北京小湯山地區第四系高氟地下水與地熱水關系研究

劉宗明,孫少游,馬靜晨,郭 帥,李 翔

1)北京市地質礦產勘查院,北京 100195; 2)自然資源部淺層地熱能重點實驗室,北京 100195;3)北京市市政工程設計研究總院有限公司,北京 100082; 4)北京市工程地質研究所,北京 100084

氟是人體正常代謝的必需微量元素之一,與人體健康密切相關。當氟攝入過少會引起齲齒和鈣、磷代謝及骨質疏松,老年人導致骨折; 而氟攝入過量則導致氟中毒,會引起氟斑牙、氟骨癥、腎臟、肝臟、大腦損害、免疫功能異常、肺水腫、肺出血等疾病。地方性氟中毒病是一種世界性的地方病,亞洲、歐洲、非洲、美洲等均有報道。在中國,地方性氟中毒病主要分布于貴州、陜西、甘肅、山西、山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江等省。人體中氟攝入主要來源于飲水和食物,研究發現水中氟比食物更易于人體吸收。我國北方大部分地區以地下水作為城市主要飲用水源,高氟地下水具有危害大、降解難、成因復雜等特點,因此研究高氟地下水的分布規律及成因機理具有重要的意義。國內外的學者對地下水中氟來源和成因展開了大量的研究工作,高氟地下水形成主要分為三類。

(1)溶濾型

主要分布在富氟巖石和土壤地區。在變質巖、花崗巖出露的山區,存在大量的氟磷灰石、電氣石、螢石、黑云母、氟鎂石等含氟礦物,在風化作用、溶濾作用下,含氟礦物分解融入地下水(Kanisiwa,1979; Rao et al.,2003; Valenzuela-Vasquez et al.,2006; 蔡賀等,2010; 巴建文等,2010)。同時,土壤的母質來源為巖石風化物,在含氟礦物周邊土壤中的氟含量也相對較高,如中國北方黃土地區(李曉穎等,2009; 李培月等,2010; 秦兵等,2012; 張春潮等,2013)。溶濾型高氟地下水受富氟巖土體控制明顯,呈片狀分布。

(2)蒸發濃縮型

主要分布在平原和盆地等區域。特別在沖洪積扇中下部地區,地勢平坦,第四系松散層屬粉細砂與黏土互層結構,地下水埋深較淺,水流緩慢,在干旱氣候條件下淺層地下水蒸發作用強烈,蒸發濃縮作用導致地下水中礦物質含量增高,氟普遍超標。如華北平原(李世君等,2012; 姜體勝等,2012;邢麗娜等,2012; 王新娟等,2013; 申月芳等,2021)、松嫩平原(蔡賀等,2013; 賈璐等,2021)等地區。蒸發濃縮型高氟地下水主要分布在第四系淺層地下水中,呈面狀分布。

(3)地熱型

主要分布在地熱富集區及深大斷裂周邊。深層地熱水在高溫高壓環境下,同圍巖不斷發生物理化學反應,熱水中氟含量普遍較高。在深大斷裂周邊,深部地熱水順斷裂帶上涌,同第四系地下水混合,導致氟含量超標。如吉林長白山天池(曹玉和等,2010)、河南南陽盆地(陳嬌等,2013)等地區。地熱型高氟地下水主要受深層地熱水控制,呈條帶狀分布,往往在第四系深層地下水氟超標。

高氟地下水成因機理不同,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類型,對分析某一地區地下水中氟化物分布規律具有重要意義?，F有成果對溶濾型和蒸發濃縮型高氟地下水成因研究較多,而地熱型高氟地下水成因研究不夠深入,相關文獻資料較少。北京小湯山地區第四系深層地下水氟含量普遍超標,嚴重制約區域供水,本文通過收集整理基礎地質、水文地質、地熱地質等相關資料,開展第四系高氟地下水與地熱水關系研究工作,研究成果對于區域供水井的設計實施,以及保障區域供水安全具有現實的社會意義,為今后國內外研究地熱型高氟地下水成因機理工作奠定基礎。

