太原城市地質(zhì)特點和未來研究方向分析

李 淼，劉漢斌，田忠斌

（1.山西省煤炭地質(zhì)148勘查院，山西太原 030053；2.山西省煤炭地質(zhì)局，山西太原 030006；3.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中 030600）

0 引言

城市地質(zhì)條件是城市規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)，城市地質(zhì)調(diào)查與研究是城市運行管理的重要一環(huán)，也是城市生態(tài)文明建設(shè)的一項重要工作。太原地處山西省中部汾渭地塹系太原-晉中盆地北部，是山西省經(jīng)濟政治文化中心，全省經(jīng)濟發(fā)展的排頭兵與火車頭。理清太原城市地質(zhì)特點，對于推進(jìn)山西新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和全省轉(zhuǎn)型綜改，具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。太原城市地質(zhì)的研究始于20世紀(jì)90年代（張鐵林，1992），近年來不少學(xué)者也進(jìn)行了研究（王銀梅，2000；蔣方媛等，2009；李淼，2014：劉瑾等，2015；曹金亮等，2010），但主要從地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害、地下水單一的角度進(jìn)行分析。現(xiàn)代城市地質(zhì)（何中發(fā)，2010）主張從整個城市總體發(fā)展的角度對城市進(jìn)行基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等方面進(jìn)行綜合研究，為城市的可持續(xù)發(fā)展做戰(zhàn)略服務(wù)。太原東、西、北三面環(huán)山，中、南部為汾河河谷平原，地勢北高南低，汾河自北向南貫穿全境，市境總面積6988 km2，市區(qū)總面積1460 km2，包含6個城區(qū)，中心城區(qū)總面積400 km2。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，從現(xiàn)代城市地質(zhì)研究的角度出發(fā)，分析了太原六城區(qū)城市地質(zhì)特點和未來研究方向。

1 地質(zhì)資源

（1）地下水資源

作為一個缺水型城市，太原主要依靠引黃工程和城市地下水源地的抽采來滿足城市居民的生產(chǎn)生活用水。太原目前的城市大型水源地主要有蘭村水源地、棗溝水源地、三給水源地，西張水源地4處，另外還有6處小型水源地。蘭村水源地地處汾河峽谷出口，屬于太原西山巖溶水系統(tǒng)，主要開采奧陶系馬家溝組巖溶裂隙水和上覆的汾河河床松散巖類孔隙水，目前進(jìn)行控制性抽采，抽采量20萬m3/d（董祥，2015）。蘭村水源地水質(zhì)為重碳酸鈣鎂型水，礦化度0.3 ～0.4 g/L，總硬度234 mg/L，水溫14℃，水質(zhì)符合居民生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。棗溝水源地位于太原東山，屬于山西巖溶大泉—娘子關(guān)泉域的太原東山巖溶泉區(qū)，主要抽采奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r裂隙溶洞水和寒武系巖溶裂隙水，為低鈉高鍶優(yōu)質(zhì)礦泉水。目前抽采量為10.68 m3/d。三給水源地為太原東山—西山巖溶水系統(tǒng)的連接通道，含水巖性為奧陶系灰?guī)r，富水性受巖性、構(gòu)造控制，補給區(qū)單井涌水量一般小于500 m3/d。西張水源地位于太原市萬柏林區(qū)，是太原的城市備用水源，主要含水層為上更新統(tǒng)馬蘭組松散層孔隙水，含水層埋深50～120 m，可開采量為3712萬m3/a。目前四大水源地均已超采，其他小型水源地如西山煤電水源地、小店水源地、晉源區(qū)水源地也因為過量抽采產(chǎn)生地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題。

