趙明坤，孫亞軍，段忠豐，沈權(quán)偉，路桂景

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.河南省煤炭地質(zhì)勘察研究總院，河南 鄭州 450052；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580)

0 引 言

隨著全球環(huán)境污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻，對(duì)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整勢(shì)在必行，加大地?zé)岬瓤稍偕茉撮_發(fā)力度，盡可能多地取代化石能源已成為全人類社會(huì)的共識(shí)[1]。華北平原賦存有大量的中低溫?zé)崴Y源[2-3]，周口凹陷沉積有巨厚的新生界地層，儲(chǔ)存有豐富的中低溫地?zé)豳Y源。河南漯河位于周口凹陷的西南部郾城凸起，屬于凹陷中凸起區(qū)，地?zé)豳x存條件相對(duì)較好。

前人對(duì)華北平原地區(qū)及周口凹陷做過許多地?zé)岱矫娴难芯抗ぷ?。陳墨香根?jù)大量地溫和大地?zé)崃鳒y(cè)試數(shù)據(jù)，通過分析華北平原區(qū)域地溫場(chǎng)，探索了區(qū)域地下熱水的形成機(jī)制、性質(zhì)和開發(fā)利用[4]。汪集旸等重點(diǎn)介紹了中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)在我國(guó)的分布及其形成模式和特點(diǎn)[2]。盧予北等[5]對(duì)河南省地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并就低碳社會(huì)和河南現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)條件下的地?zé)崮茉促Y源勘查管理和技術(shù)提出了建議和具體工作思路。

河南漯河地?zé)豳Y源開發(fā)利用程度較高，但是基礎(chǔ)理論研究薄弱，張春強(qiáng)對(duì)漯河地?zé)豳Y源的開發(fā)利用情況進(jìn)行了介紹，并對(duì)地?zé)豳Y源量進(jìn)行了初步估算[6]。苗長(zhǎng)軍等通過漯河地?zé)崴?組抽水試驗(yàn)獲得相關(guān)參數(shù)，采用均衡法對(duì)漯河地?zé)崴脑试S開采量進(jìn)行了計(jì)算[7]。高六一等對(duì)漯河不同深度溫?zé)崴|(zhì)進(jìn)行比較分析，主要針對(duì)各層溫?zé)崴奈⒘吭丶安煌疃葴責(zé)崴尼t(yī)療價(jià)值進(jìn)行了評(píng)述[8]。但目前漯河地區(qū)地?zé)崴倪\(yùn)移規(guī)律、賦存環(huán)境及成因機(jī)制等仍未得到充分的認(rèn)識(shí)，由于漯河市缺油少煤，冬季供暖熱源緊張，故開展上述相關(guān)研究有助于推動(dòng)區(qū)域地?zé)豳Y源科學(xué)合理地開發(fā)利用，助力綠色漯河建設(shè)。

深部的地?zé)崴?jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，其水化學(xué)成分受補(bǔ)給源、礦物巖石、溫度和徑流途徑等因素影響并發(fā)生相應(yīng)變化[9]。水文地球化學(xué)研究是探尋地下水科學(xué)問題的主要手段[10-12]。通過研究地?zé)崴乃瘜W(xué)組分及其同位素特征可以分析地?zé)崴钠鹪?、成因和運(yùn)移儲(chǔ)存方式[1]。

本文在系統(tǒng)分析研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件、水化學(xué)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、同位素等特征的基礎(chǔ)上，提出了研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)成因模式，為合理開發(fā)利用地?zé)豳Y源提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 自然地理環(huán)境

漯河位于河南中部沙潁河腹地[13]，屬淮河流域大沙河中游平原地區(qū)，伏牛山東麓平原與淮北平原交錯(cuò)地帶。研究區(qū)位于亞熱帶向暖溫帶過渡地帶，具大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。根據(jù)漯河氣象站1969年至2019年的氣象資料，50年平均降水量為804.2 mm，過境水量比較豐富。境內(nèi)河流為淮河流域沙潁河水系，淮河兩大支流沙河、澧河貫穿全境并在市區(qū)交匯。

