基于水化學(xué)的沂源盆地地?zé)崽锍蔁崮Ｊ教接?/h1>
2022-08-01 09:21:26薄本玉王韶霞馬鵬飛葉倩譚肖波謝峰
山東國土資源 2022年7期
薄本玉,王韶霞,馬鵬飛,葉倩,譚肖波*,謝峰
(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省地礦工程勘察院),山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250014；2.淄博市自然資源和規(guī)劃局地質(zhì)礦產(chǎn)技術(shù)中心,山東 淄博 255022)
0 引言
地?zé)豳Y源作為清潔、環(huán)保、可再生的清潔能源，已得到廣泛應(yīng)用[1]。山東省是地?zé)豳Y源大省[2]，《山東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》明確指出，要加大地?zé)豳Y源勘查力度，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐。
沂源盆地現(xiàn)有地?zé)峋畠裳?編號(hào)為R1、R2)(圖1)，分別成井于2007年和2011年，由于位于魯中高地，地?zé)豳Y源顯得彌足珍貴，引起了學(xué)者們對(duì)該區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)的興趣并進(jìn)行了進(jìn)一步研究。2017年，尹秀貞[3]以R1井為例，對(duì)地?zé)崽锼|(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)資源量進(jìn)行了估算，初步分析了地?zé)岢梢颉?020年，單吉成等[4]結(jié)合沂源盆地已有的兩眼地?zé)峋?，從分析地?zé)岬刭|(zhì)條件及地溫場特征角度對(duì)地?zé)崽锍梢蜻M(jìn)行了歸納，對(duì)地?zé)崴|(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出其開發(fā)利用用途廣泛，對(duì)提升城市形象，打造地方品牌具有重要推動(dòng)作用。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)峋匦虏杉说責(zé)崴畼悠?，進(jìn)行了氫氧同位素、碳同位素及氣體同位素分析，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合研究，明確其水源、熱源的來源，并結(jié)合水循環(huán)機(jī)理，總結(jié)小型盆地地?zé)岬某蔁崮Ｊ?，從地學(xué)角度對(duì)成熱模式進(jìn)行命名，以提高其地?zé)嵴业V的理論研究水平，為下一步的勘查規(guī)劃及開發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)，為類似地?zé)崽锏难芯刻峁┙梃b參考。
1 地?zé)岬刭|(zhì)條件概述
沂源縣位于山東省中部，淄博市最南端，地處魯中腹地沂蒙山區(qū)，平均海拔401m，是山東省平均海拔最高的縣。沂源盆地地?zé)崽镂挥隰斨新∑鸬責(zé)醽唴^(qū)內(nèi)[5]，屬隆起山地型地?zé)豳Y源。大地構(gòu)造位于沂源斷陷盆地內(nèi)，分布于中部南麻街道—悅莊鎮(zhèn)一帶，為魯西臺(tái)背斜魯中隆起-馬牧池-沂源斷隆-沂源凹陷區(qū)，為魯中南中低山丘陵區(qū)的凹陷盆地，地殼運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)中的局部下降運(yùn)動(dòng)。古生代中奧陶紀(jì)以來，主要表現(xiàn)為不斷的下降運(yùn)動(dòng)，蓋層以厚度可觀的古近系、白堊系及部分石炭系為主。蓋層之下隱伏或埋藏著巨厚的寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖地層，厚度大于1000m。經(jīng)過地質(zhì)歷史上多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，區(qū)內(nèi)發(fā)育了較為復(fù)雜的斷裂構(gòu)造，成為溝通深部熱源的良好通道。如上五井?dāng)嗔?、韓旺斷裂、李家莊斷裂等。經(jīng)地?zé)峋衣?，沂源盆地地?zé)崽餆醿?chǔ)層主要為奧陶系和寒武系，其巖性主要為石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。盆地北部為地質(zhì)時(shí)代較老的太古代花崗片麻巖。R1井井深2003m，井口出水溫度45℃，水量為192m3/d(降深268m)，熱儲(chǔ)層為奧陶系和寒武系；R2井井深1200m，井口出水溫度42℃，水量1954m3/d(降深128m)，熱儲(chǔ)層為奧陶系。
沂源盆地地?zé)崽镞吔纾簴|部、北部以韓旺斷裂為界，西部以李家莊斷裂為界，南部以奧陶系頂板400m等埋深線(25℃熱儲(chǔ)界線)為界，面積約31km2(圖1)。