（2）地?zé)豳Y源和淺層地溫能

地?zé)崮苁墙陙矸浅衢T的一種綠色、可循環(huán)資源，在城市取暖、旅游療養(yǎng)方面發(fā)展迅速。我國對地?zé)岬拇笠?guī)模利用和勘查開始于20世紀(jì)70年代，并在西藏羊八井建成地?zé)犭娬尽＝陙恚旖?、北京、?nèi)蒙等地利用地?zé)峁┡l(fā)展迅速。太原市城區(qū)位于我國汾渭地塹地?zé)釒?，地?zé)崮芴N藏在太原斷陷盆地內(nèi)，太原地?zé)岙惓^(qū)東西以邊山斷裂為界，以北以三給地壘為界。地?zé)醿訛槎B系、三疊系砂巖層和第三系砂巖及奧陶系灰?guī)r。根據(jù)儲層特征和地溫場分布，分為8處地?zé)崽?，分別為太原城區(qū)凹陷地?zé)崽?、西銘斷階地?zé)崽?、城東斷階地?zé)崽?、親賢地壘地?zé)崽?、邊山斷裂地?zé)崽?、黃陵斷階地?zé)崽铩x源凹陷地?zé)崽锖颓褰话枷莸責(zé)崽铮▓D1）。太原地?zé)峋谒疁匾话憬橛?1℃～58℃，屬于地溫地?zé)豳Y源（張海永，2016）。截至2015年，太原市六城區(qū)共有37眼熱水井，年采儲量為730萬t，可利用熱能折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.07萬t，在太原市的能源結(jié)構(gòu)中僅占0.19%。

圖1 太原市地?zé)崽锓植紙DFig.1 Taiyuan geothermal field distribution map

淺層地溫能資源是指蘊藏在地表以下200 m范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能。數(shù)據(jù)顯示，太原市城區(qū)淺層地溫能可利用總量冬季可供暖面積為7405萬m2，夏季可制冷面積為14030萬m2，可利用資源折合標(biāo)準(zhǔn)煤350.2萬t。2015年，太原市六城區(qū)淺層地溫能資源供暖與制冷面積 100.244萬m2，可利用淺層地溫能資源折合標(biāo)準(zhǔn)煤3.62萬t。未來，根據(jù)全國地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃，預(yù)計到2020年，山西淺層地?zé)崮芄┡娣e將達(dá)到1000萬m2，水熱型地?zé)崮芄┡娣e5700萬m2，開發(fā)重點主要集中在太原南城區(qū)。

（3）地質(zhì)遺跡

太原西山月門溝煤系地層為華北石炭二疊含煤地層的標(biāo)準(zhǔn)剖面，也是巖石地層單位太原組的命名地，晉源區(qū)晉祠—天龍山—龍山一帶是太原組底部晉祠砂巖的命名地。東山大窯頭村是煤系地層太原組中東大窯灰?guī)r的命名地。太原東山孟家井瓷窯是歷史上著名的北方窯都。汾河上蘭村峽谷地層是北方奧陶系馬家溝組的典型剖面。西山邊山過渡帶是新生代黃土地層的典型剖面。

（4）天然建材

太原市天然建材主要有石灰石、石膏、河卵石、建筑用砂、黏土等。石灰?guī)r、石膏與建筑用黏土主要分布于東西山邊山地帶寒武—奧陶系灰?guī)r出露區(qū)?；?guī)r儲量大，覆蓋層薄，易于開采，是主要是建材資源。河卵石及建筑用砂主要分布于汾河及其支流，如楊興河、柏板河河床和河漫灘等地。建筑用砂巖主要分布于西山西銘、化客頭等地石盒子組出露區(qū)。

2 土地和土壤質(zhì)量

（1）土地質(zhì)量

土地是城市發(fā)展的基石，土壤是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，是與人類關(guān)系密切的環(huán)境介質(zhì)，也是人類賴以生存的自然資源。太原六城區(qū)土地中重金屬元素均高于山西省背景值，鎘的含量超過國家一級標(biāo)準(zhǔn)，鉛、鎘平均值均為全省土壤背景值的約2～4倍（王慧峰，2016）。工業(yè)排污、交通污染及污水灌概是鉛含量異常高值的主要結(jié)果。總體來說，迎澤區(qū)與晉源區(qū)大部分土地質(zhì)量狀況良好，滿足一級土地標(biāo)準(zhǔn)。其余4個區(qū)土壤質(zhì)量均為二級土地標(biāo)準(zhǔn)。北部受重工業(yè)影響，土地質(zhì)量相對較差，東南部受燃煤和交通運輸影響，土壤污染狀況相對嚴(yán)重，土地質(zhì)量相對較差。

