基于水文地球化學(xué)特征的黃河流域（濟(jì)陽段） 地?zé)崴梢驒C(jī)制研究

高志友 李大鵬 顏梅 呂濤 高榮政 王炳鳳 張新輝

摘要： 黃河流域（濟(jì)陽段）地?zé)豳Y源豐富，闡明地?zé)崽锏某梢驒C(jī)制對(duì)區(qū)域地?zé)崴Y源的開發(fā)利用和黃河流域高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。以黃河流域（濟(jì)陽段）齊廣斷裂以南灰?guī)r熱儲(chǔ)為研究對(duì)象，進(jìn)行水化學(xué)分析和同位素分析，結(jié)果表明研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型主要為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型，地?zé)崴傮w上受大氣降水的入滲補(bǔ)給，地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高程范圍為497.81～2117.97m，地?zé)崴畬儆趤啲F(xiàn)代與近期補(bǔ)給的混合水和現(xiàn)代水。

關(guān)鍵詞： 地?zé)崴?；水文地球化學(xué)；成因機(jī)制；黃河流域；濟(jì)陽段

中圖分類號(hào)： Ｐ341.1；Ｐ641.5 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.009

引文格式： 高志友，李大鵬，顏梅，等.基于水文地球化學(xué)特征的黃河流域（濟(jì)陽段）地?zé)崴梢驒C(jī)制研究［J］.山東國(guó)土資源，2023，39（3）：65 71.GAO Zhiyou，LI Dapeng，YAN Mei，et al.Study on Genetic Mechanism of Geothermal Water of the Yellow River Basin （Jiyang Section） Based on Hydrogeochemical Characteristics［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：65 71.

0 引言

地?zé)崾且环N綠色、清潔能源，具有極大的開發(fā)潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值［1］。濟(jì)南北部地?zé)豳Y源豐富，開發(fā)利用程度較高，地?zé)崴|(zhì)優(yōu)良，地?zé)嵫芯砍潭容^高，前人對(duì)濟(jì)南多個(gè)地?zé)崽锏牡刭|(zhì)特征、地?zé)崃黧w的化學(xué)特征和補(bǔ)給來源等問題做了分析研究［2］。張保建［3］等通過氫氧同位素的方法分析研究出了大氣降水為濟(jì)北地?zé)崽锏責(zé)崴难a(bǔ)給來源，李常鎖［4 5］等分析了濟(jì)南北部地?zé)崴瘜W(xué)特征及其形成機(jī)理，趙玉祥［6］、隋海波［7］等研究了濟(jì)北地?zé)崽锏牡責(zé)崴畞碓?、形成條件、補(bǔ)徑排條件。

對(duì)地?zé)崴瘜W(xué)的研究有助于識(shí)別地?zé)崴畞碓?、地?zé)嵯到y(tǒng)中水巖相互作用及地?zé)崴\(yùn)動(dòng)特征等［5］，本文通過分析區(qū)內(nèi)地?zé)崴乃瘜W(xué)特征，研究 區(qū)內(nèi)地?zé)崴梢驒C(jī)制，為地區(qū)地?zé)豳Y源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河流域（濟(jì)陽段），研究對(duì)象為齊河 廣饒斷裂以南奧陶紀(jì)巖溶裂隙熱儲(chǔ)，區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源豐富，地下熱水主要用于供暖、洗浴康養(yǎng)、監(jiān)測(cè)［8］等。

研究區(qū)屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)，地層自上往下依次分布第四系、新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、新太古代泰山巖群，缺失新近紀(jì)館陶組及古近系，奧陶系埋藏較淺。

根據(jù)山東省大地構(gòu)造單元的最新劃分方案，研究區(qū)位于華北板塊（Ⅰ級(jí)）魯西隆起區(qū)（Ⅱ級(jí)）魯中隆起（Ⅲ級(jí)）泰山 濟(jì)南斷隆（Ⅳ級(jí)）。研究區(qū)內(nèi)主要的 斷裂構(gòu)造有齊河 廣饒斷裂、臥牛山斷裂、灘頭斷裂、港溝斷裂、文祖斷裂等（圖1）。

