盧兆群,彭明章,董 妍,亓協(xié)全,朱光驥,孟祥鑫
(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源作為一種清潔的可再生能源,越來越受到人們的關(guān)注,成為最現(xiàn)實和最具競爭力的資源之一[1]。地?zé)崴卣骱脱莼瘷C制研究不僅對地?zé)豳Y源的合理利用與開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義,還可以為地?zé)豳Y源的勘查評價提供重要信息[2]。目前,平陰縣大孫莊和中土樓已發(fā)現(xiàn)3眼地?zé)峋?,出水溫?8.3~42.0 ℃,氡、鍶、氟、鋰、溴、偏硅酸、偏硼酸等微量元素含量達到了礦水濃度—命名礦水濃度,具有較高的理療價值。大孫莊和中土樓地?zé)崴饕x存于隱伏基底斷裂破碎帶及古風(fēng)化裂隙中,賦存層位均為新太古代泰山巖群,屬于基巖裂隙型地?zé)崴?。目前,濟南地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的地?zé)崴礋醿︻愋椭饕獎澐譃?種類型:新近系—古近系碎屑巖類孔隙地?zé)崴?、奧陶系碳酸鹽巖類巖溶地?zé)崴约盎鶐r裂隙型地?zé)崴甗3],孔隙地?zé)崴蛶r溶地?zé)崴捎诜植紡V泛,開發(fā)利用程度較高,對其研究也較多,而基巖裂隙地?zé)崴植剂阈?,開發(fā)利用程度較低,所以對其相關(guān)研究也比較少。近年來,一些學(xué)者對平陰縣大孫莊氡溫泉水的水化學(xué)成分與同位素特征、補給來源、熱儲溫度、氟來源及賦存機理等進行了研究[4-8],但對中土樓地?zé)崴形催M行過系統(tǒng)研究,二者之間的聯(lián)系和區(qū)別尚不明確,對該區(qū)基巖裂隙地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)特征及成因缺乏系統(tǒng)分析和認識。本文在以往地?zé)峥辈楣ぷ鞒晒幕A(chǔ)上,綜合利用已有水化學(xué)和同位素分析數(shù)據(jù),對比分析2處地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)特征,探討其深部地?zé)岬男纬蛇^程及成因,為該區(qū)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)及利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。
平陰縣位于山東省中西部,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,以丘陵和山前沖洪積平原為主。區(qū)內(nèi)地層以新太古界泰山巖群火山沉積變質(zhì)巖系為基底,上覆寒武系—奧陶系灰?guī)r、泥巖夾頁巖等沉積建造以及新生代第四系松散沉積物。區(qū)內(nèi)地層較穩(wěn)定,地質(zhì)構(gòu)造規(guī)模相對較小,發(fā)育程度也相對較弱。
依據(jù)研究區(qū)出露含水層的水理性質(zhì)及水力特征,將區(qū)內(nèi)地下水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。
研究區(qū)3眼地?zé)峋謩e位于2處區(qū)域:大孫莊村東南2眼,中土樓村西南1眼,均位于隱伏基底斷裂帶附近(圖1,圖2)。大孫莊村2眼地?zé)峋嗑嗉s95 m,位于同一隱伏基底斷裂帶(F1-1)上,井深660~1 305 m,井口出水溫度28.3~28.5 ℃;中土樓村1眼地?zé)峋挥诹硪浑[伏基底斷裂帶(F4-1)上,井深為1 800 m,井口出水溫度為42 ℃(表1)。2條隱伏基底斷裂帶均沿NW向發(fā)育,平行間距約4 km。
