王旭東， 劉海， 劉桂建

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026；2.安徽省公益性地質(zhì)調(diào)查管理中心，合肥 230041)

0 引言

地?zé)崾且环N集水、熱、礦于一身的潔凈能源，也是一種寶貴的礦產(chǎn)資源，它的形成需要特定的地質(zhì)條件[1]。阜陽(yáng)地區(qū)位于黃淮海大平原南端，安徽西北部，地處大別山造山帶以北，郯廬斷裂帶以西，隸屬于華北地臺(tái)南延周口坳陷東部。區(qū)內(nèi)亳州—阜南斷陷盆地深部地?zé)豳Y源豐富，存在多層熱儲(chǔ)，除常見的新近系館陶組、古近系界首組外，在太古宇五河群風(fēng)化殼中也存在熱儲(chǔ)，其較低的總?cè)芙夤腆w量(total dissoloved solids,TDS)在皖西北具有一定的代表性。為此，本文在分析區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有成井水質(zhì)資料，探討該區(qū)域地?zé)崴瘜W(xué)特征，分析了地?zé)崃黧w同位素地球化學(xué)特征。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

研究區(qū)地處周口坳陷東部、淮北平原西北部，地形總體平坦。從南到北包含有南部的阜陽(yáng)、臨泉凹陷及太和隆起，中部的倪丘集、三塔集凹陷及古城低凸起，以及北部的顏集、鹿邑凹陷和亳州凸起等二級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。

圖1 構(gòu)造單元及研究區(qū)位置示意圖[2]

阜陽(yáng)地區(qū)自古生代以來，共經(jīng)歷了古生代克拉通盆地、早白堊世走滑拉分盆地、古近紀(jì)斷陷盆地、新近紀(jì)—第四紀(jì)坳陷盆地4個(gè)演化階段[2]。其中在區(qū)域拉伸背景下，古近紀(jì)斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，差異升降運(yùn)動(dòng)明顯，主要的斷裂有NNE和NE向，如阜陽(yáng)深斷裂、顏集斷裂等。新近紀(jì)以來，太平洋板塊自東向西持續(xù)俯沖和印度洋板塊自南向北的擠壓，導(dǎo)致這一時(shí)期中國(guó)東部盆地普遍受壓、抬升、消亡，結(jié)束斷陷盆地的演化歷史，阜陽(yáng)地區(qū)整體均衡沉降坳陷[2]。

1.2 地層結(jié)構(gòu)特征

阜陽(yáng)地區(qū)分布的地層主要有： 新太古界霍邱群(Ar2hq)、五河群(Ar2wh)，頂板埋深768 m左右(據(jù)亳州BR01孔資料)[3]； 中生界白堊系新莊組(K1x)、張橋組(K2z)，巖性為砂礫巖、細(xì)砂巖、砂巖、泥巖及灰?guī)r等，厚度大于611 m； 新生界古近系古新統(tǒng)雙浮組(E1sh)、始新統(tǒng)界首組(E2j),巖性為紫紅色砂礫巖、粉砂巖、泥巖等，總厚度1 205 m； 新近系的館陶組(N2g)、明化鎮(zhèn)組(N2m)，巖性下部為厚層含礫細(xì)至粗砂巖，泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，中上部為粉砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖互層，含鐵質(zhì)結(jié)核及鈣錳結(jié)核，新近系固結(jié)程度較低，呈半松散狀； 第四系(Q)分布全區(qū)，覆于前第四紀(jì)地層之上，厚度130～180 m，東南薄，西北厚[3-4](圖2)。

1.新近系+古近系； 2.始新統(tǒng)界首組； 3.古新統(tǒng)雙浮組； 4.寒武系+奧陶系； 5.石炭系+二疊系； 6.白堊系； 7.三疊系； 8.新太古界五河群； 9.新太古界霍邱群