根據(jù)含水介質(zhì)的巖性組合、埋藏分布條件和地下水的賦存特征，研究區(qū)的含水層主要?jiǎng)澐譃棰俚谒南悼紫逗畬樱褐饕缘谒南?、新近系松散沉積為主；②石炭 二疊系碎屑巖類裂隙水和層間巖溶裂隙含水層：其巖性為石炭 二疊系的砂巖、粉砂巖、泥巖、泥巖夾煤層和石灰?guī)r，總體富水性較弱；③奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層：巖性主要為灰?guī)r、白云巖等；④基巖裂隙含水層：該含水層主要分布在研究區(qū)南部鵲山水庫附近，主要為濟(jì)南巖體中風(fēng)化裂隙水，富水性差。

研究區(qū)為奧陶系巖溶裂隙熱儲(chǔ)，蓋層為新生代第四系和新近系、古生代二疊系和石炭系；熱儲(chǔ)為奧陶紀(jì)中、下統(tǒng)灰?guī)r，正常的大地?zé)崃鳛槠渲饕獰嵩础?jì)南巖體的存在阻擋了南部大量冷水向北徑流，同時(shí)迫使南部一部分巖溶水向地下深處循環(huán)，起到增溫和保溫的作用，巖體內(nèi)部深大斷裂形成了地?zé)崴c深部熱源溝通的通道。奧陶紀(jì)灰?guī)r巖溶水水溫為28～45℃［5］。熱儲(chǔ)層熱儲(chǔ)呈層狀兼帶狀分布，受斷裂構(gòu)造控制，彼此存在成生關(guān)系，地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜，屬于中低溫地?zé)崽铫?3型。地下水總體流向由南向北徑流［5］。

2 樣品采集及分布

本次共采集水質(zhì)分析樣3組，同位素分析樣1組，樣品測(cè)試分析工作委托國(guó)土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心和山東省地質(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)實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試方法為電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電感耦合等離子發(fā)射光譜法；同位素分析工作委托中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）分析測(cè)試中心完成，使用穩(wěn)定同位素氣體質(zhì)譜儀、超低本底液體閃爍能譜儀檢測(cè)完成。共收集水樣數(shù)據(jù)7組［5］，收集同位素?cái)?shù)據(jù)8組［9］、大氣降水同位素?cái)?shù)據(jù)1組［2］。水樣數(shù)據(jù)見表1，同位素?cái)?shù)據(jù)見表2。

3 地?zé)崴瘜W(xué)特征

3.1 水化學(xué)類型

Piper圖也一定程度上反應(yīng)了地?zé)崴难莼F(xiàn)象［10］。由圖2可以看出研究區(qū)地?zé)崴年栯x子分別以Ca2+、Na+ 、Mg2+為主，而陰離子中SO2 4占優(yōu)勢(shì)。根據(jù)舒卡列夫法劃分水化學(xué)類型［11］，可將研究區(qū)地?zé)崴饕瘜W(xué)類型劃分為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型。Ca2+為含量最高的陽離子，毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)在49.25%～74.48%，其次為Na+，毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)在8.40%～38.91%，其他陽離子濃度較小，具地?zé)崴娘@著特點(diǎn)；SO2 4在所有陰離子中占比最高，毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)為29.05%～93.68%，同時(shí)Cl-毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)為4.23%～35.01%，也反映出顯著地?zé)崴卣?。根?jù)研究區(qū)水樣的水化學(xué)類型可以看出，黃河以南地?zé)峋瘜W(xué)類型為SO4·Cl Ca·Na型，部分水樣TDS含量偏大，整體水化學(xué)特征變異性較大，這表明該地區(qū)地下水處于較封閉環(huán)境中，地下水徑流緩慢。黃河以北地?zé)峋瘜W(xué)類型為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、SO4 Ca型，陰陽離子含量及TDS含量整體差異性較小，水化學(xué)類型較為穩(wěn)定。另外HR1地?zé)峋瘜W(xué)類型為HCO3·SO4 Ca·Mg型，主要原因是其井深在1900m以上，含水層主要為寒武紀(jì)地層，因此其水化學(xué)類型與其他地區(qū)有明顯區(qū)別。