1.第四系松散沉積物;2.寒武系—奧陶系三山子組灰?guī)r;3.寒武系—奧陶系炒米店組灰?guī)r;4.實測及推測斷裂;5.物探推斷斷裂及編號;6.地?zé)峋幪柤吧疃?m;7.剖面位置及編號。圖1 研究區(qū)地?zé)峋恢梅植糉ig.1 Distribution of geothermal wells in the study area
1.第四系松散沉積物;2.寒武系—奧陶系灰?guī)r、泥巖夾頁巖;3.新太古界泰山巖群火山沉積變質(zhì)巖系;4.地層不整合界線;5.物探推斷斷裂及編號;6.地?zé)峋?。圖2 研究區(qū)A-A′地質(zhì)剖面Fig.2 Geological section A-A′ of the study area
表1 研究區(qū)地?zé)峋畔ab.1 Geothermal wells Information in the study area
研究區(qū)地?zé)崴饕x存在隱伏基底斷裂破碎帶及古風(fēng)化裂隙中,熱儲均為新太古界泰山巖群變質(zhì)巖,屬于基巖裂隙熱儲、帶狀熱儲,含水層巖性以混合花崗巖類為主。
研究區(qū)未見巖漿巖出露,根據(jù)井內(nèi)測溫數(shù)據(jù)推算地溫梯度值約2 ℃/100 m,無明顯的地溫梯度異常區(qū)。研究區(qū)位于魯中南丘陵山地亞區(qū),由于莫霍面埋深較大,大地?zé)崃髦递^低(48~50 mW/m2),是山東省熱流值最低的地區(qū)[9]。
本次研究利用以往采集的大孫莊氡泉井和中土樓地?zé)峋乃瘜W(xué)分析樣品各2個,水化學(xué)分析測試結(jié)果見表2。樣品在自然資源部濟南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心及中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心完成測試,儀器為IRISIntrepidⅡ全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀、TU-1810雙波長分光光度計、AFS-820原子熒光分光光度計、AFS-8520原子熒光分光光度計、ICE3500原子吸收分光光度計、XSeries2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、PHS-3E酸度計、UV752N紫外可見分光光度計及IRISIntrepidⅡXSP等離子體發(fā)射光譜儀。
表2 研究區(qū)地?zé)崴饕瘜W(xué)組成Tab.2 Main hydrochemical composition of geothermal water in the study area
同位素分析樣品主要為大孫莊村和中土樓村地?zé)崴畼悠?2個)以及地?zé)峋浇氐叵滤畼悠?3個),分析測試結(jié)果見表3。δD和δ18O同位素樣品在自然資源部地下水科學(xué)與工程重點實驗室及美國貝塔分析實驗室(Beta Analytic Inc)測定,14C樣品在自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心及美國貝塔分析實驗室測定,儀器為L2130i同位素分析儀、Quantulus1220超低本底液體閃爍譜儀、PE1220QUANTULUS超低本底液體閃爍譜儀、加速器質(zhì)譜儀(Accelerator Mass Spectrometry,AMS)及穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀(Isotope Ratio Mass Spectrometry,IRMS)。
表3 研究區(qū)各類型地下水同位素組成測試結(jié)果Tab.3 Test results of isotopic composition of various types of groundwater in the study area
(續(xù)表)