1.2 構(gòu)造及熱儲(chǔ)層特征

1.2.1 構(gòu) 造

研究區(qū)屬于平頂山—郾城凸起，其北為驀嶺—商橋凹陷，其南為吳城—西平凹陷，東側(cè)為沈丘凹陷(圖1)。

研究區(qū)斷裂構(gòu)造以近東西向和近南北向?yàn)橹?。近東西向斷裂主要有：(1)伊川—襄城—孟廟正斷層(F1)，西起伊川縣，向東經(jīng)襄城至孟廟，全長(zhǎng)約200 km。走向北西，傾向北東，傾角65°～70°，為正斷層，切割地層從太古宇至古近系頂界，研究區(qū)附近斷距500～550 m。(2)魯山—葉縣—漯河—界首正斷層(F2)，西起魯山，向東經(jīng)葉縣和漯河南，至湖北界首，全長(zhǎng)175 km。該斷層走向北西70°，傾向南西，傾角60°～65°。切割地層從太古宇至古近系頂界。研究區(qū)附近斷距250～750 m。(3)常村正斷層(F4)，為伊川—襄城—孟廟斷層的次生斷裂。該斷層走向北西，傾向北東，傾角78°～84°，為正斷層。斷距150～350 m。(4)召陵正斷層(F3)，為近南北向斷裂，位于研究區(qū)東部，長(zhǎng)度約20 km。該斷層走向北北西，傾向北東東，傾角76°～82°，性質(zhì)為正斷層，切割地層從古生界至古近系頂界，斷距150～350 m。

1.2.2 熱儲(chǔ)層特征

研究區(qū)溫?zé)崴疅醿?chǔ)位于明化鎮(zhèn)組中下部，也是漯河市地?zé)豳Y源的主要開發(fā)層位，溫度為40～60 ℃。該段頂板埋深668～722 m，底板標(biāo)高-1 010～-2 200 m(圖1)。熱儲(chǔ)含水介質(zhì)巖性主要為灰綠色細(xì)粒砂巖、中粒砂巖及含礫粗砂巖，隔水層為土黃、棕黃色泥巖、粉質(zhì)泥巖。

2 樣品采集與測(cè)試方法

本次采樣目的層為明化鎮(zhèn)組中下部的溫?zé)崴?，采集水?1件(地?zé)崴凰貥悠?組，TM2和R48兩井未取同位素樣品)，同時(shí)采河水樣同位素樣品1組，淺層地下水同位素樣品1組，采樣點(diǎn)分布見圖2。

樣品采集與送檢按照《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 11615—2010)、《地下水樣品碳同位素采集規(guī)程》(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水環(huán)所)及《水樣的采取保存與送檢規(guī)程》有關(guān)要求進(jìn)行。水化學(xué)樣測(cè)試項(xiàng)目按飲用天然礦泉水及理療熱礦水項(xiàng)目進(jìn)行。

采樣方法：采樣前，地?zé)峋B續(xù)抽水2小時(shí)以上；用原水和相應(yīng)水樣沖洗3～4次的塑料瓶(500～1 000 mL)采集水樣并編號(hào)記錄，對(duì)特殊分析項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)固定水樣。

測(cè)試分析：本次水質(zhì)分析工作在河南省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室完成。用直徑為0.45 μm的微孔濾膜(水系膜)過濾水樣后，進(jìn)行陽(yáng)離子測(cè)試的樣品用弱硝酸酸化(調(diào)節(jié)pH值至<2)后進(jìn)行測(cè)試，陽(yáng)離子(K+、Ca2+、Na+、Mg2+)質(zhì)量濃度用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測(cè)試；陰離子(SO42-、Cl-)質(zhì)量濃度的測(cè)試儀器為離子色譜儀(ICS-1500)；HCO3-采用雙指示劑滴定法測(cè)試；Sr采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)試。為保證測(cè)試的準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行主要陰陽(yáng)離子的守恒計(jì)算，若離子濃度的比值在5%范圍內(nèi)，則認(rèn)定為陰陽(yáng)離子守恒，否則重新測(cè)定。

