蘇北盆地老子山地?zé)崽锼牡厍蚧瘜W(xué)特征

蘇北盆地老子山地?zé)崽锼牡厍蚧瘜W(xué)特征

0熱流折射研究地?zé)豳Y源是能源能源中最現(xiàn)實、最競爭力的資源之一。實現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)開發(fā)利用,是當(dāng)今中國也是世界地?zé)岙a(chǎn)業(yè)所面臨的最為關(guān)鍵的問題。要解決這一問題,首先要查明地?zé)豳Y源的成因機制。目前,國內(nèi)外此類研究已較為成熟,我國學(xué)者還在中低溫地?zé)豳Y源成因研究中提出了具有特色的“熱流折射”和“新構(gòu)造控?zé)峥厮崩碚?。老子山地?zé)崽锸翘K北盆地開發(fā)利用較早的地?zé)崽?。?001年發(fā)現(xiàn)地?zé)岙惓Ｒ詠?已經(jīng)開展一系列的普查工作,基本圈定了異常區(qū)范圍。汪名鵬等基于地?zé)釁^(qū)的構(gòu)造、地溫場及地?zé)崴乃瘜W(xué)和水穩(wěn)定同位素特征,闡述了地?zé)豳Y源的賦存特征,但因未對地?zé)崽锏臒嵩础⒌責(zé)崴哪挲g和循環(huán)過程等進行研究,未給出完整的成因模式。筆者在前人工作的基礎(chǔ)上,采用大地?zé)崃鳒y試和水文地球化學(xué)等方法,對老子山地?zé)崽锏某梢蜻M行了系統(tǒng)分析。1區(qū)域地質(zhì)背景老子山地?zé)崽锏靥幗K省洪澤縣,位于洪澤湖南岸、老子山東北淮河口(圖1)。地貌屬濱湖平原。地形平坦,海拔12~13m。其西部緊鄰老子山—佛窩低山殘丘區(qū),海拔50~140m。老子山—佛窩以南為張八嶺丘陵區(qū),海拔一般為50~300m。最高峰為老嘉山,海拔332.3m。區(qū)內(nèi)地表水系發(fā)育?；春邮堑?zé)釁^(qū)內(nèi)主要河流,呈SW—NE向貫穿地?zé)釁^(qū)進入洪澤湖。蘇北盆地地層屬下?lián)P子地層分區(qū),地層從上元古界至第四系均有不同程度的發(fā)育。在老子山地?zé)釁^(qū),主要分布有第四系、古近系和震旦系。全區(qū)除震旦系在老子山—伏窩一帶的低山殘丘區(qū)出露外,皆為第四系覆蓋(圖1)。老子山地?zé)崽锏臒醿訛檎鸬┫禑粲敖M(Z2d)。該套地層巖溶、裂隙發(fā)育,富水性好,涌水量大。老子山T1、T2、T3、T4井井深為106.8~255.8m,均鉆遇強風(fēng)化帶、構(gòu)造破碎帶和巖溶發(fā)育帶,溶洞最大直徑達3m,巖心中見蜂窩狀溶孔。蓋層為第四系和古近系,厚50~140m。第四系巖性為黏土、亞黏土、粉砂、中粗砂等。古近系為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。2熱分析2.1測溫和熱流分析采用十里營地?zé)峋?圖1)實測大地?zé)崃髦底鳛檠芯繀^(qū)的區(qū)域熱流背景值。該井于2009年6月成井,井溫測量于靜井106d后進行,測溫井段深度為780~2193m,測點間距20m。所用儀器為MT-Ⅲ數(shù)字測井儀,測溫范圍為0~150℃,精度0.01℃。測溫曲線(圖2)顯示,在940~2040m層段測溫曲線下凹,經(jīng)分析,系由下降的地下水流所致。據(jù)地溫場受垂向地下水流動影響的穩(wěn)態(tài)溫度場公式進行地下水活動校正(圖2),得熱流值為63.9mW/m2。該值低于蘇北盆地?zé)崃髌骄禐?8mW/m2。這是由于地?zé)崽镄律缟w層很薄,且西側(cè)的老子山—佛窩斷褶隆起帶基巖大面積裸露。這一方面造成蓋層保溫作用差,深部傳導(dǎo)上來的熱量快速散失;另一方面在基巖裸露區(qū)接受下行地下水補給,導(dǎo)致地溫偏低。2.2巖漿活動對現(xiàn)行地溫場的影響對于放射性熱源,假設(shè)地殼最上部10km厚度內(nèi)放射性元素均勻分布,依蘇北盆地地殼平均生熱率A=0.81μW/m3,則衰變產(chǎn)生的熱量Δq=AΔz=0.81μW/m3×10km=8.1mW/m2,并不構(gòu)成特殊熱源。巖漿活動對現(xiàn)今地溫場的影響取決于巖漿活動年代和巖漿體規(guī)模等。區(qū)內(nèi)最新的巖漿巖為燕山晚期和喜山期。