山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)雪野湖地區(qū)地?zé)犭比纬蓹C(jī)理探析

白新飛，宋津宇，張軍，于超，楊時(shí)驕，李慶義，孫曉濤

(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)

0 引言

地?zé)犭比谥委熢S多慢性疾病過(guò)程中具有良好的醫(yī)療效果，具有調(diào)節(jié)心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)的功能，另外在治療牛皮癬、銀屑病等皮膚病也有獨(dú)特療效。目前國(guó)內(nèi)著名氡泉主要有陜西臨潼華清池(1461Bq/L)、廣東從化溫泉(795.5Bq/L)、和安徽半湯溫泉(370～740Bq/L)等氡泉。

山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院在雪野湖地區(qū)實(shí)施的DR1地?zé)峥辈榫?，地?zé)崃黧w中氡含量高達(dá)379.74～563.33Bq/L，屬于稀有地?zé)犭比Y源。本次研究在雪野湖地區(qū)開(kāi)展相關(guān)工作，旨在查明地?zé)犭比Y源分布特征并探析其形成機(jī)理(1)山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東省濟(jì)南市萊蕪區(qū)雪野湖地區(qū)氡泉形成機(jī)理研究，2020年。山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，濟(jì)南雪野地區(qū)地?zé)豳Y源潛力與氡泉成因機(jī)制研究報(bào)告，2021年。。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層

雪野湖地區(qū)西南部、西北部出露有寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)地層，第四紀(jì)地層分布于水系兩側(cè)和溝谷內(nèi)(圖1)。

1.2 巖漿巖

區(qū)內(nèi)巖漿巖極發(fā)育，主要分布在泰安-大王莊斷裂以北，面積約占75%。新太古代傲徠山序列松山單元、邱子峪單元及蔣峪單元在雪野湖地區(qū)呈巖基狀產(chǎn)出，廣泛分布于雪野湖地區(qū)，傲徠山序列其他單元及其他序列侵入巖多呈巖株、巖脈狀產(chǎn)出(圖1)。

1.3 斷裂構(gòu)造

1.3.1 銅冶店-孫祖斷裂

銅冶店-孫祖斷裂在基底構(gòu)造的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，切割了斷裂兩盤所有地層，其構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng)與沂沭斷裂帶左行伸展活動(dòng)有關(guān)[2]。該斷裂經(jīng)歷至少兩期繼承性構(gòu)造活動(dòng)，先張后壓扭，強(qiáng)烈活動(dòng)期為中生代，新生代后亦有活動(dòng)[3]。該斷裂從雪野水庫(kù)西南穿過(guò)，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度約30km，總體走向310°，西北部產(chǎn)狀近直立，東南部?jī)A向SW，傾角70°～80°，寬約100～200m。

1.3.2 文祖斷裂

文祖斷裂南端位于萊蕪區(qū)上游鎮(zhèn)古老變質(zhì)巖中，向北經(jīng)文祖鎮(zhèn)于山前隱伏于松散層之下，北至德州市樂(lè)陵西。斷裂總體走向330°～350°,傾向SW，傾角50°～80°，斷裂帶西盤下降、東盤上升[4]。斷裂經(jīng)歷過(guò)至少兩次性質(zhì)不同的活動(dòng),以張扭性為主[5]。根據(jù)斷層破碎帶膠結(jié)程度、風(fēng)化特點(diǎn)、上覆沖洪積地層形成時(shí)代、地層發(fā)育特征及地貌表現(xiàn)，分析認(rèn)為文祖斷裂在中更新世早、中期以來(lái)沒(méi)有活動(dòng)[6]。

1.3.3 明水?dāng)嗔?/p>

明水?dāng)嗔?，北起明水，南至苗山，呈NW—NNW向展布，傾向SW，傾角70°～85°，帶寬一般20～30m，最寬處可達(dá)200m。斷裂具多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，早期為張性，晚期為壓性，顯示以壓性為主兼左行扭動(dòng)的特點(diǎn)。斷裂總體表現(xiàn)為西盤下降，東盤上升的正斷層。