同位素樣品測(cè)定項(xiàng)目均為氘(D或2H)和氧(18O)，測(cè)試工作由美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室完成，測(cè)試儀器為Gas-Bench IRMS。

3 結(jié) 果

3.1 水化學(xué)類型

采用本研究測(cè)試的11個(gè)樣品數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)已有的11個(gè)地?zé)峋乃|(zhì)數(shù)據(jù)[14]，按照舒卡列夫分類法對(duì)其水化學(xué)類型進(jìn)行分析(表1)。

根據(jù)表1，研究區(qū)水化學(xué)類型較為復(fù)雜，水化學(xué)類型以49-B型、42-B型、46-B型為主，次為42-A型和28-A型。49-B型樣點(diǎn)主要有5個(gè)(R23、R27、R29、TM1、TM2)；46-B型樣點(diǎn)主要有7個(gè)(R66、R65、R57、R82、C8、R17、R71)；42-B型樣點(diǎn)主要有7個(gè)(R31、R77、R19、T1、R60、R44、R76)；42-A型樣點(diǎn)主要有2個(gè)(R35、R48)；28-A型樣點(diǎn)有1個(gè)(R79)。

溶解性總固體含量為1 163～5 370 mg/L，為微咸水-咸水；總硬度84.27～1 289.03 mg/L，屬軟水-特硬水；鈉含量為336.69～1 449.8 mg/L，屬高鈉水；鍶含量為0.60～15.05 mg/L，其中水樣TM1、TM2的鍶含量達(dá)到醫(yī)療價(jià)值濃度；偏硅酸含量為27.46～41.18 mg/L，均達(dá)到醫(yī)療價(jià)值濃度?？偟膩?lái)說，區(qū)內(nèi)溫?zé)崴畬?duì)人體有益。

表1 研究區(qū)水化學(xué)特征

根據(jù)Piper三線圖(圖3)，研究區(qū)水化學(xué)特征顯示非碳酸鹽堿大于50%，堿金屬離子大于堿土金屬離子，強(qiáng)酸根大于弱酸根。

3.2 水化學(xué)特征

3.2.1 水化學(xué)類型分布特征

依據(jù)各樣點(diǎn)水化學(xué)類型結(jié)果，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水化學(xué)類型分區(qū)(圖4)，可知在伊川—襄城—孟廟斷層兩側(cè)為Cl-Na型，研究區(qū)東北側(cè)為SO4·Cl-Na型，西北部為Cl-Na·Ca型，西南部為Cl·HCO3-Na型，東南部為SO4·Cl-Na型。其分布表現(xiàn)為以伊川—襄城—孟廟斷層為軸，向兩側(cè)增加了Cl-、SO42-等離子。可以看出，該層段水化學(xué)類型空間分布與地?zé)峋臄?shù)量有明顯關(guān)系，在伊川—襄城—孟廟斷層附近及東北部，地?zé)峋^為稀疏，抽采較弱，地下水化學(xué)類型較少且呈帶狀；而在地?zé)峋械奈髂喜浚椴蓮?qiáng)烈，地下水類型多樣且分布不規(guī)則。