1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—花崗巖；9—地質(zhì)界線；10—實(shí)測(cè)平行不整合地質(zhì)界線；11—角度不整合地質(zhì)界線；12—推測(cè)平行不整合地質(zhì)界線；13—斷裂及推測(cè)斷裂；14—奧陶紀(jì)灰?guī)r頂板埋深等值線及值(m)；15—測(cè)溫孔及地溫梯度(℃/100m)；16—地溫梯度等值線及值(℃/100m)；17—地?zé)峋熬幪?hào)；18—地?zé)崽锓秶鷪D1 沂源盆地地?zé)岬刭|(zhì)簡圖
2 樣品采集與分析
本次研究采集了R2號(hào)地?zé)峋責(zé)崃黧w樣品并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試分析。其中常規(guī)分析和微量元素分析由山東省地礦工程勘察院測(cè)試完成，地?zé)崴嘘庪x子的測(cè)定采用離子色譜(Dionex-500)測(cè)定，陽離子的測(cè)試采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定，微量元素的測(cè)試采用電感耦合等離子體光譜/質(zhì)譜(ICP-AES/MS)測(cè)定。水化學(xué)的測(cè)試精度是±3%，檢測(cè)下限是0.05mg/L。
氫氧及碳同位素由美國Beta實(shí)驗(yàn)室(Beta Analytic Inc.)測(cè)試完成，氫氧同位素采用液體激光同位素分析儀(L1102-1,Picarro)測(cè)定，δ18O和δ2H的檢測(cè)精度分別為±0.1×10-3和±0.5×10-3；水中14C采用加速質(zhì)譜(AMS)，測(cè)試精度為±0.2pmC(現(xiàn)代碳百分比)。
氣體樣品的采集采用排水集氣法，用50mL的玻璃瓶作為樣品收集容器，排水過程中，保持玻璃瓶口浸入裝有地?zé)崴呐柚校Ａ績?nèi)氣體收集將滿時(shí)，在水面下迅速用鋁箔膠塞封口，并將玻璃瓶保持倒立置于500mL的裝有地?zé)崴淖厣芰掀恐?。確保塑料瓶中未殘留氣泡后，旋緊瓶蓋，以膠帶密封瓶蓋。氣體同位素由具有相關(guān)中國計(jì)量認(rèn)證(編號(hào)：170017161211)的中科院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣中心完成。氣體組分分析，采用氣體質(zhì)譜儀(MAT271,ThermoFinnigan)測(cè)定，以氣體的體積百分含量(vol.%)的形式表示,儀器的檢出下限為0.0001%。儀器的分辨率為3000,以區(qū)分CO/N2/C2H4和CO2/C3H8氣體組分。氣體樣品C同位素采用氣體質(zhì)譜儀(MAT252,ThermoFinngan)測(cè)試，用同位素比值13C/12C相對(duì)千分差δ表示，標(biāo)準(zhǔn)樣品參照國際標(biāo)準(zhǔn)Vienna Pee Dee Belemnite(VPDB)，儀器的檢測(cè)精度為>±0.5×10-3。稀有氣體同位素3He、4He和20Ne的分析，采用稀有氣體質(zhì)譜儀(Noblesse MS,Nu Instrument)測(cè)定，用3He/4He和4He/20Ne來表示。
另外收集了R1號(hào)地?zé)峋責(zé)崃黧w樣品部分測(cè)試結(jié)果(表1、表2)，一并進(jìn)行研究分析。
表1 R1、R2地?zé)峋Ｒ?guī)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)表
表2 R2地?zé)峋畾怏w元素、氫氧及碳同位素分析結(jié)果匯總表
3 地?zé)岬刭|(zhì)特征
3.1 地溫場特征
沂源盆地地溫梯度較低，R1、R2蓋層地溫梯度分別為2.4℃/100m、2.3℃/100m。由地?zé)峋⒔Y(jié)合該區(qū)地溫梯度測(cè)量結(jié)果繪制的地溫梯度等值線圖可知(圖1)，水平方向上，總體呈現(xiàn)由盆地外圍到盆地中心地溫梯度逐漸增高的趨勢(shì)，分析可能是受地下水流干擾因素影響。
根據(jù)R1號(hào)地?zé)峋疁y(cè)溫資料(圖2)，第四系厚度25m，為變溫帶；全孔地溫梯度為1.89℃/100m，蓋層地溫梯度為2.4℃/100m。R1號(hào)地?zé)?1)山東省地礦工程勘察院,山東省沂源縣南麻-悅莊盆地地?zé)豳Y源調(diào)查報(bào)告,2012年。井井深2003m，寒武紀(jì)石灰?guī)r在揭露的深度內(nèi)溫度為60.95℃。該區(qū)蓋層、熱儲(chǔ)層地溫梯度整體偏低，分析認(rèn)為由于蓋層較薄，特別是石炭-二疊紀(jì)蓋層較薄，而且盆地較小，導(dǎo)致地下水運(yùn)移途徑較短，交替活動(dòng)更強(qiáng)烈[6]的原因，而使其地溫梯度較低。
圖2 R1地?zé)峋瓜虻販厍€圖
3.2 水化學(xué)特征
3.2.1 水化學(xué)特征
