李文俊，劉聰，張麗玲，朱彤，宋文玲

1.吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130102；2.吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長(zhǎng)春 130102

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源供需關(guān)系日益緊張，地?zé)豳Y源作為一種清潔、可再生的資源受到廣泛關(guān)注。吉林省伊舒斷陷盆地是發(fā)育于郯廬斷裂帶東北段上的新生代盆地，地?zé)豳Y源較為豐富。為科學(xué)合理利用吉林省地?zé)豳Y源，應(yīng)對(duì)其分布特征、成因環(huán)境、循環(huán)條件等進(jìn)行綜合分析，保障地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用。本文基于吉林省伊舒斷陷盆地(伊通段)地?zé)豳Y源普查和吉林省伊通滿(mǎn)族自治縣大孤山地?zé)豳Y源普查2個(gè)項(xiàng)目，應(yīng)用Pipar圖、Gibbs圖、Na-K-Mg三角圖、氫氧同位素關(guān)系圖等方法對(duì)地?zé)崃黧w化學(xué)組分、成因、循環(huán)特征進(jìn)行了初步分析。

1 研究區(qū)概況

吉林省伊舒斷陷盆地是發(fā)育于郯廬斷裂北延西支上的新生代盆地，位于長(zhǎng)春市和吉林市之間，盆地平面呈北東向狹長(zhǎng)分布，長(zhǎng)140 km，寬12～20 km，面積約2 400 km2，盆地內(nèi)充填有巨厚的新生界地層。盆地北西側(cè)隔大黑山地壘與松遼盆地相鄰，東南為廣闊的那丹哈達(dá)嶺山脈。盆地內(nèi)地勢(shì)相對(duì)平坦開(kāi)闊，平地上散布著16座拔地而起的火山，火山噴發(fā)類(lèi)型為噴發(fā)和裂隙—中心式溢流，在空間上主要沿盆地兩側(cè)深大斷裂呈北東向線狀展布，火山活動(dòng)較為強(qiáng)烈。

研究區(qū)地處伊舒盆地南段，構(gòu)造上屬佳木斯—伊通地塹，二級(jí)構(gòu)造單元為莫里青斷陷。莫里青斷陷可進(jìn)一步劃分為靠山凹陷、馬鞍山斷階、大孤山斷階帶、尖山構(gòu)造帶及小孤山斜坡(圖1)。

圖1 伊舒盆地南段構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨暗責(zé)峋植紙D

受盆地東西兩側(cè)深大斷裂和地層沉積環(huán)境等因素控制，區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源較為豐富，研究區(qū)4眼地?zé)峋衣兜責(zé)崃黧w主要賦存在古近系奢嶺組和雙陽(yáng)組砂巖地層的孔隙、裂隙中，有效熱儲(chǔ)層埋深在1 303.5～2 012.1 m之間，單井最大涌水量可達(dá)902.88 m3/d，出水溫度區(qū)間在47～53℃之間。屬由構(gòu)造控制的沉積盆地型地?zé)豳Y源。

2 水文地球化學(xué)特征分析

2.1 樣品的采集與測(cè)試

本次研究所用的地?zé)崃黧w樣品取自區(qū)內(nèi)4眼地?zé)峋骶訒r(shí)間均在抽水試驗(yàn)結(jié)束前2小時(shí)采集，并加入保護(hù)劑，取樣流程嚴(yán)格按照取樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采樣。共采集地?zé)崃黧w樣品4組，委托具有水質(zhì)檢測(cè)資質(zhì)的單位進(jìn)行分析測(cè)試，測(cè)試結(jié)果真實(shí)可靠。

2.2 水化學(xué)類(lèi)型及礦化度分析

圖2 地?zé)崃黧wpipar圖

平面上，地?zé)崃黧w的礦化度由盆地東南尖山構(gòu)造帶向西北靠山凹陷逐漸增加，可見(jiàn)凹陷區(qū)地?zé)崃黧w循環(huán)相對(duì)緩慢，致使礦化度增加，由礦化度含量變化，可初步推斷該區(qū)地?zé)崃黧w徑流方向?yàn)闁|南向西北。此外，區(qū)內(nèi)4眼地?zé)峋甖K2、ZK5、ZDR2、ZDR1的靜水位標(biāo)高分別205.88 m、179.85 m、223.30 m、235.40 m，地?zé)峋撵o水位數(shù)據(jù)也佐證了地?zé)崃黧w由東南向西北徑流。

