環(huán)境同位素技術(shù)在確定濟南平陰某氡地熱井補給來源中的應用

張卓，成世才，金興，劉志剛

(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南 250013；2.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院,山東 濟南 250013；3.山東正元建設工程有限責任公司 山東 濟南 250101；4.臨沂市國土資源局蘭山分局，山東 臨沂 276000)

近幾十年，環(huán)境同位素技術(shù)在研究與解決地下水補給來源、補給強度，補給來源的比例、補給區(qū)的范圍與標高、各類水體間的水力聯(lián)系以及測定地下水年齡等實際問題中的應用越來越廣泛，已成為地質(zhì)科學領域一門新興的邊緣學科[1]。目前，用于解決水文地質(zhì)問題的同位素主要是一些輕(低原子序數(shù))元素的同位素，其中主要是H，O，C同位素[2]。地下熱水δD值的變化主要取決于地下熱水接受補給時的環(huán)境溫度及其補給高程；δ18O的變化除與δD近似外，還主要取決于地下熱水與圍巖交換的程度。上述研究為該文采用環(huán)境同位素技術(shù)來確定濟南平陰某氡地熱井的補給來源提供了很好的思路。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

1.2 構(gòu)造

區(qū)內(nèi)基底褶皺構(gòu)造較發(fā)育，距離氡泉井最近的為F2斷裂，物探推測斷裂F2為一條深部基底斷裂構(gòu)造，走向320°，傾向50°，傾角約75°，為NW向高角度斷裂，推測斷距20～30m，斷裂破碎帶寬度約110m，形成時代為前寒武紀。

1.3 地熱條件

大孫莊地區(qū)氡地熱水為新太古代泰山巖群變質(zhì)巖裂隙承壓水，熱儲為深部基底構(gòu)造裂隙含水帶和古風化裂隙水，巖性為片麻狀黑云角閃二長花崗巖及斜長角閃巖；蓋層主要為寒武紀灰?guī)r夾頁巖、奧陶紀白云質(zhì)灰?guī)r及第四紀松散層[3]，厚度605～648m；斷裂F2是大孫莊地區(qū)地熱氡泉水的主要導水、儲水空間。氡泉水水溫28.3℃，屬低溫地熱資源，地熱資源類型為II-2型(圖1)。

圖1 氡地熱井地熱地質(zhì)圖

2 樣品采集與測試

該次同位素采集、保存與運輸均按照國家相關規(guī)范、規(guī)程進行，對需要現(xiàn)場測試的項目按照規(guī)范要求進行了現(xiàn)場測定。

D,18O,14C同位素樣品由國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心檢測。監(jiān)測依據(jù)為《地下水質(zhì)檢驗方法》(DZ/T0064—1993)，監(jiān)測儀器為超低本底液體閃爍譜儀，型號為Quantulus 1220，測試溫度為24℃，濕度為48%。

3 結(jié)果與討論

3.1 氡元素物源

含有鐳或其他某些元素的固體物質(zhì)向外部介質(zhì)自發(fā)地或人為地釋放放射性氣體的過程，稱為射氣作用[4]。氡是放射性元素鐳在衰變過程中產(chǎn)生的一種放射性稀有氣體。換言之，天然氡同位素是鐳衰變的產(chǎn)物，而鐳又是鈾、錒和釷放射性衰變系的中間產(chǎn)物。據(jù)南京大學資料[5]，泰山巖群變質(zhì)巖中鈾5.8(10-4%)、釷55.8(10-4%)，明顯高于地殼酸性火成巖的豐度值[分別為3.5(10-4%)、18(10-4%)]，為大孫莊氡泉的形成提供了充足的物質(zhì)來源。

3.2 14C定年

利用14C確定地下水年齡的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，時間確定較為精確[6]。該氡泉水14C定年分析結(jié)果見表1。

表1 區(qū)內(nèi)代表性地下水樣14C同位素分析結(jié)果

地下熱水一種是來源于大氣降水，為循環(huán)型地下熱水，另一種為地層或構(gòu)造形成地產(chǎn)生的封存型地下熱水[7]。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水樣中14C同位素分析結(jié)果，氡泉水表觀年齡在15.81±2.17ka，與周圍圍巖新太古代泰山巖群的年齡相差巨大，說明該水不屬于封存型地熱水，應屬于深循環(huán)型地熱水，時間大約對應晚更新世。水中溶解的現(xiàn)代碳含量為14.78±3.87%，說明該氡泉水以“古水”為主，混合有少量現(xiàn)代的入滲水。其他松散巖類孔隙水、碎屑巖類巖溶裂隙水及碳酸鹽類裂隙巖溶水中，現(xiàn)代碳的含量在62%～80%之間，表觀年齡在1.78～3.86ka之間，說明這些水為現(xiàn)代的入滲水與少量“古水”的混合水，以現(xiàn)代的入滲水為主。