水化學(xué)分析結(jié)果表明,研究區(qū)地?zé)崴傮w表現(xiàn)為弱堿性,其中大孫莊氡泉井水pH平均值為7.48,中土樓地?zé)峋畃H平均值為7.59;大孫莊氡泉水溶解性總固體(TDS)平均值為6 466.13 mg/L,中土樓地?zé)崴芙庑钥偣腆w(TDS)平均值為6 203.00 mg/L。
圖3 研究區(qū)地?zé)崴甈iper圖解Fig.3 Piper diagram of geothermal water samples in the study area
研究區(qū)地?zé)崴毡楹^高的鍶(平均為12.81~13.82 mg/L)、氟(平均為2.78~2.80 mg/L)、鋰(平均為1.17~1.52 mg/L)及偏硅酸(平均含量為28.75~34.60 mg/L),達到了理療熱礦水水質(zhì)標準中的礦水濃度—命名礦水濃度,具有較高的理療價值。
總體來看,雖然2眼地?zé)峋謩e位于不同的隱伏基底斷裂帶上,且取水深度有明顯差別,地?zé)崴饕x子組分中除Mg2+含量差別較大外,其他組分含量基本一致;微量元素組分中除了氡和硼含量差異明顯外,其他組分含量也較接近。研究區(qū)熱儲均為泰山巖群變質(zhì)巖,巖性及主要礦物成分較接近。因此,推測地?zé)崴瘜W(xué)組分應(yīng)主要來源于水-巖溶解作用,2處地?zé)崴畱?yīng)具有相似的水文地球化學(xué)過程。
地下水的同位素組成取決于降水的同位素組成及其在地下的循環(huán)過程,未經(jīng)同位素交換的地下水,其同位素組成和補給水源一致,如與圍巖發(fā)生水-巖交換反應(yīng),地下水的同位素組成將發(fā)生變化[10]。熱水中的氫氧等穩(wěn)定同位素,對理解地?zé)崴某梢蚣捌湓谏畈康責(zé)醿χ谐霈F(xiàn)、影響其上升到地表的各種作用具有重要的影響[11]。
3.2.1 地?zé)崴a給來源
柳鑒容等[12]對我國受季風(fēng)影響最顯著的東部地區(qū)17個中國大氣降水同位素觀測網(wǎng)絡(luò)觀測站點大氣降水樣品的穩(wěn)定氫氧同位素組分進行研究,建立了局地大氣降水線方程:δD=7.46δ18O+0.90,反映了該區(qū)獨特的局地氣候特點。本次研究選用該大氣降水線方程。由圖5可知,研究區(qū)5個樣品數(shù)據(jù)點均分布于當?shù)亟邓€附近,說明研究區(qū)幾種類型地下水均具有當?shù)卮髿饨邓凰亟M成特征,其補給直接或間接來源于大氣降水。2個地?zé)崴畼悠返耐凰刂递^其他3個常溫地下水明顯偏低,說明該地?zé)崴皇莵碓从诋數(shù)卮髿饨邓木徒a給[13],而是經(jīng)歷了較長時間和途徑的徑流過程。地?zé)崴畼悠坊疚达@示其δ18O值有向右漂移的現(xiàn)象,說明地?zé)崴畈繜醿囟炔桓?,?巖作用不強烈,與火山、巖漿型熱源沒有直接關(guān)系[14]。
圖5 研究區(qū)各類型地下水樣δD與δ18O的關(guān)系Fig.5 Relationship between δD and δ18O of various types of groundwater samples in the study area
3.2.2 地?zé)崴纬赡挲g
根據(jù)14C同位素分析結(jié)果(表3),2個地?zé)崴畼悠繁碛^年齡為15.81~7.01 ka,相當于晚更新世,這與其周圍新太古代圍巖年齡相差較大,說明該水不是圍巖及構(gòu)造形成時殘留下來的沉積水,而是晚更新世經(jīng)大氣降水循環(huán)進入到古老地層中形成的滲入水,這與地?zé)崴a給來源于大氣降水相吻合。另外,大孫莊地?zé)崴哪挲g明顯更老,若2個地?zé)崴畼拥难a給位置大體一致,則表明中土樓地?zé)崴母卵h(huán)能力更強,徑流條件更好。地?zé)崴羞€混合少量現(xiàn)代的入滲水,但是以“古水”為主,其他3個常溫地下水樣品表觀年齡為3.86~1.99 ka,為現(xiàn)代入滲水與“古水”的混合水,且以現(xiàn)代入滲水為主,二者差異明顯,說明地?zé)崴c常溫地下水的循環(huán)路徑和更新能力具有明顯差別。