3.2.2 溶解性總固體和總硬度分布特征

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制出樣點(diǎn)的溶解性總固體和總硬度等級(jí)線(圖4)，可以看出溶解性總固體具有沿伊川—襄城—孟廟斷層向兩側(cè)由大→小的分布趨勢(shì)，變化規(guī)律明顯。硬度等級(jí)具有相同趨勢(shì)，沿伊川—襄城—孟廟斷層向兩側(cè)硬度最大，為特硬級(jí)水，向斷層兩側(cè)逐級(jí)遞減至軟水。此特征與地?zé)峋姆植加嘘P(guān)，斷層附近地?zé)峋∈瑁捕群腿芙庑钥偣腆w值均較大，為受干擾較小的水質(zhì)特征。向兩側(cè)隨著開采活動(dòng)的加劇，水循環(huán)相對(duì)活躍，硬度及溶解性總固體值逐漸下降。

由于漯河市主要開發(fā)此層地?zé)崴?，人類開采活動(dòng)打破了原有的壓力平衡，地下水緩慢補(bǔ)給開采區(qū)域，造成溫?zé)崴瘜W(xué)類型和其它組分沿地下水的補(bǔ)徑排路徑呈現(xiàn)出明顯的水文地球化學(xué)分帶特征，同時(shí)也造成溫?zé)崴瘜W(xué)類型多樣化。

3.3 地?zé)崴凰靥卣?/h3>

根據(jù)本次采集的9組地?zé)崴凰貥悠贰?組河水同位素樣品及1組淺層地下水同位素樣品，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)前人分析的1組雨水樣及5組溫?zé)崴凰貥拥慕Y(jié)果[15](表2)，對(duì)研究區(qū)地?zé)崴鹪催M(jìn)行分析。

氘(D或2H)和氧(18O)是H和O元素中的一種穩(wěn)定同位素。由于圍巖貧H，導(dǎo)致D從熱源向采樣點(diǎn)運(yùn)移途中不受物理化學(xué)過程影響，其濃度基本保持不變，適于作水分子起源的標(biāo)記或示蹤劑。而18O含量則隨補(bǔ)給源同位素的組成、氣候條件、滲流時(shí)交換和蒸發(fā)分餾而變化[15]。

從表2中可以看出，河水的δ18O和δD值較雨水明顯偏大，這說明河水經(jīng)過蒸發(fā)后產(chǎn)生了較大的同位素分餾，較輕的氕(1H)和16O被蒸發(fā)并優(yōu)先進(jìn)入大氣中。淺層水的δ18O和δD值較雨水略小，說明淺層水源于大氣降水，且下滲過程中水巖反應(yīng)和同位素交換作用不強(qiáng)。中深層水的δ18O和δD值較雨水小，說明中深層水與圍巖水巖反應(yīng)程度深，埋藏時(shí)間長(zhǎng)，徑流緩慢，同位素交換對(duì)δ18O和δD影響較大。

表2 地?zé)崴跬凰亟Y(jié)果及補(bǔ)給高程

4 討 論

自然界各種物質(zhì)中某元素的各種同位素含量均有不同，即便是同一種物質(zhì)天然水，由于其所處的環(huán)境不同，存在的狀態(tài)不同，其同位素含量亦有差異。天然水在循環(huán)系統(tǒng)中，水的同位素組成D和18O含量的比值，受相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)分子分解差異和水與地層之間同位素交換作用的影響，水在蒸發(fā)時(shí)重同位素富集，凝結(jié)時(shí)重同位素貧化。這些因素使得大氣降水中D和18O具有特定的標(biāo)志性，故利用地下水中D、18O的含量可以判斷地下水的來(lái)源，確定地下水的補(bǔ)給高度和補(bǔ)給區(qū)[16]。

4.1 地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源

以往的地?zé)崴梢蜓芯拷沂?，絕大多數(shù)地?zé)崽镏械牡責(zé)崴畞?lái)自大氣降水[4]。因此，在分析一個(gè)新的地?zé)崽锏責(zé)崴畞?lái)源方向或補(bǔ)給源時(shí)，首先應(yīng)在分析區(qū)域沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上討論地?zé)崴c大氣降水之間的關(guān)系。