（2）污灌區(qū)土地

太原污灌區(qū)污灌歷史較長，面積較大，是我國污灌區(qū)的典型代表。太原的污灌區(qū)主要集中在北部的尖草坪區(qū)、南部的小店區(qū)和西南部的晉源區(qū)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)（栗獻(xiàn)鋒，2012），太原市污灌區(qū)土壤重金屬含量均未超過土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（BG15618-1995），但顯著高于太原市土壤背景值。土壤中汞和鎘的含量在造成土壤污染的同時，也具有一定的生態(tài)危害性。污水灌溉是土壤汞、鎘污染的主要原因。

（3）垃圾場

城市垃圾是典型的城市病之一。隨著城市人口的不斷擴大，太原的城市垃圾也日益增多。目前太原擁有兩座生活垃圾填埋場和一座生活垃圾發(fā)電廠，處理能力127萬t/a（李莉，2011；王必英，2014）。垃圾填埋需要做好填埋場地防滲和滲漏液的處理以及填埋氣體的凈化和再利用。焚燒法主要做好煙氣排放凈化和對滲出液的處理。

（4）地下水污染

太原是我國重要的能源化工基地，市內(nèi)有眾多冶金、化工、煤炭、電力以及機械制造等高耗能高污染企業(yè)。長期的工業(yè)污水礦渣的排放和堆放，造成了嚴(yán)重的地下水污染。調(diào)查發(fā)現(xiàn)（蔣方媛等，2009），市區(qū)200m以淺的孔隙水的TDS、總硬度、SO42-，Cl-、NO3-近年來呈現(xiàn)上升趨勢。市區(qū)南部由于人口工農(nóng)業(yè)密集，排污量較大，地下水污染較市區(qū)北部嚴(yán)重。

3 地質(zhì)災(zāi)害

（1）崩塌滑坡泥石流

作為一個資源型城市和北方的重工業(yè)城市，長期的采礦活動和人類活動導(dǎo)致了眾多地質(zhì)災(zāi)害。太原主要地質(zhì)災(zāi)害（隱患）類型有崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷、地面沉降、泥石流等。據(jù)2015年地質(zhì)災(zāi)害核查結(jié)果，太原市共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患點654處，城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害總計226處，其中晉源區(qū)50處，萬柏林區(qū)70處，迎澤區(qū)12處，小店區(qū)12處，杏花嶺區(qū)42處，尖草坪區(qū)40處。太原城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要分布在邊山一帶采礦建筑活動強烈破壞區(qū)，如采礦引發(fā)的地面塌陷、滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害主要分布于礦山較集中的萬柏林區(qū)西部、晉源區(qū)西部等地區(qū)，迎澤區(qū)東部和小店區(qū)東北部（圖2）。建筑、交通等工程活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育于尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)及小店區(qū)、迎澤區(qū)的部分地區(qū)。引起地質(zhì)災(zāi)害的主要原因是長期的采煤、采礦活動、建筑活動、過量抽取地下水。發(fā)生于1996年8月4日，造成36人死亡的太原西山虎峪溝特大型泥石流災(zāi)害，即由采煤活動疊加強降雨引發(fā)（秦瑞萍等，2000）。截至2015年，太原市六城區(qū)有16座煤礦，礦區(qū)面積達(dá)338.93 km2，占太原六城區(qū)國土面積的23.89%。礦產(chǎn)開發(fā)在太原市六城區(qū)形成的地下采礦擾動影響區(qū)面積達(dá)到 463.454 km2，由人類活動引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害占太原全部地質(zhì)災(zāi)害的66%（曹金亮等，2010）。

（2）地面沉降

地面沉降是太原平原地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害，全市地面沉降面積600km2（曹金亮，2010），目前已經(jīng)形成西張、下元、吳家堡等沉降中心（圖2）。全市最大沉降中心位于吳家堡—大馬村一帶，累計沉降314.8 cm，年沉降速率6.17cm/a。2009—2014年的監(jiān)測結(jié)果顯示，太原市南城區(qū)地面沉降嚴(yán)重，高新區(qū)4年累計沉降量達(dá)115.2mm（李軍，2016）。地下水的過量開采是太原市地面沉降的主要原因。