3.2.3 地?zé)崴a給高程
大陸地區(qū)大氣降水δD和δ18O值具有隨地形高程升高而降低的效應(yīng)[15-16],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邷刈饔孟聲霈F(xiàn)δ18O漂移現(xiàn)象,所以通常利用大氣降水同位素δD值的高程效應(yīng)計算補給區(qū)高程更準確[17]。研究區(qū)地?zé)崴a給區(qū)高程計算公式為:
H=h+(D-Dr)/gradD。
(1)
式中:H為地?zé)崴a給區(qū)高程,m;h為地?zé)崴蓸狱c高程,m,大孫莊區(qū)域為44 m,中土樓村區(qū)域為61 m;gradD為地?zé)崴腄值,‰;Dr為地?zé)崴狱c附近大氣降水δD值,‰,本文取研究區(qū)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)計算獲得大孫莊地?zé)崴a給區(qū)高程為277 m,中土樓地?zé)崴a給區(qū)高程為274 m,2處地?zé)崴难a給區(qū)高程十分接近,推斷研究區(qū)地?zé)崴哂邢嗤难a給區(qū)域。研究區(qū)東南方向肥城南部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,標高為200 ~370 m,該區(qū)距離地?zé)峋?0~50 km。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NW向隱伏基底斷裂和古風(fēng)化裂隙控制,地?zé)崴饕虮蔽鞣较驈搅?,研究區(qū)地?zé)峋次挥谠搮^(qū)北西方向,推斷研究區(qū)地?zé)崴a給來源于該區(qū)域的可能性較大。
利用Gibbs圖解可以判斷地下水化學(xué)組分的成因類型,如巖石風(fēng)化型、蒸發(fā)-結(jié)晶型以及大氣降水型[18]。由圖6可知,2個地?zé)崴畼狱c均落在蒸發(fā)-結(jié)晶作用控制區(qū),表明水-巖作用是控制研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)組分的主要因素,印證了前文水化學(xué)特征分析的推測結(jié)論。
圖6 研究區(qū)地?zé)崴c常溫地下水Gibbs圖解Fig.6 Gibbs diagram of geothermal water and normal temperature groundwater in the study area
(a) 氡泉井 (b) ZTDR1圖4 研究區(qū)地?zé)崴饕x子組分玫瑰花圖Fig.4 Rose diagram of main ion components of geothermal water in the study area
(a) Cl-與Na+含量關(guān)系 (b) (HCO-3+SO2-4)與(Ca2++Mg2+)含量關(guān)系圖7-1 研究區(qū)地?zé)崴饕睾筷P(guān)系Fig.7-1 Relationship between main elements content of geothermal water in the study area
綜合分析認為,研究區(qū)地?zé)崴腥苜|(zhì)組分的形成具有相似的水文地球化學(xué)過程,主要來源于硅酸鹽礦物的溶解。2處區(qū)域的地?zé)崴鶃碓从谕粎^(qū)域大氣降水的入滲補給,向深部徑流運移過程中,在地球深部高溫高壓及同離子效應(yīng)等共同作用下,熱儲圍巖礦物逐漸溶解進入到地?zé)崴?。地?zé)崴谙驕\部上升過程中,可能受諸如淺部冷水混入等其他水化學(xué)過程的影響,造成了2處區(qū)域地?zé)崴袀€別離子元素的差異。