本文的研究采用兩條降水線方程[16]：

(1)中國(guó)大氣降水線方程：

δD=7.81δ18O+8.16

(1)

(2)平頂山大氣降水線方程：

δD=7.92δ18O+8.66

(2)

由于平頂山位置距研究區(qū)較近且其降水線方程同中國(guó)降水線方程接近，所以選定這兩條降水線進(jìn)行分析?；谘芯繀^(qū)17個(gè)樣品的δD、δ18O 同位素值，結(jié)合區(qū)內(nèi)大氣降水(采用鄰區(qū)周口降雨測(cè)試結(jié)果)、地表水、淺層地下水和地?zé)崴耐凰販y(cè)定值(表2)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴耐凰刂荡蟛糠衷谥袊?guó)大氣降水線下方，與區(qū)內(nèi)雨水、沙河水的同位素值截然不同，雨水、沙河水的δ18O值偏大，表明區(qū)內(nèi)地?zé)崴a(bǔ)給來(lái)源不是入滲的現(xiàn)代大氣降水和地表水。但研究區(qū)內(nèi)地?zé)崴耐凰刂荡蟛糠衷诖髿饨邓€附近，根據(jù)古環(huán)境研究結(jié)果[16]，研究區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給源可能為位于西部山區(qū)的古大氣降水。

地?zé)崴械摩?8O值比雨水和沙河水的小，存在氧漂移現(xiàn)象，這是在漫長(zhǎng)的徑流過程中地?zé)崴c硅酸鹽、碳酸鹽(圍巖)發(fā)生氧同位素交換(使得δ18O減小)的結(jié)果[17]。

δ18O具有溫度效應(yīng)，熱儲(chǔ)溫度越高，氧漂移越顯著[15]。研究區(qū)氧漂移現(xiàn)象同雨水相較并不嚴(yán)重(平均為1‰左右)，說明地?zé)崴谘a(bǔ)給研究區(qū)時(shí)除接收正常的傳導(dǎo)增溫作用外，沒有其它熱源，結(jié)合構(gòu)造特征分析認(rèn)為研究區(qū)為典型熱傳導(dǎo)型地?zé)崽铩?/p>

4.2 地?zé)崴a(bǔ)給源高度及補(bǔ)給區(qū)

大氣降水的δD和δ18O值具有高度效應(yīng)[17]，據(jù)此可確定地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)大氣降水入滲區(qū)高度，即補(bǔ)給區(qū)高程，計(jì)算公式如下[18]：

H=(δs-δp)/K+h

(3)

式中：H為地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)高程，m；h為地?zé)崴狱c(diǎn)地面標(biāo)高，m；δs為地?zé)崴摩?8O值, ‰；δp為取樣點(diǎn)附近大氣降水δ18O值, ‰，取-9.2‰；K為同位素高度梯度, ‰/hm(δ18O高度梯度取-0.32‰/hm)[18]。

從補(bǔ)給高程的計(jì)算結(jié)果(表2)可以看出，研究區(qū)埋深為1 088～1 402 m的地?zé)崴?，其補(bǔ)給區(qū)高程為196～450 m，這和西部及西北部山丘區(qū)的高程相一致，說明研究區(qū)地?zé)崴难a(bǔ)給源為西部或西北部山區(qū)的大氣降水。

4.3 溫度場(chǎng)特征

4.3.1 熱儲(chǔ)溫度

K-Mg溫標(biāo)的計(jì)算原理是基于鉀長(zhǎng)石轉(zhuǎn)變?yōu)榘自颇负托本G石的離子交換反應(yīng)；它對(duì)于溫度的變化反應(yīng)非常迅速，在溶液中達(dá)到平衡也最快，因此，適用于低溫?zé)崴到y(tǒng)[19]。

由于TM1孔抽水時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15 d，出水口所測(cè)溫度(61 ℃)更能反映地下熱儲(chǔ)溫度，本次利用TM1孔測(cè)試結(jié)果進(jìn)行K-Mg溫標(biāo)計(jì)算[20]：

