劉國營 ，韓長壽

（1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450016；2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊，河南 鄭州 450016）

0 引言

隨著我國大氣污染防治工作力度的不斷加強(qiáng)，清潔能源的利用越來赿受到重視。平頂山市為減少燃煤利用，制訂了綠色礦業(yè)城市發(fā)展規(guī)劃，將地?zé)衢_發(fā)利用列為規(guī)劃的重要內(nèi)容，為此，在平頂山市區(qū)以北基本沿李口向斜軸向設(shè)置了平頂山北地?zé)衢_發(fā)示范區(qū)，該示范區(qū)中心坐標(biāo)約為：北緯33°53′，東徑 113°18′。

平頂山地區(qū)以往地質(zhì)工作以煤為主，煤勘查鉆孔揭露地層一般只到寒武系上部，對埋深更大的寒武系中、下部巖層含水情況了解較少。平頂山市域地?zé)崽荻?.6～3.2 ℃/100m，地?zé)崃髦翟诤幽鲜∽罡?，如果寒武系灰?guī)r層含水豐富，區(qū)內(nèi)就有開發(fā)巖溶地?zé)豳Y源的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。

為了解區(qū)內(nèi)寒武系地層的含水和熱儲情況，2019—2020年由河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局設(shè)計并施工了的區(qū)內(nèi)的首井PBR01井，該井位于平頂山市郟縣堂街鎮(zhèn)。PBR01井在寒武系張夏組—饅頭組地層中發(fā)現(xiàn)了良好的熱儲層，獲得了具有開發(fā)利用價值的地?zé)崴Y源。

經(jīng)對水的C、H、O同位素測定，獲得了第一批地下水的有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)。通過研究，初步認(rèn)識了區(qū)內(nèi)寒武系地下水的補(bǔ)給途徑、循環(huán)方式、更新速率等特征，這在開發(fā)利用過程中，對確定地?zé)峋拿芏群烷_采量具有重要參考作用。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 基本地質(zhì)特征

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處在華北地臺南部，區(qū)內(nèi)基本為新生界覆蓋區(qū)，基巖地層自老到新主要有：新元古界震旦系東坡組砂巖、泥巖；下古生界寒武系下統(tǒng)辛集組、朱砂洞組、中統(tǒng)饅頭組、張夏組，上統(tǒng)崮山組，主要巖性為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾砂巖、泥巖；上古生界石炭系本溪組、太原組，巖性為鐵質(zhì)粘土巖、鋁土礦層、鋁質(zhì)粘土巖，灰?guī)r夾砂巖、泥巖含煤層；上古生界二疊系山西組、石盒子組和石千峰組，為一套含煤巖系，以砂巖、泥巖為主，夾多層煤。

區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造都較發(fā)育，褶皺構(gòu)造軸向總體呈北西向，李口向斜軸部從平頂山北地?zé)崾痉秴^(qū)西南角通過，以東還發(fā)育有多個向斜、背斜構(gòu)造。斷裂構(gòu)造主要分為北西向和北東向兩組，規(guī)范較大者多為正斷層（圖1）。區(qū)內(nèi)未見巖漿巖分布。

圖1 平頂山北地?zé)崾痉秴^(qū)地質(zhì)簡圖（據(jù)區(qū)域資料及自測修編）

1.2 含水層特征

研究區(qū)處在伏牛山東北部余脈與黃淮海平原的接壤部位，區(qū)內(nèi)大部為平原，海拔+100 m左右，局部為丘崚，地勢總體呈西北高，東南低。新生界覆蓋層的厚度200～2000 m，自東南向西北逐漸變厚。

區(qū)內(nèi)水系屬淮河流域北汝河水系，北汝河在本區(qū)以北自西向東流過，地下潛水由西北向東南滲流，地下水具有豐富的補(bǔ)給源。從所處構(gòu)造位置看，該區(qū)處于李口向斜的軸部，兩翼地下水均向軸部集中，區(qū)內(nèi)地下水所受壓力較大，基本為承壓水。

區(qū)內(nèi)的基巖含水層主要有二疊系石千峰組，該含水層主要由多層中—富含水性的中—粗粒石英砂巖、長石石英砂巖組成，單分層含水層厚度7.3～71.6 m，總厚度242.5 m，水的類型為空隙裂隙水。二疊系太原組含水層，由三層中—富含水性的灰?guī)r組成，單分層厚度4.25～41.1 m，總厚度51.2 m，水的類型為巖溶裂隙水。寒武系含水層由數(shù)層中—富含水性的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，單分層厚度2.45～57.7 m，總厚度201.95 m，巖石總孔隙率1.84%，水的類型為巖溶裂隙水。