1.3.4 泰安-大王莊斷裂

該斷裂西起泰安市西大河水庫(kù)附近，往東經(jīng)劉家莊、大王莊、口鎮(zhèn)等地，東端與銅冶店-孫祖斷裂交會(huì)，為正斷層，走向近NEE，傾向N，傾角50°～80°，寬度10～100m，是泰萊斷陷盆地的北緣斷裂，亦是魯西弧形斷裂構(gòu)造體系中規(guī)模較大的張扭性控?zé)釘嗔选Ｔ摂嗔阎辽俳?jīng)歷過(guò)四期構(gòu)造活動(dòng)，第一期為右行壓扭，第二期為右行張扭，第三期為強(qiáng)烈擠壓，第四期為張性。該斷裂屬于第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，晚更新世斷層活動(dòng)段發(fā)育于陳家莊東城一帶，之間的最短距離為4km，斷層的垂直位移為2.8m[7]。

1.4 區(qū)域地震

研究區(qū)處于郯城-渤海和聊城-蘭考兩個(gè)強(qiáng)震帶之間，公元前70—1983年間，發(fā)生了Ms≥5級(jí)地震有31次，Ms≥4.6級(jí)地震計(jì)42次，與晚近期斷裂帶活動(dòng)性關(guān)系甚為密切。研究區(qū)及附近地區(qū)2010年至今發(fā)生地震30余次，震級(jí)0.1級(jí)～2.3級(jí)，多分布于銅冶店-孫祖斷裂帶、明水?dāng)嗔鸭疤┌?大王莊斷裂南部(圖2)。

1—研究區(qū)范圍；2—斷裂；3—遙感解譯斷裂；4—地震位置及震級(jí)圖2 雪野湖地區(qū)及周邊地震分布圖

2 土壤氡氣異常分析

本次研究采取電阻率聯(lián)合剖面法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、土壤氡氣測(cè)量三種物化探方法分析土壤氡氣異常與斷裂構(gòu)造之間的關(guān)系，針對(duì)區(qū)內(nèi)主要斷裂布置6條測(cè)量剖面線(圖1)。

2.1 土壤氡氣背景值及閾值

每條測(cè)線的第四系松散巖類及花崗巖類風(fēng)化帶分布差異較大，本次研究將每條測(cè)線數(shù)據(jù)分別處理。參考《山東省土壤地球化學(xué)背景值研究技術(shù)要求》，利用SPSS軟件分別對(duì)每條測(cè)線測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，分析計(jì)算其背景值與閾值，具體方法如下：

表1 土壤氡測(cè)量剖面線數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.2 物探解譯

本文以PM01、PM04線為例進(jìn)行綜合解譯推斷。

2.2.1 PM01土壤氡異常分析

PM01線土壤氡測(cè)量超出閾值的異常帶共3處(圖3)：

(1)1-12點(diǎn)極值為43464.5Bq/m3，視電阻率聯(lián)合剖面在該點(diǎn)附近(AB/2=70m、90m)呈現(xiàn)ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在淺部呈現(xiàn)“V”型異常，綜合推測(cè)該處為小型斷裂構(gòu)造。

(2)1-21～1-26點(diǎn)形成高-低-高的雙峰形態(tài)，1-21點(diǎn)極值為42849.4Bq/m3，視電阻率聯(lián)合剖面在該點(diǎn)附近AB/2=70m、90m均呈現(xiàn)ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面呈現(xiàn)垂直扭曲，綜合推測(cè)該處為小型斷裂構(gòu)造。

(3)1-38～1-43點(diǎn)形成依次遞減的多峰谷形態(tài)，1-38點(diǎn)極值為67475.1Bq/m3，視電阻率聯(lián)合剖面在該點(diǎn)附近(AB/2=70m、90m)均呈現(xiàn)ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在淺部呈現(xiàn)電阻率錯(cuò)斷、深部呈現(xiàn)明顯連續(xù)低阻異常帶，推測(cè)為文祖斷裂，與區(qū)域地質(zhì)資料基本吻合。

1—Rn濃度測(cè)量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—ρsA；5—ρsB；6—推測(cè)斷裂；7—DR1地?zé)峋畧D3 PM01物探解譯對(duì)比圖

2.2.2 PM04土壤氡異常分析

PM04線土壤氡測(cè)量超出閾值的異常帶6處(圖4)：

(1)4-43點(diǎn)極值為29656.3Bq/m3，與4-39、4-46點(diǎn)形成多峰形態(tài)，視電阻率聯(lián)合剖面在該點(diǎn)附近(AB/2=70m、90m)呈現(xiàn)ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在附近出現(xiàn)高低阻接觸、電阻率等值線垂直扭曲，推測(cè)為泰安-大王莊斷裂。該區(qū)域第四系厚度較大，土壤氡異常帶范圍沿?cái)嗔褍A角存在一定距離遷移偏差。

