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        山西陽高縣地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征及成因分析

        2023-04-29 00:00:00段江飛
        人民黃河 2023年4期

        摘 要:為了探明陽高縣地?zé)豳Y源,以陽高縣北部山前地帶為研究區(qū),通過對比和分析不同區(qū)域地下水組分和化學(xué)特征,探討了地?zé)崴膩碓春统梢?。陽高縣地?zé)崴饕植荚诠律健缴酱逡粠?,水溫28~10?℃;水化學(xué)類型以HCO3·Cl·SO4 -Na、HCO3·Cl-Na 型水為主,為含鋰的硅水、氟水,具有良好的醫(yī)療保健價值。分析認(rèn)為,陽高縣地?zé)崴畞碓从谏顚訜醿蜏\層熱儲,在云門山斷裂帶控制下,深層熱儲流體沿斷裂帶上涌形成了溫度較高的地?zé)崴?;地?zé)崴蚰涎a給新近系、第四系含水層,與地下冷水混合,在孤山—平山村一帶形成了低溫淺層地?zé)崴?/p>

        關(guān)鍵詞:地?zé)崴?;水文地球化學(xué)特征;熱儲;成因分析;陽天盆地

        中圖分類號:P314.1;TV211.1+ 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2023.04.017

        引用格式:段江飛. 山西陽高縣地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征及成因分析[J].人民黃河,2023,45(4):96-101.

        地?zé)崴且环N綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生資源,對人體具有醫(yī)療保健作用[1-2] ,開發(fā)地?zé)豳Y源對我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義[3] 。陽高縣北部山前地區(qū)地?zé)豳Y源豐富,位于陽高—天鎮(zhèn)裂陷地?zé)崽锏奈鞅辈浚郏矗叮?。陽高縣已開發(fā)地?zé)豳Y源位于平山村和孤山村一帶,水溫28 ~ 45℃,為新近系、第四系水熱型低溫地?zé)豳Y源,用途以洗浴為主。平山村北部部分勘探鉆孔已遇到高于90 ℃的中溫地?zé)豳Y源,地?zé)崃黧w最高溫度達(dá)104 ℃,其地?zé)崴畬儆诰哂嗅t(yī)療價值的優(yōu)質(zhì)熱礦水[2,7-8] ,與周邊地下水物理化學(xué)性質(zhì)不同。本文從水文地球化學(xué)角度分析和研究陽高縣地?zé)崴奶卣骱统梢颍云跒榭碧?、開發(fā)陽高縣地?zé)豳Y源提供技術(shù)參考。

        1 研究區(qū)地質(zhì)概況

        研究區(qū)位于陽高縣北部,云門山以南,屬于山前沖洪積地帶,北高南低,坡度7°~12°,面積80 km2。研究區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上屬于華北板塊北緣活動帶的天鎮(zhèn)—陽高塊凸,所在陽天盆地為新生代裂陷盆地。盆地北緣云門山前發(fā)育一條NEE 向云門山斷裂帶F1[5-7] 。中生代以來,陽天盆地在形成過程中經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運動,并伴有較大規(guī)模的巖漿侵入和基巖變質(zhì)作用,至今盆地仍處于沉降期。歷史上陽天盆地周邊地震頻發(fā),但震級較低,以淺源地震為主,集中于云門山斷裂帶附近,地震活動頻發(fā)表明該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造至今仍處于活躍期[9] 。研究區(qū)出露地層分為南北兩部分,盆地北側(cè)云門山為新太古界變質(zhì)巖體,以片麻巖、石英巖為主;云門山南部陽天盆地表面為第四系全新統(tǒng)沖洪積物,厚度0~300 m,盆地中心變厚,見圖1。