區(qū)內(nèi)隔水層主要為各地層中的泥巖、泥質(zhì)砂巖及頁巖，單層厚度數(shù)十至上百余米

2 水的同位素組成

2.1 水樣采集與檢測

PBR01井評價的主要含水層為寒武系和二疊系，抽水試驗過程中對二疊系石千峰組以下基巖各含水層混合水和寒武系各分含水層混合水分別進(jìn)行了抽水試驗，并各取了一批水樣，每批次6件，分別檢測了不同的項目。SY1為基巖各含水層混合水，SY2寒武系各分含水層混合水。

水樣由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所檢測，δ18O和δD的檢測依據(jù)為JCZX–BZ-002-2015，檢測儀器為L2130i型水同位素分析儀，測試環(huán)境為：溫度24 ℃，濕度40%；T的檢測依據(jù)為DZ/T 0064.1-0064.80-1993（中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1993），檢測儀器為Quantulus1220型超低本底液體閃爍譜儀，測試環(huán)境為：溫度20 ℃，濕度45%；14C 的檢測依據(jù)為DZ/T 0184.9-1997（中華人民共和國地質(zhì)礦產(chǎn)部，1997），檢測儀器為PE1220QUANTULUS型超低本底液體閃爍譜儀，測試環(huán)境為：溫度21 ℃，濕度 40%。

2.2 檢測結(jié)果

區(qū)內(nèi)水樣的檢測項目及結(jié)果見表1。由于SY1為不同含水層的混合水，其檢測結(jié)果對于討論地質(zhì)問題意義不大，為作比較也一并列出，但本文主要是對SY2的結(jié)果進(jìn)行研究分析。

表1 地下水同位素檢測結(jié)果表

3 同位素組成的地質(zhì)意義

穩(wěn)定同位素18O和D，放射性同位素T和14C都早已被作為示蹤劑用來研究地下水的水文地質(zhì)特征（余夢明和潘紅忠，2010；曹玉蘭和黃裕乾，2011；董玉興等，2013；鄭揚(yáng)帆，2016），它可以確定地下水的來源與補(bǔ)給途徑、水的置換速率、水的年齡等。平頂山北地?zé)崾痉秴^(qū)主要熱儲層為寒武系碳酸鹽巖層，熱儲層類型為巖溶裂隙型。本文根據(jù)寒武系混合水的同位素檢測結(jié)果，對該層地下水所反映的地質(zhì)意義進(jìn)行討論。

3.1 水的來源

從水樣的δ18O 和δD 組成看（圖2），其基本分布的世界平均大氣降水線上，這說明地下水的來源為大氣降水。大氣降水滲流到地下后，有時會與所流經(jīng)地層的巖石發(fā)生18O同位素的交換，因巖石中缺少氫而δD值一般穩(wěn)定。寒武系含水層巖石主要為灰?guī)r、白云巖，碳酸鹽巖是在海水中形成化學(xué)沉積巖，而海水的δ18O約為0（劉順峰，2016），因此在海水中沉積形成的碳酸鹽巖富含18O。如果大氣降水與碳酸鹽巖發(fā)生同位素平衡交換，地下水會發(fā)生18O飄移，即在δD和δ18O組成圖上，樣品落點(diǎn)會分布在一個水平范圍較寬，上下范圍較窄且向右離開大氣降水線的區(qū)域內(nèi)，這種現(xiàn)象在沉積巖中大氣降水形成的熱液礦床中普遍存在（張理剛，1985）。在圖2中，樣品落點(diǎn)就基本位于大氣降水上，樣品并沒有出現(xiàn)18O 飄移現(xiàn)象，說明大氣降水與巖石之間沒有發(fā)生明顯的18O同位素交換，地下水基本保持了大氣降水的δ18O和δD值（王月和薛傳東，2008）。

