山東省濟南市萊蕪區雪野湖地區地熱氡泉形成機理探析

白新飛，宋津宇，張軍，于超，楊時驕，李慶義，孫曉濤

(山東省第一地質礦產勘查院，山東省地質礦產勘查開發局富鐵礦找礦與資源評價重點實驗室，山東 濟南 250100)

0 引言

地熱氡泉水在治療許多慢性疾病過程中具有良好的醫療效果，具有調節心血管系統、神經系統、內分泌系統的功能，另外在治療牛皮癬、銀屑病等皮膚病也有獨特療效。目前國內著名氡泉主要有陜西臨潼華清池(1461Bq/L)、廣東從化溫泉(795.5Bq/L)、和安徽半湯溫泉(370～740Bq/L)等氡泉。

山東省第一地質礦產勘查院在雪野湖地區實施的DR1地熱勘查井，地熱流體中氡含量高達379.74～563.33Bq/L，屬于稀有地熱氡泉資源。本次研究在雪野湖地區開展相關工作，旨在查明地熱氡泉資源分布特征并探析其形成機理(1)山東省第一地質礦產勘查院，山東省濟南市萊蕪區雪野湖地區氡泉形成機理研究，2020年。山東省第一地質礦產勘查院，濟南雪野地區地熱資源潛力與氡泉成因機制研究報告，2021年。。

1 地質背景

1.1 地層

雪野湖地區西南部、西北部出露有寒武紀、奧陶紀地層，第四紀地層分布于水系兩側和溝谷內(圖1)。

1.2 巖漿巖

區內巖漿巖極發育，主要分布在泰安-大王莊斷裂以北，面積約占75%。新太古代傲徠山序列松山單元、邱子峪單元及蔣峪單元在雪野湖地區呈巖基狀產出，廣泛分布于雪野湖地區，傲徠山序列其他單元及其他序列侵入巖多呈巖株、巖脈狀產出(圖1)。

1.3 斷裂構造

1.3.1 銅冶店-孫祖斷裂

銅冶店-孫祖斷裂在基底構造的基礎上發展而來，切割了斷裂兩盤所有地層，其構造強烈活動與沂沭斷裂帶左行伸展活動有關[2]。該斷裂經歷至少兩期繼承性構造活動，先張后壓扭，強烈活動期為中生代，新生代后亦有活動[3]。該斷裂從雪野水庫西南穿過，區內長度約30km，總體走向310°，西北部產狀近直立，東南部傾向SW，傾角70°～80°，寬約100～200m。

1.3.2 文祖斷裂

文祖斷裂南端位于萊蕪區上游鎮古老變質巖中，向北經文祖鎮于山前隱伏于松散層之下，北至德州市樂陵西。斷裂總體走向330°～350°,傾向SW，傾角50°～80°，斷裂帶西盤下降、東盤上升[4]。斷裂經歷過至少兩次性質不同的活動,以張扭性為主[5]。根據斷層破碎帶膠結程度、風化特點、上覆沖洪積地層形成時代、地層發育特征及地貌表現，分析認為文祖斷裂在中更新世早、中期以來沒有活動[6]。

1.3.3 明水斷裂

明水斷裂，北起明水，南至苗山，呈NW—NNW向展布，傾向SW，傾角70°～85°，帶寬一般20～30m，最寬處可達200m。斷裂具多期次活動的特點，早期為張性，晚期為壓性，顯示以壓性為主兼左行扭動的特點。斷裂總體表現為西盤下降，東盤上升的正斷層。

1.3.4 泰安-大王莊斷裂

該斷裂西起泰安市西大河水庫附近，往東經劉家莊、大王莊、口鎮等地，東端與銅冶店-孫祖斷裂交會，為正斷層，走向近NEE，傾向N，傾角50°～80°，寬度10～100m，是泰萊斷陷盆地的北緣斷裂，亦是魯西弧形斷裂構造體系中規模較大的張扭性控熱斷裂。該斷裂至少經歷過四期構造活動，第一期為右行壓扭，第二期為右行張扭，第三期為強烈擠壓，第四期為張性。該斷裂屬于第四紀活動斷裂，晚更新世斷層活動段發育于陳家莊東城一帶，之間的最短距離為4km，斷層的垂直位移為2.8m[7]。

