張卓，成世才，金興，劉志剛

(1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250013；2.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院,山東 濟(jì)南 250013；3.山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司 山東 濟(jì)南 250101；4.臨沂市國(guó)土資源局蘭山分局，山東 臨沂 276000)

近幾十年，環(huán)境同位素技術(shù)在研究與解決地下水補(bǔ)給來源、補(bǔ)給強(qiáng)度，補(bǔ)給來源的比例、補(bǔ)給區(qū)的范圍與標(biāo)高、各類水體間的水力聯(lián)系以及測(cè)定地下水年齡等實(shí)際問題中的應(yīng)用越來越廣泛，已成為地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域一門新興的邊緣學(xué)科[1]。目前，用于解決水文地質(zhì)問題的同位素主要是一些輕(低原子序數(shù))元素的同位素，其中主要是H，O，C同位素[2]。地下熱水δD值的變化主要取決于地下熱水接受補(bǔ)給時(shí)的環(huán)境溫度及其補(bǔ)給高程；δ18O的變化除與δD近似外，還主要取決于地下熱水與圍巖交換的程度。上述研究為該文采用環(huán)境同位素技術(shù)來確定濟(jì)南平陰某氡地?zé)峋难a(bǔ)給來源提供了很好的思路。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

1.2 構(gòu)造

區(qū)內(nèi)基底褶皺構(gòu)造較發(fā)育，距離氡泉井最近的為F2斷裂，物探推測(cè)斷裂F2為一條深部基底斷裂構(gòu)造，走向320°，傾向50°，傾角約75°，為NW向高角度斷裂，推測(cè)斷距20～30m，斷裂破碎帶寬度約110m，形成時(shí)代為前寒武紀(jì)。

1.3 地?zé)釛l件

大孫莊地區(qū)氡地?zé)崴疄樾绿糯┥綆r群變質(zhì)巖裂隙承壓水，熱儲(chǔ)為深部基底構(gòu)造裂隙含水帶和古風(fēng)化裂隙水，巖性為片麻狀黑云角閃二長(zhǎng)花崗巖及斜長(zhǎng)角閃巖；蓋層主要為寒武紀(jì)灰?guī)r夾頁巖、奧陶紀(jì)白云質(zhì)灰?guī)r及第四紀(jì)松散層[3]，厚度605～648m；斷裂F2是大孫莊地區(qū)地?zé)犭比闹饕獙?dǎo)水、儲(chǔ)水空間。氡泉水水溫28.3℃，屬低溫地?zé)豳Y源，地?zé)豳Y源類型為II-2型(圖1)。

圖1 氡地?zé)峋責(zé)岬刭|(zhì)圖

2 樣品采集與測(cè)試

該次同位素采集、保存與運(yùn)輸均按照國(guó)家相關(guān)規(guī)范、規(guī)程進(jìn)行，對(duì)需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的項(xiàng)目按照規(guī)范要求進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

D,18O,14C同位素樣品由國(guó)土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)。監(jiān)測(cè)依據(jù)為《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法》(DZ/T0064—1993)，監(jiān)測(cè)儀器為超低本底液體閃爍譜儀，型號(hào)為Quantulus 1220，測(cè)試溫度為24℃，濕度為48%。

3 結(jié)果與討論

3.1 氡元素物源

含有鐳或其他某些元素的固體物質(zhì)向外部介質(zhì)自發(fā)地或人為地釋放放射性氣體的過程，稱為射氣作用[4]。氡是放射性元素鐳在衰變過程中產(chǎn)生的一種放射性稀有氣體。換言之，天然氡同位素是鐳衰變的產(chǎn)物，而鐳又是鈾、錒和釷放射性衰變系的中間產(chǎn)物。據(jù)南京大學(xué)資料[5]，泰山巖群變質(zhì)巖中鈾5.8(10-4%)、釷55.8(10-4%)，明顯高于地殼酸性火成巖的豐度值[分別為3.5(10-4%)、18(10-4%)]，為大孫莊氡泉的形成提供了充足的物質(zhì)來源。

3.2 14C定年

利用14C確定地下水年齡的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，時(shí)間確定較為精確[6]。該氡泉水14C定年分析結(jié)果見表1。

表1 區(qū)內(nèi)代表性地下水樣14C同位素分析結(jié)果

地下熱水一種是來源于大氣降水，為循環(huán)型地下熱水，另一種為地層或構(gòu)造形成地產(chǎn)生的封存型地下熱水[7]。根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水樣中14C同位素分析結(jié)果，氡泉水表觀年齡在15.81±2.17ka，與周圍圍巖新太古代泰山巖群的年齡相差巨大，說明該水不屬于封存型地?zé)崴瑧?yīng)屬于深循環(huán)型地?zé)崴?，時(shí)間大約對(duì)應(yīng)晚更新世。水中溶解的現(xiàn)代碳含量為14.78±3.87%，說明該氡泉水以“古水”為主，混合有少量現(xiàn)代的入滲水。其他松散巖類孔隙水、碎屑巖類巖溶裂隙水及碳酸鹽類裂隙巖溶水中，現(xiàn)代碳的含量在62%～80%之間，表觀年齡在1.78～3.86ka之間，說明這些水為現(xiàn)代的入滲水與少量“古水”的混合水，以現(xiàn)代的入滲水為主。