按熱儲(chǔ)層來講，R1井穿透奧陶系、為寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)；R2井為奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)。R1和R2兩眼地?zé)峋木诔鏊疁囟确謩e為45℃、42℃，水化學(xué)類型分別為HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型、HCO3-Ca·Mg型，均為低溫水熱型地?zé)豳Y源。與臨近的淄博向斜盆地巖溶熱儲(chǔ)地?zé)崴瘜W(xué)特征[7-8]比較，研究區(qū)7大離子濃度和礦化度都偏低，且呈現(xiàn)巖溶冷水的特征。以礦化度為例，沂源盆地地?zé)崽锏責(zé)崴V化度小于1g/L，與淄博市張店地區(qū)地?zé)崴V化度3～5g/L左右相比，明顯偏低；與山東省魯中隆起地?zé)醽唴^(qū)地?zé)崴V化度平均值1.14g/L，魯西南潛隆地?zé)醽唴^(qū)地?zé)崴V化度平均值4.8g/L相比也明顯偏低[9]，分析是由于沂源盆地整體較小，地下水徑流、運(yùn)移路徑較短，地質(zhì)構(gòu)造特別是較大地質(zhì)構(gòu)造在盆地內(nèi)不甚發(fā)育，地下水與圍巖的水巖作用較弱，導(dǎo)致其礦化度和其他主要離子濃度明顯較低。
3.2.2 同位素特征
(1)氫氧同位素。熱水的δ18O與δD的關(guān)系可以指示熱水的來源[10]，將R2號(hào)地?zé)崴臍溲跬凰販y(cè)試結(jié)果投影到中國現(xiàn)代大氣降水線[11]δD=7.9δ18O+8.2和Craig全球大氣降水線(GMWL)δD=8.0δ18O+10上[12]，可以看出，投影點(diǎn)位于大氣降水氫氧同位素組成線附近，說明本區(qū)巖溶熱水來源于大氣降水補(bǔ)給(圖3)。
圖3 沂源地?zé)崽颮2 δD～δ18O關(guān)系圖
(2)碳同位素。不同的放射性同位素測(cè)定的地下水年齡段不同，一般其測(cè)定范圍是其半衰期的0.1～10倍[13]。根據(jù)地下水的年齡，將地下水分為“現(xiàn)代”地下水、“次現(xiàn)代”地下水和“古地下水”?！艾F(xiàn)代”地下水是指在過去幾十年補(bǔ)給的地下水，是強(qiáng)烈水文循環(huán)的一部分；“次現(xiàn)代”地下水是年齡50～1000a之間的地下水；年齡大于1000a通常就算作“古地下水”[14-15]。顧慰祖等[16]從水文循環(huán)成因角度將地下水分為現(xiàn)代地下水(0～50a)、近代地下水(50～200a)、古代全新世地下水(200～10000a)和古代晚更新世地下水，且以14C年齡不大于1萬年為古代全新世地下水特征。放射性同位素測(cè)年目前常用的是14C測(cè)年技術(shù)[13]。本次研究對(duì)R2地?zé)崴M(jìn)行了14C測(cè)定，經(jīng)校正后R2的14C年齡為10.51ka B.P.，
接近1萬年，綜上可以判定R2井地?zé)崴疄楣糯率赖叵滤?/p>
(3)可更新能力評(píng)價(jià)。地下水的可更新能力與地下水的形成年齡成反比[17-18]。綜合上述氫氧同位素及碳同位素分析結(jié)果，可知R2地?zé)崴饕从诠糯髿饨邓?，說明其存在一定的封閉性，補(bǔ)給年代久遠(yuǎn)，地下水在含水層滯留時(shí)間長，地下水循環(huán)弱，可更新能力較差。
3.3 氣體及其同位素特征
地?zé)釟怏w的地球化學(xué)和同位素特征可以用來判斷地?zé)崃黧w的來源，識(shí)別殼源組分和幔源組分的比例，評(píng)價(jià)殼源熱量和幔源熱量對(duì)地表熱量的貢獻(xiàn)比例。
由表2可知，R2中地?zé)崴饕獨(dú)怏w成分為N2，占比72.07%，其次為O2、CO2。富含N2成分的地?zé)崃黧w在中低溫系統(tǒng)是很常見的，可能表示地?zé)崃黧w循環(huán)過程中低的平衡溫度[19]。而O2的相對(duì)富集，分析認(rèn)為系水溶氣氧溶解度大，巖石吸附氧的能力強(qiáng)，加上地下水處在非平衡狀態(tài)所致。但因受取樣條件限制，本次只取到一個(gè)地?zé)崴畼悠?，尚無法進(jìn)行更深入的分析研究。今后隨著研究區(qū)地?zé)峥辈殚_發(fā)的不斷深入，需要加強(qiáng)樣品的采集，以多方面綜合分析印證。
本研究根據(jù)N2-Ar-He三種組分之間的相互關(guān)系對(duì)N2的來源進(jìn)行識(shí)別(圖4)。大氣、飽和空氣水和地下水N2/Ar的比值分別為84、38、50[20-21]。如圖4所示，通過計(jì)算R2地?zé)崃黧w的N2/Ar(%)比值為53.39%，靠近He-grounder趨勢(shì)線，表明熱儲(chǔ)中地?zé)釟怏w的N2來源于深循環(huán)的地下水較多。
圖4 R2氣體N2-Ar-He三角圖
幔源、殼源和空氣中的He各自具有特征的3He/4He比值，分別為(1.1～1.4)×10-5、2×10-8、1.9×10-6[22-23]。對(duì)3He/4He進(jìn)行大氣校正(Rc/Ra)后可以計(jì)算出幔源He的百分比[24]。R2校正后的Rc/Ra值為0.35，遠(yuǎn)大于0.01，表明R2地?zé)崃黧w有地幔起源的He加入，其He占總He組分Xm=4.18%，說明R2地?zé)崴腍e來源仍然以殼源為主(圖5)。
圖5 R2地?zé)釟怏w樣品的20Ne/4He-3He/4He關(guān)系圖