1 研究區概況

小湯山地區位于北京市昌平區,地處東經116°20′—116°26′,北緯40°09′—40°12′之間,總面積約70 km2。小湯山地區山丘較小,海拔僅50 m高,且山麓中有溫泉,古人稱熱水為“湯”,故得名小湯山。小湯山地區自古便有溫泉露頭,明代此處曾辟為皇家禁苑,清康熙年間在此建湯泉行宮,宮內有乾隆御墨“九華兮秀”四字。建國后,該區地熱資源得到充分開發利用,后經評估圈定為小湯山地熱田(圖1)。

1.1 基礎地質條件

研究區在構造上由黃莊—高麗營斷裂和南口斷裂切割形成倒三角狀復式背斜結構,小湯山地區處于背斜核部地區,向南為背斜翼部地區; 地層由新至老依次沉積第四系、白堊系、侏羅系、奧陶系、寒武系、青白口系和薊縣系(表1); 主要發育黃莊—高麗營斷裂、南口斷裂、大柳樹斷裂、阿蘇衛斷裂、馬坊斷裂,其中黃莊—高麗營斷裂、南口斷裂屬深大斷裂,為全新世活動斷裂(圖2)。

表1 北京小湯山地區地層表Table 1 Geologic stratum in Xiaotangshan Area,Beijing

圖2 北京小湯山地區地質圖Fig.2 Geological map in Xiaotangshan Area,Beijing

(1)黃莊—高麗營斷裂

斷裂走向為45°,傾向南東,傾角近75°,為高角度正斷裂; 斷裂于燕山運行末期切斷了侏羅系及其以前地層,鉆孔顯示斷裂兩側第四系沉積厚度相差近700 m。

(2)南口斷裂

斷裂走向為315°,傾向南西,傾角為60°～70°,為正斷層; 燕山期該斷裂具有明顯的左旋特征,而喜山期表現為差異性升降運動。

1.2 水文地質條件

研究區位于北運河地下水系統中游地區,該區城市供水以第四系孔隙地下水為主,屬河湖沉積相松散顆粒層結構,巖性為中細砂、粉砂、黏砂互層結構,地下水主要蘊藏于中細砂、粉砂地層中,屬孔隙地下水類型。根據含水層不同埋藏深度,可分為四個含水層組,第一含水層組含水層埋深30～50 m、第二含水層組70～100 m、第三含水層組150～180 m、第四含水層組270～300 m。第一含水層組和第二含水層組統稱為淺層地下水,主要用于農業灌溉、工業用水等方面; 第三含水層組和第四含水層組統稱為深層地下水,主要用于本地居民飲用水。

研究區第四系地下水富水性較好,出水量為1 000～2 000 m3/d; 淺層地下水水位埋深整體呈西北淺、東南深的特點,在小湯山地區地下水埋深為10～15 m,向東南可達25～30 m(圖3)。地下水補給為大氣降水、溫榆河補水和山區側向徑流補水,排泄方式為人工開采、側向徑流排出,地下水流動方向總體由西北向東南流動(圖3)。

圖3 北京小湯山地區第四系地下水水位等值線圖Fig.3 Contour lines of Quaternary groundwater level in Xiaotangshan Area,Beijing

1.3 地熱地質條件

研究區位于小湯山地熱田內,地熱資源勘查工作可追溯到20世紀50年代。1970年后,陸續鉆鑿了幾眼地熱井,早期開采的地熱井多為自流井,隨著地熱井的不斷開鑿,地熱開采量逐年增加,地熱水位呈現逐年下降的趨勢。自2000年開始,政府采取了控制開采、增加回補等措施,地熱資源超采得到有效控制,地熱水位逐漸回穩。目前小湯山地熱田共有各類地熱井100余眼,熱田面積186.42 km2,是北京開發時間最早、勘查和開發程度最高的地熱田。

(1)熱儲層

研究區熱儲層為薊縣系霧迷山組白云巖地層,在局部地區也存在薊縣系鐵嶺組地層熱水混采現象,該地層屬巖溶裂隙型熱儲層,是地熱資源富集的前提條件。

(2)熱儲蓋層

研究區熱儲蓋層為青白口系、寒武系、奧陶系、侏羅系、第四系地層,在黃莊—高麗營斷裂和南口斷裂交匯區熱儲蓋層厚度最大,可達2 500 m,熱儲層頂板溫度70 ℃(圖4)。熱儲蓋層起到了良好的隔熱保溫作用,隨著熱儲蓋層厚度的增加,熱儲層頂板溫度也隨之增加。