（3）區(qū)域斷層與活動斷裂

太原城區(qū)南北向區(qū)域性斷裂，主要有西邊山斷裂、東邊山斷裂以及中部的新城-汾河斷裂縱貫太原城區(qū)全境，東西向區(qū)域性活動斷裂主要為田莊斷裂（圖3）。近年來，隨著城市擴張和軌道交通的發(fā)展，城市地下活動斷裂逐漸成為城市地質(zhì)研究的熱點（張龍飛，2016）。太原市擬建的軌道交通2號線即橫跨太原晉源區(qū)南部的田莊斷裂。田莊斷裂西起晉源區(qū)田村，經(jīng)候家寨至田莊，全長35 km，NEE走向，傾向SE，為一晚更新世的高角度正斷層。斷裂帶附近，小地震密集。監(jiān)測顯示，該斷裂自1970年以來，共發(fā)生8次震群活動（曾金艷等，2016；李自紅等，2018），地震活動強烈，影響顯著。

圖2 太原城區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害圖Fig.2 Geological hazard map of Taiyuan City

圖3 太原城區(qū)主斷裂分布圖Fig.3 Taiyuan main fault distribution map

4 結(jié)論與建議

城市地質(zhì)是未來地質(zhì)工作的重要發(fā)展方向，理清城市地質(zhì)條件是一個城市繁榮發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件。太原作為山西省省會和山西轉(zhuǎn)型綜改示范區(qū)的主戰(zhàn)場，太原城市地質(zhì)的調(diào)查和研究是山西地質(zhì)工作的重中之重。未來隨著太原城市的進(jìn)一步擴張和人口的不斷增加，如何從人口-資源-環(huán)境的角度出發(fā)更好地為城市的綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展布局將是太原城市地質(zhì)研究的一項重要內(nèi)容。

（1）城市地質(zhì)應(yīng)首先保障城市發(fā)展所需要的足夠的地質(zhì)空間。地下方面，隨著太原“南移西進(jìn)北拓”發(fā)展戰(zhàn)略的實施和“雙城多組團(tuán)”的城市空間結(jié)構(gòu)的形成以及城市軌道交通的開建，改造區(qū)、新建區(qū)、規(guī)劃區(qū)的地質(zhì)適宜性和地下空間的復(fù)雜程度研究將成為未來太原城市地質(zhì)工作的第一要務(wù)。太原西山地區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)是保障太原城市地質(zhì)環(huán)境安全的重要一環(huán)。地上方面，隨著太原重污染企業(yè)的搬遷，大批土地將成為居民生活和建筑用地，所以搬遷地土地質(zhì)量評價、土地修復(fù)也必將成為太原城市地質(zhì)的一項重要工作。

（2）城市地質(zhì)應(yīng)保證未來城市用水安全。隨著人口的進(jìn)一步增加，太原城市缺水問題將更加嚴(yán)峻。因此尋找更多城市備用水源地和保證現(xiàn)有水源地的水質(zhì)安全，是太原城市地質(zhì)的一項重要任務(wù)。

（3）城市地質(zhì)應(yīng)保證城市地質(zhì)環(huán)境安全和生態(tài)安全。太原東山、西山、北山地區(qū)由于長期的采礦活動，地質(zhì)環(huán)境問題十分突出，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，是導(dǎo)致太原地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的主要因素，也是太原洪澇災(zāi)害的源頭與太原粉塵污染的主要源頭。因此如何保證太原三山地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境安全，修復(fù)礦山生態(tài)環(huán)境是太原城市地質(zhì)研究的另一項重要內(nèi)容。

（4）城市地?zé)岷蜏\層地溫能開發(fā)利用以及地質(zhì)遺跡開發(fā)利用，是太原城市地質(zhì)未來發(fā)展的另一方向。太原地?zé)崽飳儆谏轿鞒练e盆地型地?zé)豳Y源，分布面積廣，埋藏相對較淺，地?zé)衢_發(fā)利用方興未艾。如何利用地?zé)徇M(jìn)行城市供暖，將是未來太原地質(zhì)研究的一個重要議題。太原東山—西山地區(qū)地質(zhì)遺跡豐富典型，國內(nèi)外知名，但目前地質(zhì)公園建設(shè)仍然滯后，部分遺址破壞嚴(yán)重，未來如何充分發(fā)揮這些地質(zhì)遺跡的宣傳教育意義，更好地開發(fā)保護(hù)地質(zhì)遺跡也將成為太原城市地質(zhì)研究的重要課題。