山东省济南市莱芜区雪野湖地区地热氡泉形成机理探析

2022-06-07白新飞宋津宇张军于超杨时骄李庆义孙晓涛

山东国土资源 2022年5期

白新飞，宋津宇，张军，于超，杨时骄，李庆义，孙晓涛

(山东省第一地质矿产勘查院，山东省地质矿产勘查开发局富铁矿找矿与资源评价重点实验室，山东济南 250100)

0 引言

地热氡泉水在治疗许多慢性疾病过程中具有良好的医疗效果，具有调节心血管系统、神经系统、内分泌系统的功能，另外在治疗牛皮癣、银屑病等皮肤病也有独特疗效。目前国内著名氡泉主要有陕西临潼华清池(1461Bq/L)、广东从化温泉(795.5Bq/L)、和安徽半汤温泉(370～740Bq/L)等氡泉。

山东省第一地质矿产勘查院在雪野湖地区实施的DR1地热勘查井，地热流体中氡含量高达379.74～563.33Bq/L，属于稀有地热氡泉资源。本次研究在雪野湖地区开展相关工作，旨在查明地热氡泉资源分布特征并探析其形成机理(1)山东省第一地质矿产勘查院，山东省济南市莱芜区雪野湖地区氡泉形成机理研究，2020年。山东省第一地质矿产勘查院，济南雪野地区地热资源潜力与氡泉成因机制研究报告，2021年。。

1 地质背景

1.1 地层

雪野湖地区西南部、西北部出露有寒武纪、奥陶纪地层，第四纪地层分布于水系两侧和沟谷内(图1)。

1.2 岩浆岩

区内岩浆岩极发育，主要分布在泰安-大王庄断裂以北，面积约占75%。新太古代傲徕山序列松山单元、邱子峪单元及蒋峪单元在雪野湖地区呈岩基状产出，广泛分布于雪野湖地区，傲徕山序列其他单元及其他序列侵入岩多呈岩株、岩脉状产出(图1)。

1.3 断裂构造

1.3.1 铜冶店-孙祖断裂

铜冶店-孙祖断裂在基底构造的基础上发展而来，切割了断裂两盘所有地层，其构造强烈活动与沂沭断裂带左行伸展活动有关[2]。该断裂经历至少两期继承性构造活动，先张后压扭，强烈活动期为中生代，新生代后亦有活动[3]。该断裂从雪野水库西南穿过，区内长度约30km，总体走向310°，西北部产状近直立，东南部倾向SW，倾角70°～80°，宽约100～200m。

1.3.2 文祖断裂

文祖断裂南端位于莱芜区上游镇古老变质岩中，向北经文祖镇于山前隐伏于松散层之下，北至德州市乐陵西。断裂总体走向330°～350°,倾向SW，倾角50°～80°，断裂带西盘下降、东盘上升[4]。断裂经历过至少两次性质不同的活动,以张扭性为主[5]。根据断层破碎带胶结程度、风化特点、上覆冲洪积地层形成时代、地层发育特征及地貌表现，分析认为文祖断裂在中更新世早、中期以来没有活动[6]。

1.3.3 明水断裂

明水断裂，北起明水，南至苗山，呈NW—NNW向展布，倾向SW，倾角70°～85°，带宽一般20～30m，最宽处可达200m。断裂具多期次活动的特点，早期为张性，晚期为压性，显示以压性为主兼左行扭动的特点。断裂总体表现为西盘下降，东盘上升的正断层。

1.3.4 泰安-大王庄断裂

该断裂西起泰安市西大河水库附近，往东经刘家庄、大王庄、口镇等地，东端与铜冶店-孙祖断裂交会，为正断层，走向近NEE，倾向N，倾角50°～80°，宽度10～100m，是泰莱断陷盆地的北缘断裂，亦是鲁西弧形断裂构造体系中规模较大的张扭性控热断裂。该断裂至少经历过四期构造活动，第一期为右行压扭，第二期为右行张扭，第三期为强烈挤压，第四期为张性。该断裂属于第四纪活动断裂，晚更新世断层活动段发育于陈家庄东城一带，之间的最短距离为4km，断层的垂直位移为2.8m[7]。