圖4 北京小湯山地區地熱地質圖Fig.4 Geothermal geological map in Xiaotangshan Area,Beijing

(3)導熱通道

由圖4還可以看出,地層深部高溫區主要分布在黃莊—高麗營斷裂周邊,呈明顯的條帶狀分布,在黃莊—高麗營斷裂和南口斷裂交匯處溫度大于75 ℃。由此可見黃莊—高麗營斷裂是導熱構造,構成深部熱流的上涌通道,深部熱流來自于黃莊—高麗營斷裂和南口斷裂交匯處; 而南口斷裂、大柳樹斷裂、阿蘇衛斷裂、馬坊斷裂是深部熱流的擴散通道。

2 第四系高氟地下水分布特征

北京地區已建成覆蓋全市域的地下水監測網,包括監測井1 786眼,其中區域地下水監測網1 306眼井、重點污染源監測網480眼井,每年定期開展地下水位、水質監測工作。本文選取其中46眼第四系監測井,其中包括第一含水層組地下水監測井13眼、第二含水層組監測井14眼、第三含水層組監測井12眼、第四含水層組監測井7眼。采用2020年9月監測數據進行分析,研究該區第四系地下水氟化物分布特征。

根據水質分析資料結果,研究區第一含水層組地下水中氟化物存在點狀超標,超標點位于小湯山地區的A06井,超標含量為1.25 mg/L;第二含水層組地下水中氟化物并未超標; 第三含水層組地下水中氟化物在小湯山地區存在面狀超標區,超標面積為13.2 km2,超標含量為1.08～1.49 mg/L; 第四含水層組地下水中氟化物出現大規模面狀超標區,超標面積為97.1 km2,超標含量為2.94～3.05 mg/L,超標區以小湯山地區為中心,向東南方向呈扇面展布。由此可見,研究區第四系高氟地下水主要分布在深層地下水(150 m以深)中,表現為第四含水層組超標面積最大、第三含水層組次之的特征(圖5)。第四系深層地下水主要用于本地居民飲用水,嚴重威脅了區域供水安全。

圖5 研究區第四系地下水氟化物濃度分區圖Fig.5 Fluorine concentration of Quaternary groundwate in the study area

3 第四系高氟地下水與地熱關系

3.1 地層接觸關系

研究區構造上屬復式背斜結構,小湯山地區位于背斜核部,該區第四系厚度較薄,僅為147 m。地層結構上,第四系深層含水層(第三含水層組、第四含水層組)同熱儲層薊縣系霧迷山組直接接觸,為第四系冷水和熱儲層熱水的混合作用創造了前提條件(圖6)。

圖6 研究區熱水-冷水混合作用示意圖Fig.6 Schematic diagram of mixing of cold water and hot water in the study area

3.2 地熱富集帶形成

通過前文分析,研究區的深部熱流來自于黃莊—高麗營斷裂和南口斷裂交匯處,該地區處于背斜翼部,熱儲層埋深較深,熱儲蓋層厚度大于2 500 m,熱儲頂板溫度大于70 ℃,地層壓力較大,地層深部地質條件復雜,巖溶裂縫發育不均,地熱水單位出水量小于25 m3/(d·m)。

小湯山地區為背斜核部,受大地構造作用力影響,在背斜核部頂端的熱儲層發育大量的張性裂隙,形成了良好的導水通道,加之上覆第四系蓋層結構松散且厚度較薄,地層壓力較小,導致該區成為地熱水壓力釋放區。深部地熱水由地層壓力較大的南側背斜翼部向北流動,在地層壓力較小的背斜核部小湯山地區匯聚形成地熱富集帶,該區地熱水單位出水量基本大于100 m3/(d·m)(圖7)。

圖7 研究區地熱水出水量分區圖Fig.7 Geothermal water yield in the study area

3.3 水力聯系

圖8選取小湯山地區典型監測井多年水位數據進行分析,從圖中可以看出,在第四系和熱儲層的接觸帶區域形成了水力“天窗”,地熱水和第四系深層地下水(第三含水層組、第四含水層組)的熱水-冷水混合作用大致可分為三個階段。在2005年以前,地熱水的承壓水頭高于第四系深層地下水,屬熱流補給冷流期; 2005—2010年,地熱水的承壓水頭和第四系深層地下水相近,屬熱流-冷流交織互補期;2010年以后,地熱水的承壓水頭低于第四系深層地下水,屬冷流補給熱流期。

