關中盆地南部含水層間水力聯(lián)系研究

關中盆地南部含水層間水力聯(lián)系研究

0地下水和地熱水資源量利用的影響因素關中盆地南部的第四系地下水是關中地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要水源。第三系地下水資源廣泛分布于第三系水層中，具有很高的開發(fā)價值。目前,這兩個重要的地下水和地熱水資源的開發(fā)利用受到供水水源面臨地表水和淺層含水層的污染,影響水源的安全和熱水資源面臨與淺層水冷水的混合,影響寶貴的熱水資源可利用程度兩個因素的制約。因此,研究各個含水層與地表,各個含水層之間的水力連通程度對于關中地下水資源的評價和管理至關重。筆者提供了關中盆地南部含水層之間,尤其是第四系和第三系含水層間相互關系的環(huán)境同位素及水文地球化學證據(jù)。1地下熱水賦存特征研究區(qū)位于關中盆地的南部地區(qū),南倚秦嶺,北臨渭河,東起藍田縣和臨潼縣,西至眉縣。區(qū)內蘊藏有豐富的地下熱水資源。關中盆地第四系含水層由洪積、沖積沉積物組成,上覆沙質、粉沙粘土層。第四系沉積物在西安以北厚達數(shù)千米,在盆地隆起處僅為百米。第四系更新統(tǒng)地下熱水主要分布在秦嶺北坡山前的長安縣一帶,地下熱水賦存于下更新統(tǒng)中粗砂、中砂及含礫中粗砂層孔隙中。熱儲層埋藏淺為250~500m。第三系地下熱水主要賦存于斷裂兩側一定范圍內的砂礫石(巖)層孔隙或構造裂隙內,在厚1000~5000m的整個第三系中,分布多個熱儲層,加之隔水層顆粒細、隔水性能好,屬封閉條件較好的熱儲層。熱儲層埋深因所處的構造部位不同差異較大。在驪山凸起區(qū),一般埋深500~1000m。在西安凹陷區(qū)內,熱儲層埋深小于1000m。下古生界奧陶系巖溶含水層主要分布在渭河以北,多為隱伏巖溶含水層。前新生界含水層主要分布于驪山及秦嶺山麓以及渭河以北。其特點是:受斷裂構造控制呈條帶狀分布,如藍田東湯峪、眉縣西湯峪、寶雞上馬營溫泉等,均位于秦嶺山前斷裂帶上。在驪山地區(qū)為太古界變質巖。秦嶺北麓主要為中-下元古界寬坪群。關中地區(qū)在地質構造上屬地塹式斷陷,其斷裂構造大多屬活動性斷裂,對關中盆地地下水的形成與分布起著控制作用。2水文化學和成因特征2.1地下水混合特征研究區(qū)第四系淺層地下水以低礦化度為特征。然而,第四系下部及第三系地下熱水的水文地球化學特征更為復雜(表1,圖1)。第四系更新統(tǒng)地下熱水多為低礦化弱堿性水。低溫熱水為重碳酸硫酸鈉型水。中溫熱水多為硫酸重碳酸鈉型水。第三系孔隙裂隙熱水地下化學特征在不同部位有較大差異。影響化學成分的主要因素有構造、巖性、地貌及與深部熱水混合程度。沿寶雞—咸陽斷裂帶上的地下熱水為低礦化(小于1g/L)的重碳酸鈉型水。盆地南緣地熱井,熱儲層巖性較粗,徑流條件好,常形成低礦化度重碳酸硫酸鈉型或硫酸重碳酸氯化鈉型水。盆地東南緣斜坡帶上熱水井以硫酸鈉型水為主。向盆地中部逐漸過度到河湖相沉積,含水層巖性變細,徑流條件變差,致使地下水的地球化學作用以鹽分堆積為主,水化學類型亦變復雜,多為硫酸鈉或氯化鈉型水。圖1為研究區(qū)第三系和第四系地下熱水Piper圖。圖中第三系與第四系下更新統(tǒng)地下水的主要陰陽離子成分十分接近,約50%的水樣點達到重合。第三系含水層陰離子的變化范圍較大,SO?244-2和Cl-1的含量較高。