济南市平阴县大孙庄地区地热氡泉形成机理探析

白新飞，宋津宇，张军，杨时骄*，于超，翟立民，张松林

(1.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；2.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014)

0 引言

地热氡泉是一种稀缺的天然理疗热矿水资源，对许多慢性疾病和皮肤病治疗具有显著的医疗效果。目前济南市平阴县玫瑰镇大孙庄已发现两眼地热氡泉井，地热流体中氡含量高达332.6～625.7Bq/L(1)山东省第一地质矿产勘查院，山东省济南市氡泉形成机理研究与应用，2021年。。本文以大孙庄地热氡泉井为例，研究了地热氡泉的成因及形成机理，为具有类似地质背景条件地区勘查与开发利用地热氡泉提供基础依据。

1 研究区概况

1.1 地层

研究区区域上出露地层有寒武纪-奥陶纪九龙群炒米店组、三山子组、崮山组，奥陶纪马家沟群北庵庄组、东黄山组和第四纪大站组、黄河组，隐伏地层有寒武纪九龙群张夏组，长清群馒头组、朱砂洞组、李官组以及新太古代泰山岩群(图1)。

1—黄河组；2—大站组；3—北庵庄组；4—东黄山组；5—三山子组；6—炒米店组；7—崮山组；8—实测断裂；9—推测断裂；10—地热氡泉井图1 区域地质背景图

1.2 地质构造

研究区地热氡泉井位于华北板块(Ⅰ)鲁西隆起区(Ⅱ)鲁中隆起(Ⅲ)泰山-济南断隆(Ⅳ)泰山凸起(Ⅴ)西北翼，紧临乐平铺潜凹陷(图2)[1]，区域上NE向断裂和NW向断裂交错分布，地层呈单斜构造，倾向NW，倾角5°～8°，局部10°～15°。由于所处构造部位离泰山凸起区较远，因而受历次构造运动影响较小，地层较稳定，地质构造规模及发育程度也相对较弱。

1—隆起区；2—凹陷区；3—构造单元代号；4—地热氡泉井图2 地热氡泉井大地构造位置示意图

研究区周边主要发育数条NE向、NW向张性或张扭性断裂，除此之外，还零星分布一些NW向、近EW向的小型及微型构造，其延伸长度一般数百米，但在这些断裂带的附近岩层张裂隙和小溶洞较发育。

1.3 水文地质概况

根据地下水的赋存条件、水理性质及水力特征，区内地下水分为第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶裂隙水及基岩裂隙水。

1.3.1 第四系松散岩类孔隙水

含水岩组主要岩性为粉砂、粉质砂土夹砂砾层，厚度5～8m，地下水补给来源为大气降水补给、岩溶裂隙水侧向补给及黄河入渗补给，地下水流向与地形坡度基本一致，地下水排泄主要为人工开采和蒸发。

1.3.2 碳酸盐岩岩溶裂隙水

含水岩组主要由奥陶纪、寒武纪灰岩、白云岩、豹皮灰岩组成。含水层大面积裸露或浅埋于第四纪以下，含水层裂隙岩溶较发育，裂隙岩溶发育段大多集中在30～80m深度范围内，往下有逐渐减弱的趋势。地下水补给来源为大气降水补给和东南部基岩裂隙岩溶水侧向补给，地下水流向基本沿岩层走向和地形倾斜方向自南东向北西方向径流，在径流过程中，一部分以泉的形式排泄于沟谷河流中，一部分被开采，一部分继续向北西方向运移至沿黄地带，或顶托补给第四系孔隙水，或排泄出区外。

1.3.3 基岩裂隙水

含水岩组岩性以花岗片麻岩为主，地下水主要赋存在岩层的基底构造破碎带和古风化裂隙中，地下水补给来源主要是东南部山区的大气降水，通过深部循环运移径流形成的深部基岩裂隙水的侧向补给，地下水富水性极不均匀，主要受构造控制。两眼地热氡泉井地热流体均为该类型地下水。

2 地热氡泉概况

2.1 揭露地层与热储

钻孔(PYDQ1井)揭露地层由老到新为新太古代泰山岩群地层，岩性为角闪斜长片麻岩、斜长角山岩，混合岩化作用强烈，底部为混合花岗岩；古生代寒武纪地层，岩性为一套石灰岩、泥岩夹页岩等沉积地层，岩层走向250°～280°，倾角5°左右，与下伏泰山岩群地层呈角度不整合接触；新生代第四系松散岩类沉积物，以粉质黏土为主(图3)。根据其成井资料、抽水试验资料，热储层为泰山岩群变质岩，属于基岩裂隙水。