1.4 區域地震

研究區處于郯城-渤海和聊城-蘭考兩個強震帶之間，公元前70—1983年間，發生了Ms≥5級地震有31次，Ms≥4.6級地震計42次，與晚近期斷裂帶活動性關系甚為密切。研究區及附近地區2010年至今發生地震30余次，震級0.1級～2.3級，多分布于銅冶店-孫祖斷裂帶、明水斷裂及泰安-大王莊斷裂南部(圖2)。

1—研究區范圍；2—斷裂；3—遙感解譯斷裂；4—地震位置及震級圖2 雪野湖地區及周邊地震分布圖

2 土壤氡氣異常分析

本次研究采取電阻率聯合剖面法、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)、土壤氡氣測量三種物化探方法分析土壤氡氣異常與斷裂構造之間的關系，針對區內主要斷裂布置6條測量剖面線(圖1)。

2.1 土壤氡氣背景值及閾值

每條測線的第四系松散巖類及花崗巖類風化帶分布差異較大，本次研究將每條測線數據分別處理。參考《山東省土壤地球化學背景值研究技術要求》，利用SPSS軟件分別對每條測線測量數據進行數理統計，分析計算其背景值與閾值，具體方法如下：

表1 土壤氡測量剖面線數據處理結果

2.2 物探解譯

本文以PM01、PM04線為例進行綜合解譯推斷。

2.2.1 PM01土壤氡異常分析

PM01線土壤氡測量超出閾值的異常帶共3處(圖3)：

(1)1-12點極值為43464.5Bq/m3，視電阻率聯合剖面在該點附近(AB/2=70m、90m)呈現ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在淺部呈現“V”型異常，綜合推測該處為小型斷裂構造。

(2)1-21～1-26點形成高-低-高的雙峰形態，1-21點極值為42849.4Bq/m3，視電阻率聯合剖面在該點附近AB/2=70m、90m均呈現ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面呈現垂直扭曲，綜合推測該處為小型斷裂構造。

(3)1-38～1-43點形成依次遞減的多峰谷形態，1-38點極值為67475.1Bq/m3，視電阻率聯合剖面在該點附近(AB/2=70m、90m)均呈現ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在淺部呈現電阻率錯斷、深部呈現明顯連續低阻異常帶，推測為文祖斷裂，與區域地質資料基本吻合。

1—Rn濃度測量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—ρsA；5—ρsB；6—推測斷裂；7—DR1地熱井圖3 PM01物探解譯對比圖

2.2.2 PM04土壤氡異常分析

PM04線土壤氡測量超出閾值的異常帶6處(圖4)：

(1)4-43點極值為29656.3Bq/m3，與4-39、4-46點形成多峰形態，視電阻率聯合剖面在該點附近(AB/2=70m、90m)呈現ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在附近出現高低阻接觸、電阻率等值線垂直扭曲，推測為泰安-大王莊斷裂。該區域第四系厚度較大，土壤氡異常帶范圍沿斷裂傾角存在一定距離遷移偏差。

(2)4-53點極值為30784.9Bq/m3，與4-51點形成雙峰形態，視電阻率聯合剖面在該點附近2處(AB/2=70m、90m)呈現ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面在附近電阻率等值線垂直扭曲，推測為銅冶店-孫祖斷裂次級斷裂。

(3)4-63～4-76點形成鋸齒狀形態，4-69點極值為35756.3Bq/m3，視電阻率聯合剖面在該范圍內2處出現(AB/2=70m、90m)呈現ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面呈現電阻率等值線錯斷、垂直突變，推測為銅冶店-孫祖斷裂次級斷裂。

(4)4-84～4-87點形成單峰形態，4-87點極值為138405.1Bq/m3，視電阻率聯合剖面在該點附近(AB/2=70m、90m)呈現ρsA與ρsB正交，CSAMT視電阻率斷面呈現視電阻率錯斷、垂直扭曲，推測為銅冶店-孫祖斷裂主斷裂，與區域地質資料基本吻合。

(5)4-93點極值為31586.2Bq/m3，與4-91、4-96點形成多峰谷形態，視電阻率聯合剖面無反應，視電阻率斷面圖邊緣，視電阻率異常不明顯，暫不推測為斷裂。

