山西陽(yáng)高縣地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征及成因分析

摘 要：為了探明陽(yáng)高縣地?zé)豳Y源，以陽(yáng)高縣北部山前地帶為研究區(qū)，通過(guò)對(duì)比和分析不同區(qū)域地下水組分和化學(xué)特征，探討了地?zé)崴膩?lái)源和成因。陽(yáng)高縣地?zé)崴饕植荚诠律健缴酱逡粠?，水溫２８～１０?℃；水化學(xué)類型以ＨＣＯ３·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｎａ 型水為主，為含鋰的硅水、氟水，具有良好的醫(yī)療保健價(jià)值。分析認(rèn)為，陽(yáng)高縣地?zé)崴畞?lái)源于深層熱儲(chǔ)和淺層熱儲(chǔ)，在云門山斷裂帶控制下，深層熱儲(chǔ)流體沿?cái)嗔褞嫌啃纬闪藴囟容^高的地?zé)崴?；地?zé)崴蚰涎a(bǔ)給新近系、第四系含水層，與地下冷水混合，在孤山—平山村一帶形成了低溫淺層地?zé)崴?/p>

關(guān)鍵詞：地?zé)崴?；水文地球化學(xué)特征；熱儲(chǔ)；成因分析；陽(yáng)天盆地

中圖分類號(hào)：Ｐ３１４．１；ＴＶ２１１．１＋ ２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０１７

引用格式：段江飛． 山西陽(yáng)高縣地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征及成因分析［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：９６－１０１．

地?zé)崴且环N綠色低碳、可循環(huán)利用的可再生資源，對(duì)人體具有醫(yī)療保健作用［１－２］ ，開發(fā)地?zé)豳Y源對(duì)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有積極意義［３］ 。陽(yáng)高縣北部山前地區(qū)地?zé)豳Y源豐富，位于陽(yáng)高—天鎮(zhèn)裂陷地?zé)崽锏奈鞅辈浚郏矗叮?。陽(yáng)高縣已開發(fā)地?zé)豳Y源位于平山村和孤山村一帶，水溫２８ ～ ４５℃，為新近系、第四系水熱型低溫地?zé)豳Y源，用途以洗浴為主。平山村北部部分勘探鉆孔已遇到高于９０ ℃的中溫地?zé)豳Y源，地?zé)崃黧w最高溫度達(dá)１０４ ℃，其地?zé)崴畬儆诰哂嗅t(yī)療價(jià)值的優(yōu)質(zhì)熱礦水［２，７－８］ ，與周邊地下水物理化學(xué)性質(zhì)不同。本文從水文地球化學(xué)角度分析和研究陽(yáng)高縣地?zé)崴奶卣骱统梢?，以期為勘探、開發(fā)陽(yáng)高縣地?zé)豳Y源提供技術(shù)參考。

１ 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于陽(yáng)高縣北部，云門山以南，屬于山前沖洪積地帶，北高南低，坡度７°～１２°，面積８０ ｋｍ２。研究區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上屬于華北板塊北緣活動(dòng)帶的天鎮(zhèn)—陽(yáng)高塊凸，所在陽(yáng)天盆地為新生代裂陷盆地。盆地北緣云門山前發(fā)育一條ＮＥＥ 向云門山斷裂帶Ｆ１［５－７］ 。中生代以來(lái)，陽(yáng)天盆地在形成過(guò)程中經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，并伴有較大規(guī)模的巖漿侵入和基巖變質(zhì)作用，至今盆地仍處于沉降期。歷史上陽(yáng)天盆地周邊地震頻發(fā)，但震級(jí)較低，以淺源地震為主，集中于云門山斷裂帶附近，地震活動(dòng)頻發(fā)表明該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造至今仍處于活躍期［９］ 。研究區(qū)出露地層分為南北兩部分，盆地北側(cè)云門山為新太古界變質(zhì)巖體，以片麻巖、石英巖為主；云門山南部陽(yáng)天盆地表面為第四系全新統(tǒng)沖洪積物，厚度０～３００ ｍ，盆地中心變厚，見(jiàn)圖１。