图3 PYDQ1井钻孔柱状图

2.2 赋存条件

根据以往地质资料，在大孙庄地区存在一个长轴走向为NNW向，长约2100m，宽1800m的磁异常区，呈椭圆形，推测在地热氡泉井附近存在一条切割基底的隐伏断裂。本次研究在大孙庄地区进行土壤面积测氡(测网250m×50m)、土壤剖面测氡(点距20m)及可控源音频大地电磁法(CSAMT)测量(点距40m)探查隐伏断裂[2-6]。

经统计分析，大孙庄地区土壤氡气背景值为5607.12Bq/m3;标准离差为4905.42Bq/m3;阈值为15417.96Bq/m3，在PMCD01线1-9～1-12点形成双峰异常形态，1-12点极值为15549.60Bq/m3，略高于阈值，为背景值的2.77倍；CSAMT反演剖面视电阻率等值线在此处呈现垂直的扭曲、突变并有伴有明显的低阻异常，综合推测存在一条老基底隐伏断裂F1(图4)。

1—Rn浓度测量曲线；2—Rn背景值；3—Rn阈值；4—推测断裂；5—盖层、热储分界线；6—地热氡泉井及水氡异常机井图4 PM01线土壤氡气测量曲线与CSAMT反演剖面图

F1断裂构造为高角度正断层，走向约315°，倾角约75°～80°，断层破碎带宽度约120～140m，破碎带既是泰山岩群基岩裂隙水的主要富水构造又是导水通道，大孙庄PYDQ1、PYDQ2地热氡泉的地热流体赋存于F1断裂构造破碎带，属受断裂控制的构造裂隙型，呈带状分布。

2.3 盖层

根据钻孔资料，泰山岩群上覆的古生代寒武-奥陶纪地层及新生代第四系松散沉积物，厚度约600m，导热性能较差，是研究区地热氡泉的热储保温盖层。

2.4 热源

研究区地热梯度呈现东部高西部低的规律，大孙庄PYDQ1井地温梯度最高，为2.35℃/100m，没有明显热异常，推测地热氡泉流体是在深部径流循环过程中经地温缓慢加热形成的，并在断裂破碎带富集，热源主要来源于大地热流及围岩中放射性元素蜕变产生的热量。

2.5 水化学特征

图5 研究区地下水、地热水piper三线图

2.6 补给源

2.6.1 氡泉水补给源

一般δD和δ18O的值在克雷格标准降水直线δD=8δ18O+10附近，说明地下水由大气降水补给形成，属大气成因。将PYDQ1地热流体历次同位素测试结果(表1)投在克雷格标准降水直线上(图6)，三次测试结果均位于全球雨水线、我国雨水线及山东枣庄羊庄盆地雨水线附近，说明本区地热水的主要补给来源为大气降水。

表1 PYDQ1地热流体同位素测试结果

图6 PYDQ1地热流体δD、δ18O散点关系图

2.6.2 氡泉水形成年龄

中化地质矿山总局山东地质勘查院利用14C测定了大孙庄PYDQ1井地热流体的年龄为亚现代与近期补给的混合水，以古水为主，混入了少量现代水，属于深循环型地热水[7-13]。

2.6.3 氡泉水补给区

根据H、O稳定同位素的高程效应原理，通过下式可以推断地热流体的补给高程。

H=Hr+(D-Dr)/gradD

式中:H—地热水补给区高程(m)；Hr—地热水水样点的地面高程(m)；D—大气降水的δ18O或δD值(×10-3)；Dr—地热水的δ18O或δD值(×10-3)；gradD—大气降水δ18O或δD值的高度梯度(×10-3/100m)。

根据搜集的研究区周边地表水、泉水的同位素数据[14-15]，取均值作为大气降水同位素含量值(表2)。

参考以往研究资料，大气降水δ18O、δD高度梯度分别取-0.32×10-3/100m和-2.26×10-3/100m；氡泉地热流体的δ18O、δD取三次测试结果的均值；地热水水样点的地面高程取44m。按上式分别用δ18O、δD计算补给高程为342m、286m，与中化地质矿山总局山东地质勘查院研究推测的补给高程基本一致[12-13]。

大孙庄地热氡泉热储层埋藏较深，与上覆寒武系地层水化学过程不同，水力联系弱。研究区周边无泰山岩群地层出露，在研究区东侧、东南侧广泛裸露的泰山岩群混合变质岩丘陵区标高在200～520m，与计算的补给高程基本一致，推测地热氡泉主要接受该区域基岩裂隙水的径流侧向补给，径流距离较远，径流缓慢，并在径流过程中接受断裂构造带的入渗补给。

3 地热氡泉形成条件

3.1 物源条件

以往研究资料表明，地壳岩土体中氡含量取决于放射性元素铀和镭在岩体中的背景值以及岩体的射气能力[16]，自然界中花岗岩类岩浆岩、花岗岩类变质岩中氡含量往往高于沉积岩，且岩石酸性越大氡含量越高[17]。