2.3 土壤氡氣異常與斷裂關系

由物探解譯結果可知，土壤氡氣測量異常帶與斷裂構造密切相關：

(1)土壤氡氣異常帶均位于斷裂帶處，說明斷裂構造裂隙帶是深部巖體釋放出來的氡匯集與遷移通道。

(2)土壤氡氣異常程度與斷裂發育規模呈正相關性，各測線的土壤氡氣極大值及異常范圍均位于各測線的主斷裂處。

(3)土壤氡氣異常還與斷裂的活動性呈正相關性。銅冶店-孫祖斷裂為研究區內的活動斷裂，其對應的土壤氡氣測量值明顯高于文祖斷裂；銅冶店孫祖斷裂在研究區內形成一系列次級斷裂，次級斷裂隨著距離主斷裂越遠活動強度逐漸減弱[3]，土壤氡氣測量異常帶也亦呈現相同規律[8]。

1—Rn濃度測量曲線；2—Rn背景值；3—Rn閾值；4—ρsA；5—ρsB；6—推測斷裂圖4 PM04物探解譯對比圖

3 水氡異常分析

3.1 水氡異常界定值

許家昂等為摸清山東省礦泉水中222Rn濃度水平及變化規律，檢測送檢礦泉水樣品192個。檢測統計結果表明：山東省礦泉水中222Rn濃度呈偏態分布，變化范圍為0.51～807.20Bq/L,中位數為19.05Bq/L,幾何均值為22.09Bq/L,幾何標準差為4.46Bq/L。其中濟南地區礦泉水中222Rn濃度，變化范圍為0.52～435.00Bq/L,中位數為21.80Bq/L,幾何均值為25.00Bq/L,幾何標準差為5.71Bq/L[9]。

依據《數據的統計處理和解釋正態性檢驗》(GB/T 4882--2001)，呈偏態分布取平均值代表背景值，取背景值±3倍標準差作為閾值：山東省背景值為22.09Bq/L，閾值為35.47Bq/L；濟南市背景值為25.00Bq/L,閾值為42.13Bq/L。結合《地熱資源地質勘查規范》(GB/T 11615--2010)將礦水濃度值47.14Bq/L作為山東省地下水222Rn含量異常界定值。

3.2 研究區水氡異常分析

本次研究采取地下水樣品37件，水氡含量測試結果及取樣位置見表2、圖5，其中有24件地下水樣品水氡含量超過異常界定值：14件樣品氡含量超過礦水命名濃度下限，10件樣品達到礦水濃度[10]。

表2 地下水樣品氡測量結果

1—第四系；2—寒武-奧陶系；3—中生代濟南序列；4—新太古代傲徠山序列；5—實測斷裂；6—推測斷裂；7—地質界線；8—地熱氡泉井；9—水氡正常點及編號；10—氡含量有醫療價值點及編號；11—氡含量達到礦水濃度點及編號；12—氡含量達到命名礦水濃度點及編號圖5 地下水取樣及水氡測試成果圖

通過對水樣測試結果、地質條件、物探解譯資料分析，研究區地下水中氡含量存在以下規律：

(1)地下水氡異常主要分布在侵入巖分布區的基巖裂隙水，第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水無氡異常。

(2)地下水氡異常分布主要沿銅冶店-孫祖斷裂、文祖斷裂、明水斷裂、泰安-大王莊斷裂及次級斷裂呈帶狀分布，總體呈現越靠近斷裂異常越明顯。

(3)不同時期、不同單元侵入巖與圍巖接觸帶附近地下水氡含量亦呈現不同程度異常。

(4)地下水中氡含量與地下水埋深存在一定關系，呈正相關性。

4 地熱氡泉形成機理分析

4.1 氡源

地下水中氡含量與地殼巖土體中鈾的含量呈正相關性，自然界中花崗巖類巖漿巖、花崗巖類變質巖鈾含量顯著高于沉積巖類[11]，且巖漿巖酸性越強氡含量越高[12]，因此地熱氡泉多分布于酸性花崗巖或花崗變質巖類地區。

雪野湖地區巖漿巖極其發育，面積約占75%，以新太古代傲徠山序列為主，巖性為酸性二長花崗巖系列，該階段構造巖漿活動是新太古代規模最大的一次酸性巖漿侵入事件[13]；24件水氡測試結果異常點及DR1地熱氡泉井均位于巖漿巖分布區；六條土壤氡氣測量剖面均位于巖漿巖分布區，其土壤氡含量背景值(表2)均遠高于全國土壤氡濃度的平均值為7300Bq/m3[13]。

綜上所述，研究區內廣泛分布的酸性花崗巖類巖漿巖為雪野湖地區氡泉形成提供了穩定、充足的物質來源。

4.2 空間條件

氡泉形成的空間條件即蓄水條件，研究區內分為斷裂構造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶兩種主要類型。

