湯山地?zé)崴a(bǔ)給及受軌道交通工程的影響

徐成華，于丹丹

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊，江蘇 南京 210041；2. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

湯山溫泉位于古都南京東郊，日出水量5 000 t，常年水溫35～65℃，含30多種礦物質(zhì)和微量元素，是世界四大溫泉之一，位居中國溫泉療養(yǎng)區(qū)之首。湯山溫泉有1 500多年的歷史，于2012年被世界溫泉及氣候養(yǎng)生聯(lián)合會授予“世界著名溫泉小鎮(zhèn)”稱號，并確定為“世界溫泉論壇”永久會址。隨著城市交通的高速發(fā)展，南京、句容之間的城際軌道交通工程將通過湯山溫泉地區(qū)，由于軌道交通建設(shè)將改變湯山地區(qū)地下水原有的補(bǔ)給、徑流與排泄方式，湯山鎮(zhèn)修建城際軌道與相關(guān)的建設(shè)工程是否會干擾或破壞湯山溫泉引起了政府與相關(guān)部門的高度重視。

關(guān)于溫泉地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄關(guān)系存在兩種不同的認(rèn)識：傳統(tǒng)的區(qū)域水文循環(huán)的觀點認(rèn)為，湯山溫泉的地下水補(bǔ)給來自于本流域周邊山區(qū)的降水，降水通過裂隙與破碎帶入滲到寒武系與奧陶系的碳酸鹽巖地層中被巖層加熱，地下水的循環(huán)深度為2.9 km[1-2]；另一種觀點認(rèn)為，地下水存在深循環(huán)形式，在新生代火山巖噴發(fā)地區(qū)地下水存在跨流域的補(bǔ)給、徑流與排泄方式[3]，如巴丹吉林沙漠的湖水接受青藏高原北緣祁連山冰川融雪的滲漏補(bǔ)給[4]，經(jīng)水量平衡與同位素分析確定，長白山天池水及聚龍泉等溫泉水來自于4 000 km以外的羌塘盆地的滲漏補(bǔ)給[5]。深循環(huán)地下水中偏硅酸濃度較高，Sr同位素比值(87Sr/86Sr)偏低，氘氧同位素與水化學(xué)指標(biāo)都與當(dāng)?shù)亟邓嬖诿黠@差異[6]。

新近紀(jì)期間，江蘇、安徽一帶的加山-六合火山群曾發(fā)生了兩期火山噴發(fā)，玄武巖的噴發(fā)范圍包括南京方山等地區(qū)[7]，湯山也位于火山活動的范圍內(nèi)，屬于新生代火山玄武巖地下水的控制范疇。為了確認(rèn)湯山溫泉的補(bǔ)給、徑流與排泄方式，對湯山地?zé)崴c冷水中的18O、87Sr/86Sr及主要化學(xué)成分進(jìn)行分析，同時分析河水與庫水的18O及水化學(xué)指標(biāo)，以期通過排他性的證據(jù)確認(rèn)溫泉水的補(bǔ)給、徑流與排泄方式，并從同位素與地球化學(xué)角度分析軌道交通工程對溫泉的影響。

1 地?zé)崴a(bǔ)給來源分析

1.1 18O分析

圖1 取樣點基本情況

湯山地區(qū)共布置59個取樣點，獲取地表水、地下冷水和地?zé)崴畼悠?6件。地表水主要采自湯泉水庫和湯水河，地?zé)崴勺詿崴_采井，地下冷水主要采自湯山周邊的民用淺井，將區(qū)內(nèi)常溫地下水統(tǒng)稱為地下冷水，取樣點基本情況見圖1，水化學(xué)及同位素監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 湯山地區(qū)不同水體水化學(xué)及同位素監(jiān)測結(jié)果