綜上分析，沂源盆地地?zé)崴瘜W(xué)類型以HCO3·Cl·SO4型或HCO3型為主，礦化度小于1g/L，水化學(xué)特征接近巖溶冷水特性。但該區(qū)地下水具有深循環(huán)性，表現(xiàn)為兩點(diǎn)：一是地下水從西向東徑流，水化學(xué)類型由HCO3型逐漸演變?yōu)镠CO3·Cl·SO4型，特別是Cl-的出現(xiàn)，表明地下水進(jìn)入了相對(duì)封閉的環(huán)境，徑流相對(duì)緩慢，這與同位素分析結(jié)果基本一致；二是通過同位素及氣體地球化學(xué)分析，其地?zé)崴畞碓从诠糯髿饨邓枪糯髿饨邓?jīng)過漫長的深部循環(huán)形成的。
從地球化學(xué)特征分析可以看出，沂源盆地地?zé)崴礊楣糯髿饨邓?jīng)過漫長的深循環(huán)形成的，熱源以殼源為主。形成年代在萬年左右，地下水相對(duì)封閉。對(duì)比兩眼井的成井質(zhì)量，R2井水量、水溫均較理想，前期用于小區(qū)供暖進(jìn)行了開發(fā)利用；而R1井水量僅為192m3/d，水量較小，降深又大，幾乎沒有開發(fā)利用價(jià)值，這也是導(dǎo)致該井未進(jìn)行開發(fā)利用的主要原因。結(jié)合水文地質(zhì)條件分析，因?yàn)镽2靠近斷裂帶，深部巖溶較為發(fā)育，地下水深循環(huán)條件好；R2井遠(yuǎn)離斷裂帶，深部巖溶發(fā)育弱，導(dǎo)水導(dǎo)熱的通道發(fā)育弱，地下水深循環(huán)條件較差。從另一方面說明在該區(qū)地?zé)峋删L(fēng)險(xiǎn)較高，在該區(qū)進(jìn)行地?zé)峋碧揭M(jìn)行充分的地?zé)崽讲山Y(jié)合井位分析論證。并有規(guī)劃性地做好地?zé)峋目碧?、開發(fā)和回灌工作，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)利用。
4 成熱模式
“儲(chǔ)、蓋、通、源”是地?zé)嵝纬傻幕緱l件[25]，沂源盆地地?zé)崴男纬苫揪邆渖鲜鰲l件(圖6)。
1—第四系；2—古近系；3—白堊系+侏羅系；4—石炭系；5—奧陶系；6—寒武系；7—花崗巖；8—斷裂；9—角度不整合地質(zhì)界線；10—平行不整合地質(zhì)界線；11—冷熱水運(yùn)移途徑；12—大地?zé)崃鳎?3—地溫梯度剖面線；14—地?zé)峋畧D6 沂源盆地地?zé)崽锔拍钅Ｐ蛨D
儲(chǔ)：沂源盆地為EW向狹長，四周被低山丘陵所環(huán)繞，中間平坦，位于魯中隆起區(qū)的局部凹陷區(qū)。熱儲(chǔ)層主要為埋藏很深的奧陶紀(jì)石灰?guī)r。奧陶紀(jì)石灰?guī)r熱儲(chǔ)層中豐富的地下水是地?zé)岢休d和運(yùn)移的物質(zhì)基礎(chǔ)。
蓋：上覆較厚的古近紀(jì)、白堊紀(jì)和石炭紀(jì)地層對(duì)深部地?zé)峋哂辛己玫母魺岜匦阅堋?/p>
通：盆地四周發(fā)育的斷裂構(gòu)造，切割深度較深，是地?zé)釡贤ù蟮責(zé)崃鞯闹饕ǖ?，是深部裂隙巖溶發(fā)育帶，是地?zé)崴x存的主要場所。
源：殼源是其主要熱源。南部分布大面積奧陶紀(jì)石灰?guī)r，是盆地內(nèi)熱儲(chǔ)層的裸露區(qū)，也是區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層地下水的補(bǔ)給區(qū)。
沂源斷陷盆地南部山區(qū)大面積出露碳酸鹽巖，地勢(shì)較盆地中部高出約200～300m，地形的大高差是勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的先決條件，是地下水進(jìn)行深循環(huán)的動(dòng)力。在這種條件下，南部山區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給后，一部分在較淺部位補(bǔ)給奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層形成常溫裂隙巖溶水，一部分在大高差勢(shì)能驅(qū)動(dòng)下，沿層面及斷裂構(gòu)造帶或裂隙帶向區(qū)內(nèi)徑流并向地殼深部下滲，遇北部大面積巖漿巖體呈坐椅形圍成的天然屏障及上部蓋層的聯(lián)合阻擋下，轉(zhuǎn)化為承壓水并進(jìn)入深循環(huán)。地?zé)崴钛h(huán)往往在承壓水滯留區(qū)賦存，地下水在流動(dòng)狀態(tài)下很難達(dá)到較高的溫度[26]。由于盆地面積較小，地下水深循環(huán)的路徑較短，且在盆地內(nèi)部地下水深循環(huán)條件較差，水巖作用不是太強(qiáng)烈，使得沂源盆地地?zé)崴疁囟炔皇翘?42～45℃)，礦化度也較低。因此，深循環(huán)是沂源盆地地?zé)崴纬傻谋匾獥l件，這種成因可簡單歸納為“小型斷陷盆地深循環(huán)承壓型”。
5 結(jié)論
(1)沂源盆地地?zé)崴V化度小于1g/L，水化學(xué)類型為HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型或HCO3-Ca·Mg型。
(2)R2地?zé)崴兄饕獨(dú)怏w成分為N2，其He特征中校正后的Rc/Ra值為0.35，反映其具有明顯的殼源主導(dǎo)性。
(3)沂源盆地地?zé)崽餅榈蜏厮疅嵝偷責(zé)豳Y源，地?zé)崴畞碓从诠糯髿饨邓?jīng)深循環(huán)補(bǔ)給，熱源以殼源為主，其成因類型可歸納為小型斷陷盆地深循環(huán)承壓型。