巖體埋藏較淺或直接出露地表,除個別達幾平方千米外,一般在數(shù)十至數(shù)百平方米。由于巖漿活動時間皆在全新世以前,且規(guī)模較小,其余熱已散失殆盡,對現(xiàn)今地溫場無影響。實際上,區(qū)內(nèi)盱眙縣南部玄武巖分布區(qū)泉水溫度均低于20℃,鉆孔也未見地溫異常,故區(qū)內(nèi)巖漿活動對于地溫場無明顯影響,不構(gòu)成附加熱源。因此,老子山地?zé)崽飳儆谟烧４蟮責(zé)崃骷訜岬姆腔鹕叫偷責(zé)嵯到y(tǒng)。3地基區(qū)熱區(qū)熱資源性特征老子山熱田所處的盱眙構(gòu)造帶,構(gòu)造活動頻繁,構(gòu)造形跡多樣,斷裂構(gòu)造非常發(fā)育,主要發(fā)育NNE、NE、NW向3組斷裂構(gòu)造(圖1)。NNE向斷裂帶延伸遠、規(guī)模大,切穿了古生界基底,為左行壓性、壓扭性的平移斷裂。NW向斷裂為張性斷裂,切割了早期NNE向斷裂。3組斷裂均為新構(gòu)造斷裂。新構(gòu)造斷裂具有延伸性、連通性、透水性好的特點,2組斷裂交匯處往往成為熱水富集的有利部位。據(jù)地?zé)釁^(qū)5m和90m深度地溫等值線圖(圖3)可知,地?zé)岙惓捈s700m,呈NNE向條帶狀展布,與區(qū)域上NNE向斷裂的走向一致。地溫最高點出現(xiàn)于地?zé)崽飽|北部,恰好位于NNE向斷裂與NW向斷裂的交匯處(圖1)。這是由于該處地層破碎,連通性好,使得深部熱水上涌,造成局部高溫異常。這也為鉆探和抽水試驗所證實。4熱水補充分析4.1水的組成組成2009年7月對區(qū)內(nèi)地下水和地表水進行了樣品采集,水化學(xué)和同位素測試結(jié)果列于表1。各水樣的水化學(xué)特征如圖4所示。該水樣點位于地?zé)岙惓^(qū)內(nèi),受到地?zé)崴烊氲挠绊?。震旦系地?zé)崴疄镹a-Ca-SO4-Cl型,ρ(TDS)達2000mg/L,陽離子以Na+為主,陰離子以SO42-為主;第四系地下水為Ca-Mg-SO4-HCO3-Cl型,ρ(TDS)達967mg/L,陽離子以Ca2+為主,陰離子中SO42-含量較高;淺層碳酸鹽巖地下水(震旦系和寒武系地下冷水)和洪澤湖水為Ca-Na-Mg-HCO3型,ρ(TDS)較低,分別為160mg/L和400mg/L左右,陽離子以Ca2+為主,陰離子以HCO3-為主。研究區(qū)不同水體的δ2H-δ18O組成示于圖5。當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(localmeteoricwaterline,LMWL)由國際原子能機構(gòu)全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(GNIP)南京站監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸得到。區(qū)內(nèi)水樣的水穩(wěn)定同位素組成存在明顯差異。其中:洪澤湖水同位素最為富集,其δ2HVSMOW為-47.5‰,δ18OVSMOW為-6.57‰;淺層地下水,即老子山第四系地下水、十里營震旦系地下冷水和三河農(nóng)場寒武系地下冷水同位素較為虧損,其δ2HVSMOW為-56.0~-55.3%,δ18OVSMOW為-7.98‰~-7.73‰;老子山T1和T3井地?zé)崴凰刈顬樘潛p,δ18OVSMOW約為-8.2‰,δ2HVSMOW為-60‰左右,反映其補給高程較高。4.2地下水水資源量hr地下水補給高程的計算公式為式中:H為地下水補給高程(m);δ18Ogw為取樣點地下水的δ18OVSMOW值(‰);δ18Or為參考點水樣δ18OVSMOW值(‰);gradδ18O為降水δ18OVSMOW的高程梯度(‰/hm);Hr為地下水參考點地面高程(m)。參考中國華北和南部地區(qū)降水δ18O的高程效應(yīng),取gradδ18OVSMOW=-0.2‰/hm。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件,老子山—佛窩斷褶帶以東的淺層碳酸鹽巖冷水接受上覆松散層的垂向補給和西側(cè)碳酸鹽巖裸露區(qū)地下水的側(cè)向補給,故選擇老子山地?zé)崽锔浇氖餇I和三河農(nóng)場的淺層碳酸鹽巖地下水為參考點,其δ18OVSMOW值分別為-7.9‰和-7.7‰,Hr分別為27m和15m。