(2)4-53點(diǎn)極值為30784.9Bq/m3，與4-51點(diǎn)形成雙峰形態(tài)，視電阻率聯(lián)合剖面在該點(diǎn)附近2處(AB/2=70m、90m)呈現(xiàn)ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在附近電阻率等值線垂直扭曲，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂次級(jí)斷裂。

(3)4-63～4-76點(diǎn)形成鋸齒狀形態(tài)，4-69點(diǎn)極值為35756.3Bq/m3，視電阻率聯(lián)合剖面在該范圍內(nèi)2處出現(xiàn)(AB/2=70m、90m)呈現(xiàn)ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面呈現(xiàn)電阻率等值線錯(cuò)斷、垂直突變，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂次級(jí)斷裂。

(4)4-84～4-87點(diǎn)形成單峰形態(tài)，4-87點(diǎn)極值為138405.1Bq/m3，視電阻率聯(lián)合剖面在該點(diǎn)附近(AB/2=70m、90m)呈現(xiàn)ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面呈現(xiàn)視電阻率錯(cuò)斷、垂直扭曲，推測(cè)為銅冶店-孫祖斷裂主斷裂，與區(qū)域地質(zhì)資料基本吻合。

(5)4-93點(diǎn)極值為31586.2Bq/m3，與4-91、4-96點(diǎn)形成多峰谷形態(tài)，視電阻率聯(lián)合剖面無(wú)反應(yīng)，視電阻率斷面圖邊緣，視電阻率異常不明顯，暫不推測(cè)為斷裂。

2.3 土壤氡氣異常與斷裂關(guān)系

由物探解譯結(jié)果可知，土壤氡氣測(cè)量異常帶與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)：

(1)土壤氡氣異常帶均位于斷裂帶處，說(shuō)明斷裂構(gòu)造裂隙帶是深部巖體釋放出來(lái)的氡匯集與遷移通道。

(2)土壤氡氣異常程度與斷裂發(fā)育規(guī)模呈正相關(guān)性，各測(cè)線的土壤氡氣極大值及異常范圍均位于各測(cè)線的主斷裂處。

(3)土壤氡氣異常還與斷裂的活動(dòng)性呈正相關(guān)性。銅冶店-孫祖斷裂為研究區(qū)內(nèi)的活動(dòng)斷裂，其對(duì)應(yīng)的土壤氡氣測(cè)量值明顯高于文祖斷裂；銅冶店孫祖斷裂在研究區(qū)內(nèi)形成一系列次級(jí)斷裂，次級(jí)斷裂隨著距離主斷裂越遠(yuǎn)活動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱[3]，土壤氡氣測(cè)量異常帶也亦呈現(xiàn)相同規(guī)律[8]。

1—Rn濃度測(cè)量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—ρsA；5—ρsB；6—推測(cè)斷裂圖4 PM04物探解譯對(duì)比圖

3 水氡異常分析

3.1 水氡異常界定值

許家昂等為摸清山東省礦泉水中222Rn濃度水平及變化規(guī)律，檢測(cè)送檢礦泉水樣品192個(gè)。檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：山東省礦泉水中222Rn濃度呈偏態(tài)分布，變化范圍為0.51～807.20Bq/L,中位數(shù)為19.05Bq/L,幾何均值為22.09Bq/L,幾何標(biāo)準(zhǔn)差為4.46Bq/L。其中濟(jì)南地區(qū)礦泉水中222Rn濃度，變化范圍為0.52～435.00Bq/L,中位數(shù)為21.80Bq/L,幾何均值為25.00Bq/L,幾何標(biāo)準(zhǔn)差為5.71Bq/L[9]。

依據(jù)《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋正態(tài)性檢驗(yàn)》(GB/T 4882--2001)，呈偏態(tài)分布取平均值代表背景值，取背景值±3倍標(biāo)準(zhǔn)差作為閾值：山東省背景值為22.09Bq/L，閾值為35.47Bq/L；濟(jì)南市背景值為25.00Bq/L,閾值為42.13Bq/L。結(jié)合《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615--2010)將礦水濃度值47.14Bq/L作為山東省地下水222Rn含量異常界定值。

