濟(jì)南市平陰縣大孫莊地區(qū)地?zé)犭比纬蓹C(jī)理探析

白新飛，宋津宇，張軍，楊時(shí)驕*，于超，翟立民，張松林

(1.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局富鐵礦找礦與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

地?zé)犭比且环N稀缺的天然理療熱礦水資源，對(duì)許多慢性疾病和皮膚病治療具有顯著的醫(yī)療效果。目前濟(jì)南市平陰縣玫瑰鎮(zhèn)大孫莊已發(fā)現(xiàn)兩眼地?zé)犭比?，地?zé)崃黧w中氡含量高達(dá)332.6～625.7Bq/L(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省濟(jì)南市氡泉形成機(jī)理研究與應(yīng)用，2021年。。本文以大孫莊地?zé)犭比疄槔芯苛说責(zé)犭比某梢蚣靶纬蓹C(jī)理，為具有類似地質(zhì)背景條件地區(qū)勘查與開(kāi)發(fā)利用地?zé)犭比峁┗A(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地層

研究區(qū)區(qū)域上出露地層有寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)九龍群炒米店組、三山子組、崮山組，奧陶紀(jì)馬家溝群北庵莊組、東黃山組和第四紀(jì)大站組、黃河組，隱伏地層有寒武紀(jì)九龍群張夏組，長(zhǎng)清群饅頭組、朱砂洞組、李官組以及新太古代泰山巖群(圖1)。

1—黃河組；2—大站組；3—北庵莊組；4—東黃山組；5—三山子組；6—炒米店組；7—崮山組；8—實(shí)測(cè)斷裂；9—推測(cè)斷裂；10—地?zé)犭比畧D1 區(qū)域地質(zhì)背景圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)地?zé)犭比挥谌A北板塊(Ⅰ)魯西隆起區(qū)(Ⅱ)魯中隆起(Ⅲ)泰山-濟(jì)南斷隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)西北翼，緊臨樂(lè)平鋪潛凹陷(圖2)[1]，區(qū)域上NE向斷裂和NW向斷裂交錯(cuò)分布，地層呈單斜構(gòu)造，傾向NW，傾角5°～8°，局部10°～15°。由于所處構(gòu)造部位離泰山凸起區(qū)較遠(yuǎn)，因而受歷次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較小，地層較穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造規(guī)模及發(fā)育程度也相對(duì)較弱。

1—隆起區(qū)；2—凹陷區(qū)；3—構(gòu)造單元代號(hào)；4—地?zé)犭比畧D2 地?zé)犭比蟮貥?gòu)造位置示意圖

研究區(qū)周邊主要發(fā)育數(shù)條NE向、NW向張性或張扭性斷裂，除此之外，還零星分布一些NW向、近EW向的小型及微型構(gòu)造，其延伸長(zhǎng)度一般數(shù)百米，但在這些斷裂帶的附近巖層張裂隙和小溶洞較發(fā)育。

1.3 水文地質(zhì)概況

根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)及水力特征，區(qū)內(nèi)地下水分為第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水及基巖裂隙水。

1.3.1 第四系松散巖類孔隙水

含水巖組主要巖性為粉砂、粉質(zhì)砂土夾砂礫層，厚度5～8m，地下水補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水補(bǔ)給、巖溶裂隙水側(cè)向補(bǔ)給及黃河入滲補(bǔ)給，地下水流向與地形坡度基本一致，地下水排泄主要為人工開(kāi)采和蒸發(fā)。

1.3.2 碳酸鹽巖巖溶裂隙水

含水巖組主要由奧陶紀(jì)、寒武紀(jì)灰?guī)r、白云巖、豹皮灰?guī)r組成。含水層大面積裸露或淺埋于第四紀(jì)以下，含水層裂隙巖溶較發(fā)育，裂隙巖溶發(fā)育段大多集中在30～80m深度范圍內(nèi)，往下有逐漸減弱的趨勢(shì)。地下水補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水補(bǔ)給和東南部基巖裂隙巖溶水側(cè)向補(bǔ)給，地下水流向基本沿巖層走向和地形傾斜方向自南東向北西方向徑流，在徑流過(guò)程中，一部分以泉的形式排泄于溝谷河流中，一部分被開(kāi)采，一部分繼續(xù)向北西方向運(yùn)移至沿黃地帶，或頂托補(bǔ)給第四系孔隙水，或排泄出區(qū)外。

1.3.3 基巖裂隙水

含水巖組巖性以花崗片麻巖為主，地下水主要賦存在巖層的基底構(gòu)造破碎帶和古風(fēng)化裂隙中，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要是東南部山區(qū)的大氣降水，通過(guò)深部循環(huán)運(yùn)移徑流形成的深部基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，地下水富水性極不均勻，主要受構(gòu)造控制。兩眼地?zé)犭比責(zé)崃黧w均為該類型地下水。