        研究區(qū)西南35 km 處是第四紀(jì)形成的大同火山群,大同火山群是上地幔熔融物質(zhì)上涌的結(jié)果,未噴發(fā)的巖漿沿構(gòu)造裂隙向東北部運移匯集,在陽高縣北部形成了地?zé)崴疅嵩矗郏梗保埃?。研究區(qū)地?zé)豳Y源熱儲分為淺層和深層兩類。淺層熱儲為第四系下部和新近系砂、礫、卵石層,地?zé)崴源髿饨邓霛B和山前側(cè)向徑流為主要補給來源,人工開采為主要排泄方式;該熱儲埋深150~300 m,單井出水量30~60 m3 / h,水溫35~104 ℃,屬于中低溫地?zé)豳Y源;蓋層為上部2 ~ 3 層黏性土組合。深層熱儲為山前深大斷裂帶(F1)的深部含水巖組,呈帶狀、管道狀,被斷層控制,地下水屬于承壓水,補給來源為遠(yuǎn)處山體大氣降水入滲,地下水被深部地層加熱后沿斷裂帶上涌排泄;埋深>1 000 m,預(yù)計出水量100~300 m3 / h,地?zé)崃黧w溫度>100 ℃,屬于高溫地?zé)豳Y源。研究區(qū)北部云門山斷裂延伸下切,自上而下呈Y 形向盆地方向傾斜,形成了有利的導(dǎo)熱、導(dǎo)水通道,研究區(qū)典型地質(zhì)剖面見圖2。

        2 水樣測試與分析

        2021 年11 月,在研究區(qū)采集地下水水樣19 個(采樣點分布見圖3),其中:熱水9 個,均取自井水;冷水10 個,8 個為井水,2 個為泉水。采集地下水水樣井深96~195 m,埋深20~110 m。水井水樣采集方式均為潛水泵抽水,聚乙烯瓶封裝。水樣采集后立即送往中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局測試中心檢測,檢測項目為水質(zhì)簡分析及鋰、偏硅酸、氟等化學(xué)指標(biāo)分析,見表1、表2。

        3 地下水水文地球化學(xué)特征

        3.1 水質(zhì)類型分析

        大氣降水滲入淺部地層中的地下冷水可直接溶解地層中易溶解的組分,加上循環(huán)更替較快等,往往陰離子以HCO-3 為主,陽離子以Ca2+、Mg2+為主;地?zé)崴ǔQa給源較遠(yuǎn),由于溫度較高,因此可以溶解更多的礦物組分,加上循環(huán)更替相對較慢等,地?zé)崴庪x子以SO2-4 、Cl- 為主,陽離子以Na+ 為主,此外還有氟、偏硅酸、鍶、鋰等特殊組分[11-12] 。研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型以HCO3·Cl·SO4 -Na、HCO3·Cl-Na 為主,地下冷水水化學(xué)類型以HCO3 -Ca·Mg 為主(見表1、表2)。地下冷水中陰離子HCO-3 和陽離子Ca2 +、Mg2+質(zhì)量濃度高于地?zé)崴?,地?zé)崴嘘庪x子Cl-、SO2-4 和陽離子Na+質(zhì)量濃度明顯高于地下冷水的,此外,地?zé)崴腥芙庑钥偣腆w、偏硅酸、氟、鋰質(zhì)量濃度也高于地下冷水中的。研究區(qū)地?zé)崴疄椋ê嚨模┕杷?、氟水,具備良好的醫(yī)療保健價值。從水質(zhì)類型、化學(xué)組分構(gòu)成和醫(yī)療價值上看,研究區(qū)地?zé)崴偷叵吕渌黠@不同。Piper 三線圖主要用于地下水化學(xué)成分的歸類和分析[13] ,研究區(qū)9 個地?zé)崴停保?個地下冷水(主要離子的毫克當(dāng)量百分比)Piper 三線圖見圖4。圖中顯示地?zé)崴屠渌c存在明顯分區(qū),地?zé)崴蟹植荚诹庑斡蚁虏?,以Na+、K+、Cl-、SO2-?離子占優(yōu);冷水集中分布在菱形左部,以HCO-3 、Ca2+、Mg2+離子占優(yōu)。Piper 三線圖也顯示了研究區(qū)地?zé)崴c冷水的水質(zhì)分化。