(4)

式中：tc為熱儲(chǔ)溫度, ℃；C1為水中鉀的質(zhì)量濃度，mg/L；C2為水中鎂的質(zhì)量濃度，mg/L。

計(jì)算結(jié)果為tc=62 ℃，反映TM1孔取水段熱儲(chǔ)的平均溫度為62 ℃。取水段至地表的間距為1 320 m左右，推測(cè)出水口所測(cè)溫度與熱儲(chǔ)溫度的差值是抽水過程中的熱量損失造成的。

4.3.2 溫?zé)崴h(huán)深度

利用公式(5)計(jì)算溫?zé)崴h(huán)深度[20]：

h=(tc-t0)×1/G+h0

(5)

式中：h為溫?zé)崴难h(huán)深度，m；tc為熱儲(chǔ)溫度, ℃；t0為恒溫帶溫度, ℃，本次觀測(cè)為16.6 ℃；h0為恒溫帶深度，m,本次觀測(cè)為22 m；G為地溫梯度，取3.50 ℃/hm。

計(jì)算得到h=1 319.14 m，此深度與取水段深度相一致，說明水源順地層傾向由淺及深補(bǔ)給。

4.4 地質(zhì)成因分析

地下熱水的成因也與新生代水文地質(zhì)發(fā)育史有關(guān)。周口凹陷在新生代表現(xiàn)為持續(xù)沉降，形成了巨厚的沉積物。新近紀(jì)時(shí)期為區(qū)域凹陷型的河湖相沉積，因此時(shí)本區(qū)河流縱橫，湖泊密集，氣候炎熱，蒸發(fā)作用使湖泊水質(zhì)不斷咸化并隨著凹陷的持續(xù)下降而留在沉積物中。第四紀(jì)以來(lái)本區(qū)繼續(xù)下沉，使新近系被覆蓋埋藏于地下，成為一個(gè)半封閉型水文地質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)。研究區(qū)位于伏牛山東麓的沙河沖積平原，接收伏牛山的側(cè)向微弱補(bǔ)給，使新近紀(jì)沉積的咸水不斷淡化。研究區(qū)新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)中地?zé)崴难a(bǔ)給來(lái)源為古大氣降水，補(bǔ)給區(qū)為北西100 km以外海拔196～450 m的伏牛山區(qū)[14]，地?zé)崴难h(huán)深度為1 320 m左右。據(jù)此認(rèn)為，研究區(qū)新近系地下熱水屬于側(cè)向補(bǔ)給的溶濾水與沉積水的混合物，越流補(bǔ)給可以忽略不計(jì)，屬于典型的傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)。

5 結(jié) 論

通過河南漯河地?zé)崴乃瘜W(xué)和同位素特征分析，得到以下認(rèn)識(shí)：

(1)河南漯河溫?zé)崴乃瘜W(xué)類型較為復(fù)雜，以Cl-Na型、Cl-Na·Ca型、Cl·SO4-Na型為主，其次為Cl·HCO3-Na型和SO4·Cl-Na型。

(2)溫?zé)崴芙庑钥偣腆w及總硬度具有沿襄城—孟廟斷層向兩側(cè)由大→小的分布趨勢(shì)，推測(cè)是人類開采活動(dòng)造成的地下水緩慢補(bǔ)給所導(dǎo)致。

(3)郾城凸起新近系明化鎮(zhèn)組地?zé)崴窗l(fā)生強(qiáng)烈的水巖作用，以沉積水為主，有少量的側(cè)向補(bǔ)給。地?zé)崴难a(bǔ)給高程為196～450 m，補(bǔ)給源主要為來(lái)自西部及西北部山丘區(qū)的古大氣降水；熱儲(chǔ)溫度為62 ℃，循環(huán)深度為1 320 m，屬于典型的傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)。