2 地?zé)犭比艣r

2.1 揭露地層與熱儲(chǔ)

鉆孔(PYDQ1井)揭露地層由老到新為新太古代泰山巖群地層，巖性為角閃斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角山巖，混合巖化作用強(qiáng)烈，底部為混合花崗巖；古生代寒武紀(jì)地層，巖性為一套石灰?guī)r、泥巖夾頁(yè)巖等沉積地層，巖層走向250°～280°，傾角5°左右，與下伏泰山巖群地層呈角度不整合接觸；新生代第四系松散巖類沉積物，以粉質(zhì)黏土為主(圖3)。根據(jù)其成井資料、抽水試驗(yàn)資料，熱儲(chǔ)層為泰山巖群變質(zhì)巖，屬于基巖裂隙水。

圖3 PYDQ1井鉆孔柱狀圖

2.2 賦存條件

根據(jù)以往地質(zhì)資料，在大孫莊地區(qū)存在一個(gè)長(zhǎng)軸走向?yàn)镹NW向，長(zhǎng)約2100m，寬1800m的磁異常區(qū)，呈橢圓形，推測(cè)在地?zé)犭比浇嬖谝粭l切割基底的隱伏斷裂。本次研究在大孫莊地區(qū)進(jìn)行土壤面積測(cè)氡(測(cè)網(wǎng)250m×50m)、土壤剖面測(cè)氡(點(diǎn)距20m)及可控源音頻大地電磁法(CSAMT)測(cè)量(點(diǎn)距40m)探查隱伏斷裂[2-6]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，大孫莊地區(qū)土壤氡氣背景值為5607.12Bq/m3;標(biāo)準(zhǔn)離差為4905.42Bq/m3;閾值為15417.96Bq/m3，在PMCD01線1-9～1-12點(diǎn)形成雙峰異常形態(tài)，1-12點(diǎn)極值為15549.60Bq/m3，略高于閾值，為背景值的2.77倍；CSAMT反演剖面視電阻率等值線在此處呈現(xiàn)垂直的扭曲、突變并有伴有明顯的低阻異常，綜合推測(cè)存在一條老基底隱伏斷裂F1(圖4)。

1—Rn濃度測(cè)量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—推測(cè)斷裂；5—蓋層、熱儲(chǔ)分界線；6—地?zé)犭比八碑惓C(jī)井圖4 PM01線土壤氡氣測(cè)量曲線與CSAMT反演剖面圖

F1斷裂構(gòu)造為高角度正斷層，走向約315°，傾角約75°～80°，斷層破碎帶寬度約120～140m，破碎帶既是泰山巖群基巖裂隙水的主要富水構(gòu)造又是導(dǎo)水通道，大孫莊PYDQ1、PYDQ2地?zé)犭比牡責(zé)崃黧w賦存于F1斷裂構(gòu)造破碎帶，屬受斷裂控制的構(gòu)造裂隙型，呈帶狀分布。

2.3 蓋層

根據(jù)鉆孔資料，泰山巖群上覆的古生代寒武-奧陶紀(jì)地層及新生代第四系松散沉積物，厚度約600m，導(dǎo)熱性能較差，是研究區(qū)地?zé)犭比臒醿?chǔ)保溫蓋層。

2.4 熱源

研究區(qū)地?zé)崽荻瘸尸F(xiàn)東部高西部低的規(guī)律，大孫莊PYDQ1井地溫梯度最高，為2.35℃/100m，沒(méi)有明顯熱異常，推測(cè)地?zé)犭比黧w是在深部徑流循環(huán)過(guò)程中經(jīng)地溫緩慢加熱形成的，并在斷裂破碎帶富集，熱源主要來(lái)源于大地?zé)崃骷皣鷰r中放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱量。

2.5 水化學(xué)特征

圖5 研究區(qū)地下水、地?zé)崴畃iper三線圖

2.6 補(bǔ)給源

2.6.1 氡泉水補(bǔ)給源

一般δD和δ18O的值在克雷格標(biāo)準(zhǔn)降水直線δD=8δ18O+10附近，說(shuō)明地下水由大氣降水補(bǔ)給形成，屬大氣成因。將PYDQ1地?zé)崃黧w歷次同位素測(cè)試結(jié)果(表1)投在克雷格標(biāo)準(zhǔn)降水直線上(圖6)，三次測(cè)試結(jié)果均位于全球雨水線、我國(guó)雨水線及山東棗莊羊莊盆地雨水線附近，說(shuō)明本區(qū)地?zé)崴闹饕a(bǔ)給來(lái)源為大氣降水。

