北京小汤山地区第四系高氟地下水与地热水关系研究

2024-01-20刘宗明孙少游马静晨

地球学报 2024年1期

刘宗明,孙少游,马静晨,郭帅,李翔

1)北京市地质矿产勘查院,北京 100195; 2)自然资源部浅层地热能重点实验室,北京 100195;3)北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082; 4)北京市工程地质研究所,北京 100084

氟是人体正常代谢的必需微量元素之一,与人体健康密切相关。当氟摄入过少会引起龋齿和钙、磷代谢及骨质疏松,老年人导致骨折; 而氟摄入过量则导致氟中毒,会引起氟斑牙、氟骨症、肾脏、肝脏、大脑损害、免疫功能异常、肺水肿、肺出血等疾病。地方性氟中毒病是一种世界性的地方病,亚洲、欧洲、非洲、美洲等均有报道。在中国,地方性氟中毒病主要分布于贵州、陕西、甘肃、山西、山东、河北、辽宁、吉林、黑龙江等省。人体中氟摄入主要来源于饮水和食物,研究发现水中氟比食物更易于人体吸收。我国北方大部分地区以地下水作为城市主要饮用水源,高氟地下水具有危害大、降解难、成因复杂等特点,因此研究高氟地下水的分布规律及成因机理具有重要的意义。国内外的学者对地下水中氟来源和成因展开了大量的研究工作,高氟地下水形成主要分为三类。

(1)溶滤型

主要分布在富氟岩石和土壤地区。在变质岩、花岗岩出露的山区,存在大量的氟磷灰石、电气石、萤石、黑云母、氟镁石等含氟矿物,在风化作用、溶滤作用下,含氟矿物分解融入地下水(Kanisiwa,1979; Rao et al.,2003; Valenzuela-Vasquez et al.,2006; 蔡贺等,2010; 巴建文等,2010)。同时,土壤的母质来源为岩石风化物,在含氟矿物周边土壤中的氟含量也相对较高,如中国北方黄土地区(李晓颖等,2009; 李培月等,2010; 秦兵等,2012; 张春潮等,2013)。溶滤型高氟地下水受富氟岩土体控制明显,呈片状分布。

(2)蒸发浓缩型

主要分布在平原和盆地等区域。特别在冲洪积扇中下部地区,地势平坦,第四系松散层属粉细砂与黏土互层结构,地下水埋深较浅,水流缓慢,在干旱气候条件下浅层地下水蒸发作用强烈,蒸发浓缩作用导致地下水中矿物质含量增高,氟普遍超标。如华北平原(李世君等,2012; 姜体胜等,2012;邢丽娜等,2012; 王新娟等,2013; 申月芳等,2021)、松嫩平原(蔡贺等,2013; 贾璐等,2021)等地区。蒸发浓缩型高氟地下水主要分布在第四系浅层地下水中,呈面状分布。

(3)地热型

主要分布在地热富集区及深大断裂周边。深层地热水在高温高压环境下,同围岩不断发生物理化学反应,热水中氟含量普遍较高。在深大断裂周边,深部地热水顺断裂带上涌,同第四系地下水混合,导致氟含量超标。如吉林长白山天池(曹玉和等,2010)、河南南阳盆地(陈娇等,2013)等地区。地热型高氟地下水主要受深层地热水控制,呈条带状分布,往往在第四系深层地下水氟超标。

高氟地下水成因机理不同,氟化物分布特征也不相同,因此全面掌握高氟地下水不同成因类型,对分析某一地区地下水中氟化物分布规律具有重要意义。现有成果对溶滤型和蒸发浓缩型高氟地下水成因研究较多,而地热型高氟地下水成因研究不够深入,相关文献资料较少。北京小汤山地区第四系深层地下水氟含量普遍超标,严重制约区域供水,本文通过收集整理基础地质、水文地质、地热地质等相关资料,开展第四系高氟地下水与地热水关系研究工作,研究成果对于区域供水井的设计实施,以及保障区域供水安全具有现实的社会意义,为今后国内外研究地热型高氟地下水成因机理工作奠定基础。