致謝：感謝水文地質(zhì)專家程秀明老師和劉廣義老師對(duì)本文的指導(dǎo)。
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薄本玉,王韶霞,馬鵬飛,葉倩,譚肖波*,謝峰
(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省地礦工程勘察院),山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250014；2.淄博市自然資源和規(guī)劃局地質(zhì)礦產(chǎn)技術(shù)中心,山東 淄博 255022)
0 引言
地?zé)豳Y源作為清潔、環(huán)保、可再生的清潔能源，已得到廣泛應(yīng)用[1]。山東省是地?zé)豳Y源大省[2]，《山東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》明確指出，要加大地?zé)豳Y源勘查力度，加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐。
沂源盆地現(xiàn)有地?zé)峋畠裳?編號(hào)為R1、R2)(圖1)，分別成井于2007年和2011年，由于位于魯中高地，地?zé)豳Y源顯得彌足珍貴，引起了學(xué)者們對(duì)該區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)的興趣并進(jìn)行了進(jìn)一步研究。2017年，尹秀貞[3]以R1井為例，對(duì)地?zé)崽锼|(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，對(duì)資源量進(jìn)行了估算，初步分析了地?zé)岢梢颉?020年，單吉成等[4]結(jié)合沂源盆地已有的兩眼地?zé)峋?，從分析地?zé)岬刭|(zhì)條件及地溫場特征角度對(duì)地?zé)崽锍梢蜻M(jìn)行了歸納，對(duì)地?zé)崴|(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出其開發(fā)利用用途廣泛，對(duì)提升城市形象，打造地方品牌具有重要推動(dòng)作用。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)峋匦虏杉说責(zé)崴畼悠?，進(jìn)行了氫氧同位素、碳同位素及氣體同位素分析，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合研究，明確其水源、熱源的來源，并結(jié)合水循環(huán)機(jī)理，總結(jié)小型盆地地?zé)岬某蔁崮Ｊ?，從地學(xué)角度對(duì)成熱模式進(jìn)行命名，以提高其地?zé)嵴业V的理論研究水平，為下一步的勘查規(guī)劃及開發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)，為類似地?zé)崽锏难芯刻峁┙梃b參考。
1 地?zé)岬刭|(zhì)條件概述
沂源縣位于山東省中部，淄博市最南端，地處魯中腹地沂蒙山區(qū)，平均海拔401m，是山東省平均海拔最高的縣。沂源盆地地?zé)崽镂挥隰斨新∑鸬責(zé)醽唴^(qū)內(nèi)[5]，屬隆起山地型地?zé)豳Y源。大地構(gòu)造位于沂源斷陷盆地內(nèi)，分布于中部南麻街道—悅莊鎮(zhèn)一帶，為魯西臺(tái)背斜魯中隆起-馬牧池-沂源斷隆-沂源凹陷區(qū)，為魯中南中低山丘陵區(qū)的凹陷盆地，地殼運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)中的局部下降運(yùn)動(dòng)。古生代中奧陶紀(jì)以來，主要表現(xiàn)為不斷的下降運(yùn)動(dòng)，蓋層以厚度可觀的古近系、白堊系及部分石炭系為主。蓋層之下隱伏或埋藏著巨厚的寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖地層，厚度大于1000m。經(jīng)過地質(zhì)歷史上多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，區(qū)內(nèi)發(fā)育了較為復(fù)雜的斷裂構(gòu)造，成為溝通深部熱源的良好通道。如上五井?dāng)嗔?、韓旺斷裂、李家莊斷裂等。經(jīng)地?zé)峋衣?，沂源盆地地?zé)崽餆醿?chǔ)層主要為奧陶系和寒武系，其巖性主要為石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。盆地北部為地質(zhì)時(shí)代較老的太古代花崗片麻巖。R1井井深2003m，井口出水溫度45℃，水量為192m3/d(降深268m)，熱儲(chǔ)層為奧陶系和寒武系；R2井井深1200m，井口出水溫度42℃，水量1954m3/d(降深128m)，熱儲(chǔ)層為奧陶系。
沂源盆地地?zé)崽镞吔纾簴|部、北部以韓旺斷裂為界，西部以李家莊斷裂為界，南部以奧陶系頂板400m等埋深線(25℃熱儲(chǔ)界線)為界，面積約31km2(圖1)。