1.3 熱儲(chǔ)邊界條件

1.4 地?zé)岣拍钅Ｐ偷慕?/h3>

研究區(qū)熱儲(chǔ)可分為新近系、古近系和太古宇五河群熱儲(chǔ)，其熱源主要來源于放射性元素的熱蛻變和上地幔。與相鄰地區(qū)相比，莫霍面相對(duì)較淺，對(duì)地幔熱能的傳遞較為有利。其蓋層為上部第四系及新近系黏土、粉質(zhì)黏土交互成層組成。根據(jù)研究區(qū)各熱儲(chǔ)層水化學(xué)特征及地?zé)崃黧w年齡差異(分析見后)，得知地?zé)崃黧w以遠(yuǎn)處的側(cè)向補(bǔ)給為主，來源于地質(zhì)歷史時(shí)期的大氣降水，經(jīng)蒸發(fā) / 濃縮作用形成。另外，其基底起伏(東西向亳州隆起、阜陽(yáng)凹陷等控制蓋層厚度)及斷裂構(gòu)造(南北向阜陽(yáng)、亳州斷裂等形成導(dǎo)水通道)分布有利于地球內(nèi)熱能向研究區(qū)熱儲(chǔ)層傳遞。其概念模型見圖3。

圖3 地?zé)岣拍钅Ｐ?/p>

2 地?zé)崴瘜W(xué)特征

阜陽(yáng)地區(qū)區(qū)內(nèi)從南至北已有的地下水開采井水化學(xué)成分分析結(jié)果(表1)顯示： 在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，垂向上(150～900 m)，地下水化學(xué)類型以HCO3·Na型為主，pH值8.2～8.5，TDS為450～750 mg/L，屬軟水、淡水； 900～1 600 m，地下水化學(xué)類型以Cl·Na型為主，pH值7.3～8.0，總硬度100～1 600 mg/L，TDS為2 600～14 000 mg/L，為硬水、微咸水—咸水。

表1 地下水開采井水化學(xué)成分分析結(jié)果

注： 數(shù)據(jù)主要來源于《安徽省亳州市(城南)地?zé)豳Y源詳查報(bào)告》[3]及《安徽省阜陽(yáng)城區(qū)地?zé)犷A(yù)可行性勘查報(bào)告》[4]。

從地下水Piper三線圖(圖4)也可以看出，阜陽(yáng)地區(qū)地下水化學(xué)類型在菱形圖中分布比較集中，基本可分為2種類型: 900 m以淺的主要為HCO3·Na型水; 900 m以深的為Cl·Na型水。亳州十八里工業(yè)園(BR01)處于2種水類型之間，偏向HCO3·Na型水，可能受下部五河群風(fēng)化殼水的影響所致。

圖4 阜陽(yáng)地區(qū)地?zé)岬叵滤瘜W(xué)Piper圖解

由表1可知，作為主要熱儲(chǔ)層位的新近系館陶組地?zé)崃黧w，其水化學(xué)組分含量在平面上差異較小(如TDS含量，BR03與BR04相差不大)，在垂向上差異較大(如TDS含量，BR02與BR03相差近1倍)，總體隨著深度增加，TDS增高，淺部的均小于1 000 mg/L，而900 m以深的均大于2 600 mg/L，大于上覆層位熱水TDS含量的4倍。橫向上，從南至北(阜南—阜陽(yáng)—太和—亳州)，熱儲(chǔ)層(新近系、古近系)底板埋深呈加深趨勢(shì)，但在北面亳州隆起處出現(xiàn)太古宇五河群風(fēng)化殼熱儲(chǔ)，為新發(fā)現(xiàn)熱儲(chǔ)層位，熱儲(chǔ)埋深900 m以深，TDS含量較低。據(jù)圖1，亳州隆起為東西向面狀分布，結(jié)合BR01鉆孔資料，推斷該層熱儲(chǔ)在皖西北部具有一定的代表性，其水化學(xué)類型也不同于新近系館陶組Cl·Na型。

3 地?zé)崴凰胤治?/h2>

3.1 地?zé)崴畞碓?/h3>

同位素是地球化學(xué)綜合反映的重要指標(biāo)，是地?zé)岢梢蚍治龅闹匾罁?jù)之一[6]。本次研究共收集了研究區(qū)同位素測(cè)試樣24個(gè)，其中氫氧穩(wěn)定同位素16個(gè)，14C放射性同位素8個(gè)。測(cè)試單位分別為桂林巖溶研究所測(cè)試中心、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所測(cè)試中心。樣品主要采集于地?zé)崃黧w、地表水和雨水。具體測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 各采樣點(diǎn)穩(wěn)定同位素分析結(jié)果[4-5]