表1 PYDQ1地?zé)崃黧w同位素測(cè)試結(jié)果

圖6 PYDQ1地?zé)崃黧wδD、δ18O散點(diǎn)關(guān)系圖

2.6.2 氡泉水形成年齡

中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院利用14C測(cè)定了大孫莊PYDQ1井地?zé)崃黧w的年齡為亞現(xiàn)代與近期補(bǔ)給的混合水，以古水為主，混入了少量現(xiàn)代水，屬于深循環(huán)型地?zé)崴甗7-13]。

2.6.3 氡泉水補(bǔ)給區(qū)

根據(jù)H、O穩(wěn)定同位素的高程效應(yīng)原理，通過(guò)下式可以推斷地?zé)崃黧w的補(bǔ)給高程。

H=Hr+(D-Dr)/gradD

式中:H—地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高程(m)；Hr—地?zé)崴畼狱c(diǎn)的地面高程(m)；D—大氣降水的δ18O或δD值(×10-3)；Dr—地?zé)崴摩?8O或δD值(×10-3)；gradD—大氣降水δ18O或δD值的高度梯度(×10-3/100m)。

根據(jù)搜集的研究區(qū)周邊地表水、泉水的同位素?cái)?shù)據(jù)[14-15]，取均值作為大氣降水同位素含量值(表2)。

參考以往研究資料，大氣降水δ18O、δD高度梯度分別取-0.32×10-3/100m和-2.26×10-3/100m；氡泉地?zé)崃黧w的δ18O、δD取三次測(cè)試結(jié)果的均值；地?zé)崴畼狱c(diǎn)的地面高程取44m。按上式分別用δ18O、δD計(jì)算補(bǔ)給高程為342m、286m，與中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院研究推測(cè)的補(bǔ)給高程基本一致[12-13]。

大孫莊地?zé)犭比獰醿?chǔ)層埋藏較深，與上覆寒武系地層水化學(xué)過(guò)程不同，水力聯(lián)系弱。研究區(qū)周邊無(wú)泰山巖群地層出露，在研究區(qū)東側(cè)、東南側(cè)廣泛裸露的泰山巖群混合變質(zhì)巖丘陵區(qū)標(biāo)高在200～520m，與計(jì)算的補(bǔ)給高程基本一致，推測(cè)地?zé)犭比饕邮茉搮^(qū)域基巖裂隙水的徑流側(cè)向補(bǔ)給，徑流距離較遠(yuǎn)，徑流緩慢，并在徑流過(guò)程中接受斷裂構(gòu)造帶的入滲補(bǔ)給。

3 地?zé)犭比纬蓷l件

3.1 物源條件

以往研究資料表明，地殼巖土體中氡含量取決于放射性元素鈾和鐳在巖體中的背景值以及巖體的射氣能力[16]，自然界中花崗巖類巖漿巖、花崗巖類變質(zhì)巖中氡含量往往高于沉積巖，且?guī)r石酸性越大氡含量越高[17]。

本次研究取9組地下水流體測(cè)試水氡含量，并搜集22組水樣水氡測(cè)試資料(表3)。大孫莊地區(qū)兩眼地?zé)犭比校┥綆r群基巖裂隙水含量達(dá)到命名礦水濃度[18]；松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水氡含量大部分在1.0～19.2Bq/L之間，僅一眼距地?zé)犭比s70m距離的機(jī)民井內(nèi)碳酸鹽巖裂隙巖溶水氡含量達(dá)到礦水濃度。

表3 研究區(qū)地下水氡含量統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，可以推斷泰山巖群變質(zhì)巖地層是地下水中氡的主要物質(zhì)來(lái)源。

3.2 動(dòng)力條件

巖體中氡以自由、吸附、封閉三種形式存在，當(dāng)巖體受應(yīng)力作用產(chǎn)生變形與破壞，巖體內(nèi)裂隙和表面積大量增加，在裂隙附近產(chǎn)生很多密集的微裂隙，改變了巖體微結(jié)構(gòu)，伴隨著巖石、礦物中晶格的錯(cuò)動(dòng)并出現(xiàn)超聲振動(dòng)，使得巖石中受束縛的氡(自由、吸附和部分封閉)被釋放出來(lái)，釋放出來(lái)的氡沿微裂隙向裂隙密集區(qū)或巖體破碎帶遷移富集[19]。

研究區(qū)發(fā)育的斷裂構(gòu)造及發(fā)生的地震對(duì)巖體中地應(yīng)力場(chǎng)有明顯影響，在斷裂附近破碎帶附近應(yīng)力集中，產(chǎn)生高地應(yīng)力區(qū)[20]，使巖體受地應(yīng)力作用持續(xù)變形、破裂，不斷釋放巖體中的氡。

