值/‰，本文取區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水δD值(-67 ‰)代替；gradD為大氣降水δD值高程梯度/(‰/100 m)，本文取-3‰/100 m。

根據(jù)公式(1)計算得到中土樓地?zé)岬V水補給區(qū)高程為+274 m。根據(jù)地?zé)岬刭|(zhì)條件，研究區(qū)地?zé)崴馁x存和運移主要受北西向隱伏基底斷裂構(gòu)造和古風(fēng)化裂隙控制，地?zé)崴饕虮蔽鞣较驈搅鳎挥谘芯繀^(qū)東南方向的肥城云蒙山一帶，寒武系灰?guī)r與泰山巖群變質(zhì)巖均大面積出露，標(biāo)高在+200 ～+370 m左右，該區(qū)域距離中土樓地?zé)峋s40 km，推斷研究區(qū)地?zé)崴a給來源于該區(qū)域的可能性較大。

3.3 蓋層

通過前文分析可知，區(qū)域內(nèi)地層分布較穩(wěn)定，上部古生代寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r、白云巖夾泥巖、頁巖地層及新生代第四系松散沉積物，密度相對較小，導(dǎo)熱性能較差，厚度約600 m，是天然的良好熱儲保溫層。

3.4 熱源

根據(jù)中土樓地?zé)峋疁販y量資料(圖3)，推算其地溫梯度為2.01 ℃/100 m，屬于正常地溫梯度范圍，無異常；另外，根據(jù)周邊部分淺井測溫資料，推算淺部地溫梯度(100 m以淺)在1.57～2.99 ℃/100 m之間，也無明顯異常；可見，該區(qū)域無明顯的地溫異常。另外，中土樓地?zé)峋鏊疁囟扰c井內(nèi)測量溫度較接近，因此，中土樓地?zé)岬V水應(yīng)是地下水在深部徑流循環(huán)過程中經(jīng)地溫緩慢加熱形成的，熱源應(yīng)主要來源于大地?zé)崃骷皣鷰r中放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱量。

圖3 中土樓地?zé)峋疁y溫曲線

3.5 儲水空間

中土樓地?zé)岬V水的儲水空間為斷裂F4-1，據(jù)物探解譯資料，斷裂F4-1走向北西(約320 °)，傾向北東，傾角約85°，為高角度正斷層，斷裂發(fā)育深度超過1 500 m，斷裂破碎影響帶寬度約100 m。根據(jù)資料分析，該斷裂發(fā)育規(guī)模較大，應(yīng)為區(qū)域性斷裂構(gòu)造，為地?zé)岬V水的主要導(dǎo)水通道及儲水空間。

3.6 礦物元素來源

本次研究采集了中土樓地?zé)岬V水樣品1件，并利用以往工作中取得的周邊巖溶水、孔隙潛水水質(zhì)分析結(jié)果2份，主要化學(xué)成分含量見表2。結(jié)果表明，地?zé)岬V水與常溫地下水的主要化學(xué)成分組成存在明顯的區(qū)別，地?zé)岬V水pH值7.37，總硬度1 610.65 mg/L，TDS含量6 656.00 mg/L，水化學(xué)類型為Cl·SO4-Na·Ca型(舒卡列夫分類)；常溫地下水pH值7.49～7.52，總硬度345.69～459.16 mg/L，TDS含量441.25～601.80 mg/L，水化學(xué)類型均為HCO3-Ca·Mg型(舒卡列夫分類)；地?zé)岬V水中微量元素組分含量明顯高于常溫地下水，鍶、氟、鋰、偏硅酸及偏硼酸等微量元素組分含量達到了理療熱礦水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的礦水濃度-命名礦水濃度。上述水化學(xué)組分的明顯差異充分表明中土樓地?zé)岬V水與上部冷水之間有良好的隔水層。地?zé)岬V水氯溴系數(shù)(Cl-/Br-)為870，大于300，表現(xiàn)為含鹽地層溶濾水的特征[17]，說明其運移時間較長，與圍巖之間的水-巖作用較充分。根據(jù)資料，泰山巖群變質(zhì)巖地層中部分化學(xué)成分及微量元素含量明顯高于酸性火成巖的平均含量[18]，這為地?zé)岬V水中富含的各種微量元素提供了必要的物質(zhì)來源。地?zé)岬V水在長時間的地下徑流過程中，通過水-巖作用更多的溶解了圍巖中的各種礦物元素，從而形成了富含多種微量元素的特色地?zé)岬V水。

表2 研究區(qū)各類型地下水主要化學(xué)成分組成

3.7 形成模式

綜合區(qū)域地形地貌特征、地質(zhì)條件、構(gòu)造特征及地溫場特征，結(jié)合區(qū)內(nèi)大孫莊氡溫泉水形成條件，推測中土樓地?zé)岬V水的形成模式為：在研究區(qū)東南方向約40 km處的肥城云蒙山一帶寒武紀(jì)灰?guī)r與泰山巖群變質(zhì)巖大面積出露區(qū)域，大氣降水為補給來源，沿風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙入滲，逐漸向深部運移，一些發(fā)育規(guī)模較大的深部基底斷裂構(gòu)造破碎帶構(gòu)成了主要的蓄水、導(dǎo)水通道，在徑流過程中通過大地?zé)崃骷皣鷰r中放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱源緩慢加熱，經(jīng)水-巖作用溶濾圍巖中的各種礦物元素，形成了富含多種微量元素的地?zé)岬V水，上部約600 m厚的寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖夾碎屑巖及第四系松散層構(gòu)成了良好的保溫、隔水蓋層，在位于地勢低緩的徑流排泄區(qū)域，通過人工鉆探揭穿蓋層后，而形成地?zé)岬V水井。

4 結(jié)語

平陰縣中土樓地?zé)岬V水是一種富含多種微量元素的特色地?zé)豳Y源，主要賦存于北西向深部基底斷裂構(gòu)造破碎帶及古風(fēng)化裂隙中，屬于中低溫帶狀基巖裂隙型地?zé)豳Y源。區(qū)內(nèi)基本具備地?zé)嵝纬傻摹霸础⑼?、儲、蓋”四方面條件：大氣降水為補給來源，大地?zé)崃骷胺派湫栽赝懽儺a(chǎn)生的熱量為熱源；發(fā)育規(guī)模較大的深部基底斷裂構(gòu)造破碎帶及古風(fēng)化裂隙既是地?zé)岬V水的主要導(dǎo)水通道，也是其儲水空間，厚度巨大的碳酸鹽巖夾碎屑巖類地層構(gòu)成了良好的保溫、隔水蓋層。地?zé)岬V水中富含的多種微量元素主要來自于泰山巖群變質(zhì)巖中礦物元素的水-巖溶解作用。