表1 伊舒盆地(南段)地?zé)崃黧w主要離子濃度數(shù)據(jù)表

2.3 水化學(xué)成因類(lèi)型分析

圖3 研究區(qū)地?zé)崃黧wGibbs投影圖

2.4 水巖平衡分析

1988年Giggenbach提出了Na-K-Mg三角圖解法，用來(lái)評(píng)價(jià)水巖平衡狀態(tài)，其原理為Na+、K+的平衡調(diào)整極為緩慢，而K+、Mg2+含量即使在低溫也調(diào)整得相當(dāng)快[6]。在三角圖中分為完成平衡、部分平衡和未成熟水三個(gè)區(qū)域。由繪制的Na-K-Mg三角圖(圖4)可以看出，地?zé)崃黧w樣品均位于部分平衡區(qū)，基本接近平衡曲線，說(shuō)明地?zé)崃黧w處于較為封閉的環(huán)境中，循環(huán)較慢，在熱儲(chǔ)層內(nèi)化學(xué)反應(yīng)未達(dá)到離子平衡，或者是在上升過(guò)程中發(fā)生了冷熱水混合作用使得熱水中離子組分的濃度降低[7]。本區(qū)地?zé)崃黧w投影點(diǎn)分布在三角圖右側(cè)完全平衡與部分平衡界線下部，水巖作用接近完全平衡，推測(cè)其原因?yàn)樯畈繜醿?chǔ)與淺部熱儲(chǔ)發(fā)生混合，溫度出現(xiàn)變化(但變幅不大)，使原平衡被打破。

圖4 地?zé)崃黧wNa-K-Mg三角圖

3 同位素特征分析

地?zé)崃黧w的同位素分析是了解地?zé)崃黧w形成機(jī)制、補(bǔ)給、徑流、排泄的有利手段，其中D、O同位素運(yùn)用最為廣泛。同位素的化學(xué)性質(zhì)大部分不易被圍巖吸收，比較穩(wěn)定，但因地下水的混合作用、水—巖反應(yīng)作用以及溫度變化等因素導(dǎo)致的同位素變化容易被儀器檢測(cè)到[9]，D、O元素本身就是水分子的組成部分，其變化規(guī)律可有效地再現(xiàn)地?zé)崃黧w的演化過(guò)程，同時(shí)δ18O在地?zé)崃黧w及巖石中存在不同程度的交換，亦可用來(lái)揭示水巖反應(yīng)過(guò)程[10]；另外，大氣降水中的δD和δ18O值會(huì)隨著溫度、緯度、高程、降雨量、季節(jié)等影響因素的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以利用這些特征來(lái)判斷地下熱水起源，估算地?zé)崃黧w的補(bǔ)給區(qū)溫度和補(bǔ)給高程[10]。因此，地?zé)崃黧w同位素分析，可以更準(zhǔn)確地分析地?zé)崃黧w的起源、循環(huán)和年齡等[10]。

根據(jù)研究區(qū)地?zé)崃黧w樣品δD、δ18O穩(wěn)定性同位素和T放射性同位素的測(cè)試數(shù)據(jù)(表2)，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)大氣降水和地?zé)崃黧w的δD、δ18O之間的數(shù)值差別較大，而淺層地下水、地表水的δD、δ18O值與地?zé)崃黧w的δD、δ18O值較為接近，表明研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w與近距離的大氣降水水力聯(lián)系不密切，但與周?chē)臏\層地下水和地表水通過(guò)斷裂構(gòu)造存在一定的水力聯(lián)系。本次應(yīng)用Aqua Chem軟件繪制了研究區(qū)內(nèi)大氣降水、地表水、淺層地下水、地?zé)崃黧w的δD-δ18O關(guān)系圖(圖5)。并與松遼平原降水線δD=7.03，δ18O-4.38[8]、長(zhǎng)白山區(qū)大氣降水線δD=7.77，δ18O+9.11[8]以及中國(guó)大氣降水線進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 地?zé)崃黧w同位素檢測(cè)成果表

圖5 研究區(qū)δD—δ18 O關(guān)系圖

由圖5可見(jiàn)，長(zhǎng)白山區(qū)大氣降水線與中國(guó)大氣降水線基本一致，松遼平原大氣降水線受氣候因素影響位于二者之下。研究區(qū)內(nèi)大氣降水樣品與中國(guó)大氣降水線基本吻合，地表水、淺層地下水、地?zé)崃黧w樣品均分布在降水線右側(cè)，其中地?zé)崃黧w的δ18O值偏移較為明顯，飄移值約2‰，說(shuō)明該區(qū)地?zé)崃黧w不是來(lái)源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓木徒a(bǔ)給[11]，而是經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間和距離的徑流過(guò)程，從而與圍巖反應(yīng)交換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；或與近代火山活動(dòng)、巖漿型熱源有關(guān)。