秦嶺山前斷裂到渭河斷裂附近第四系及第三系熱水溫度為78℃~25℃,化學成分仍以重碳酸根離子為主,含鹽量變化不大(表1),圖1顯示兩者化學成分相近(圖1),說明第四系下部及第三系地下水之間發(fā)生了混合。前新生界基巖裂隙地下熱水分布于秦嶺北麓和驪山北麓的深斷裂附近,由于斷裂帶透水性能較好,多形成微礦化或低礦化的硫酸或硫酸氯化鈉型水(圖2)。2.2大氣降水和地下水研究區(qū)地下熱水的環(huán)境同位素組成圖3。根據(jù)高陵縣氣象站1991年以來月降水同位素測試結果,關中盆地大氣降水線方程為:δ(D)=7.85δ(18O)+12.94。該雨水線與全球降水方程δ(D)=8δ(18O)+10接近,其斜率稍小和截距偏大,與本區(qū)地處內陸,降水量偏小,空氣干燥的氣候類型有關。表明大氣降水在落到地表時已經(jīng)過一定的蒸發(fā)作用。研究區(qū)地表水、地下水,包括淺層冷水和各類地下熱水的樣點均沿關中大氣降水線呈線性趨勢,表明大氣降水是區(qū)內各類水體的補給水源。圖3中水溫最高的B點位于降水線下端,說明熱水中不存在任何海水成分,熱水中的鹽分主要來自巖石礦物的溶解。熱水的δ值在δ(D)-δ(18O)相關圖未顯示其δ(18O)向右漂移現(xiàn)象。說明研究區(qū)南部地熱水是大氣降水成因的,且未受水-巖同位素交換明顯影響。3ab管理模式圖3中各含水層熱水中δ值最低的B點溫度最高(78℃),而δ最高的A點溫度最底(20℃)。AB連線為一條與大氣降水線平行的直線。在AB連線上,從δ低值到高值各含水層水點的水溫由高到低,反映了地下熱水與各個含水層混合的過程。3.1第四系熱儲層含水層的年齡分布第四系和第三系地層為關中盆地內部主要地層,沉積厚度約6000~7000m。在關中盆地第四系和第三系含水層之間存在隔水層。如果隔水層是完整的,則兩含水層的同位素和水化學組成是不同的,否則,兩個含水層將發(fā)生混合。在圖4中,第三系熱水的δ(18O)和δ(D)部分與第四系更新統(tǒng)熱水的δ值重合,重合部位約50%,部分高于第四系熱水的δ值。高出部分的第三系熱水井泉位于長安-臨潼斷裂與北西向斷層交匯部位。圖4中,無論是第三系熱水還是第四系更新統(tǒng)熱水均明顯低于第四系淺部全新統(tǒng)的冷水,指示研究區(qū)第四系更新統(tǒng)含水層與第四系淺部全新統(tǒng)含水層水力聯(lián)系較弱,而與第三系含水層存在較密切聯(lián)系,并接受第三系熱儲的越流補給。第四系和第三系含水層之間不存在完整的隔水層。第三系和第四系地下水水文地球化學分析結果證實了這一結論。在圖1中,第三系與第四系下部地下水主要陰陽離子成分十分接近,有約半數(shù)以上水樣點的化學成分達到重合,與同位素分析的結果一致。第四系含水層水中SO?244-2和Cl-1的含量較高,變化范圍也較大,這是第四系更新統(tǒng)含水層中較為封閉、徑流較為滯緩的水化學環(huán)境所致。第四系厚度較大,黏土物質較多,溝通深部熱源性能較差,以至部分第四系孔隙熱水溫度較低,穩(wěn)定同位素值較低(平均δ(18O)和δ(D)分別為-12.02×10-3和-86.88×10-3),SO?244-2和Cl-1的含量較高。在構造破碎、第四系熱儲層埋藏淺的部位,如秦嶺山前子午鎮(zhèn)、灃峪—高冠河一帶水溫、穩(wěn)定同位素及水化學成分與第三系熱儲層相當,且埋藏淺,是理想的熱水開采地段。