3.2 研究區(qū)水氡異常分析

本次研究采取地下水樣品37件，水氡含量測(cè)試結(jié)果及取樣位置見(jiàn)表2、圖5，其中有24件地下水樣品水氡含量超過(guò)異常界定值：14件樣品氡含量超過(guò)礦水命名濃度下限，10件樣品達(dá)到礦水濃度[10]。

表2 地下水樣品氡測(cè)量結(jié)果

1—第四系；2—寒武-奧陶系；3—中生代濟(jì)南序列；4—新太古代傲徠山序列；5—實(shí)測(cè)斷裂；6—推測(cè)斷裂；7—地質(zhì)界線；8—地?zé)犭比?—水氡正常點(diǎn)及編號(hào)；10—氡含量有醫(yī)療價(jià)值點(diǎn)及編號(hào)；11—氡含量達(dá)到礦水濃度點(diǎn)及編號(hào)；12—氡含量達(dá)到命名礦水濃度點(diǎn)及編號(hào)圖5 地下水取樣及水氡測(cè)試成果圖

通過(guò)對(duì)水樣測(cè)試結(jié)果、地質(zhì)條件、物探解譯資料分析，研究區(qū)地下水中氡含量存在以下規(guī)律：

(1)地下水氡異常主要分布在侵入巖分布區(qū)的基巖裂隙水，第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水無(wú)氡異常。

(2)地下水氡異常分布主要沿銅冶店-孫祖斷裂、文祖斷裂、明水?dāng)嗔?、泰?大王莊斷裂及次級(jí)斷裂呈帶狀分布，總體呈現(xiàn)越靠近斷裂異常越明顯。

(3)不同時(shí)期、不同單元侵入巖與圍巖接觸帶附近地下水氡含量亦呈現(xiàn)不同程度異常。

(4)地下水中氡含量與地下水埋深存在一定關(guān)系，呈正相關(guān)性。

4 地?zé)犭比纬蓹C(jī)理分析

4.1 氡源

地下水中氡含量與地殼巖土體中鈾的含量呈正相關(guān)性，自然界中花崗巖類巖漿巖、花崗巖類變質(zhì)巖鈾含量顯著高于沉積巖類[11]，且?guī)r漿巖酸性越強(qiáng)氡含量越高[12]，因此地?zé)犭比喾植加谒嵝曰◢弾r或花崗變質(zhì)巖類地區(qū)。

雪野湖地區(qū)巖漿巖極其發(fā)育，面積約占75%，以新太古代傲徠山序列為主，巖性為酸性二長(zhǎng)花崗巖系列，該階段構(gòu)造巖漿活動(dòng)是新太古代規(guī)模最大的一次酸性巖漿侵入事件[13]；24件水氡測(cè)試結(jié)果異常點(diǎn)及DR1地?zé)犭比挥趲r漿巖分布區(qū)；六條土壤氡氣測(cè)量剖面均位于巖漿巖分布區(qū)，其土壤氡含量背景值(表2)均遠(yuǎn)高于全國(guó)土壤氡濃度的平均值為7300Bq/m3[13]。

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)廣泛分布的酸性花崗巖類巖漿巖為雪野湖地區(qū)氡泉形成提供了穩(wěn)定、充足的物質(zhì)來(lái)源。

4.2 空間條件

氡泉形成的空間條件即蓄水條件，研究區(qū)內(nèi)分為斷裂構(gòu)造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶兩種主要類型。

4.2.1 斷裂構(gòu)造裂隙帶

研究區(qū)內(nèi)銅冶店-孫祖斷裂、文祖斷裂、明水?dāng)嗔?、泰?大王莊斷裂均具有多期活動(dòng)的特點(diǎn)，次級(jí)斷裂較發(fā)育，尤其是銅冶店-孫祖斷裂與泰安-大王莊斷裂均為四級(jí)構(gòu)造單元邊界，屬于深大斷裂且為第四紀(jì)活動(dòng)斷裂。在斷裂構(gòu)造活動(dòng)的作用下，沿?cái)嗔褬?gòu)造帶及兩側(cè)影響帶內(nèi)巖體較破碎，裂隙帶發(fā)育深度大、范圍寬、連通性好，構(gòu)成良好的地下水運(yùn)移通道和賦存空間，受斷裂構(gòu)造控制呈帶狀分布。