熱儲溫度估算對確定地?zé)崴纬赡J骄哂兄匾饬x[22]。地?zé)釡貥朔ㄊ且环N確定地下深部熱儲溫度的經(jīng)濟有效手段[23]。目前,常用的地?zé)釡貥擞卸趸铚貥撕完栯x子溫標。
4.1.1 水-巖礦物平衡判斷
使用地?zé)釡貥朔ㄓ嬎銦醿囟鹊那疤崾牵鳛榈責(zé)釡貥说哪撤N物質(zhì)和熱儲中的礦物達到了平衡狀態(tài),因此,必須研究地?zé)崴偷V物的平衡狀態(tài)以檢驗地?zé)釡貥朔椒ǖ目煽啃訹24]。
Na-K-Mg平衡圖解常被用于研究地?zé)嵯到y(tǒng)水-巖作用程度,評價水-巖平衡狀態(tài)和區(qū)分不同類型的水樣[25]。研究區(qū)地?zé)崴畼悠肪挥诓糠制胶鈪^(qū)(圖8),屬于“部分平衡水”,說明地?zé)崴畼悠匪?巖之間尚未達到離子平衡狀態(tài),溶解作用仍在進行,或是熱水由深部向地表上升過程中受到了淺層冷水的混合稀釋作用,從而使熱水中的元素含量變低。這時使用陽離子地?zé)釡貥藷o法計算出合理的平衡溫度值,會出現(xiàn)一定程度的偏差。因此,研究區(qū)地?zé)崴畼悠凡贿m合用陽離子地?zé)釡貥藖碛嬎銦醿囟取?/p>
圖8 研究區(qū)地?zé)崴甆a-K-Mg平衡圖解Fig.8 Na-K-Mg equilibrium diagram of geothermal water in the study area
4.1.2 熱儲溫度計算
低溫地?zé)崴?巖平衡的SiO2含量不僅受控于石英,且受控于玉髓的溶解度,溫度<110 ℃時,玉髓溶解度控制著溶液中的硅濃度[26]。研究區(qū)熱儲層巖性以混合花崗巖類為主,主要礦物成分為石英、長石及云母等,在熱液蝕變作用下,這些礦物可發(fā)生玉髓化、蛋白石化和似碧玉化[21]。因此,本次計算利用PHREEQC軟件對研究區(qū)地?zé)崴畼悠分械挠彩?、玉髓、溫石棉、石膏、石英和滑石等常見礦物飽和指數(shù)(SI)進行了計算(表4)。
表4 研究區(qū)地?zé)崴畼拥V物飽和指數(shù)Tab.4 Mineral saturation index of geothermal water in the study area
由表4可知,玉髓、石英和滑石均處于過飽和狀態(tài)(SI>0),可以使用二氧化硅地?zé)釡貥擞嬎愎?,但估算結(jié)果可能較實際溫度偏高。石英溫標及玉髓溫標溫度相關(guān)性公式如下:
石英地?zé)釡貥?無蒸汽損失)計算公式為
,
(2)
玉髓地?zé)釡貥擞嬎愎絒27]為
(3)
式(2)和式(3)中:ρ(SiO2)為SiO2密度,mg/L;T為地?zé)釡貥耍妗?/p>
利用二氧化硅地?zé)釡貥擞嬎愕母鞯責(zé)峋疅醿囟纫姳?。
表5 利用二氧化硅地?zé)釡貥擞嬎愕牡責(zé)峋疅醿囟萒ab.5 Calculation results of silica geothermometer
利用玉髓溫標計算的研究區(qū)熱儲溫度為46.2~54.4 ℃,石英溫標計算的研究區(qū)熱儲溫度為77.7~85.4 ℃,可知,采用石英溫標計算的溫度明顯高于玉髓溫標計算的溫度,這是因為石英的飽和指數(shù)較玉髓的大很多。玉髓的飽和指數(shù)更接近于0,因此,利用玉髓溫標計算研究區(qū)地?zé)峋臒醿囟容^為合理,據(jù)此確定的研究區(qū)熱儲溫度為46.2~54.4 ℃。
4.1.3 硅-焓模型
利用硅-焓模型可確定各地?zé)崴畼狱c的冷水混入份額和可能的熱儲溫度[28]。分析表明,研究區(qū)地?zé)崴谏仙^程中受到了冷水的混合,因此,通過建立硅-焓模型確定各地?zé)崴c冷水混入的比例及可能的熱儲溫度。飽和水溶解SiO2的量與熱水成分補給源含水層溫度的關(guān)系可通過溶液蒸氣壓條件下的石英溶解度計算[16],選出的數(shù)值見表6。當溫度<100 ℃時,飽和水的焓與溫度數(shù)值相等。取研究區(qū)冷水平均水溫15.8 ℃(研究區(qū)常溫地下水平均值),冷水中SiO2的平均含量為22.49 mg/L(研究區(qū)常溫地下水平均含量)。