研究區(qū)西南３５ ｋｍ 處是第四紀(jì)形成的大同火山群，大同火山群是上地幔熔融物質(zhì)上涌的結(jié)果，未噴發(fā)的巖漿沿構(gòu)造裂隙向東北部運(yùn)移匯集，在陽(yáng)高縣北部形成了地?zé)崴疅嵩矗郏梗保埃?。研究區(qū)地?zé)豳Y源熱儲(chǔ)分為淺層和深層兩類。淺層熱儲(chǔ)為第四系下部和新近系砂、礫、卵石層，地?zé)崴源髿饨邓霛B和山前側(cè)向徑流為主要補(bǔ)給來(lái)源，人工開采為主要排泄方式；該熱儲(chǔ)埋深１５０～３００ ｍ，單井出水量３０～６０ ｍ３ ／ ｈ，水溫３５～１０４ ℃，屬于中低溫地?zé)豳Y源；蓋層為上部２ ～ ３ 層黏性土組合。深層熱儲(chǔ)為山前深大斷裂帶（Ｆ１）的深部含水巖組，呈帶狀、管道狀，被斷層控制，地下水屬于承壓水，補(bǔ)給來(lái)源為遠(yuǎn)處山體大氣降水入滲，地下水被深部地層加熱后沿?cái)嗔褞嫌颗判?；埋深＞?０００ ｍ，預(yù)計(jì)出水量１００～３００ ｍ３ ／ ｈ，地?zé)崃黧w溫度＞１００ ℃，屬于高溫地?zé)豳Y源。研究區(qū)北部云門山斷裂延伸下切，自上而下呈Ｙ 形向盆地方向傾斜，形成了有利的導(dǎo)熱、導(dǎo)水通道，研究區(qū)典型地質(zhì)剖面見(jiàn)圖２。

２ 水樣測(cè)試與分析

２０２１ 年１１ 月，在研究區(qū)采集地下水水樣１９ 個(gè)（采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖３），其中：熱水９ 個(gè)，均取自井水；冷水１０ 個(gè)，８ 個(gè)為井水，２ 個(gè)為泉水。采集地下水水樣井深９６～１９５ ｍ，埋深２０～１１０ ｍ。水井水樣采集方式均為潛水泵抽水，聚乙烯瓶封裝。水樣采集后立即送往中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局測(cè)試中心檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目為水質(zhì)簡(jiǎn)分析及鋰、偏硅酸、氟等化學(xué)指標(biāo)分析，見(jiàn)表１、表２。

３ 地下水水文地球化學(xué)特征

３．１ 水質(zhì)類型分析

大氣降水滲入淺部地層中的地下冷水可直接溶解地層中易溶解的組分，加上循環(huán)更替較快等，往往陰離子以ＨＣＯ－３ 為主，陽(yáng)離子以Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋為主；地?zé)崴ǔＱa(bǔ)給源較遠(yuǎn)，由于溫度較高，因此可以溶解更多的礦物組分，加上循環(huán)更替相對(duì)較慢等，地?zé)崴庪x子以ＳＯ２－４ 、Ｃｌ－ 為主，陽(yáng)離子以Ｎａ＋ 為主，此外還有氟、偏硅酸、鍶、鋰等特殊組分［１１－１２］ 。研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型以ＨＣＯ３·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｎａ 為主，地下冷水水化學(xué)類型以ＨＣＯ３ －Ｃａ·Ｍｇ 為主（見(jiàn)表１、表２）。地下冷水中陰離子ＨＣＯ－３ 和陽(yáng)離子Ｃａ２ ＋、Ｍｇ２＋質(zhì)量濃度高于地?zé)崴?，地?zé)崴嘘庪x子Ｃｌ－、ＳＯ２－４ 和陽(yáng)離子Ｎａ＋質(zhì)量濃度明顯高于地下冷水的，此外，地?zé)崴腥芙庑钥偣腆w、偏硅酸、氟、鋰質(zhì)量濃度也高于地下冷水中的。研究區(qū)地?zé)崴疄椋ê嚨模┕杷⒎?，具備良好的醫(yī)療保健價(jià)值。從水質(zhì)類型、化學(xué)組分構(gòu)成和醫(yī)療價(jià)值上看，研究區(qū)地?zé)崴偷叵吕渌黠@不同。Ｐｉｐｅｒ 三線圖主要用于地下水化學(xué)成分的歸類和分析［１３］ ，研究區(qū)９ 個(gè)地?zé)崴停保?個(gè)地下冷水（主要離子的毫克當(dāng)量百分比）Ｐｉｐｅｒ 三線圖見(jiàn)圖４。圖中顯示地?zé)崴屠渌c(diǎn)存在明顯分區(qū)，地?zé)崴蟹植荚诹庑斡蚁虏?，以Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃｌ－、ＳＯ２－?離子占優(yōu)；冷水集中分布在菱形左部，以ＨＣＯ－３ 、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋離子占優(yōu)。Ｐｉｐｅｒ 三線圖也顯示了研究區(qū)地?zé)崴c冷水的水質(zhì)分化。