SY01、SY03、SY16、SY26、SY29、SY33、SY35取樣點(diǎn)地下水賦存于此類型蓄水構(gòu)造內(nèi)，水氡濃度均達(dá)到命名礦水濃度。

4.2.2 侵入接觸裂隙帶

研究區(qū)巖漿巖多期侵入，在侵入巖與圍巖接觸帶一定范圍內(nèi)巖體受成巖、擠壓、蝕變等作用下，往往沿形成一定規(guī)模的構(gòu)造裂隙密集帶[14-15]，這類裂隙密集帶發(fā)育深度較大，連通性較好，是地下水匯集與儲(chǔ)存的良好空間，沿接觸帶呈帶狀或脈狀分布。

SY7、SY9、SY10取樣點(diǎn)地下水賦存于此類型蓄水構(gòu)造內(nèi)，水氡濃度均達(dá)到命名礦水濃度。

4.3 研究區(qū)地?zé)犭比纬蓹C(jī)理淺析

4.3.1 氡泉形成機(jī)理淺析

在地震應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力作用下，斷裂構(gòu)造、侵入接觸帶兩側(cè)巖體地應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，局部產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)[16]，巖體在高應(yīng)力作用下持續(xù)發(fā)生變形與破壞，產(chǎn)生很多密集的微裂隙，使巖體內(nèi)裂隙和表面積增加，改變了巖體微結(jié)構(gòu)，伴隨著巖石、礦物中的晶格錯(cuò)動(dòng)，并出現(xiàn)超聲振動(dòng)使巖體中受束縛的氡(自由、吸附和部分封閉)釋放出來(lái)[17]。氡的釋放量與地震作用、構(gòu)造復(fù)雜性、斷裂活動(dòng)性、巖體破碎程度、裂隙連通性成正相關(guān)性。

氡具有顯著溶于水的特性，巖體中釋放出來(lái)的氡溶于賦存在裂隙帶內(nèi)的地下水，在擴(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、團(tuán)簇效應(yīng)等一系列復(fù)雜的作用下運(yùn)移至斷裂構(gòu)造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶等蓄水構(gòu)造中并向上遷移[18-20]，造成地下水氡含量異常，當(dāng)溶于地下水的氡含量富集到一定程度即形成氡泉。由于氡的半衰期只有3.825天，且其縱向遷移能力遠(yuǎn)大于其橫向遷移能力，氡異常僅沿?cái)嗔褬?gòu)造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶有限范圍內(nèi)分布。

4.3.2 地?zé)犭比纬煞治?/p>

斷裂構(gòu)造裂隙帶較侵入接觸裂隙帶發(fā)育深度大、范圍較廣、貫通性好，能更好的與深部熱源連通，具備更有利的成熱條件。在斷裂構(gòu)造局部傳熱有利地段，氡泉經(jīng)熱傳導(dǎo)加熱形成地?zé)犭比?，雪野DR1井即屬于受文祖斷裂控制形成的低溫地?zé)犭比?。研究區(qū)周邊已知地?zé)犭比Y料(表3)，形成地質(zhì)背景與雪野DR1井類似，其氡源巖性為酸性花崗巖類或酸性花崗變質(zhì)巖類，均受斷裂構(gòu)造控制形成。

表3 研究區(qū)及周邊地?zé)犭比艣r

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)廣泛分布的酸性花崗巖類提供了氡的物質(zhì)來(lái)源，是地?zé)犭比纬苫A(chǔ)條件；斷裂構(gòu)造形成的斷裂破碎帶及裂隙帶提供了地下水與氡遷移與富集的空間條件，同時(shí)是與深部熱源溝通的通道，是地?zé)犭比纬傻谋匾獥l件。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)土壤氡測(cè)量、地下水樣品氡測(cè)量結(jié)果，研究區(qū)土壤氡異常與水氡異常均沿?cái)嗔褬?gòu)造、侵入接觸帶呈帶狀分布。

(2)研究區(qū)大面積發(fā)育的傲徠山序列侵入巖為氡泉形成提供了充足的物質(zhì)來(lái)源；斷裂構(gòu)造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶提供了氡泉形成的空間條件。

(3)斷裂構(gòu)造裂隙帶較侵入接觸裂隙帶溝通深部熱源更有利，地?zé)犭比饕軘嗔褬?gòu)造控制形成。

(4)本次研究采取的工作方法與手段，為地質(zhì)背景條件類似地區(qū)的地?zé)犭比辈樘峁┙梃b意義。