續(xù)表1

利用全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(global network for isotopes in precipitation,GNIP)南京觀測站(高程26 m)的月降水同位素數(shù)據(jù)，得出研究區(qū)降水δ18O加權(quán)平均值為-8.4‰。對比表1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，地表水與地下冷水δ18O均值分別為-4.81‰和-6.35‰，比大氣降水偏正，表明受到蒸發(fā)作用的影響；地?zé)崴?8O值較為貧化，變化范圍為-7.48‰～-8.56‰，均值-8.21‰，比地表水、地下冷水偏負(fù)3.59‰、2.05‰，表明地?zé)崴皇莵碜援?dāng)?shù)亟邓莵碜愿叱梯^高、δ18O值更負(fù)的外源水補(bǔ)給，并且與淺部地下冷水、地表水水力聯(lián)系微弱。若地?zé)崴畞碜援?dāng)?shù)亟邓a(bǔ)給并由地下冷水轉(zhuǎn)化而來，則地?zé)崴摩?8O值不可能低于-6.35‰，因為水巖相互作用的結(jié)果將使地下水中的18O更加富集，海相碳酸鹽巖是在海水條件下形成的，其中18O遠(yuǎn)比地下水富集[8]。

1.2 87Sr/86Sr分析

由于Sr同位素不會發(fā)生分餾，而主要是受到Sr來源的控制[9]，水中的87Sr/86Sr可以用來判定地下水是否來自于當(dāng)?shù)亟邓霛B。大氣降水中的87Sr/86Sr值接近海水(0.709 073)，降水入滲巖層后，巖石中的Sr溶入水中，由于風(fēng)化殼中87Sr可以來自于87Ru的衰變，沉積層的年代越久，衰變產(chǎn)生的87Sr濃度越高，所以地下水中87Sr 的濃度逐漸增高[10]。24個采樣點地下水87Sr/86Sr值與井深關(guān)系見圖2，87Sr/86Sr值隨深度的增加而降低，淺部地下冷水87Sr/86Sr值分布較廣，變化范圍0.709 514～0.713 183，均值0.7 113 025；深部熱水87Sr/86Sr值分布集中，變化范圍0.709 136～0.709 210，均值0.709 176，較淺部冷水值低。巖溶熱水在上升過程中難免會與淺層冷水發(fā)生混合，已有研究表明熱水與冷水混合比例為27%～63%[2]，說明純熱水的87Sr/86Sr值更低。根據(jù)Sr同位素不分餾的特征，推斷低87Sr/86Sr值的熱水不可能來自高87Sr/86Sr 值的冷水，而來源于具有低87Sr/86Sr值特征的外源水。引起湯山地?zé)崴?7Sr/86Sr值降低有兩種可能：①混入了其他來源低87Sr/86Sr 值水，如地幔巖漿水(0.705 786)；②入滲降水經(jīng)過了低87Sr值巖層。地幔水的氘氧同位素偏離到全球雨水線的右邊，與大氣降水存在明顯差異，第一種可能性被排除。新近紀(jì)期間，江蘇、安徽一帶曾發(fā)生兩期玄武巖噴發(fā)，湯山位于火山活動的范圍內(nèi)，屬于新生代火山玄武巖地下水的控制范疇，地下水在流經(jīng)玄武巖過程中發(fā)生水巖反應(yīng)，87Sr/86Sr值呈現(xiàn)為低值，表明地?zé)崴哂猩钛h(huán)地下水特征。

圖2 地下水87Sr/86Sr與井深關(guān)系

1.3 水化學(xué)分析

圖3為地表水、地下冷水與地?zé)崴甈iper三線圖。由圖3可見，地?zé)崴畼狱c分布集中，陰離子以SO4為主，陽離子以Ca為主，礦化度為730～1 780 mg/L，水化學(xué)類型主要為SO4-Ca型，其中R04號樣品可能受到冷水混合，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Ca型。地下冷水與地表水樣點分散，并且與地?zé)崴植紖^(qū)域不同，地下冷水礦化度較低，為193～819 mg/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca/HCO3·SO4-Ca型為主，少數(shù)樣品為HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca·Na型或 HCO3·Cl-Ca·Na型；地表水礦化度最低，為291～352 mg/L，水化學(xué)類型以HCO3-Ca/ SO4·HCO3-Ca型為主。表明地?zé)崴c淺層冷水和地表水水力聯(lián)系微弱，二者并未補(bǔ)給到熱水中，否則三者樣點應(yīng)呈發(fā)散狀落在相同區(qū)域。由地?zé)崴⒌叵吕渌c地表水的Na標(biāo)準(zhǔn)圖(圖4)可以看出，熱水分布在右上方碳酸鹽巖區(qū)，表明地?zé)崴械牡?7Sr/86Sr值主要來自于碳酸鹽。

圖3 地表水、地下冷水與地?zé)崴甈iper三線圖(單位：%)