1 研究区概况

小汤山地区位于北京市昌平区,地处东经116°20′—116°26′,北纬40°09′—40°12′之间,总面积约70 km2。小汤山地区山丘较小,海拔仅50 m高,且山麓中有温泉,古人称热水为“汤”,故得名小汤山。小汤山地区自古便有温泉露头,明代此处曾辟为皇家禁苑,清康熙年间在此建汤泉行宫,宫内有乾隆御墨“九华兮秀”四字。建国后,该区地热资源得到充分开发利用,后经评估圈定为小汤山地热田(图1)。

1.1 基础地质条件

研究区在构造上由黄庄—高丽营断裂和南口断裂切割形成倒三角状复式背斜结构,小汤山地区处于背斜核部地区,向南为背斜翼部地区; 地层由新至老依次沉积第四系、白垩系、侏罗系、奥陶系、寒武系、青白口系和蓟县系(表1); 主要发育黄庄—高丽营断裂、南口断裂、大柳树断裂、阿苏卫断裂、马坊断裂,其中黄庄—高丽营断裂、南口断裂属深大断裂,为全新世活动断裂(图2)。

表1 北京小汤山地区地层表Table 1 Geologic stratum in Xiaotangshan Area,Beijing

图2 北京小汤山地区地质图Fig.2 Geological map in Xiaotangshan Area,Beijing

(1)黄庄—高丽营断裂

断裂走向为45°,倾向南东,倾角近75°,为高角度正断裂; 断裂于燕山运行末期切断了侏罗系及其以前地层,钻孔显示断裂两侧第四系沉积厚度相差近700 m。

(2)南口断裂

断裂走向为315°,倾向南西,倾角为60°～70°,为正断层; 燕山期该断裂具有明显的左旋特征,而喜山期表现为差异性升降运动。

1.2 水文地质条件

研究区位于北运河地下水系统中游地区,该区城市供水以第四系孔隙地下水为主,属河湖沉积相松散颗粒层结构,岩性为中细砂、粉砂、黏砂互层结构,地下水主要蕴藏于中细砂、粉砂地层中,属孔隙地下水类型。根据含水层不同埋藏深度,可分为四个含水层组,第一含水层组含水层埋深30～50 m、第二含水层组70～100 m、第三含水层组150～180 m、第四含水层组270～300 m。第一含水层组和第二含水层组统称为浅层地下水,主要用于农业灌溉、工业用水等方面; 第三含水层组和第四含水层组统称为深层地下水,主要用于本地居民饮用水。

研究区第四系地下水富水性较好,出水量为1 000～2 000 m3/d; 浅层地下水水位埋深整体呈西北浅、东南深的特点,在小汤山地区地下水埋深为10～15 m,向东南可达25～30 m(图3)。地下水补给为大气降水、温榆河补水和山区侧向径流补水,排泄方式为人工开采、侧向径流排出,地下水流动方向总体由西北向东南流动(图3)。

图3 北京小汤山地区第四系地下水水位等值线图Fig.3 Contour lines of Quaternary groundwater level in Xiaotangshan Area,Beijing

1.3 地热地质条件

研究区位于小汤山地热田内,地热资源勘查工作可追溯到20世纪50年代。1970年后,陆续钻凿了几眼地热井,早期开采的地热井多为自流井,随着地热井的不断开凿,地热开采量逐年增加,地热水位呈现逐年下降的趋势。自2000年开始,政府采取了控制开采、增加回补等措施,地热资源超采得到有效控制,地热水位逐渐回稳。目前小汤山地热田共有各类地热井100余眼,热田面积186.42 km2,是北京开发时间最早、勘查和开发程度最高的地热田。