1.4 区域地震

研究区处于郯城-渤海和聊城-兰考两个强震带之间，公元前70—1983年间，发生了Ms≥5级地震有31次，Ms≥4.6级地震计42次，与晚近期断裂带活动性关系甚为密切。研究区及附近地区2010年至今发生地震30余次，震级0.1级～2.3级，多分布于铜冶店-孙祖断裂带、明水断裂及泰安-大王庄断裂南部(图2)。

1—研究区范围；2—断裂；3—遥感解译断裂；4—地震位置及震级图2 雪野湖地区及周边地震分布图

2 土壤氡气异常分析

本次研究采取电阻率联合剖面法、可控源音频大地电磁法(CSAMT)、土壤氡气测量三种物化探方法分析土壤氡气异常与断裂构造之间的关系，针对区内主要断裂布置6条测量剖面线(图1)。

2.1 土壤氡气背景值及阈值

每条测线的第四系松散岩类及花岗岩类风化带分布差异较大，本次研究将每条测线数据分别处理。参考《山东省土壤地球化学背景值研究技术要求》，利用SPSS软件分别对每条测线测量数据进行数理统计，分析计算其背景值与阈值，具体方法如下：

表1 土壤氡测量剖面线数据处理结果

2.2 物探解译

本文以PM01、PM04线为例进行综合解译推断。

2.2.1 PM01土壤氡异常分析

PM01线土壤氡测量超出阈值的异常带共3处(图3)：

(1)1-12点极值为43464.5Bq/m3，视电阻率联合剖面在该点附近(AB/2=70m、90m)呈现ρsA与ρsB正交，CSAMT视电阻率断面在浅部呈现“V”型异常，综合推测该处为小型断裂构造。

(2)1-21～1-26点形成高-低-高的双峰形态，1-21点极值为42849.4Bq/m3，视电阻率联合剖面在该点附近AB/2=70m、90m均呈现ρsA与ρsB正交，CSAMT视电阻率断面呈现垂直扭曲，综合推测该处为小型断裂构造。

(3)1-38～1-43点形成依次递减的多峰谷形态，1-38点极值为67475.1Bq/m3，视电阻率联合剖面在该点附近(AB/2=70m、90m)均呈现ρsA与ρsB正交，CSAMT视电阻率断面在浅部呈现电阻率错断、深部呈现明显连续低阻异常带，推测为文祖断裂，与区域地质资料基本吻合。

1—Rn浓度测量曲线；2—Rn背景值；3—Rn阈值；4—ρsA；5—ρsB；6—推测断裂；7—DR1地热井图3 PM01物探解译对比图

2.2.2 PM04土壤氡异常分析

PM04线土壤氡测量超出阈值的异常带6处(图4)：

(1)4-43点极值为29656.3Bq/m3，与4-39、4-46点形成多峰形态，视电阻率联合剖面在该点附近(AB/2=70m、90m)呈现ρsA与ρsB正交，CSAMT视电阻率断面在附近出现高低阻接触、电阻率等值线垂直扭曲，推测为泰安-大王庄断裂。该区域第四系厚度较大，土壤氡异常带范围沿断裂倾角存在一定距离迁移偏差。

(2)4-53点极值为30784.9Bq/m3，与4-51点形成双峰形态，视电阻率联合剖面在该点附近2处(AB/2=70m、90m)呈现ρsA与ρsB正交，CSAMT视电阻率断面在附近电阻率等值线垂直扭曲，推测为铜冶店-孙祖断裂次级断裂。

(3)4-63～4-76点形成锯齿状形态，4-69点极值为35756.3Bq/m3，视电阻率联合剖面在该范围内2处出现(AB/2=70m、90m)呈现ρsA与ρsB正交，CSAMT视电阻率断面呈现电阻率等值线错断、垂直突变，推测为铜冶店-孙祖断裂次级断裂。