本次研究取9组地下水流体测试水氡含量，并搜集22组水样水氡测试资料(表3)。大孙庄地区两眼地热氡泉中，泰山岩群基岩裂隙水含量达到命名矿水浓度[18]；松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水氡含量大部分在1.0～19.2Bq/L之间，仅一眼距地热氡泉井约70m距离的机民井内碳酸盐岩裂隙岩溶水氡含量达到矿水浓度。

表3 研究区地下水氡含量统计表

综上所述，可以推断泰山岩群变质岩地层是地下水中氡的主要物质来源。

3.2 动力条件

岩体中氡以自由、吸附、封闭三种形式存在，当岩体受应力作用产生变形与破坏，岩体内裂隙和表面积大量增加，在裂隙附近产生很多密集的微裂隙，改变了岩体微结构，伴随着岩石、矿物中晶格的错动并出现超声振动，使得岩石中受束缚的氡(自由、吸附和部分封闭)被释放出来，释放出来的氡沿微裂隙向裂隙密集区或岩体破碎带迁移富集[19]。

研究区发育的断裂构造及发生的地震对岩体中地应力场有明显影响，在断裂附近破碎带附近应力集中，产生高地应力区[20]，使岩体受地应力作用持续变形、破裂，不断释放岩体中的氡。

3.3 氡迁移机理

氡的迁移是受多种因素控制、多种条件制约的极其复杂的运移，众多学者通过模拟实验与数值模拟提出了诸多的氡迁移理论：外因引起的有扩散对流、孔隙流体运移、应力应变、温度压力、接力传递等；内因引起的团簇作用。不论哪种理论，总体来说氡及其子体的纵向迁移能力远大于其横向迁移能力，并具有很强的向上迁移能力[21]。

3.4 空间条件

大孙庄地区地下流体中水氡异常仅沿F1断裂构造带分布。PYDQ1、PYDQ2井均为受F1断裂构造控制形成的地热氡泉，水氡含量均超过了命名矿水浓度。F1断裂构造切割了泰山岩群变质岩地层，沿断裂构造形成破碎裂隙带，破碎裂隙带既是地下水赋存带，又是促进氡析出的构造条件，岩体中释放出来氡显著溶于地下水，并随地下水在破碎裂隙带内迁移。深部岩体释放的氡沿破碎裂隙带向上迁移至近地表并向四周扩散，引起浅部地下水与土壤氡气含量异常。由于氡的半衰期仅有3.825d，因此仅在断裂构造断裂破碎带附近一定区域内形成水氡异常与土壤氡气异常。

4 地热氡泉模型分析

综上所述，大气降水在地热氡泉东部、东南部的泰山岩群变质岩大面积出露的丘陵地带，沿风化裂隙带、构造裂隙带、岩层接触带等裂隙入渗转变为地下水。地下水受地形、地貌控制汇集，一部分地下水在泰山岩群地层中沿各类裂隙或构造形成深循环，缓慢向西北径流补给平阴大孙庄地热田，在径流过程中同时接受沿径流区发育的张性断裂构造裂隙带的入渗补给。地下水在径流过程中经溶滤作用、离子交替与吸附作用等一系列的水岩作用，围岩中的各种矿物元素溶入地下流体，并不断接受大地热流传导及围岩中放射性元素蜕变产生的热源缓慢加热，形成了富含多种微量元素的地热矿水，地热矿水在断裂构造破碎带等蓄水构造处富集形成地热温泉。大孙庄地热田地热流体补给径流途径较长、径流速度较慢，水岩作用较充分[22-23]，其主要离子含量、微量元素含量及TDS均较高，其中锶、氟均达到了命名矿水浓度。大孙庄地热田发育的F1断裂切割了放射性较大的泰山岩群地层，构造破碎带改变了地应力场，使围岩持续变形与破裂、射气系数增加、裂隙密集发育并贯通、水岩交替强烈，促进岩体中氡的释放，释放出的氡沿裂隙向断裂破碎带内富集并溶于地热矿水中形成地热氡泉，通过人工钻探揭穿盖层后，形成可利用的地热氡泉矿水井(图7)。

1—第四系；2—寒武-奥陶系；3—泰山岩群；4—推测断裂；5—地下水流向；6—大地热流；7—氡迁移方向；8—地热氡泉井图7 平阴大孙庄地热氡泉形成机理模型图

5 结论

(1)本文通过土壤面积测氡、土壤剖面测氡及CSAMT剖面测量联合勘探，基本查明了大孙庄地区地下水氡异常分布受F1断裂控制，沿F1断裂呈带状分布。

(2)泰山岩群变质岩地层为地热氡泉提供了氡的物质来源，断裂构造破碎带提供了地热氡泉形成的空间条件，构造活动及地震活动提供了促进氡释放的动力条件。

(3)分析、建立了地热氡泉形成机理模型，为具有类似地质条件的地区勘查开发地热氡泉提供借鉴。