4.2.1 斷裂構造裂隙帶

研究區內銅冶店-孫祖斷裂、文祖斷裂、明水斷裂、泰安-大王莊斷裂均具有多期活動的特點，次級斷裂較發育，尤其是銅冶店-孫祖斷裂與泰安-大王莊斷裂均為四級構造單元邊界，屬于深大斷裂且為第四紀活動斷裂。在斷裂構造活動的作用下，沿斷裂構造帶及兩側影響帶內巖體較破碎，裂隙帶發育深度大、范圍寬、連通性好，構成良好的地下水運移通道和賦存空間，受斷裂構造控制呈帶狀分布。

SY01、SY03、SY16、SY26、SY29、SY33、SY35取樣點地下水賦存于此類型蓄水構造內，水氡濃度均達到命名礦水濃度。

4.2.2 侵入接觸裂隙帶

研究區巖漿巖多期侵入，在侵入巖與圍巖接觸帶一定范圍內巖體受成巖、擠壓、蝕變等作用下，往往沿形成一定規模的構造裂隙密集帶[14-15]，這類裂隙密集帶發育深度較大，連通性較好，是地下水匯集與儲存的良好空間，沿接觸帶呈帶狀或脈狀分布。

SY7、SY9、SY10取樣點地下水賦存于此類型蓄水構造內，水氡濃度均達到命名礦水濃度。

4.3 研究區地熱氡泉形成機理淺析

4.3.1 氡泉形成機理淺析

在地震應力和構造應力作用下，斷裂構造、侵入接觸帶兩側巖體地應力場發生改變，局部產生高應力區[16]，巖體在高應力作用下持續發生變形與破壞，產生很多密集的微裂隙，使巖體內裂隙和表面積增加，改變了巖體微結構，伴隨著巖石、礦物中的晶格錯動，并出現超聲振動使巖體中受束縛的氡(自由、吸附和部分封閉)釋放出來[17]。氡的釋放量與地震作用、構造復雜性、斷裂活動性、巖體破碎程度、裂隙連通性成正相關性。

氡具有顯著溶于水的特性，巖體中釋放出來的氡溶于賦存在裂隙帶內的地下水，在擴散對流、孔隙流體運移、應力應變、溫度壓力、接力傳遞、團簇效應等一系列復雜的作用下運移至斷裂構造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶等蓄水構造中并向上遷移[18-20]，造成地下水氡含量異常，當溶于地下水的氡含量富集到一定程度即形成氡泉。由于氡的半衰期只有3.825天，且其縱向遷移能力遠大于其橫向遷移能力，氡異常僅沿斷裂構造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶有限范圍內分布。

4.3.2 地熱氡泉形成分析

斷裂構造裂隙帶較侵入接觸裂隙帶發育深度大、范圍較廣、貫通性好，能更好的與深部熱源連通，具備更有利的成熱條件。在斷裂構造局部傳熱有利地段，氡泉經熱傳導加熱形成地熱氡泉，雪野DR1井即屬于受文祖斷裂控制形成的低溫地熱氡泉。研究區周邊已知地熱氡泉資料(表3)，形成地質背景與雪野DR1井類似，其氡源巖性為酸性花崗巖類或酸性花崗變質巖類，均受斷裂構造控制形成。

表3 研究區及周邊地熱氡泉井概況

綜上所述，研究區內廣泛分布的酸性花崗巖類提供了氡的物質來源，是地熱氡泉形成基礎條件；斷裂構造形成的斷裂破碎帶及裂隙帶提供了地下水與氡遷移與富集的空間條件，同時是與深部熱源溝通的通道，是地熱氡泉形成的必要條件。

5 結論

(1)根據土壤氡測量、地下水樣品氡測量結果，研究區土壤氡異常與水氡異常均沿斷裂構造、侵入接觸帶呈帶狀分布。

(2)研究區大面積發育的傲徠山序列侵入巖為氡泉形成提供了充足的物質來源；斷裂構造裂隙帶、侵入接觸裂隙帶提供了氡泉形成的空間條件。

(3)斷裂構造裂隙帶較侵入接觸裂隙帶溝通深部熱源更有利，地熱氡泉主要受斷裂構造控制形成。

(4)本次研究采取的工作方法與手段，為地質背景條件類似地區的地熱氡泉勘查提供借鑒意義。