3.1.1δD、δ18O同位素分析

D(氘)和18O在自然界中含量分別各占?xì)浜脱跛蟹€(wěn)定同位素總量的0.14‰和2.05‰ (相對(duì)豐度)。對(duì)地?zé)崃黧w、地表水和雨水采樣測(cè)定δD和δ18O，測(cè)試結(jié)果(表2)表明： 五河群—新近系BR01井地?zé)崃黧wδD、δ18O分別為-74.5‰、-10.66‰(VSMOW，VSMOW為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水)[5-6]； 古近系各井(BR02、BR03、BR04、BFY01、FR03、BFY01)地?zé)崃黧wδD、δ18O分別為-72.6‰～-64.0‰(VSMOW)、-9.62‰～-8.4‰(VSMOW)，地表水分別為-132‰～-55.2‰(VSMOW)、-17.8‰～-7.60‰(VSMOW)，當(dāng)?shù)卮髿饨邓謩e為-45‰～-19.5‰(VSMOW)、-6‰～-4.24‰(VSMOW)，均在全國(guó)大氣降水線的δD(-400.0‰～10‰，VSMOW)、δ18O(-60‰～0，VSMOW)之列(圖5)。

圖5 地?zé)崃黧wδD和δ18O值與全國(guó)現(xiàn)代大氣降水線的關(guān)系

由圖5可見，地?zé)崃黧wδD和δ18O的值稍偏離全球大氣降水線(虛線)，說明地?zé)崃黧w主要來源于大氣降水。而本區(qū)700 m或1 000 m以淺上覆巨厚黏性土、泥巖及砂巖等隔水蓋層，難以直接接受大氣降水補(bǔ)給，且地?zé)崃黧w中δD 和δ18O均低于全國(guó)現(xiàn)代大氣降水和地表水，表明地?zé)崃黧w曾是地質(zhì)歷史時(shí)期的大氣降水入滲補(bǔ)給的產(chǎn)物[7]，為側(cè)向徑流補(bǔ)給水和古沉積水。對(duì)研究區(qū)低于60 ℃的地?zé)崃黧w，水和巖土體同位素物質(zhì)交換反應(yīng)速度緩慢，巖土氫氧同位素對(duì)地下水氫氧同位素成分組成影響小，可不考慮。

在同一地?zé)釁^(qū)，δ18O有一定的變化范圍。地?zé)崃黧w溫度越高，水巖作用越強(qiáng)烈，則δ18O值越大(向右漂移量越大)，而理論上δD幾乎不變或變化幅度較小。因此在δD-δ18O圖解上大致分布在一條水平線附近，此水平線與全球大氣降水線的交點(diǎn)接近于地?zé)崃黧w補(bǔ)給源現(xiàn)代大氣降水的氫氧同位素組成，這與當(dāng)?shù)卮髿饨邓臍溲跬凰貙?shí)測(cè)值差距較大(在不同地區(qū)的大氣降水δD、δ18O值變化較大)，說明地?zé)崃黧w補(bǔ)給源距離本地?zé)釁^(qū)較為遙遠(yuǎn)。

3.1.2 氚(3H)同位素分析

氚(3H)半衰期為12.26 a，衰變時(shí)放出β射線并變?yōu)榉€(wěn)定同位素3He，度量單位為TU。將地下水中3H的測(cè)量值與大氣降水中的3H含量比較確定年齡： 若地下水中3H含量小于5～10 TU,則水是1954年前形成的; 若大于5～10 TU,則水是1954年后形成的[9-10]。根據(jù)3H含量可以推測(cè)50 a以內(nèi)的地下水年齡。

測(cè)試結(jié)果表明，研究區(qū)地表水和雨水中的3H含量分別為8.0～19.84 TU、16.40 TU，為現(xiàn)代水標(biāo)準(zhǔn)值。研究區(qū)位于內(nèi)陸地區(qū)，新近系3H含量的測(cè)試結(jié)果<6.6 TU，古近系地?zé)崃黧w3H含量的測(cè)試結(jié)果<2.0 TU，多介于0.8～4.0 TU之間，地?zé)崃黧w中部分為1954年以前補(bǔ)給的地下水與現(xiàn)代水的混合物。研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w3H含量在2.0 TU左右，均低于地表水和大氣降水,從而說明循環(huán)水混入量極少。結(jié)合其水化學(xué)特征及大地構(gòu)造演化史，可以推斷研究區(qū)地?zé)峥赡苁窃诜忾]程度較低的的氧化環(huán)境中海相殘余湖之天然鹵水與大陸溶濾水的混合體，接受歷史上大氣降水補(bǔ)給，地?zé)崴潭容^高。大氣降水通過地下水，與地?zé)崃黧w以壓力傳導(dǎo)方式交替，循環(huán)緩慢，地?zé)嵩戳黧w形成歷史久遠(yuǎn)。