        3.2 地球化學(xué)地?zé)釡貥?biāo)分析

        通常情況下,深層熱儲的地下水和圍巖發(fā)生水巖反應(yīng)而達(dá)到化學(xué)平衡,在壓力和水循環(huán)作用下,深層地?zé)崴蛏线\移,而其攜帶的離子成分幾乎不變,依據(jù)其水巖平衡原理,當(dāng)獲得淺部地?zé)崴?,可利用其某種離子質(zhì)量濃度計算出深層熱儲的溫度。根據(jù)研究區(qū)實際情況和我國地?zé)豳Y源研究常用的地?zé)釡貥?biāo),選用鉀鎂溫標(biāo)和二氧化硅溫標(biāo)進(jìn)行計算和分析。

        式(1)計算出的鉀鎂溫度可以認(rèn)為是鉆探可及的最高溫度,式(2)計算出的二氧化硅溫度代表地?zé)崴纬蛇^程中曾經(jīng)歷過的最高溫度。對研究區(qū)9 個地?zé)崴畼舆M(jìn)行溫標(biāo)計算,結(jié)果顯示鉀鎂溫標(biāo)均接近或高于井口水溫,二氧化硅溫標(biāo)均遠(yuǎn)高于井口水溫,見表3。研究區(qū)J-4、J-46、J-58 地?zé)峥碧娇孜挥谠崎T山斷裂帶,為研究區(qū)內(nèi)溫度較高的地?zé)峋?,鉀鎂溫標(biāo)與井口水溫基本一致或低于井口水溫,表明這三眼地?zé)峋x址和鉆探深度是合理的;其他地?zé)峋涙V溫標(biāo)高于井口水溫,說明增加鉆探深度地?zé)崴€有增溫的可能。J-46、J-58 地?zé)崴趸铚貥?biāo)超過了150 ℃,說明研究區(qū)可能存在高溫地?zé)豳Y源。

        4 地?zé)崴梢蚍治?/p>

        4.1 水質(zhì)控制因素分析

        美國學(xué)者Gibbs 利用半對數(shù)坐標(biāo)圖進(jìn)行水質(zhì)分析,該圖稱之為Gibbs 圖,可以直觀比較不同水體間的化學(xué)組成、成因以及相互聯(lián)系。該圖的縱坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo),代表水體中TDS 含量,橫坐標(biāo)表示水體中陽離子ρ(Na+) / [ρ (Na+ ) + ρ (Ca2+ )] 值或陰離子ρ ( Cl- ) /[ρ(Cl-)+ρ(HCO-3 )]值,見圖5。

        依據(jù)水樣在Gibbs 圖中的位置,可以判別地下水屬于“降水控制類型”“巖石風(fēng)化類型”還是“蒸發(fā)濃縮類型”[14] 。研究區(qū)地下冷水集中分布在巖石風(fēng)化作用區(qū)域,說明地下冷水水質(zhì)主要受巖石風(fēng)化作用影響,大氣降水進(jìn)入含水層后,使風(fēng)化的礦物直接被溶解在地下水中,水動力條件好;研究區(qū)最典型的地?zé)崴剩矗?位于Gibbs 圖右上部,水質(zhì)完全受蒸發(fā)濃縮作用影響,其水動力條件弱,地下水循環(huán)交替條件較差,是研究區(qū)典型的深層水;其他地?zé)崴栯x子主要分布在蒸發(fā)濃縮作用區(qū)域,陰離子自巖石風(fēng)化作用區(qū)過渡至蒸發(fā)濃縮作用區(qū),水質(zhì)受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮作用雙重影響,可能是冷熱水混合的結(jié)果。