圖2 平頂山市北部地區(qū)地下水的δ18O和δD組成

3.2 水中氚（T）濃度的指示意義

T有天然和人工兩種來源，前者是由宇宙射線轟擊大氣層中的氮原子形成，后者是由人類在大氣層進(jìn)行聚變核爆炸和各種核聚變反應(yīng)堆運(yùn)行所產(chǎn)生。在人類沒有進(jìn)行核聚變爆炸前，地球上大氣降水和地表水中T濃度僅受天然源影響，有資料表明，核試驗前天然淡水的T濃度為0.2～0.9 Bq/L（1 T.U=0.119 Bq/L），平均值為0.4 Bq/L（程榮林和任天山，1992）。1952年美國進(jìn)行人類首次氫彈爆炸后，環(huán)境中T濃度升高致使地表水的T濃度也逐步升高，上世紀(jì)70年代基本達(dá)到峰值，禁止核試驗后雖有所降低，但核電站等各種聚變反應(yīng)堆的不斷建設(shè)和運(yùn)行，仍有人工源T不斷釋放到大氣中。目前，北半球地表水T濃度平均達(dá)到8 T.U以上，我國還缺乏這方面較系統(tǒng)、詳細(xì)的數(shù)據(jù)。據(jù)任天山等人資料，1992年在河南省內(nèi)采集的15個江、河水樣品T活度濃度值為2.3～5.55 Bq/L，平均值為4.27 Bq/L（任天山等，2005），相當(dāng) 35.58 T.U。

當(dāng)有了人工T后，地表水會接受人工T而使總體濃度升高。由于T是放射性同位素，其半衰期為12.26年，通過測定地下水中T濃度水平就可以估計水的短期年齡。區(qū)內(nèi)水樣T濃度檢測的結(jié)果為＜1 T.U，以上述河南省現(xiàn)代地表水T濃度35.58 T.U為參考，被人工T影響的地表水通過孔隙或裂隙滲流到地下并與較老的地下水混合，混合后的濃度要達(dá)到1 T.U以下，至少要經(jīng)歷約5個半衰期，時間約61年。

一般地，有降水就會有部分水滲入地下對地下水進(jìn)行補(bǔ)充分，這必然造成地下水T濃度不同程度的升高。寒武系地下水T濃度小于1 T.U可能有兩種原因，一是該層水絕大部來源于1952年前的大氣降水，即使有現(xiàn)代水進(jìn)入至該含水層的量也很少，以致被含T已經(jīng)衰變水的稀釋，混合水的T濃度達(dá)到了穩(wěn)態(tài)水平；二是即便有1952年后以后的大氣降水進(jìn)入該含水層，時間也超過了60年。無論哪個原因，都表明寒武系含水層的水在地下埋藏時間很久，循環(huán)較慢。

另外，如表2 所示，根據(jù)以往郟縣姚莊煤普查ZK1608 鉆孔從二疊系石千峰組含水層所取水樣的水質(zhì)分析結(jié)果與本次工作在寒武系含水層取水樣的部分元素檢測結(jié)果對比看，寒武系水的F、Sr含量是二疊系石千峰組水的5倍以上，Ca、Mg 含量也明顯較高。如果兩層水連通較好，其水質(zhì)應(yīng)相近，水質(zhì)的明顯差異，反映出兩個含水層之間水力聯(lián)系不大，這也印證了上述分析T同位素地質(zhì)意義的觀點(diǎn)。

表2 水質(zhì)化學(xué)成分對照表 ρ(B)/mg·L-1

3.3 地下水的年齡意義

現(xiàn)在無法知道到底有多少現(xiàn)代水進(jìn)入到不同的含水層，從其水T濃度小于1 T.U的結(jié)果看，其中最年輕水的年齡超過了60年。由于地下水是不同年份降水的混合水，水樣的14C年齡應(yīng)是混合后水的平均年齡，寒武系水樣的14C檢測結(jié)果表明，寒武系地下水的14C年齡值為（29.24±1.88）ka，這時間處在第四系更新世的末期。這么老的地下水一直埋藏在深處，基本處在一個封閉狀態(tài)中，被后期新水置換的速度也就極慢。這表明寒武系及二疊系地下水雖來自大氣降水，但大氣降水卻不是在短期內(nèi)通過直接途徑對其進(jìn)行補(bǔ)給的，可能是大氣降水形成的地表水由淺及深分級次對地下各含水層進(jìn)行補(bǔ)給。

這種情況在區(qū)內(nèi)地?zé)衢_發(fā)時應(yīng)予以重視，對一個較封閉的含水層中的地?zé)崴Y源開發(fā)時要充分考慮其補(bǔ)給速度慢這一因素，從而合理設(shè)計水井密度和取水量。若過多的布置取水井，取水速度大于補(bǔ)給速度會很快造成出水量下降，甚至造成地?zé)峋膹U置。