3.3 大氣降水線與氧飄移

氡泉水δD，δ18O同位素分析結(jié)果見表2。

表2 區(qū)內(nèi)代表性地下水樣δD,δ18O同位素分析結(jié)果

Craig通過研究北美大陸大氣降水發(fā)現(xiàn)，降水的氫氧同位素呈線性相關(guān)變化，數(shù)學(xué)關(guān)系式δD=8δ18O+10，為一條斜率為8、截距為10的直線，稱為全球大氣降水線(GMWL)，即Craig方程，作為描繪水中穩(wěn)定同位素的標(biāo)準(zhǔn)方法[8]。此后不同學(xué)者得出了各地區(qū)的降水線方程(LMWL)，所得的結(jié)果略有差異。該次調(diào)查工作選用中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)大氣降水線方程δD=7.46δ18O+0.90[9]，地下水的穩(wěn)定同位素組成特征通常用δD—δ18O相關(guān)圖來表示。

將該次氡泉水δD，δ18O同位素分析結(jié)果與以往分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表2)，可見3次分析結(jié)果差別不大，并且都位于大氣降水線附近(圖2)，說明氡泉水來源于大氣降水。

還發(fā)現(xiàn)大多數(shù)點(diǎn)都位于大氣降水線的右側(cè)，存在不同程度的向右漂移(氧飄移)[1]。分析氧飄移的原因?yàn)槿霛B后進(jìn)行深部循環(huán)的大氣降水與圍巖發(fā)生水—巖交換反應(yīng)，如與硅酸鹽和碳酸鹽等含氧礦物組成的圍巖進(jìn)行氧同位素交換，導(dǎo)致地下水中同位素組成發(fā)生變化。氧同位素的漂移取決于熱水的溫度、圍巖的δ18O值、水—巖比值和熱水在儲(chǔ)庫(kù)中逗留的時(shí)間[10]。

圖2 區(qū)內(nèi)代表性地下水樣δD與δ18O關(guān)系

3.4 同位素高程計(jì)算

地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高度的計(jì)算按照H，O穩(wěn)定同位素的高程效應(yīng)原理,δD隨地下水補(bǔ)給高程的增大而減小[11]。按下列公式可以確定地?zé)崴难a(bǔ)給區(qū)及補(bǔ)給高度[1]。

式中：H—同位素入滲高度(m)；h—取樣點(diǎn)高程(+40m)；δg—地下水δ18O值(δ18O=-10.0)×10-3；δp—取樣點(diǎn)附近大氣降水δ18O值(取松散巖類孔隙水代替，δ18O=-9.0×10-3)；K—大氣降水δ18O值高程梯度(-δ/100m)。

根據(jù)氡地?zé)崛狣，18O同位素組成，計(jì)算出氡地?zé)崴a(bǔ)給高度在+140m左右；根據(jù)水文地質(zhì)條件推斷該氡地?zé)峋a(bǔ)給區(qū)位置，位于該井東南方向40～50km遠(yuǎn)的泰山余脈，標(biāo)高在+100～+180m，地下水流向?yàn)楸蔽飨?。?jù)此公式所計(jì)算出的補(bǔ)給區(qū)標(biāo)高與水文地質(zhì)及自然地理?xiàng)l件推斷出的補(bǔ)給區(qū)相吻合，說明應(yīng)用穩(wěn)定同位素確定地下水的補(bǔ)給高程具有較好的效果。

4 結(jié)論

(1)泰山余脈火成巖變質(zhì)巖山區(qū)風(fēng)化裂隙帶，接受大氣降水補(bǔ)給，入滲后沿泰山巖群變質(zhì)巖與奧陶紀(jì)灰?guī)r的接觸帶及深大斷裂徑流，徑流過程中溶解了該變質(zhì)巖層中的氡，在NW—SE向深切構(gòu)造處匯集，此為該氡地?zé)峋难a(bǔ)給和徑流條件。

(2)14C同位素分析結(jié)果，氡泉水表觀年齡在(15.81±2.17)ka，與周圍圍巖新太古代泰山巖群的年齡相差巨大，說明該水不屬于封存型地?zé)崴?，屬于深循環(huán)型地?zé)崴瑫r(shí)間大約對(duì)應(yīng)晚更新世。水中溶解的現(xiàn)代碳的含量為14.78±3.87%，說明該氡泉水以“古水”為主，混合有少量現(xiàn)代的入滲水。

(3)分析大氣降水線出現(xiàn)氧飄移是因?yàn)槿霛B后進(jìn)行深部循環(huán)的大氣降水與硅酸鹽和碳酸鹽等含氧礦物組成的圍巖進(jìn)行氧同位素交換，導(dǎo)致地下水中同位素組成發(fā)生變化。

(4)根據(jù)同位素高程計(jì)算，計(jì)算出氡地?zé)崴a(bǔ)給高度在+140m左右；根據(jù)水文地質(zhì)條件推斷該氡地?zé)峋a(bǔ)給區(qū)位置，位于該井東南方向40～50km遠(yuǎn)的泰山余脈，標(biāo)高在+100m～+180m，公式計(jì)算出的補(bǔ)給區(qū)標(biāo)高與水文地質(zhì)及自然地理?xiàng)l件推斷出的補(bǔ)給區(qū)相吻合。

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