(1)热储层

研究区热储层为蓟县系雾迷山组白云岩地层,在局部地区也存在蓟县系铁岭组地层热水混采现象,该地层属岩溶裂隙型热储层,是地热资源富集的前提条件。

(2)热储盖层

研究区热储盖层为青白口系、寒武系、奥陶系、侏罗系、第四系地层,在黄庄—高丽营断裂和南口断裂交汇区热储盖层厚度最大,可达2 500 m,热储层顶板温度70 ℃(图4)。热储盖层起到了良好的隔热保温作用,随着热储盖层厚度的增加,热储层顶板温度也随之增加。

图4 北京小汤山地区地热地质图Fig.4 Geothermal geological map in Xiaotangshan Area,Beijing

(3)导热通道

由图4还可以看出,地层深部高温区主要分布在黄庄—高丽营断裂周边,呈明显的条带状分布,在黄庄—高丽营断裂和南口断裂交汇处温度大于75 ℃。由此可见黄庄—高丽营断裂是导热构造,构成深部热流的上涌通道,深部热流来自于黄庄—高丽营断裂和南口断裂交汇处; 而南口断裂、大柳树断裂、阿苏卫断裂、马坊断裂是深部热流的扩散通道。

2 第四系高氟地下水分布特征

北京地区已建成覆盖全市域的地下水监测网,包括监测井1 786眼,其中区域地下水监测网1 306眼井、重点污染源监测网480眼井,每年定期开展地下水位、水质监测工作。本文选取其中46眼第四系监测井,其中包括第一含水层组地下水监测井13眼、第二含水层组监测井14眼、第三含水层组监测井12眼、第四含水层组监测井7眼。采用2020年9月监测数据进行分析,研究该区第四系地下水氟化物分布特征。

根据水质分析资料结果,研究区第一含水层组地下水中氟化物存在点状超标,超标点位于小汤山地区的A06井,超标含量为1.25 mg/L;第二含水层组地下水中氟化物并未超标; 第三含水层组地下水中氟化物在小汤山地区存在面状超标区,超标面积为13.2 km2,超标含量为1.08～1.49 mg/L; 第四含水层组地下水中氟化物出现大规模面状超标区,超标面积为97.1 km2,超标含量为2.94～3.05 mg/L,超标区以小汤山地区为中心,向东南方向呈扇面展布。由此可见,研究区第四系高氟地下水主要分布在深层地下水(150 m以深)中,表现为第四含水层组超标面积最大、第三含水层组次之的特征(图5)。第四系深层地下水主要用于本地居民饮用水,严重威胁了区域供水安全。

图5 研究区第四系地下水氟化物浓度分区图Fig.5 Fluorine concentration of Quaternary groundwate in the study area

3 第四系高氟地下水与地热关系

3.1 地层接触关系

研究区构造上属复式背斜结构,小汤山地区位于背斜核部,该区第四系厚度较薄,仅为147 m。地层结构上,第四系深层含水层(第三含水层组、第四含水层组)同热储层蓟县系雾迷山组直接接触,为第四系冷水和热储层热水的混合作用创造了前提条件(图6)。

图6 研究区热水-冷水混合作用示意图Fig.6 Schematic diagram of mixing of cold water and hot water in the study area

3.2 地热富集带形成

通过前文分析,研究区的深部热流来自于黄庄—高丽营断裂和南口断裂交汇处,该地区处于背斜翼部,热储层埋深较深,热储盖层厚度大于2 500 m,热储顶板温度大于70 ℃,地层压力较大,地层深部地质条件复杂,岩溶裂缝发育不均,地热水单位出水量小于25 m3/(d·m)。

小汤山地区为背斜核部,受大地构造作用力影响,在背斜核部顶端的热储层发育大量的张性裂隙,形成了良好的导水通道,加之上覆第四系盖层结构松散且厚度较薄,地层压力较小,导致该区成为地热水压力释放区。深部地热水由地层压力较大的南侧背斜翼部向北流动,在地层压力较小的背斜核部小汤山地区汇聚形成地热富集带,该区地热水单位出水量基本大于100 m3/(d·m)(图7)。