表6 選定溫度下的石英溶解度及液態(tài)水的焓Tab.6 Quartz solubility and the enthalpy of liquid water in selected temperature
根據(jù)硅-焓模型公式分布做出研究區(qū)各地?zé)崴畼拥撵省iO2含量與溫度的函數(shù)關(guān)系,其交點即為冷水混入的比例,對應(yīng)的溫度為熱儲溫度。由圖9可知,大孫莊地?zé)崴睦渌烊氡壤s為0.88,熱儲溫度約為121 ℃;中土樓地?zé)崴睦渌烊氡壤s為0.76,熱儲溫度約為122 ℃。
圖9 大孫莊(左)與中土樓(右)冷水混入比例計算圖解Fig.9 Diagrams of cold water mixing proportions in Dasunzhuang(left)and Zhongtulou(right)
通過硅-焓模型計算的熱儲溫度與地?zé)釡貥朔椒ㄓ嬎愕臒醿囟认嗖钶^大,主要原因應(yīng)是深部地?zé)崴谏仙^程中受到了冷水的混入,在混合前可能發(fā)生了蒸汽損失或熱損失[29],混合后在中部熱儲層重新達到了相對平衡。通過地?zé)釡貥擞嬎愕氖侵胁繜醿囟龋?焓模型則消除了冷水混入的影響,計算的是一種理想狀態(tài)下的深部熱儲溫度。
分析表明,研究區(qū)地?zé)崴怯纱髿饨邓霛B經(jīng)過深循環(huán)獲得深部熱流加熱之后形成的,因此,通過熱儲溫度可以估算地?zé)崴h(huán)深度,計算公式為
(4)
式中:H為循環(huán)深度,m;T為熱儲溫度,℃,取前文計算數(shù)值;T0為研究區(qū)平均氣溫,取14.2 ℃;g為地溫梯度,根據(jù)各地?zé)峋畠?nèi)測溫數(shù)據(jù)計算獲得,取2.11~2.29 ℃/100 m;h為常溫帶深度,取30 m。
計算表明,研究區(qū)地?zé)崴_到中部熱儲溫度的循環(huán)深度為1 428~1 933 m,達到深部熱儲溫度的循環(huán)深度為4 693~5 139 m。大孫莊地?zé)峋畲笊疃葹? 305 m,中土樓地?zé)峋畲笊疃葹? 800 m,與地?zé)崴_到中部熱儲溫度的循環(huán)深度較接近,說明熱儲溫度及熱水循環(huán)深度估算結(jié)果較為合理。因此,研究區(qū)2眼地?zé)峋m然位于不同的隱伏基底斷裂帶附近,但地?zé)崴h(huán)深度相差不大,表明研究區(qū)地?zé)崴哂邢嗤难a給來源和相似的形成條件。
(1)研究區(qū)地?zé)崴疄榛鶐r裂隙地?zé)崴?,地?zé)崴謩e賦存于F1-1和F4-1隱伏基底斷裂帶中,熱儲巖性以混合花崗巖類為主。
(2)研究區(qū)地?zé)崴畃H值為7.48~7.59,溶解性總固體(TDS)為6 203.00~6 466.13 mg/L,水化學(xué)類型均為Cl·SO4-Na·Ca型;補給來源均為大氣降水,14C表觀年齡為15.81~7.01 ka,是晚更新世形成的以“古水”為主的混合水;地?zé)崴a給高程為274~277 m,推測來源于同一區(qū)域。
(3)水-巖作用是控制研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)組分的主要因素,溶質(zhì)組分主要來源于硅酸鹽巖的溶解;地?zé)崴m然賦存于不同的隱伏基底斷裂中,卻具有相似的水文地球化學(xué)過程。
(4)研究區(qū)地?zé)崴?巖反應(yīng)尚未達到離子平衡狀態(tài)。利用玉髓溫標計算的熱儲溫度為46.2~54.4 ℃,硅-焓模型估算的熱儲溫度為121~122 ℃;地?zé)崴h(huán)深度為1 428~5 139 m。地?zé)崴谏仙^程中均混入了冷水,根據(jù)硅-焓模型估算的冷水混入比例為0.76~0.88。