３．２ 地球化學(xué)地?zé)釡貥?biāo)分析

通常情況下，深層熱儲(chǔ)的地下水和圍巖發(fā)生水巖反應(yīng)而達(dá)到化學(xué)平衡，在壓力和水循環(huán)作用下，深層地?zé)崴蛏线\(yùn)移，而其攜帶的離子成分幾乎不變，依據(jù)其水巖平衡原理，當(dāng)獲得淺部地?zé)崴?，可利用其某種離子質(zhì)量濃度計(jì)算出深層熱儲(chǔ)的溫度。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況和我國(guó)地?zé)豳Y源研究常用的地?zé)釡貥?biāo)，選用鉀鎂溫標(biāo)和二氧化硅溫標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和分析。

式（１）計(jì)算出的鉀鎂溫度可以認(rèn)為是鉆探可及的最高溫度，式（２）計(jì)算出的二氧化硅溫度代表地?zé)崴纬蛇^(guò)程中曾經(jīng)歷過(guò)的最高溫度。對(duì)研究區(qū)９ 個(gè)地?zé)崴畼舆M(jìn)行溫標(biāo)計(jì)算，結(jié)果顯示鉀鎂溫標(biāo)均接近或高于井口水溫，二氧化硅溫標(biāo)均遠(yuǎn)高于井口水溫，見(jiàn)表３。研究區(qū)Ｊ－４、Ｊ－４６、Ｊ－５８ 地?zé)峥碧娇孜挥谠崎T山斷裂帶，為研究區(qū)內(nèi)溫度較高的地?zé)峋?，鉀鎂溫標(biāo)與井口水溫基本一致或低于井口水溫，表明這三眼地?zé)峋x址和鉆探深度是合理的；其他地?zé)峋涙V溫標(biāo)高于井口水溫，說(shuō)明增加鉆探深度地?zé)崴€有增溫的可能。Ｊ－４６、Ｊ－５８ 地?zé)崴趸铚貥?biāo)超過(guò)了１５０ ℃，說(shuō)明研究區(qū)可能存在高溫地?zé)豳Y源。

４ 地?zé)崴梢蚍治?/p>

４．１ 水質(zhì)控制因素分析

美國(guó)學(xué)者Ｇｉｂｂｓ 利用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖進(jìn)行水質(zhì)分析，該圖稱之為Ｇｉｂｂｓ 圖，可以直觀比較不同水體間的化學(xué)組成、成因以及相互聯(lián)系。該圖的縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，代表水體中ＴＤＳ 含量，橫坐標(biāo)表示水體中陽(yáng)離子ρ（Ｎａ＋） ／ ［ρ （Ｎａ＋ ） ＋ ρ （Ｃａ２＋ ）］ 值或陰離子ρ （ Ｃｌ－ ） ／［ρ（Ｃｌ－）＋ρ（ＨＣＯ－３ ）］值，見(jiàn)圖５。

依據(jù)水樣在Ｇｉｂｂｓ 圖中的位置，可以判別地下水屬于“降水控制類型”“巖石風(fēng)化類型”還是“蒸發(fā)濃縮類型”［１４］ 。研究區(qū)地下冷水集中分布在巖石風(fēng)化作用區(qū)域，說(shuō)明地下冷水水質(zhì)主要受巖石風(fēng)化作用影響，大氣降水進(jìn)入含水層后，使風(fēng)化的礦物直接被溶解在地下水中，水動(dòng)力條件好；研究區(qū)最典型的地?zé)崴剩矗?位于Ｇｉｂｂｓ 圖右上部，水質(zhì)完全受蒸發(fā)濃縮作用影響，其水動(dòng)力條件弱，地下水循環(huán)交替條件較差，是研究區(qū)典型的深層水；其他地?zé)崴?yáng)離子主要分布在蒸發(fā)濃縮作用區(qū)域，陰離子自巖石風(fēng)化作用區(qū)過(guò)渡至蒸發(fā)濃縮作用區(qū)，水質(zhì)受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮作用雙重影響，可能是冷熱水混合的結(jié)果。