寒武系含水層總厚度201.95 m，總孔隙率為1.84%，按此估算，區(qū)內(nèi)每平方千米的靜水儲量為371.588萬噸。如果按單井每小時取水50噸，每個供暖周期為120天，回灌率為50%，單井每年凈取水量為7.2萬噸，如地下水采出率按70%計，每平方千米單井服務(wù)年限約為36年。因區(qū)內(nèi)目前尚無回灌率的實測數(shù)據(jù)，勘查后如回灌率不及50%，實際服務(wù)年限還要減少。因此，要按單井穩(wěn)定服務(wù)100年的標(biāo)準(zhǔn)考慮，井的密度應(yīng)設(shè)計在1井/3km2以上，如果回灌率低較低其密度還應(yīng)放稀。

3.4 氫氧同位素反映年平均氣溫變化

大氣降水中的δD和δ18O值受距海岸距離、地區(qū)海拔和溫度的影響，研究區(qū)自第四紀(jì)更新世以來，上述影響因素中除溫度外，沒有資料顯示其他因素發(fā)生過變化，因此區(qū)內(nèi)大氣降水中的δD和δ18O值主要受溫度的影響。

不同季節(jié)大氣降水的δD和δ18O組成波動較大，而地下水是四季降水的混合水，其δD和δ18O組成基本代表了大氣降水年平均值。深層地下水又混合了多年降水，與巖石間也沒有發(fā)生明顯的同位素交換，它的δD和δ18O組成仍能代表混合水中各年度大氣降水的年平均值。丹斯加爾德認(rèn)為，全年大氣降水的δD和δ18O值與年平均氣溫呈直線關(guān)系，張理剛總結(jié)出了我國東部年平均氣溫與大氣降水的δD、δ18O關(guān)系式，即δ18O=0.35 ta-13.0、δD=2.8 ta-94，其中 ta為年平均氣溫（張理剛，1985）。

平頂山地區(qū)近年來年平均氣溫為14 ℃，根據(jù)上述關(guān)系式估算出區(qū)內(nèi)大氣降水的δ18O、δD年平均值分別為-8.1‰和-54.8‰，二者均高于水樣檢測值（圖2）。同樣，根據(jù)水樣檢測結(jié)果可以反算出過去2.92萬年以來年平均氣溫約為6 ℃，表明第四紀(jì)最后一個亞冰期結(jié)束以來，地球年平均氣溫呈逐步上升的趨勢。這也印證了其他領(lǐng)域的學(xué)者對大氣溫度變化研究得出的相似結(jié)論。

4 結(jié)論

通過以上對平頂山市北部地區(qū)寒武系熱儲層中水的同位素特征研究，得出如下結(jié)論。

（1）平頂山市以北的李口向斜核部地區(qū)處在平頂山市區(qū)和郟縣城區(qū)之間，區(qū)內(nèi)的寒武系地層埋深在1400～3000 m，在該地層含水的前提下，僅靠地?zé)崽荻仍鰷兀浜畬犹N(yùn)藏的地?zé)崴蓾M足冬季取暖供熱的水溫要求，該區(qū)具有地?zé)衢_發(fā)的良好前景。

（2）區(qū)內(nèi)寒武系因埋深適中是中深層地?zé)衢_發(fā)優(yōu)先考慮的熱儲層，地?zé)衢_發(fā)投入較高，要可持續(xù)長期利用，就要充分考慮影響目的熱儲層水利用的各種因素。綜合前述分析，認(rèn)為區(qū)內(nèi)寒武系熱儲層中的水具有以下兩大特征：寒武系含水層中水的來源為大氣降水，但大氣降水并不直接補(bǔ)給到該含水層，與淺部其他含水層的水力聯(lián)系較弱，水更新速成度極慢；寒武系含水層中水的平均年齡為2.928萬年，最新年齡超過60年。這些水主要是“老水”，其基本處在封閉狀態(tài)中。

（3）由于研究區(qū)首次獲得水同位素資料據(jù)，數(shù)據(jù)又有限，認(rèn)識上可能還不夠全面。筆者希望以上認(rèn)識，能為在規(guī)劃地?zé)衢_發(fā)利用時避免盲目決策起一點(diǎn)拋磚引玉之作用，以使地?zé)豳Y源和地下水資源更好地發(fā)揮社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。