(4)4-84～4-87点形成单峰形态，4-87点极值为138405.1Bq/m3，视电阻率联合剖面在该点附近(AB/2=70m、90m)呈现ρsA与ρsB正交，CSAMT视电阻率断面呈现视电阻率错断、垂直扭曲，推测为铜冶店-孙祖断裂主断裂，与区域地质资料基本吻合。

(5)4-93点极值为31586.2Bq/m3，与4-91、4-96点形成多峰谷形态，视电阻率联合剖面无反应，视电阻率断面图边缘，视电阻率异常不明显，暂不推测为断裂。

2.3 土壤氡气异常与断裂关系

由物探解译结果可知，土壤氡气测量异常带与断裂构造密切相关：

(1)土壤氡气异常带均位于断裂带处，说明断裂构造裂隙带是深部岩体释放出来的氡汇集与迁移通道。

(2)土壤氡气异常程度与断裂发育规模呈正相关性，各测线的土壤氡气极大值及异常范围均位于各测线的主断裂处。

(3)土壤氡气异常还与断裂的活动性呈正相关性。铜冶店-孙祖断裂为研究区内的活动断裂，其对应的土壤氡气测量值明显高于文祖断裂；铜冶店孙祖断裂在研究区内形成一系列次级断裂，次级断裂随着距离主断裂越远活动强度逐渐减弱[3]，土壤氡气测量异常带也亦呈现相同规律[8]。

1—Rn浓度测量曲线；2—Rn背景值；3—Rn阈值；4—ρsA；5—ρsB；6—推测断裂图4 PM04物探解译对比图

3 水氡异常分析

3.1 水氡异常界定值

许家昂等为摸清山东省矿泉水中222Rn浓度水平及变化规律，检测送检矿泉水样品192个。检测统计结果表明：山东省矿泉水中222Rn浓度呈偏态分布，变化范围为0.51～807.20Bq/L,中位数为19.05Bq/L,几何均值为22.09Bq/L,几何标准差为4.46Bq/L。其中济南地区矿泉水中222Rn浓度，变化范围为0.52～435.00Bq/L,中位数为21.80Bq/L,几何均值为25.00Bq/L,几何标准差为5.71Bq/L[9]。

依据《数据的统计处理和解释正态性检验》(GB/T 4882--2001)，呈偏态分布取平均值代表背景值，取背景值±3倍标准差作为阈值：山东省背景值为22.09Bq/L，阈值为35.47Bq/L；济南市背景值为25.00Bq/L,阈值为42.13Bq/L。结合《地热资源地质勘查规范》(GB/T 11615--2010)将矿水浓度值47.14Bq/L作为山东省地下水222Rn含量异常界定值。

3.2 研究区水氡异常分析

本次研究采取地下水样品37件，水氡含量测试结果及取样位置见表2、图5，其中有24件地下水样品水氡含量超过异常界定值：14件样品氡含量超过矿水命名浓度下限，10件样品达到矿水浓度[10]。

表2 地下水样品氡测量结果

1—第四系；2—寒武-奥陶系；3—中生代济南序列；4—新太古代傲徕山序列；5—实测断裂；6—推测断裂；7—地质界线；8—地热氡泉井；9—水氡正常点及编号；10—氡含量有医疗价值点及编号；11—氡含量达到矿水浓度点及编号；12—氡含量达到命名矿水浓度点及编号图5 地下水取样及水氡测试成果图

通过对水样测试结果、地质条件、物探解译资料分析，研究区地下水中氡含量存在以下规律：

(1)地下水氡异常主要分布在侵入岩分布区的基岩裂隙水，第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水无氡异常。

(2)地下水氡异常分布主要沿铜冶店-孙祖断裂、文祖断裂、明水断裂、泰安-大王庄断裂及次级断裂呈带状分布，总体呈现越靠近断裂异常越明显。

(3)不同时期、不同单元侵入岩与围岩接触带附近地下水氡含量亦呈现不同程度异常。

(4)地下水中氡含量与地下水埋深存在一定关系，呈正相关性。

4 地热氡泉形成机理分析

4.1 氡源

地下水中氡含量与地壳岩土体中铀的含量呈正相关性，自然界中花岗岩类岩浆岩、花岗岩类变质岩铀含量显著高于沉积岩类[11]，且岩浆岩酸性越强氡含量越高[12]，因此地热氡泉多分布于酸性花岗岩或花岗变质岩类地区。