3.3 大氣降水線與氧飄移

氡泉水δD，δ18O同位素分析結(jié)果見表2。

表2 區(qū)內(nèi)代表性地下水樣δD,δ18O同位素分析結(jié)果

Craig通過研究北美大陸大氣降水發(fā)現(xiàn)，降水的氫氧同位素呈線性相關變化，數(shù)學關系式δD=8δ18O+10，為一條斜率為8、截距為10的直線，稱為全球大氣降水線(GMWL)，即Craig方程，作為描繪水中穩(wěn)定同位素的標準方法[8]。此后不同學者得出了各地區(qū)的降水線方程(LMWL)，所得的結(jié)果略有差異。該次調(diào)查工作選用中國東部季風區(qū)大氣降水線方程δD=7.46δ18O+0.90[9]，地下水的穩(wěn)定同位素組成特征通常用δD—δ18O相關圖來表示。

將該次氡泉水δD，δ18O同位素分析結(jié)果與以往分析結(jié)果進行對比(表2)，可見3次分析結(jié)果差別不大，并且都位于大氣降水線附近(圖2)，說明氡泉水來源于大氣降水。

還發(fā)現(xiàn)大多數(shù)點都位于大氣降水線的右側(cè)，存在不同程度的向右漂移(氧飄移)[1]。分析氧飄移的原因為入滲后進行深部循環(huán)的大氣降水與圍巖發(fā)生水—巖交換反應，如與硅酸鹽和碳酸鹽等含氧礦物組成的圍巖進行氧同位素交換，導致地下水中同位素組成發(fā)生變化。氧同位素的漂移取決于熱水的溫度、圍巖的δ18O值、水—巖比值和熱水在儲庫中逗留的時間[10]。

圖2 區(qū)內(nèi)代表性地下水樣δD與δ18O關系

3.4 同位素高程計算

地熱水補給區(qū)高度的計算按照H，O穩(wěn)定同位素的高程效應原理,δD隨地下水補給高程的增大而減小[11]。按下列公式可以確定地熱水的補給區(qū)及補給高度[1]。

式中：H—同位素入滲高度(m)；h—取樣點高程(+40m)；δg—地下水δ18O值(δ18O=-10.0)×10-3；δp—取樣點附近大氣降水δ18O值(取松散巖類孔隙水代替，δ18O=-9.0×10-3)；K—大氣降水δ18O值高程梯度(-δ/100m)。

根據(jù)氡地熱泉D，18O同位素組成，計算出氡地熱水補給高度在+140m左右；根據(jù)水文地質(zhì)條件推斷該氡地熱井補給區(qū)位置，位于該井東南方向40～50km遠的泰山余脈，標高在+100～+180m，地下水流向為北西向。據(jù)此公式所計算出的補給區(qū)標高與水文地質(zhì)及自然地理條件推斷出的補給區(qū)相吻合，說明應用穩(wěn)定同位素確定地下水的補給高程具有較好的效果。

4 結(jié)論

(1)泰山余脈火成巖變質(zhì)巖山區(qū)風化裂隙帶，接受大氣降水補給，入滲后沿泰山巖群變質(zhì)巖與奧陶紀灰?guī)r的接觸帶及深大斷裂徑流，徑流過程中溶解了該變質(zhì)巖層中的氡，在NW—SE向深切構(gòu)造處匯集，此為該氡地熱井的補給和徑流條件。

(2)14C同位素分析結(jié)果，氡泉水表觀年齡在(15.81±2.17)ka，與周圍圍巖新太古代泰山巖群的年齡相差巨大，說明該水不屬于封存型地熱水，屬于深循環(huán)型地熱水，時間大約對應晚更新世。水中溶解的現(xiàn)代碳的含量為14.78±3.87%，說明該氡泉水以“古水”為主，混合有少量現(xiàn)代的入滲水。

(3)分析大氣降水線出現(xiàn)氧飄移是因為入滲后進行深部循環(huán)的大氣降水與硅酸鹽和碳酸鹽等含氧礦物組成的圍巖進行氧同位素交換，導致地下水中同位素組成發(fā)生變化。

(4)根據(jù)同位素高程計算，計算出氡地熱水補給高度在+140m左右；根據(jù)水文地質(zhì)條件推斷該氡地熱井補給區(qū)位置，位于該井東南方向40～50km遠的泰山余脈，標高在+100m～+180m，公式計算出的補給區(qū)標高與水文地質(zhì)及自然地理條件推斷出的補給區(qū)相吻合。

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