４．２ 地?zé)崴M分比率分析

地?zé)崴须x子主要來(lái)源于水巖反應(yīng)，依據(jù)地?zé)崴x子組分能夠反映熱儲(chǔ)層巖性特征，對(duì)地?zé)崴慕M分比率進(jìn)行分析，以揭示其成因［１１］ 。對(duì)研究區(qū)地?zé)崴眩ǎ危幔?／ ρ（Ｌｉ＋ ）、ρ（Ｃｌ－ ） ／ ρ（Ｆ－ ） 代表性離子組分比率（見(jiàn)表４）進(jìn)行了計(jì)算和分析。

（１）ρ（Ｎａ＋ ） ／ ρ（Ｌｉ＋ ）比率。較厚的蓋層對(duì)Ｌｉ＋ 有一定吸附作用，使得地?zé)崴蹋椋|(zhì)量濃度降低，但對(duì)Ｎａ＋的影響較小。Ｊ－４６ 地?zé)崴眩ǎ危幔?） ／ ρ（Ｌｉ＋ ）比率最低，其溫度最高，該地?zé)峋玻埃埃?年勘探施工，揭露了云門山斷裂帶，說(shuō)明其地?zé)崴畯搅魍ǖ理槙?，直接受云門山深部斷裂構(gòu)造水補(bǔ)給，受蓋層影響較?。晃挥诒辈康模剩?、Ｊ－４５、Ｊ－５８ 地?zé)崴眩ǎ危幔?／ ρ（Ｌｉ＋）比率也較低，說(shuō)明其受深部斷裂構(gòu)造水補(bǔ)給較多或距離云門山斷裂帶較近。與之對(duì)比，其他地?zé)峋眩ǎ危幔?） ／ ρ（Ｌｉ＋ ）比率較高，均位于南部，其蓋層較厚或距離云門山斷裂帶較遠(yuǎn)。

（２）ρ（Ｃｌ－） ／ ρ（Ｆ－）比率。地?zé)崴械模疲?主要來(lái)源于螢石（ＣａＦ２ ）溶解，其反應(yīng)式為ＣａＦ２ →Ｃａ２＋ ＋２Ｆ－；螢石溶解度受水溫影響較大，Ｃｌ－ 質(zhì)量濃度變化受水溫影響小，通常地?zé)崴烊肜渌髸?huì)使得ρ（Ｃｌ－ ） ／ ρ（Ｆ－ ）比率升高。Ｊ－４６ 地?zé)峋挥谠崎T山斷裂帶，其地?zé)崴眩ǎ茫欤?／ ρ（Ｆ－）比率最高，說(shuō)明冷水混入少；其他地?zé)崴眩ǎ茫欤?／ ρ（Ｆ－）比率遠(yuǎn)低于Ｊ－４６ 的，說(shuō)明其冷水混入的比例遠(yuǎn)高于Ｊ－４６。ρ（Ｃｌ－ ） ／ ρ（Ｆ－ ）比率越小，冷水混入的比例越高。

地?zé)崴x子組分比率分析表明，研究區(qū)Ｊ－４６ 水樣為典型的地?zé)崴?，相比之下，其他地?zé)崴畼泳幸欢ū壤睦渌烊?，表明研究區(qū)不同區(qū)域地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源不同。

４．３ 冷熱水混合分析

根據(jù)溫度分級(jí)可將地?zé)豳Y源分為高溫地?zé)豳Y源（溫度≥１５０ ℃）、中溫地?zé)豳Y源（溫度范圍：９０～１５０ ℃）和低溫地?zé)豳Y源（熱水：６０～９０ ℃，溫?zé)崴海矗啊叮?℃，溫水：２５ ～ ４０ ℃）［１５］ 。美國(guó)學(xué)者Ｗｉｌｆｒｅｄ Ｆ． Ｌａｎｇｅｌｉｅｒ 和Ｈａｒｖｅｙ Ｆ． Ｌｕｄｗｉｇ 創(chuàng)建了一種矩形圖解法應(yīng)用于熱水、冷水不同的水質(zhì)類型和其間的混合關(guān)系分析，該矩形圖解法稱之為蘭格利爾－路德維奇矩形圖解法［１６］ 。將研究區(qū)１９ 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（主要離子毫克當(dāng)量百分比）繪制到矩形圖上，見(jiàn)圖６。