大陸地區(qū)大氣降水δD和δ18O值具有隨地形高程升高而降低的效應(yīng)[13-14]，依據(jù)D、O同位素的高程效應(yīng)可以確定地?zé)崃黧w的入滲高程(即補(bǔ)給區(qū)高程) ，進(jìn)而推斷地?zé)崃黧w的補(bǔ)給區(qū)位置。由于地?zé)崃黧w在深部熱儲(chǔ)高溫作用下會(huì)出現(xiàn)δ18O 漂移現(xiàn)象，所以通常利用大氣降水同位素δD值的高程效應(yīng)計(jì)算補(bǔ)給區(qū)高程更準(zhǔn)確[15]。研究區(qū)地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)高程計(jì)算公式為:

H=h+(D-Dr)/gradD

(1)

式中:H為地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高程，m；h為地?zé)崴蓸狱c(diǎn)高程，m;D為地?zé)崴腄值，‰；Dr為地?zé)崴狱c(diǎn)附近大氣降水δD值，‰，本文取研究區(qū)淺層地下水δD值-74‰代替；gradD為大氣降水δD值高程梯度，‰/100 m，本文取-1.83‰/100 m。

由公式(1)計(jì)算得出地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)高程為1 004.85 m。

由吉林省地勢(shì)圖可知，研究區(qū)東部老爺嶺山脈與哈達(dá)嶺山脈連線附近的地表高程與計(jì)算結(jié)果相近；老爺嶺山脈與哈達(dá)嶺山脈連線為伊舒盆地與輝樺盆地、敦化盆地的分水嶺，大氣降水沿分水嶺分別向東西兩側(cè)補(bǔ)給。根據(jù)研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件分析，老爺嶺山脈與哈達(dá)嶺山脈連線地處伊舒斷裂與敦密斷裂之間，兩處斷裂帶均為郯廬斷裂的組成部分，兩分支在深部也存在一定的熱源和水源通道，大氣降水沿構(gòu)造裂隙滲入，并通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)移補(bǔ)給地?zé)崃黧w。因此，推測(cè)研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w最近的大氣降水補(bǔ)給區(qū)位于盆地東部老爺嶺山脈和哈達(dá)嶺山脈一帶。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)屬由深大斷裂構(gòu)造控制的沉積盆地型低溫地?zé)豳Y源，熱儲(chǔ)層主要分布在古近系奢嶺組和雙陽(yáng)組的砂巖地層中，有效熱儲(chǔ)層埋深在1 303.5～2 012.1 m之間。區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w與圍巖的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境以堿性環(huán)境為主，地?zé)崃黧w呈弱堿性，水化學(xué)類(lèi)型為重碳酸鈉型水；地?zé)崃黧w礦化度較高，多在958～4 173.44 mg/L之間，在平面上自東南至西北礦化度逐漸增加，根據(jù)礦化度含量變化特征和地?zé)峋o水位推斷地?zé)崃黧w徑流方向?yàn)樽詵|南向西北。

(3)研究區(qū)地?zé)崃黧w水巖反應(yīng)處于部分平衡狀態(tài)，靠近完全平衡界線。推測(cè)其原因主要為深部熱儲(chǔ)與淺部熱儲(chǔ)發(fā)生混合，由于有效熱儲(chǔ)埋深在1 303.5 m～2 012.1 m，受垂向地層深度影響，各熱儲(chǔ)層溫度不同，射孔后地?zé)崃黧w發(fā)生混合，溫度出現(xiàn)變化，致使原平衡被打破。

(4)依據(jù)同位素關(guān)系曲線圖，研究區(qū)地?zé)崃黧w與附近的地表水和淺層地下水與具有一定的水力聯(lián)系，但與近距離的大氣降水水力聯(lián)系不密切。地?zé)崃黧w存在比較明顯的δ18O 富集現(xiàn)象，其封閉的熱儲(chǔ)環(huán)境及較長(zhǎng)的地?zé)崃黧w滯留時(shí)間是其δ18O 富集的主控因素，其次為火山活動(dòng)影響。

(5)根據(jù)研究區(qū)地?zé)崃黧w的δD值，計(jì)算地?zé)崃黧w補(bǔ)給區(qū)高程為1 004.85 m，并初步推斷大氣降水補(bǔ)給區(qū)位于盆地東部老爺嶺山脈和哈達(dá)嶺山脈一帶。

(6)本次通過(guò)地?zé)崃黧w水文地球化學(xué)、同位素分析研究，揭示了地?zé)崃黧w的水巖反應(yīng)過(guò)程，追溯了地?zé)崃黧w的形成機(jī)制、運(yùn)移特征以及循環(huán)規(guī)律。也為今后地?zé)豳Y源礦業(yè)權(quán)合理設(shè)置和科學(xué)開(kāi)發(fā)提供了參考和建議。