图7 研究区地热水出水量分区图Fig.7 Geothermal water yield in the study area

3.3 水力联系

图8选取小汤山地区典型监测井多年水位数据进行分析,从图中可以看出,在第四系和热储层的接触带区域形成了水力“天窗”,地热水和第四系深层地下水(第三含水层组、第四含水层组)的热水-冷水混合作用大致可分为三个阶段。在2005年以前,地热水的承压水头高于第四系深层地下水,属热流补给冷流期; 2005—2010年,地热水的承压水头和第四系深层地下水相近,属热流-冷流交织互补期;2010年以后,地热水的承压水头低于第四系深层地下水,属冷流补给热流期。

图8 研究区地热水和第四系地下水多年水位曲线图Fig.8 Water level curves of geothermal water and Quaternary groundwater in the study area

3.4 水化学特征

研究区第四系浅层地下水(第一含水层组、第二含水层组)水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg·Na型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Mg·Na型和HCO3-Ca·Na·Mg型,第四系深层地下水(第三含水层组、第四含水层组)水化学类型主要为HCO3-Na·Ca型和HCO3-Na型,而热储层地热水水化学类型为HCO3-Na·Ca型。从水化学类型上看,地热水和第四系深层地下水更为相似。

图9为研究区氟化物浓度剖面图,从图中可以看出,小汤山地区地热水氟含量为6.30 mg/L,第四系第四含水层组地下水氟含量为3.00 mg/L; 第三含水层组为1.49 mg/L,第二含水层组地下水氟含量为0.58 mg/L。由此可见,在第四系与热储层直接接触的第四含水层组氟化物含量最高,向上氟化物含量逐渐减小。同时,氯离子、钠离子和钾离子在垂向上也表现出同样的特征,由此可见,地热水通过热流-冷流的混合作用影响了第四系深层地下水的水化学组成。

图9 研究区水化学浓度剖面图Fig.9 Profile of the chemical concentration in the water in the study area

3.5 综合分析

蓟县系雾迷山组热储层中的地热水在深部运移过程中,在高温高压环境下,不断和围岩发生物理化学反应,导致热水中氟化物含量普遍较高,在研究区可达4.20～7.60 mg/L。研究区构造上属复式背斜结构,小汤山地区位于背斜核部,第四系与热储层直接接触,形成水力“天窗”。热储层在背斜核部裂隙发育,加之上覆第四系盖层结构松散且厚度较薄,在小汤山地区形成地热富集区,大量地热水汇聚上涌,同第四系第四含水层组地下水发生热流-冷流的混合作用,导致该层地下水中氟化物出现大规模超标,超标含量为2.94～3.05 mg/L。超标区在平面上表现为以水力“天窗”为中心,向东南方向呈扇面展布的特征,这也同该区第四系地下水总体由西北向东南流动相吻合。在第四系第三含水层组地下水氟化物超标含量为1.08～1.49 mg/L,表现为该层与地热水存在水力联系,但热水-冷水混合作用并不强烈。而至第二含水层组地下水并未超标,表明与地热水不存在水力联系。由此可见,研究区第四系深层地下水的“氟源”来自地热水,含有高含量氟的地热水在水力“天窗”区域,通过热流-冷流的混合作用,使第四系深层地下水形成高氟区。

值得注意的是,小汤山地区第四系第一含水层组(30～50 m)地下水中氟化物呈点状超标,浅层地下水氟化物超标应首先考虑受蒸发浓缩作用所致,而蒸发浓缩作用一般发生于地下水埋深小于5 m的区域,小汤山地区地下水埋深为10～15 m,因此基本排除了蒸发浓缩作用。通过地表调查,发现该区存在多个农业科技园,地热水也广泛的用于地表农田灌溉、温室大棚、水产养殖,由此推断地热水通过地表入渗,使第一含水层组出现个别超标现状。