3.2 離子組合比分析

鈉氯系數(shù)（rNa+/rC1 ）、鈣鎂系數(shù)（rCa2+/rMg2+）、脫硫系數(shù)（100×rSO2 4/rC1 ）和鹽化系數(shù)（rCl/rHCO3+rCO3）等離子間毫克當(dāng)量數(shù)的比值可以表明地?zé)崴師醿?chǔ)環(huán)境的開放性及封閉性（表3），并確定熱水變質(zhì)程度，從而反映地?zé)崴畞碓床⑴袛嗥涑梢蝾愋偷龋?2 13］。

3.2.1 鈉氯系數(shù)（rNa+/rC1 ）

可對(duì)熱儲(chǔ)層所處水化學(xué)環(huán)境的封閉程度以及地?zé)崴恼舭l(fā)濃縮程度進(jìn)行分析。一般情況下，rNa+/rC1 的比值越小，陽離子的交替吸附作用越快，熱水蒸發(fā)濃縮程度越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)所處的水文地球化學(xué)環(huán)境更加封閉［14］。海水的鈉氯系數(shù)一般為0.85［15］，而溶濾巖鹽地層或者受大氣降水入滲補(bǔ)給程度較高的地下水鈉氯系數(shù)通常大于等于1。如表3、圖3所示，研究區(qū)地?zé)崴拟c氯系數(shù)為0.835～1.965，其中JR 1、CZ 1、XR01地?zé)崴拟c氯系數(shù)大于1，說明該區(qū)域地?zé)崴幍沫h(huán)境相對(duì)開放；而遙墻—鴨旺口一帶鈉氯系數(shù)在0.85～1之間，表明該區(qū)域地?zé)崴扔谐练e水，也有溶濾水，地?zé)崴幍沫h(huán)境相對(duì)封閉。

3.2.2 鈣鎂系數(shù)（rCa2+/rMg2+）

地下水中rCa2+/rMg2+也可判斷地下水中Ca2+、Mg2+離子是來源于硅酸巖還是方解石、白云石的溶解。如果rCa2+/rMg2+=1，則表示地下水中發(fā)生了白云石的溶解；如果12，表明地下水發(fā)生了硅酸巖的風(fēng)化溶解。如表3、圖4所示，研究區(qū)內(nèi)rCa2+/rMg2+>2，地下水中Ca2+、Mg2+離子是主要來源于硅酸巖的風(fēng)化溶解。

3.2.3 脫硫系數(shù)（100×rSO2-4/rC1 ）

脫硫系數(shù)可以判斷地?zé)崴幁h(huán)境的氧化還原程度，在缺氧的還原環(huán)境中脫硫作用易進(jìn)行，脫硫系數(shù)越小，地層水封閉性越好［16］。在還原環(huán)境下，SO2 4被還原而形成H2S氣體，脫硫系數(shù)越小，則熱儲(chǔ)環(huán)境相對(duì)更加封閉；若脫硫系數(shù)大于1，則表明還原作用不徹底，地?zé)崴赡苁軠\層氧化作用的影響；正常海水的脫硫系數(shù)為10.2，如果地?zé)崴拿摿蛳禂?shù)大于10.2，表明水體所處環(huán)境開放，有冷水的混入，受到表層氧化作用的影響［17］。由表3、圖5 可知，研究區(qū)的脫硫系數(shù)為31.814～402.123，全部大于10.2，說明研究區(qū)地?zé)崴w處于相對(duì)開放環(huán)境，有機(jī)質(zhì)含量低，JR 1、CZ 1、XR01地?zé)崴拿摿蛳禂?shù)偏大，說明黃河北部熱儲(chǔ)環(huán)境相對(duì)開放，脫SO2 4的還原作用進(jìn)行較強(qiáng)。