圖6 阜陽(yáng)地區(qū)地下水Gibbs圖

3.2 地?zé)崴挲g(放射性同位素14C分析)

14C半衰期為5 760 a，14C法能測(cè)定的最大年齡為(4.0～5.0)萬a。地下水在流動(dòng)過程中，水與圍巖之間發(fā)生置換、吸收、沉淀等水巖化學(xué)反應(yīng)。鑒于研究區(qū)新近系及古近系地?zé)崃黧w是在深部較封閉的地質(zhì)環(huán)境中形成的，根據(jù)14C濃度測(cè)定的地?zé)崃黧w年齡可以作為地?zé)嵝纬蓺v史的基本依據(jù)。研究區(qū)地?zé)崃黧w14C測(cè)試結(jié)果(已經(jīng)過13C校正)表明，其新近系地?zé)崃黧w年齡為(3.3～4.5)萬a，古近系地?zé)崃黧w年齡為(1.35～2.8)萬a。結(jié)合表1井深資料，總體上可看成地?zé)崴哪挲g隨熱儲(chǔ)埋藏深度的增加而增大。但研究區(qū)BR01地?zé)峋∷畬游晃挥谛陆叼^陶組及下伏的五河群變質(zhì)巖風(fēng)化殼古老巖石中，其對(duì)14C濃度有一定的影響，即該測(cè)試年齡可能是新近系及五河群熱儲(chǔ)的綜合反映，出現(xiàn)地?zé)崃黧w測(cè)試年齡新近系大于古近系。這一現(xiàn)象也反映五河群熱儲(chǔ)(含下伏風(fēng)化層)可能含有基巖裂隙承壓水，其補(bǔ)給徑流途徑比古近系地?zé)崃黧w漫長(zhǎng)。

因此，研究區(qū)新近系、古近系地?zé)崃黧w來自于萬年前的大氣降水，部分為1954年以前補(bǔ)給的地下水與現(xiàn)代水的混合物； 新近系地?zé)崃黧w平均年齡4萬a左右，古近系地?zé)崃黧w年齡2萬a左右，這與地質(zhì)條件及其他佐證是相符的。

4 結(jié)論

通過對(duì)阜陽(yáng)地區(qū)地?zé)崴乃瘜W(xué)特征和同位素特征分析，可得出如下結(jié)論：

(1)在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，垂向上150～900 m，地下水化學(xué)類型以HCO3·Na型為主，屬軟水、淡水； 900～1 600 m，地下水化學(xué)類型以Cl·Na型為主，為硬水、微咸水—咸水。地?zé)崃黧w水化學(xué)組分含量在平面上差異較小，在垂向上差異較大，總體隨著深度增加而增大，但研究區(qū)西北部五河群風(fēng)化殼熱儲(chǔ)，其埋深淺，TDS含量低，不同于區(qū)域常見的新近系館陶組、古近系界首組熱儲(chǔ)。

(2)通過對(duì)研究區(qū)地?zé)崴?、地表水、大氣降水的穩(wěn)定同位素δD、δ18O和氚(3H)含量進(jìn)行測(cè)定與分析，結(jié)果表明,阜陽(yáng)地區(qū)地?zé)崴闹饕a(bǔ)給來源是歷史時(shí)期大氣降水，經(jīng)側(cè)向徑流補(bǔ)給和蒸發(fā) / 濃縮作用形成了高TDS地?zé)崃黧w。

(3)通過對(duì)研究區(qū)不同熱儲(chǔ)層的地下水樣放射性同位素14C的測(cè)定與分析，結(jié)果表明，研究區(qū)地?zé)崴哪挲g總體上呈現(xiàn)隨熱儲(chǔ)埋深增加而增大趨勢(shì)，不同熱儲(chǔ)層位地?zé)崴挲g存在差異，新近系地?zé)崃黧w平均年齡為4萬a左右，古近系地?zé)崃黧w的平均年齡為2萬a左右。

(4)通過對(duì)研究區(qū)斷裂等構(gòu)造地?zé)岬刭|(zhì)條件研究，結(jié)合地?zé)崴瘜W(xué)特征及水同位素分析，建立了研究區(qū)地?zé)岣拍钅Ｐ汀?/p>