根據(jù)δ(18O)、δ(D)和3H同位素組成(圖4),大氣降水是地下冷水和熱水明顯的補給水源。14C測年結果證實,第四系更新統(tǒng)和第三系含水層的年齡在10000年以上,前者比后者更年輕些。然而,第三系孔隙裂隙熱儲層的TU(15.49±3.73)及18O(-10.40~-12.64)均高于上覆第四系更新統(tǒng)含水層的TU(7.0~12.63)及18O(-10.03~12.70),這一事實的合理解釋是兩個含水層的水樣反映了上萬年地質歷史時期的老水的組分和具有較高氚值的現(xiàn)代水組分的混合。提示大氣降水在第三系熱儲層運移速度較第四系含水層更快,水交替條件更好。根據(jù)氚同位素的數(shù)學物理模型,第四系含水層和第三系含水層氚的新水平均混合年齡分別為166a和38a;14C測定老水年齡分別為14461a和18211a。兩種不同的速度說明在垂直方向上第四系和第三系含水層的混合存在兩種途徑,即老水從上層到下層通過非飽和帶到飽和帶的緩慢滲入和從下層到上層通過斷層的新水相對快速地滲入。第三系含水層的氚年齡大于第四系含水層的事實說明第三系含水層與地表水及深部熱水聯(lián)系密切,并通過斷層對第四系下更新統(tǒng)含水層進行了越流補給。這一分析結果得到地質勘探的證實。地質勘探結果表明關中盆地大部分基底斷層賦存于第三系及以下地層,第四系地層中基底斷裂較少。貫穿各個含水層的秦嶺山前大斷裂與第三系熱儲密切相關,溝通了地表與第三系熱儲的聯(lián)系。由此可見,研究區(qū)第三系和第四系熱儲的分布首先受構造條件控制,在斷裂交匯地帶如長安縣東大鄉(xiāng)熱水井泉,第三系和第四系熱水的同位素及化學組分達到基本混合(見圖1,圖4)。圖5顯示,研究區(qū)第四系和第三系地下熱水的分布與深大斷裂帶的分布一致,尤其是斷裂交叉部位附近。深部地下熱水沿斷層向上運動,而地表水沿斷層向下運動。沿臨潼斷裂秦嶺山前到渭河附近第四系及第三系的熱水溫度的變化從78℃~25℃,說明地表水和淺層地下水沿斷層向下運動,斷層是各含水層發(fā)生水力聯(lián)系的主要通道。秦嶺-臨潼斷裂附近δ(18O)和δ(D)等值線顯示,從西南方向(秦嶺)到北東方向(渭河),關中盆地南部地下熱水的δ(18O)和δ(D)逐漸增加,熱水出露層位埋深逐步變淺,熱水溫度逐漸下降,這一特征在臨潼斷裂部位尤其明顯,說明第四系和第三系地下熱水的來水方向為西南秦嶺地區(qū)深部地層,在沿斷層向北東方向運動中發(fā)生混和。3.2地下水的穩(wěn)定同位素組成研究區(qū)元古界地下熱水賦存于秦嶺北麓、驪山北麓變質巖及燕山期侵入巖裂隙中。在元古界與各含水層δ(18O)和δ(D)關系中(圖6),盡管元古界地層沿山前斷裂橫貫東西,其熱水δ(18O)和δ(D)變化范圍較大,但元古界熱水δ的平均值與第三系熱水及第四系熱水的δ(18O)和δ(D)基本重合,說明三者存在密切水力聯(lián)系和共同的補給水源。元古界熱水的穩(wěn)定同位素組成中,眉縣西湯峪熱水的δ(18O)和δ(D)沿降水線集中分布于平均值左下方,指示熱水來水方向,即山前斷裂的西部方向。藍田東湯峪熱水的δ(18O)和δ(D)沿降水線集中分布于元古界熱水穩(wěn)定同位素平均值右上方,與山前大斷裂附近第四系熱水δ值接近,說明秦嶺山前斷裂及其盆地內部各基底斷裂是地下熱水的主徑流帶,也是連通各個含水層水力聯(lián)系的主要通道。