4 同位素化學(xué)特征

4.1 水的來源

地?zé)崃黧w中穩(wěn)定同位素氘（D）和氧 18（18O）的組成通常用于確定地?zé)崃黧w的成因。D是作為自然界的示蹤劑來定位熱儲(chǔ)的蓄水區(qū)并進(jìn)一步研究，整個(gè)地區(qū)地下水的流動(dòng)路線，而對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)的18O給出隨著深度變化的水巖相互作用的信息。低溫地?zé)崃黧w被認(rèn)為是在經(jīng)歷一定時(shí)期沉降的“混合的一般性水樣”。降水中同位素的比率是由當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、溫度以及季節(jié)所控制的［18 20］。Craig通過研究北美大陸的大氣降水，發(fā)現(xiàn)降水的氫氧同位素組成顯示線性相關(guān)的變化，并給出它們的數(shù)學(xué)關(guān)系式δD=8δ18O+10［19］，華北平原降水線數(shù)學(xué)關(guān)系式為δD=7.02δ18O+1.72［21］。研究區(qū)地?zé)崴腄最大值為 55.91‰，最小值為 76.0‰，平均值為 69.04‰；δ18O最大值為 7.34‰，最小值為 10.54‰，平均值為 9.42‰。根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)繪圖分析，如圖6所示，研究區(qū)地?zé)崴畼狱c(diǎn)落在全球、華北平原大氣降水線上或右下部，表明研究區(qū)地?zé)崴傮w上受大氣降水的入滲補(bǔ)給，補(bǔ)給強(qiáng)度不一，遙墻—桃園—鴨旺口一帶地?zé)崴幁h(huán)境相對(duì)封閉，受大氣降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度較其他地方弱。

4.2 補(bǔ)給高程

大氣降水中δD與δ18O的含量受地理位置、緯度、溫度及高程等因素的影響（表4），由于研究區(qū)的范圍相對(duì)較小，大陸效應(yīng)、緯度效應(yīng)對(duì)于研究區(qū)的δD與δ18O同位素的影響不大，可以認(rèn)為使地?zé)崴笑腄與δ18O含量具有差異性的主要影響因素為高程效應(yīng)［22］。因此利用同位素的高程效應(yīng)，可以用公式1估算地?zé)崴难a(bǔ)給高程［23］：

H=（δS-δP）/k+h （式1）

式中： H 為地?zé)崴难a(bǔ)給區(qū)高程（m）； h 為地?zé)崴狱c(diǎn)的地面高程（m）； δS 為地?zé)崴狱c(diǎn)的同位素成分（‰）； δP 為取樣點(diǎn)附近大氣降水中的同位素成分（‰）； k 為同位素高程梯度（ δ‰/100m）。

研究區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給區(qū)高程計(jì)算結(jié)果見表4，地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高程范圍為497.81～2117.97m，推斷地?zé)崴闹饕a(bǔ)給少部分來自于泰山北麓火成巖、變質(zhì)巖分布區(qū)的大氣降水入滲，大部分來源于長(zhǎng)清群和九龍群巖溶裂隙含水巖組分布區(qū)巖溶地下水的深循環(huán)徑流補(bǔ)給［9］。

4.3 同位素測(cè)年

國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)地下水實(shí)測(cè)的氚值大小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法對(duì)地下水年齡的估算進(jìn)行了研究，提出了一些地下水年齡估算的劃分標(biāo)準(zhǔn)［23］（表5），對(duì)比表2可知，研究區(qū)地?zé)崴昂繛椋?.4±0.1）～（12.98±2.01）/TU，屬于亞現(xiàn)代與近期補(bǔ)給的混合水和現(xiàn)代水，總體上距離補(bǔ)給區(qū)越近，地?zé)崴须昂枯^高，更接近現(xiàn)代水（＜5～10a）［9］。

5 成因模式

研究區(qū)巖溶熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源可以概化為由熱儲(chǔ)層、蓋層、通道、熱源和水源組成的地?zé)崮Ｐ停?4］（圖7）。

（1）熱儲(chǔ)層。奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r、寒武 奧陶紀(jì)九龍群灰?guī)r和寒武紀(jì)長(zhǎng)清群灰?guī)r組成了該區(qū)主要熱儲(chǔ)層。