1—第四系；2—古近系；3—白堊系；4—侏羅系；5—石炭系；6—奧陶系；7—寒武系；8—花崗巖；9—地質(zhì)界線；10—實(shí)測(cè)平行不整合地質(zhì)界線；11—角度不整合地質(zhì)界線；12—推測(cè)平行不整合地質(zhì)界線；13—斷裂及推測(cè)斷裂；14—奧陶紀(jì)灰?guī)r頂板埋深等值線及值(m)；15—測(cè)溫孔及地溫梯度(℃/100m)；16—地溫梯度等值線及值(℃/100m)；17—地?zé)峋熬幪?hào)；18—地?zé)崽锓秶鷪D1 沂源盆地地?zé)岬刭|(zhì)簡圖
2 樣品采集與分析
本次研究采集了R2號(hào)地?zé)峋責(zé)崃黧w樣品并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試分析。其中常規(guī)分析和微量元素分析由山東省地礦工程勘察院測(cè)試完成，地?zé)崴嘘庪x子的測(cè)定采用離子色譜(Dionex-500)測(cè)定，陽離子的測(cè)試采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定，微量元素的測(cè)試采用電感耦合等離子體光譜/質(zhì)譜(ICP-AES/MS)測(cè)定。水化學(xué)的測(cè)試精度是±3%，檢測(cè)下限是0.05mg/L。
氫氧及碳同位素由美國Beta實(shí)驗(yàn)室(Beta Analytic Inc.)測(cè)試完成，氫氧同位素采用液體激光同位素分析儀(L1102-1,Picarro)測(cè)定，δ18O和δ2H的檢測(cè)精度分別為±0.1×10-3和±0.5×10-3；水中14C采用加速質(zhì)譜(AMS)，測(cè)試精度為±0.2pmC(現(xiàn)代碳百分比)。
氣體樣品的采集采用排水集氣法，用50mL的玻璃瓶作為樣品收集容器，排水過程中，保持玻璃瓶口浸入裝有地?zé)崴呐柚校Ａ績?nèi)氣體收集將滿時(shí)，在水面下迅速用鋁箔膠塞封口，并將玻璃瓶保持倒立置于500mL的裝有地?zé)崴淖厣芰掀恐?。確保塑料瓶中未殘留氣泡后，旋緊瓶蓋，以膠帶密封瓶蓋。氣體同位素由具有相關(guān)中國計(jì)量認(rèn)證(編號(hào)：170017161211)的中科院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣中心完成。氣體組分分析，采用氣體質(zhì)譜儀(MAT271,ThermoFinnigan)測(cè)定，以氣體的體積百分含量(vol.%)的形式表示,儀器的檢出下限為0.0001%。儀器的分辨率為3000,以區(qū)分CO/N2/C2H4和CO2/C3H8氣體組分。氣體樣品C同位素采用氣體質(zhì)譜儀(MAT252,ThermoFinngan)測(cè)試，用同位素比值13C/12C相對(duì)千分差δ表示，標(biāo)準(zhǔn)樣品參照國際標(biāo)準(zhǔn)Vienna Pee Dee Belemnite(VPDB)，儀器的檢測(cè)精度為>±0.5×10-3。稀有氣體同位素3He、4He和20Ne的分析，采用稀有氣體質(zhì)譜儀(Noblesse MS,Nu Instrument)測(cè)定，用3He/4He和4He/20Ne來表示。
另外收集了R1號(hào)地?zé)峋責(zé)崃黧w樣品部分測(cè)試結(jié)果(表1、表2)，一并進(jìn)行研究分析。
表1 R1、R2地?zé)峋Ｒ?guī)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)表
表2 R2地?zé)峋畾怏w元素、氫氧及碳同位素分析結(jié)果匯總表
3 地?zé)岬刭|(zhì)特征
3.1 地溫場特征
沂源盆地地溫梯度較低，R1、R2蓋層地溫梯度分別為2.4℃/100m、2.3℃/100m。由地?zé)峋⒔Y(jié)合該區(qū)地溫梯度測(cè)量結(jié)果繪制的地溫梯度等值線圖可知(圖1)，水平方向上，總體呈現(xiàn)由盆地外圍到盆地中心地溫梯度逐漸增高的趨勢(shì)，分析可能是受地下水流干擾因素影響。
根據(jù)R1號(hào)地?zé)峋疁y(cè)溫資料(圖2)，第四系厚度25m，為變溫帶；全孔地溫梯度為1.89℃/100m，蓋層地溫梯度為2.4℃/100m。R1號(hào)地?zé)?1)山東省地礦工程勘察院,山東省沂源縣南麻-悅莊盆地地?zé)豳Y源調(diào)查報(bào)告,2012年。井井深2003m，寒武紀(jì)石灰?guī)r在揭露的深度內(nèi)溫度為60.95℃。該區(qū)蓋層、熱儲(chǔ)層地溫梯度整體偏低，分析認(rèn)為由于蓋層較薄，特別是石炭-二疊紀(jì)蓋層較薄，而且盆地較小，導(dǎo)致地下水運(yùn)移途徑較短，交替活動(dòng)更強(qiáng)烈[6]的原因，而使其地溫梯度較低。
圖2 R1地?zé)峋瓜虻販厍€圖
3.2 水化學(xué)特征
3.2.1 水化學(xué)特征