δ18Ogw取T3井的值(-8.2‰)。求得地?zé)崴难a給高程分別為177m和265m。結(jié)合周邊地形資料分析,補給區(qū)應(yīng)位于老子山地?zé)崽镆阅霞s60km處盱眙南部至張八嶺一帶的丘陵區(qū)。4.3第四系地下水的補給在老子山地?zé)岙惓^(qū)內(nèi),存在第四系地下水與地?zé)崴秃闈珊幕旌?在老子山地?zé)峋甌1進行抽水試驗時,地?zé)峋甌2及附近第四系水井水位同時發(fā)生響應(yīng),顯示地?zé)崴c第四系地下水之間存在水力聯(lián)系;此外,洪澤湖水對于湖區(qū)周圍的第四系地下水也存在補給。圖6、圖7中ρ(Cl-)與δ2HVSMOW和ρ(TDS)之間的線性關(guān)系也證明了混合作用的存在。據(jù)地?zé)峋畼拥?H數(shù)據(jù),T1井水樣3H活度濃度為13.8TU,而T3井為1.1TU。T1井水樣較高的3H活度濃度應(yīng)為第四系地下水的混入所致,而T3井水樣應(yīng)為未發(fā)生混合的古水。故選擇T3井14C數(shù)據(jù)計算地下水年齡。14C表觀年齡計算公式為式中:t為地下水表觀年齡(a);λ=12.1×10-6/a,為14C衰變常數(shù);α014C為母核初始放射性濃度(pMC);αt14C為樣品14C的放射性濃度(pMC)。取14C初始放射性濃度為100pMC,得地?zé)崴碛^年齡為7800a。4.4熱儲預(yù)測溫度據(jù)T3井水化學(xué)數(shù)據(jù),應(yīng)用化學(xué)溫標(biāo)估算熱儲溫度。K-Mg和α-方英石溫標(biāo)得出的溫度過低,分別為為38℃和52℃;玉髓溫標(biāo)得到的溫度為73℃,接近井口溫度;Na-K、無定形二氧化硅和β-方英石溫標(biāo)得的溫度較高,分別為185℃、193℃和228℃;Na-K-Ca溫標(biāo)、無蒸汽損失和蒸汽足量損失的石英溫標(biāo)得到的溫度居中,分別為94℃、103℃和90℃。各溫標(biāo)估算的溫度之間存在差異,這與熱儲溫度下的平衡礦物組合或熱水上升過程中的再平衡等過程有關(guān)。采用熱水-礦物平衡方法,計算了不同溫度(60~150℃)下的lg(Q/K)值。其中:Q為礦物的活度積(mol/L)n;K為反應(yīng)的平衡常數(shù)(mol/L)n;n為礦物組分的化學(xué)計量數(shù)之和。得到平衡溫度約為120℃(圖8)。平衡礦物組合為玉髓、透輝石、白云石、石膏和石英。綜上,老子山熱田的熱儲預(yù)測溫度約為73~120℃,屬中低溫地?zé)崴?。地?zé)崴h(huán)深度計算公式為式中:Z為循環(huán)深度(m);Z0為恒溫帶深度(m);TR為熱儲溫度(℃);T0為恒溫帶深度(m);gradT為地溫梯度(℃/hm)。據(jù)區(qū)域熱流資料,補給區(qū)地溫梯度為2.5℃/hm,當(dāng)?shù)睾銣貛疃?0m,年均溫度為14.7℃,則地?zé)崴难h(huán)深度為2350~4200m。5地下空氣壓縮熱流聯(lián)合支護老子山地?zé)崽飳僦械蜏貙α餍偷責(zé)嵯到y(tǒng)。地?zé)崽镌谄湟阅霞s60km處盱眙縣南部至張八嶺一帶的丘陵區(qū)接受大氣降水補給,大氣降水滲入地下后沿盱眙構(gòu)造帶多條NNE向斷裂向北運移(圖1),并在正常的大地?zé)崃鞅尘跋聻閲鷰r逐漸加熱,循環(huán)深度為2350~4200m,熱儲溫度約為73~120℃,循環(huán)周期約為7800a。熱水在老子山地區(qū)NNE向斷裂與NW向斷裂交匯處沿巖溶、裂隙等導(dǎo)水通道上涌,形成地?zé)崽铩?注重深循環(huán)加熱研究老子山地區(qū)大地?zé)崃鞅尘爸禐?3.9mW/m2,屬正常范圍;放射性生熱和巖漿活動不構(gòu)成附加熱源。老子山地?zé)崽飳僦械蜏貙α餍偷責(zé)嵯到y(tǒng)。其水源為大氣降水,由盱眙南部至張八嶺一帶的丘陵區(qū)下滲,經(jīng)深循環(huán)加熱成為