地下水熱水沿斷裂開啟部位向地表對流傳導,在巖層破碎和斷裂交匯地段以溫泉形式排泄地表,如臨潼華清池、東西湯峪溫泉、長安東大等。臨潼華清池附近有6條近南北向的張性斷裂并與山前東西向大斷裂交匯。同樣,藍田東湯峪和眉縣西湯峪均有數(shù)條北東向斷裂或北西向斷裂與東西向的秦嶺山前大斷裂交匯,加之地層破碎、地形適宜,成為地下熱水富集區(qū),并以溫泉形式出露地表。元古界地下水主要陰陽離子成分變化不大,為硫酸鈉型水,與第四系和第三系地下水接近,部分與第三系水重合。說明元古界地下熱水在沿活動斷層上行中,雖然越流補給了第三系、第四系地下水,但是與淺部冷水混合較少,更接近凈熱水(圖2)。3.3太古界熱水值研究區(qū)太古界含水層分布于臨潼驪山附近。在元古界與各含水層δ(18O)-δ(D)關系中(圖7),太古界熱水的δ值與第三系熱水、地表水及秦嶺地下冷水、第四系地下冷水接近,反映太古界熱水在沿斷裂上行中與大量地表水與地下冷水混合,有部分渭北奧陶系地下水參與了與太古界熱水的混合。圖2中太古界熱水和元古界、第三系、第四系含水層水化學組成接近。3.4帶線內部分熱儲層的地下熱水圖4、圖6、圖7顯示了各個含水層之間的聯(lián)系程度。第三系熱水的δ值分布范圍最廣,幾乎與所有熱儲層之間存在聯(lián)系,是研究區(qū)各熱水含水層水力聯(lián)系較暢通的含水層。第三系熱儲層的熱水井均分布于秦嶺-臨潼大斷裂及秦嶺-臨潼大斷裂與北西向斷裂的交匯地帶,再次證實,在影響熱儲層導水能力和富集程度的諸多因素中,構造條件是制約性因素。在上覆儲熱蓋層條件下,凡構造交匯或開啟性斷裂部位都可形成一定規(guī)模的帶狀熱儲并沿熱流運動方向補給其他熱儲層。帶狀的熱儲對地下熱水的形成起著通道作用如秦嶺山前東、西湯峪出露的元古界、沿秦嶺-臨潼大斷裂出露的太古界和第三系熱儲層;而層狀熱儲的主要功能為儲熱如第四紀和第三系含水層。如前所述,第三系含水層既是帶狀熱儲,又是層狀熱儲,兼具熱水廊道及儲熱空間雙重作用,是研究區(qū)重要的熱儲層。大多數(shù)地下熱水比地下冷水的氯離子偏高,而δ(18O)則相反,古熱水中的δ(18O)很低。所以,氯離子和δ(18O)的含量變化是各個熱儲層熱水和冷水混合的標志。圖8顯示了各個含水層δ(18O)與CI離子的關系。(1)所有地下熱水均為混合水,混合水的基本成分由第四紀上部淺層冷水、第四紀下部深層冷水(更新統(tǒng)冷水)和(凈)熱水組成。元古界、太古界和第三系含水層出露的熱水井泉樣點更接近凈熱水。(2)地下熱水的點群分布在一條直線上,所以,凈熱水可視為單股熱水。多股冷水參與了混合。這與圖3、圖4、圖6的結論一致。(3)熱水混合線和冷水混合線相交,交點靠近深層冷水一側,說明冷水的組成以深層冷水為主。熱水和冷水的混合不是發(fā)生在地殼的淺部,而是地殼深部。(4)各個含水層水樣的Cl-和δ(18O)并不存在負相關關系,提示所混合的冷水亦為古水,與凈熱水形成時代相差不大。4研究區(qū)地的地下水資源量(1)研究區(qū)各含水層之間存在水力聯(lián)系,其中第三系熱水與地表水及其他含水層之間聯(lián)系廣泛,是研究區(qū)重要的集水通道和熱儲層。(2)盆地邊緣斷裂是溝通各個含水層之間水力聯(lián)系的主要通道。含水層之間的連通程度取決與活動性斷層