按熱儲(chǔ)層來講，R1井穿透奧陶系、為寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)；R2井為奧陶紀(jì)灰?guī)r熱儲(chǔ)。R1和R2兩眼地?zé)峋木诔鏊疁囟确謩e為45℃、42℃，水化學(xué)類型分別為HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型、HCO3-Ca·Mg型，均為低溫水熱型地?zé)豳Y源。與臨近的淄博向斜盆地巖溶熱儲(chǔ)地?zé)崴瘜W(xué)特征[7-8]比較，研究區(qū)7大離子濃度和礦化度都偏低，且呈現(xiàn)巖溶冷水的特征。以礦化度為例，沂源盆地地?zé)崽锏責(zé)崴V化度小于1g/L，與淄博市張店地區(qū)地?zé)崴V化度3～5g/L左右相比，明顯偏低；與山東省魯中隆起地?zé)醽唴^(qū)地?zé)崴V化度平均值1.14g/L，魯西南潛隆地?zé)醽唴^(qū)地?zé)崴V化度平均值4.8g/L相比也明顯偏低[9]，分析是由于沂源盆地整體較小，地下水徑流、運(yùn)移路徑較短，地質(zhì)構(gòu)造特別是較大地質(zhì)構(gòu)造在盆地內(nèi)不甚發(fā)育，地下水與圍巖的水巖作用較弱，導(dǎo)致其礦化度和其他主要離子濃度明顯較低。
3.2.2 同位素特征
(1)氫氧同位素。熱水的δ18O與δD的關(guān)系可以指示熱水的來源[10]，將R2號(hào)地?zé)崴臍溲跬凰販y(cè)試結(jié)果投影到中國現(xiàn)代大氣降水線[11]δD=7.9δ18O+8.2和Craig全球大氣降水線(GMWL)δD=8.0δ18O+10上[12]，可以看出，投影點(diǎn)位于大氣降水氫氧同位素組成線附近，說明本區(qū)巖溶熱水來源于大氣降水補(bǔ)給(圖3)。
圖3 沂源地?zé)崽颮2 δD～δ18O關(guān)系圖
(2)碳同位素。不同的放射性同位素測(cè)定的地下水年齡段不同，一般其測(cè)定范圍是其半衰期的0.1～10倍[13]。根據(jù)地下水的年齡，將地下水分為“現(xiàn)代”地下水、“次現(xiàn)代”地下水和“古地下水”?！艾F(xiàn)代”地下水是指在過去幾十年補(bǔ)給的地下水，是強(qiáng)烈水文循環(huán)的一部分；“次現(xiàn)代”地下水是年齡50～1000a之間的地下水；年齡大于1000a通常就算作“古地下水”[14-15]。顧慰祖等[16]從水文循環(huán)成因角度將地下水分為現(xiàn)代地下水(0～50a)、近代地下水(50～200a)、古代全新世地下水(200～10000a)和古代晚更新世地下水，且以14C年齡不大于1萬年為古代全新世地下水特征。放射性同位素測(cè)年目前常用的是14C測(cè)年技術(shù)[13]。本次研究對(duì)R2地?zé)崴M(jìn)行了14C測(cè)定，經(jīng)校正后R2的14C年齡為10.51ka B.P.，
接近1萬年，綜上可以判定R2井地?zé)崴疄楣糯率赖叵滤?/p>
(3)可更新能力評(píng)價(jià)。地下水的可更新能力與地下水的形成年齡成反比[17-18]。綜合上述氫氧同位素及碳同位素分析結(jié)果，可知R2地?zé)崴饕从诠糯髿饨邓?，說明其存在一定的封閉性，補(bǔ)給年代久遠(yuǎn)，地下水在含水層滯留時(shí)間長，地下水循環(huán)弱，可更新能力較差。
3.3 氣體及其同位素特征
地?zé)釟怏w的地球化學(xué)和同位素特征可以用來判斷地?zé)崃黧w的來源，識(shí)別殼源組分和幔源組分的比例，評(píng)價(jià)殼源熱量和幔源熱量對(duì)地表熱量的貢獻(xiàn)比例。
由表2可知，R2中地?zé)崴饕獨(dú)怏w成分為N2，占比72.07%，其次為O2、CO2。富含N2成分的地?zé)崃黧w在中低溫系統(tǒng)是很常見的，可能表示地?zé)崃黧w循環(huán)過程中低的平衡溫度[19]。而O2的相對(duì)富集，分析認(rèn)為系水溶氣氧溶解度大，巖石吸附氧的能力強(qiáng)，加上地下水處在非平衡狀態(tài)所致。但因受取樣條件限制，本次只取到一個(gè)地?zé)崴畼悠?，尚無法進(jìn)行更深入的分析研究。今后隨著研究區(qū)地?zé)峥辈殚_發(fā)的不斷深入，需要加強(qiáng)樣品的采集，以多方面綜合分析印證。
本研究根據(jù)N2-Ar-He三種組分之間的相互關(guān)系對(duì)N2的來源進(jìn)行識(shí)別(圖4)。大氣、飽和空氣水和地下水N2/Ar的比值分別為84、38、50[20-21]。如圖4所示，通過計(jì)算R2地?zé)崃黧w的N2/Ar(%)比值為53.39%，靠近He-grounder趨勢(shì)線，表明熱儲(chǔ)中地?zé)釟怏w的N2來源于深循環(huán)的地下水較多。
圖4 R2氣體N2-Ar-He三角圖
幔源、殼源和空氣中的He各自具有特征的3He/4He比值，分別為(1.1～1.4)×10-5、2×10-8、1.9×10-6[22-23]。對(duì)3He/4He進(jìn)行大氣校正(Rc/Ra)后可以計(jì)算出幔源He的百分比[24]。R2校正后的Rc/Ra值為0.35，遠(yuǎn)大于0.01，表明R2地?zé)崃黧w有地幔起源的He加入，其He占總He組分Xm=4.18%，說明R2地?zé)崴腍e來源仍然以殼源為主(圖5)。
圖5 R2地?zé)釟怏w樣品的20Ne/4He-3He/4He關(guān)系圖
綜上分析，沂源盆地地?zé)崴瘜W(xué)類型以HCO3·Cl·SO4型或HCO3型為主，礦化度小于1g/L，水化學(xué)特征接近巖溶冷水特性。但該區(qū)地下水具有深循環(huán)性，表現(xiàn)為兩點(diǎn)：一是地下水從西向東徑流，水化學(xué)類型由HCO3型逐漸演變?yōu)镠CO3·Cl·SO4型，特別是Cl-的出現(xiàn)，表明地下水進(jìn)入了相對(duì)封閉的環(huán)境，徑流相對(duì)緩慢，這與同位素分析結(jié)果基本一致；二是通過同位素及氣體地球化學(xué)分析，其地?zé)崴畞碓从诠糯髿饨邓枪糯髿饨邓?jīng)過漫長的深部循環(huán)形成的。