雪野湖地区岩浆岩极其发育，面积约占75%，以新太古代傲徕山序列为主，岩性为酸性二长花岗岩系列，该阶段构造岩浆活动是新太古代规模最大的一次酸性岩浆侵入事件[13]；24件水氡测试结果异常点及DR1地热氡泉井均位于岩浆岩分布区；六条土壤氡气测量剖面均位于岩浆岩分布区，其土壤氡含量背景值(表2)均远高于全国土壤氡浓度的平均值为7300Bq/m3[13]。

综上所述，研究区内广泛分布的酸性花岗岩类岩浆岩为雪野湖地区氡泉形成提供了稳定、充足的物质来源。

4.2 空间条件

氡泉形成的空间条件即蓄水条件，研究区内分为断裂构造裂隙带、侵入接触裂隙带两种主要类型。

4.2.1 断裂构造裂隙带

研究区内铜冶店-孙祖断裂、文祖断裂、明水断裂、泰安-大王庄断裂均具有多期活动的特点，次级断裂较发育，尤其是铜冶店-孙祖断裂与泰安-大王庄断裂均为四级构造单元边界，属于深大断裂且为第四纪活动断裂。在断裂构造活动的作用下，沿断裂构造带及两侧影响带内岩体较破碎，裂隙带发育深度大、范围宽、连通性好，构成良好的地下水运移通道和赋存空间，受断裂构造控制呈带状分布。

SY01、SY03、SY16、SY26、SY29、SY33、SY35取样点地下水赋存于此类型蓄水构造内，水氡浓度均达到命名矿水浓度。

4.2.2 侵入接触裂隙带

研究区岩浆岩多期侵入，在侵入岩与围岩接触带一定范围内岩体受成岩、挤压、蚀变等作用下，往往沿形成一定规模的构造裂隙密集带[14-15]，这类裂隙密集带发育深度较大，连通性较好，是地下水汇集与储存的良好空间，沿接触带呈带状或脉状分布。

SY7、SY9、SY10取样点地下水赋存于此类型蓄水构造内，水氡浓度均达到命名矿水浓度。

4.3 研究区地热氡泉形成机理浅析

4.3.1 氡泉形成机理浅析

在地震应力和构造应力作用下，断裂构造、侵入接触带两侧岩体地应力场发生改变，局部产生高应力区[16]，岩体在高应力作用下持续发生变形与破坏，产生很多密集的微裂隙，使岩体内裂隙和表面积增加，改变了岩体微结构，伴随着岩石、矿物中的晶格错动，并出现超声振动使岩体中受束缚的氡(自由、吸附和部分封闭)释放出来[17]。氡的释放量与地震作用、构造复杂性、断裂活动性、岩体破碎程度、裂隙连通性成正相关性。

氡具有显著溶于水的特性，岩体中释放出来的氡溶于赋存在裂隙带内的地下水，在扩散对流、孔隙流体运移、应力应变、温度压力、接力传递、团簇效应等一系列复杂的作用下运移至断裂构造裂隙带、侵入接触裂隙带等蓄水构造中并向上迁移[18-20]，造成地下水氡含量异常，当溶于地下水的氡含量富集到一定程度即形成氡泉。由于氡的半衰期只有3.825天，且其纵向迁移能力远大于其横向迁移能力，氡异常仅沿断裂构造裂隙带、侵入接触裂隙带有限范围内分布。

4.3.2 地热氡泉形成分析

断裂构造裂隙带较侵入接触裂隙带发育深度大、范围较广、贯通性好，能更好的与深部热源连通，具备更有利的成热条件。在断裂构造局部传热有利地段，氡泉经热传导加热形成地热氡泉，雪野DR1井即属于受文祖断裂控制形成的低温地热氡泉。研究区周边已知地热氡泉资料(表3)，形成地质背景与雪野DR1井类似，其氡源岩性为酸性花岗岩类或酸性花岗变质岩类，均受断裂构造控制形成。