        4.2 地?zé)崴M分比率分析

        地?zé)崴须x子主要來源于水巖反應(yīng),依據(jù)地?zé)崴x子組分能夠反映熱儲層巖性特征,對地?zé)崴慕M分比率進(jìn)行分析,以揭示其成因[11] 。對研究區(qū)地?zé)崴眩ǎ危幔?/ ρ(Li+ )、ρ(Cl- ) / ρ(F- ) 代表性離子組分比率(見表4)進(jìn)行了計算和分析。

        (1)ρ(Na+ ) / ρ(Li+ )比率。較厚的蓋層對Li+ 有一定吸附作用,使得地?zé)崴蹋椋|(zhì)量濃度降低,但對Na+的影響較小。J-46 地?zé)崴眩ǎ危幔?) / ρ(Li+ )比率最低,其溫度最高,該地?zé)峋玻埃埃?年勘探施工,揭露了云門山斷裂帶,說明其地?zé)崴畯搅魍ǖ理槙常苯邮茉崎T山深部斷裂構(gòu)造水補給,受蓋層影響較小;位于北部的J-4、J-45、J-58 地?zé)崴眩ǎ危幔?/ ρ(Li+)比率也較低,說明其受深部斷裂構(gòu)造水補給較多或距離云門山斷裂帶較近。與之對比,其他地?zé)峋眩ǎ危幔?) / ρ(Li+ )比率較高,均位于南部,其蓋層較厚或距離云門山斷裂帶較遠(yuǎn)。

        (2)ρ(Cl-) / ρ(F-)比率。地?zé)崴械模疲?主要來源于螢石(CaF2 )溶解,其反應(yīng)式為CaF2 →Ca2+ +2F-;螢石溶解度受水溫影響較大,Cl- 質(zhì)量濃度變化受水溫影響小,通常地?zé)崴烊肜渌髸沟忙眩ǎ茫欤?) / ρ(F- )比率升高。J-46 地?zé)峋挥谠崎T山斷裂帶,其地?zé)崴眩ǎ茫欤?/ ρ(F-)比率最高,說明冷水混入少;其他地?zé)崴眩ǎ茫欤?/ ρ(F-)比率遠(yuǎn)低于J-46 的,說明其冷水混入的比例遠(yuǎn)高于J-46。ρ(Cl- ) / ρ(F- )比率越小,冷水混入的比例越高。

        地?zé)崴x子組分比率分析表明,研究區(qū)J-46 水樣為典型的地?zé)崴?,相比之下,其他地?zé)崴畼泳幸欢ū壤睦渌烊?,表明研究區(qū)不同區(qū)域地?zé)崴a給來源不同。

        4.3 冷熱水混合分析

        根據(jù)溫度分級可將地?zé)豳Y源分為高溫地?zé)豳Y源(溫度≥150 ℃)、中溫地?zé)豳Y源(溫度范圍:90~150 ℃)和低溫地?zé)豳Y源(熱水:60~90 ℃,溫?zé)崴海矗啊叮?℃,溫水:25 ~ 40 ℃)[15] 。美國學(xué)者Wilfred F. Langelier 和Harvey F. Ludwig 創(chuàng)建了一種矩形圖解法應(yīng)用于熱水、冷水不同的水質(zhì)類型和其間的混合關(guān)系分析,該矩形圖解法稱之為蘭格利爾-路德維奇矩形圖解法[16] 。將研究區(qū)19 個水質(zhì)指標(biāo)(主要離子毫克當(dāng)量百分比)繪制到矩形圖上,見圖6。