3.3 氡遷移機(jī)理

氡的遷移是受多種因素控制、多種條件制約的極其復(fù)雜的運(yùn)移，眾多學(xué)者通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬提出了諸多的氡遷移理論：外因引起的有擴(kuò)散對(duì)流、孔隙流體運(yùn)移、應(yīng)力應(yīng)變、溫度壓力、接力傳遞等；內(nèi)因引起的團(tuán)簇作用。不論哪種理論，總體來(lái)說(shuō)氡及其子體的縱向遷移能力遠(yuǎn)大于其橫向遷移能力，并具有很強(qiáng)的向上遷移能力[21]。

3.4 空間條件

大孫莊地區(qū)地下流體中水氡異常僅沿F1斷裂構(gòu)造帶分布。PYDQ1、PYDQ2井均為受F1斷裂構(gòu)造控制形成的地?zé)犭比焙烤^(guò)了命名礦水濃度。F1斷裂構(gòu)造切割了泰山巖群變質(zhì)巖地層，沿?cái)嗔褬?gòu)造形成破碎裂隙帶，破碎裂隙帶既是地下水賦存帶，又是促進(jìn)氡析出的構(gòu)造條件，巖體中釋放出來(lái)氡顯著溶于地下水，并隨地下水在破碎裂隙帶內(nèi)遷移。深部巖體釋放的氡沿破碎裂隙帶向上遷移至近地表并向四周擴(kuò)散，引起淺部地下水與土壤氡氣含量異常。由于氡的半衰期僅有3.825d，因此僅在斷裂構(gòu)造斷裂破碎帶附近一定區(qū)域內(nèi)形成水氡異常與土壤氡氣異常。

4 地?zé)犭比Ｐ头治?/h2>

綜上所述，大氣降水在地?zé)犭比獤|部、東南部的泰山巖群變質(zhì)巖大面積出露的丘陵地帶，沿風(fēng)化裂隙帶、構(gòu)造裂隙帶、巖層接觸帶等裂隙入滲轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤５叵滤艿匦?、地貌控制匯集，一部分地下水在泰山巖群地層中沿各類裂隙或構(gòu)造形成深循環(huán)，緩慢向西北徑流補(bǔ)給平陰大孫莊地?zé)崽铮趶搅鬟^(guò)程中同時(shí)接受沿徑流區(qū)發(fā)育的張性斷裂構(gòu)造裂隙帶的入滲補(bǔ)給。地下水在徑流過(guò)程中經(jīng)溶濾作用、離子交替與吸附作用等一系列的水巖作用，圍巖中的各種礦物元素溶入地下流體，并不斷接受大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)及圍巖中放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱源緩慢加熱，形成了富含多種微量元素的地?zé)岬V水，地?zé)岬V水在斷裂構(gòu)造破碎帶等蓄水構(gòu)造處富集形成地?zé)釡厝?。大孫莊地?zé)崽锏責(zé)崃黧w補(bǔ)給徑流途徑較長(zhǎng)、徑流速度較慢，水巖作用較充分[22-23]，其主要離子含量、微量元素含量及TDS均較高，其中鍶、氟均達(dá)到了命名礦水濃度。大孫莊地?zé)崽锇l(fā)育的F1斷裂切割了放射性較大的泰山巖群地層，構(gòu)造破碎帶改變了地應(yīng)力場(chǎng)，使圍巖持續(xù)變形與破裂、射氣系數(shù)增加、裂隙密集發(fā)育并貫通、水巖交替強(qiáng)烈，促進(jìn)巖體中氡的釋放，釋放出的氡沿裂隙向斷裂破碎帶內(nèi)富集并溶于地?zé)岬V水中形成地?zé)犭比?，通過(guò)人工鉆探揭穿蓋層后，形成可利用的地?zé)犭比V水井(圖7)。

1—第四系；2—寒武-奧陶系；3—泰山巖群；4—推測(cè)斷裂；5—地下水流向；6—大地?zé)崃鳎?—氡遷移方向；8—地?zé)犭比畧D7 平陰大孫莊地?zé)犭比纬蓹C(jī)理模型圖

5 結(jié)論

(1)本文通過(guò)土壤面積測(cè)氡、土壤剖面測(cè)氡及CSAMT剖面測(cè)量聯(lián)合勘探，基本查明了大孫莊地區(qū)地下水氡異常分布受F1斷裂控制，沿F1斷裂呈帶狀分布。

(2)泰山巖群變質(zhì)巖地層為地?zé)犭比峁┝穗钡奈镔|(zhì)來(lái)源，斷裂構(gòu)造破碎帶提供了地?zé)犭比纬傻目臻g條件，構(gòu)造活動(dòng)及地震活動(dòng)提供了促進(jìn)氡釋放的動(dòng)力條件。

(3)分析、建立了地?zé)犭比纬蓹C(jī)理模型，為具有類似地質(zhì)條件的地區(qū)勘查開(kāi)發(fā)地?zé)犭比峁┙梃b。