地下冷水集中分布在矩形右下部，以ＨＣＯ－３ ＋ＣＯ２－３ 、Ｃａ２ ＋ ＋Ｍｇ２＋ 離子占優(yōu)，其離子毫克當(dāng)量百分比大于６０％，為ＨＣＯ３ －Ｃａ·Ｍｇ 型水，屬于典型的地下冷水。中溫地?zé)豳Y源地?zé)崴剩矗?位于矩形左上部，為典型的地?zé)崴?，在研究區(qū)內(nèi)水溫最高（１０４ ℃），以Ｎａ＋ ＋Ｋ＋、Ｃｌ－ ＋ＳＯ２－４ 離子占優(yōu)，其離子毫克當(dāng)量百分比大于８０％，為Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ 型水。低溫地?zé)豳Y源地?zé)崴袩崴責(zé)崴?、溫水介于上述兩者之間，總的特點(diǎn)是陽(yáng)離子Ｎａ＋ ＋Ｋ＋毫克當(dāng)量百分比較Ｊ－４６ 小，Ｃａ２ ＋ ＋Ｍｇ２＋ 毫克當(dāng)量百分比較冷水小，陰離子ＨＣＯ－３ ＋ＣＯ２－３ 毫克當(dāng)量百分比較Ｊ－４６ 大，Ｃｌ－ ＋ＳＯ２－４ 毫克當(dāng)量百分比較冷水大，水質(zhì)類型比較多，為ＨＣＯ３ ·Ｃｌ －Ｎａ、ＨＣＯ３ ·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３ －Ｎａ 型水。連接矩形圖解中典型中溫地?zé)崴剩矗?點(diǎn)與典型冷水，則低溫地?zé)崴笾挛挥谶B接線中間偏上，說(shuō)明低溫地?zé)崴巧畈康責(zé)崴偷叵吕渌旌系慕Y(jié)果。

４．４ 地?zé)崴梢蚍治?/p>

研究區(qū)地?zé)崴煞譃橹袦氐責(zé)崴偷蜏氐責(zé)崴?。中溫地?zé)崴挥谘芯繀^(qū)北部，來(lái)源于云門山斷裂帶深部熱儲(chǔ)，深部地下水被高溫地層加熱后，沿?cái)嗔淹ǖ郎嫌浚瑢儆跀嗔褬?gòu)造控制的對(duì)流型地?zé)豳Y源。受特殊地質(zhì)環(huán)境影響，地?zé)崴h(huán)條件相對(duì)較差，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生濃縮作用，造成了其水質(zhì)的特殊性，其地?zé)崴梢蚝吞卣髋c國(guó)內(nèi)其他區(qū)域典型深層斷裂地?zé)崴邢嗨浦帲郏保罚保梗?。研究區(qū)低溫地?zé)豳Y源位于云門山斷裂帶南部新近系、第四系熱儲(chǔ)，屬于層狀對(duì)流型地?zé)崴涫鼙辈可介g淺層地下水側(cè)向徑流和云門山斷裂深部地?zé)崴p重補(bǔ)給，是冷熱水混合的結(jié)果。

５ 結(jié) 語(yǔ)

（１）研究區(qū)中溫地?zé)崴植荚谠崎T山斷裂帶附近，深部有高溫地?zé)崴嬖诘目赡?；低溫地?zé)崴挥谠崎T山斷裂帶南部的新近系、第四系熱儲(chǔ)，通過(guò)增加地?zé)峋@探深度還有增溫的潛力。研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型以ＨＣＯ３·Ｃｌ·ＳＯ４ －Ｎａ、ＨＣＯ３·Ｃｌ－Ｎａ 型水為主，為含鋰的硅水、氟水，具備良好的醫(yī)療保健價(jià)值。

（２）陽(yáng)高縣中溫地?zé)崴疄樵崎T山斷裂帶控制的對(duì)流型地?zé)崴叵滤h(huán)交替條件較差，屬于受蒸發(fā)濃縮作用影響的地?zé)崴?；新近系、第四系低溫地?zé)崴畡?dòng)力條件較好，其形成受巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮作用雙重影響，為層狀對(duì)流型地?zé)崴?/p>

（３）在云門山斷裂帶控制下，深層熱儲(chǔ)流體沿?cái)嗔褞嫌啃纬芍袦氐責(zé)崴?；地?zé)崴蚰涎a(bǔ)給新近系、第四系含水層，與地下冷水混合，在孤山—平山村一帶形成低溫淺層地?zé)崴?/p>

（４）研究區(qū)地?zé)豳Y源勘查程度較低，建議先在該區(qū)域?qū)嵤┑孛嫖锾?，以深部云門山斷裂帶為找熱對(duì)象，然后實(shí)施一眼２ ０００～３ ０００ ｍ 深度的地?zé)崽讲山Y(jié)合井，為下一步系統(tǒng)開發(fā)陽(yáng)高縣深部高溫地?zé)豳Y源奠定基礎(chǔ)。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】