從地球化學(xué)特征分析可以看出，沂源盆地地?zé)崴礊楣糯髿饨邓?jīng)過漫長的深循環(huán)形成的，熱源以殼源為主。形成年代在萬年左右，地下水相對(duì)封閉。對(duì)比兩眼井的成井質(zhì)量，R2井水量、水溫均較理想，前期用于小區(qū)供暖進(jìn)行了開發(fā)利用；而R1井水量僅為192m3/d，水量較小，降深又大，幾乎沒有開發(fā)利用價(jià)值，這也是導(dǎo)致該井未進(jìn)行開發(fā)利用的主要原因。結(jié)合水文地質(zhì)條件分析，因?yàn)镽2靠近斷裂帶，深部巖溶較為發(fā)育，地下水深循環(huán)條件好；R2井遠(yuǎn)離斷裂帶，深部巖溶發(fā)育弱，導(dǎo)水導(dǎo)熱的通道發(fā)育弱，地下水深循環(huán)條件較差。從另一方面說明在該區(qū)地?zé)峋删L(fēng)險(xiǎn)較高，在該區(qū)進(jìn)行地?zé)峋碧揭M(jìn)行充分的地?zé)崽讲山Y(jié)合井位分析論證。并有規(guī)劃性地做好地?zé)峋目碧?、開發(fā)和回灌工作，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開發(fā)利用。
4 成熱模式
“儲(chǔ)、蓋、通、源”是地?zé)嵝纬傻幕緱l件[25]，沂源盆地地?zé)崴男纬苫揪邆渖鲜鰲l件(圖6)。
1—第四系；2—古近系；3—白堊系+侏羅系；4—石炭系；5—奧陶系；6—寒武系；7—花崗巖；8—斷裂；9—角度不整合地質(zhì)界線；10—平行不整合地質(zhì)界線；11—冷熱水運(yùn)移途徑；12—大地?zé)崃鳎?3—地溫梯度剖面線；14—地?zé)峋畧D6 沂源盆地地?zé)崽锔拍钅Ｐ蛨D
儲(chǔ)：沂源盆地為EW向狹長，四周被低山丘陵所環(huán)繞，中間平坦，位于魯中隆起區(qū)的局部凹陷區(qū)。熱儲(chǔ)層主要為埋藏很深的奧陶紀(jì)石灰?guī)r。奧陶紀(jì)石灰?guī)r熱儲(chǔ)層中豐富的地下水是地?zé)岢休d和運(yùn)移的物質(zhì)基礎(chǔ)。
蓋：上覆較厚的古近紀(jì)、白堊紀(jì)和石炭紀(jì)地層對(duì)深部地?zé)峋哂辛己玫母魺岜匦阅堋?/p>
通：盆地四周發(fā)育的斷裂構(gòu)造，切割深度較深，是地?zé)釡贤ù蟮責(zé)崃鞯闹饕ǖ?，是深部裂隙巖溶發(fā)育帶，是地?zé)崴x存的主要場所。
源：殼源是其主要熱源。南部分布大面積奧陶紀(jì)石灰?guī)r，是盆地內(nèi)熱儲(chǔ)層的裸露區(qū)，也是區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層地下水的補(bǔ)給區(qū)。
沂源斷陷盆地南部山區(qū)大面積出露碳酸鹽巖，地勢(shì)較盆地中部高出約200～300m，地形的大高差是勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的先決條件，是地下水進(jìn)行深循環(huán)的動(dòng)力。在這種條件下，南部山區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給后，一部分在較淺部位補(bǔ)給奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層形成常溫裂隙巖溶水，一部分在大高差勢(shì)能驅(qū)動(dòng)下，沿層面及斷裂構(gòu)造帶或裂隙帶向區(qū)內(nèi)徑流并向地殼深部下滲，遇北部大面積巖漿巖體呈坐椅形圍成的天然屏障及上部蓋層的聯(lián)合阻擋下，轉(zhuǎn)化為承壓水并進(jìn)入深循環(huán)。地?zé)崴钛h(huán)往往在承壓水滯留區(qū)賦存，地下水在流動(dòng)狀態(tài)下很難達(dá)到較高的溫度[26]。由于盆地面積較小，地下水深循環(huán)的路徑較短，且在盆地內(nèi)部地下水深循環(huán)條件較差，水巖作用不是太強(qiáng)烈，使得沂源盆地地?zé)崴疁囟炔皇翘?42～45℃)，礦化度也較低。因此，深循環(huán)是沂源盆地地?zé)崴纬傻谋匾獥l件，這種成因可簡單歸納為“小型斷陷盆地深循環(huán)承壓型”。
5 結(jié)論
(1)沂源盆地地?zé)崴V化度小于1g/L，水化學(xué)類型為HCO3·Cl·SO4-Na·Ca型或HCO3-Ca·Mg型。
(2)R2地?zé)崴兄饕獨(dú)怏w成分為N2，其He特征中校正后的Rc/Ra值為0.35，反映其具有明顯的殼源主導(dǎo)性。
(3)沂源盆地地?zé)崽餅榈蜏厮疅嵝偷責(zé)豳Y源，地?zé)崴畞碓从诠糯髿饨邓?jīng)深循環(huán)補(bǔ)給，熱源以殼源為主，其成因類型可歸納為小型斷陷盆地深循環(huán)承壓型。
致謝：感謝水文地質(zhì)專家程秀明老師和劉廣義老師對(duì)本文的指導(dǎo)。
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