（2）蓋層。新生代第四系松散沉積層、新生代新近系、中生代侏羅系、古生代二疊系和石炭系構(gòu)成下伏基巖熱儲(chǔ)層的保溫層。

（3）通道。在濟(jì)南巖體與齊河 廣饒斷裂之間分布較多斷裂，其中，導(dǎo)水性斷裂溝通了深部與淺部的聯(lián)系，使深部地下熱水能夠向淺部運(yùn)移和聚集，是地?zé)崃黧w與深部熱源溝通的通道。

（4）熱源。主要包括大地?zé)崃骱蛿嗔训母郊庸?。大地?zé)崃鳛槠渲饕獰嵩?，一部分來自地殼深?～16km的花崗巖中的放射性元素衰變釋放的地殼熱流，一部分來自于上地幔熱流，供熱方式為熱傳導(dǎo)［24］；區(qū)域內(nèi)斷裂溝通深部，對(duì)地下熱水的運(yùn)移和分布起著重要作用，切割了深部奧陶紀(jì)灰?guī)r，是地球深部熱源向?qū)α鞯闹匾ǖ溃?5］。

（5）水源。奧陶紀(jì)灰?guī)r埋藏深度較大，由于斷層的切割使灰?guī)r裂隙相對(duì)發(fā)育，但由于其埋深大，地下水的運(yùn)動(dòng)滯緩，易被圍巖加熱形成地?zé)崃黧w。

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)地?zé)崴瘜W(xué)類型主要為SO4·Cl Ca·Na型、SO4 Ca·Na型、HCO3·SO4 Ca·Mg型、SO4 Ca型。

（2）黃河以北地區(qū)地?zé)崴幍沫h(huán)境相對(duì)開放；而黃河以南遙墻—鴨旺口一帶地?zé)崴扔谐练e水，也有溶濾水，地?zé)崴幍沫h(huán)境相對(duì)封閉。地下水中Ca2+、Mg2+離子是主要來源于硅酸巖的風(fēng)化溶解。

（3）研究區(qū)地?zé)崴傮w上受大氣降水的入滲補(bǔ)給，地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高程范圍為497.81～2117.97m，地?zé)崴畬儆趤啲F(xiàn)代與近期補(bǔ)給的混合水和現(xiàn)代水。

（4）研究區(qū)為奧陶紀(jì)巖溶裂隙熱儲(chǔ)，蓋層為新生代第四系和新近系、古生代二疊系和石炭系；熱儲(chǔ)為奧陶紀(jì)中、下統(tǒng)灰?guī)r，正常的大地?zé)崃鳛槠渲饕獰嵩?，大斷裂形成了地?zé)崴c深部熱源溝通的通道。

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Study on Genetic Mechanism of Geothermal Water ??of the Yellow River Basin （Jiyang Section） ??Based on Hydrogeochemical Characteristics

GAO Zhiyou1，LI Dapeng2，YAN Mei1，LV Tao1， GAO Rongzheng1，WANG Bingfeng1， ZHANG Xinhui1

（1.Shandong Geo-engineering Group Limited Corporation，Shandong Ji'nan 250014， China；2.Key Laboratory of Gold Mineralization Processes and Resource Utilization， MNR， Shandong Provincial Key Laboratory of Metallogenic Geological Process and Resource Utilization；Shandong Institute of Geological Sciences，Shandong Ji'nan 250013，China）

Abstract： The Yellow River Basin （Jiyang Section） is rich in geothermal resources. It is of great significance to elucidate the genetic mechanism of geothermal fields and the exploitation and utilization of regional geothermal water resources for high-quality development of the Yellow River basin. Taking thermal reservoir of limestone in the south of Qiguang fault in the Yellow River basin （Jiyang section） as the research object， hydrochemical analysis and isotope analysis have been carried out. ?It is showed that hydrochemical types of geothermal water in the study area are mainly SO4·Cl-Ca·Na type， SO4-Ca·Na type， HCO3·SO4-Ca·Mg type and SO4-Ca type. The geothermal water is generally replenished by the infiltration of atmospheric precipitation， and the elevation range of the geothermal water recharge area is 497.81～2117.97m. The geothermal water belongs to the mixed water of submodern and recent replenishment and modern water.

Key words： Geothermal water； hydrogeochemistry;genetic mechanism；Yellow River basin；Jiyang section