圖8 研究區地熱水和第四系地下水多年水位曲線圖Fig.8 Water level curves of geothermal water and Quaternary groundwater in the study area

3.4 水化學特征

研究區第四系淺層地下水(第一含水層組、第二含水層組)水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg·Na型、HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Mg·Na型和HCO3-Ca·Na·Mg型,第四系深層地下水(第三含水層組、第四含水層組)水化學類型主要為HCO3-Na·Ca型和HCO3-Na型,而熱儲層地熱水水化學類型為HCO3-Na·Ca型。從水化學類型上看,地熱水和第四系深層地下水更為相似。

圖9為研究區氟化物濃度剖面圖,從圖中可以看出,小湯山地區地熱水氟含量為6.30 mg/L,第四系第四含水層組地下水氟含量為3.00 mg/L; 第三含水層組為1.49 mg/L,第二含水層組地下水氟含量為0.58 mg/L。由此可見,在第四系與熱儲層直接接觸的第四含水層組氟化物含量最高,向上氟化物含量逐漸減小。同時,氯離子、鈉離子和鉀離子在垂向上也表現出同樣的特征,由此可見,地熱水通過熱流-冷流的混合作用影響了第四系深層地下水的水化學組成。

圖9 研究區水化學濃度剖面圖Fig.9 Profile of the chemical concentration in the water in the study area

3.5 綜合分析

薊縣系霧迷山組熱儲層中的地熱水在深部運移過程中,在高溫高壓環境下,不斷和圍巖發生物理化學反應,導致熱水中氟化物含量普遍較高,在研究區可達4.20～7.60 mg/L。研究區構造上屬復式背斜結構,小湯山地區位于背斜核部,第四系與熱儲層直接接觸,形成水力“天窗”。熱儲層在背斜核部裂隙發育,加之上覆第四系蓋層結構松散且厚度較薄,在小湯山地區形成地熱富集區,大量地熱水匯聚上涌,同第四系第四含水層組地下水發生熱流-冷流的混合作用,導致該層地下水中氟化物出現大規模超標,超標含量為2.94～3.05 mg/L。超標區在平面上表現為以水力“天窗”為中心,向東南方向呈扇面展布的特征,這也同該區第四系地下水總體由西北向東南流動相吻合。在第四系第三含水層組地下水氟化物超標含量為1.08～1.49 mg/L,表現為該層與地熱水存在水力聯系,但熱水-冷水混合作用并不強烈。而至第二含水層組地下水并未超標,表明與地熱水不存在水力聯系。由此可見,研究區第四系深層地下水的“氟源”來自地熱水,含有高含量氟的地熱水在水力“天窗”區域,通過熱流-冷流的混合作用,使第四系深層地下水形成高氟區。

值得注意的是,小湯山地區第四系第一含水層組(30～50 m)地下水中氟化物呈點狀超標,淺層地下水氟化物超標應首先考慮受蒸發濃縮作用所致,而蒸發濃縮作用一般發生于地下水埋深小于5 m的區域,小湯山地區地下水埋深為10～15 m,因此基本排除了蒸發濃縮作用。通過地表調查,發現該區存在多個農業科技園,地熱水也廣泛的用于地表農田灌溉、溫室大棚、水產養殖,由此推斷地熱水通過地表入滲,使第一含水層組出現個別超標現狀。

4 結論

本文通過收集整理基礎地質、水文地質、地熱地質等相關資料,開展北京小湯山地區第四系高氟地下水與地熱水關系的研究工作,深入探討了地熱型高氟地下水成因機理,主要結論如下:

(1)研究區構造上屬復式背斜結構,小湯山地區位于背斜核部,第四系與熱儲層直接接觸,形成水力“天窗”;

(2)熱儲層在背斜核部裂隙發育,加之上覆第四系蓋層結構松散且厚度較薄,在小湯山地區形成地熱富集區;

(3)熱儲層中地熱水上涌和第四系地下水發生熱流-冷流的混合作用,在垂向上表現為第四系第四含水層組最為強烈、第三含水層組次之的特征,混合作用導致第四系深層地下水形成高氟區。

Acknowledgements:

This study was supported by Natural Science Foundation of Beijing (No.8181002).