        地下冷水集中分布在矩形右下部,以HCO-3 +CO2-3 、Ca2 + +Mg2+ 離子占優(yōu),其離子毫克當(dāng)量百分比大于60%,為HCO3 -Ca·Mg 型水,屬于典型的地下冷水。中溫地?zé)豳Y源地?zé)崴剩矗?位于矩形左上部,為典型的地?zé)崴谘芯繀^(qū)內(nèi)水溫最高(104 ℃),以Na+ +K+、Cl- +SO2-4 離子占優(yōu),其離子毫克當(dāng)量百分比大于80%,為Cl·SO4 -Na 型水。低溫地?zé)豳Y源地?zé)崴袩崴?、溫?zé)崴?、溫水介于上述兩者之間,總的特點是陽離子Na+ +K+毫克當(dāng)量百分比較J-46 小,Ca2 + +Mg2+ 毫克當(dāng)量百分比較冷水小,陰離子HCO-3 +CO2-3 毫克當(dāng)量百分比較J-46 大,Cl- +SO2-4 毫克當(dāng)量百分比較冷水大,水質(zhì)類型比較多,為HCO3 ·Cl -Na、HCO3 ·Cl·SO4 -Na、HCO3 -Na 型水。連接矩形圖解中典型中溫地?zé)崴剩矗?點與典型冷水,則低溫地?zé)崴笾挛挥谶B接線中間偏上,說明低溫地?zé)崴巧畈康責(zé)崴偷叵吕渌旌系慕Y(jié)果。

        4.4 地?zé)崴梢蚍治?/p>

        研究區(qū)地?zé)崴煞譃橹袦氐責(zé)崴偷蜏氐責(zé)崴?。中溫地?zé)崴挥谘芯繀^(qū)北部,來源于云門山斷裂帶深部熱儲,深部地下水被高溫地層加熱后,沿斷裂通道上涌,屬于斷裂構(gòu)造控制的對流型地?zé)豳Y源。受特殊地質(zhì)環(huán)境影響,地?zé)崴h(huán)條件相對較差,在運動過程中發(fā)生濃縮作用,造成了其水質(zhì)的特殊性,其地?zé)崴梢蚝吞卣髋c國內(nèi)其他區(qū)域典型深層斷裂地?zé)崴邢嗨浦帲郏保罚保梗?。研究區(qū)低溫地?zé)豳Y源位于云門山斷裂帶南部新近系、第四系熱儲,屬于層狀對流型地?zé)崴?,其受北部山間淺層地下水側(cè)向徑流和云門山斷裂深部地?zé)崴p重補給,是冷熱水混合的結(jié)果。

        5 結(jié) 語

        (1)研究區(qū)中溫地?zé)崴植荚谠崎T山斷裂帶附近,深部有高溫地?zé)崴嬖诘目赡?;低溫地?zé)崴挥谠崎T山斷裂帶南部的新近系、第四系熱儲,通過增加地?zé)峋@探深度還有增溫的潛力。研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型以HCO3·Cl·SO4 -Na、HCO3·Cl-Na 型水為主,為含鋰的硅水、氟水,具備良好的醫(yī)療保健價值。

        (2)陽高縣中溫地?zé)崴疄樵崎T山斷裂帶控制的對流型地?zé)崴叵滤h(huán)交替條件較差,屬于受蒸發(fā)濃縮作用影響的地?zé)崴恍陆怠⒌谒南档蜏氐責(zé)崴畡恿l件較好,其形成受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮作用雙重影響,為層狀對流型地?zé)崴?/p>

        (3)在云門山斷裂帶控制下,深層熱儲流體沿斷裂帶上涌形成中溫地?zé)崴?;地?zé)崴蚰涎a給新近系、第四系含水層,與地下冷水混合,在孤山—平山村一帶形成低溫淺層地?zé)崴?/p>

        (4)研究區(qū)地?zé)豳Y源勘查程度較低,建議先在該區(qū)域?qū)嵤┑孛嫖锾?,以深部云門山斷裂帶為找熱對象,然后實施一眼2 000~3 000 m 深度的地?zé)崽讲山Y(jié)合井,為下一步系統(tǒng)開發(fā)陽高縣深部高溫地?zé)豳Y源奠定基礎(chǔ)。

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        【責(zé)任編輯 呂艷梅】

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