圖4 地?zé)崴⒌叵吕渌c地表水Na標(biāo)準(zhǔn)圖

2 地?zé)崴畞碓捶治?/h2>

傳統(tǒng)的區(qū)域水文地質(zhì)循環(huán)理論認(rèn)為，區(qū)域內(nèi)的地下水都是接受當(dāng)?shù)亟邓娜霛B補(bǔ)給：大氣降水由湯山中部裸露的寒武系、奧陶系碳酸鹽巖構(gòu)造裂隙發(fā)育區(qū)入滲，沿匯水、導(dǎo)水的主干斷裂下滲到2.5～2.9 km深度獲取熱量，并與深部圍巖實現(xiàn)化學(xué)平衡，形成SO4-Ca型熱水，在湯山兩端斷裂處交匯，運移至淺部。而本次對湯山及周邊不同水體的同位素及水化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，地?zé)崴笑?8O比淺層冷水和地表水貧化，排除了熱水來自當(dāng)?shù)亟邓霛B的可能。由于Sr同位素不發(fā)生分餾，地下水中的Sr主要來自于碳酸鹽巖。如果熱水是經(jīng)過碳酸鹽巖層被加熱的，則CaCO3中δ18O與地下水中δ16O將發(fā)生同位素分餾，氧同位素應(yīng)逐漸富集。但實際上，熱水中的氧同位素并未富集，表明熱水并非被碳酸鹽巖層加熱。

南京市江寧區(qū)屬寧蕪火山構(gòu)造洼地的一部分，廣泛分布新生代玄武巖，而湯山正位于此處。新生代玄武巖中的熔巖隧道、孔洞與孔隙發(fā)育，90%以上的孔洞、孔隙與微孔隙是相互連通的[10-11]，形成了遠(yuǎn)距離、深循環(huán)輸水通道。地?zé)崴械腟i濃度較高，具有新生代玄武巖地下水特征[12]，表明熱水可能經(jīng)過了孔洞玄武巖，并在此過程中被加熱。地?zé)崴畯男鋷r孔洞中涌出后進(jìn)入到了碳酸鹽地層，由于玄武巖與碳酸鹽都具有低87Sr/86Sr值的特征，所以湯山地?zé)崴尸F(xiàn)低87Sr/86Sr值。而玄武巖礦物中的氧極難與水中的氧交換，因此熱水中的氧同位素仍然保持貧化的特征。地?zé)崴?jīng)遠(yuǎn)距離深循環(huán)后在湯山兩端沿碳酸鹽巖脆性斷裂破碎帶上涌，形成與淺部冷水水化學(xué)特征存在明顯差異并具可開發(fā)利用價值的地?zé)豳Y源，所以湯山溫泉區(qū)僅為地?zé)崴呐判箙^(qū)，其補(bǔ)徑排示意圖見圖5。

圖5 湯山地?zé)崴a(bǔ)徑排示意圖

3 軌道交通工程對溫泉的影響分析

寧句線城際軌道交通工程起于南京地鐵2號線馬群站，經(jīng)麒麟、湯山至句容，線路全長32.46 km，繞湯山山體北部及東部沿X426設(shè)站3座，由西向東分別為侯家塘、湯泉西路、湯山鎮(zhèn)站。除湯山西部古泉村內(nèi)侯家塘站采用地上高架敷設(shè)方式外，其余兩站均為地下二層島式站(圖6)。

圖6 寧句線湯山段線路走向及地?zé)豳Y源分區(qū)注：A、B區(qū)為巖溶熱水區(qū)；C區(qū)為巖溶冷水區(qū)；D區(qū)為地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)。

湯泉西路站、湯山鎮(zhèn)站基坑開挖設(shè)計深度16～18 m，隧道占位高度6 m左右，考慮站點及隧道間坡度一般不大于0.5%，則寧句線湯山段軌道交通工程埋深應(yīng)不超過30 m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，工程沿線埋深40 m內(nèi)，上部第四系厚度5.8～12 m，下部為志留系高家邊組(S1g)、白堊系浦口組(K2p)砂頁(泥)巖。工程區(qū)涉及的地下水類型主要為碎屑巖類裂隙水，賦存于志留系高家邊組(S1g)和白堊系浦口組(K2p)微裂隙弱含水巖組中，水分運移緩慢，單井涌水量10～50 m3/d；淺層松散巖類孔隙水，賦存于第四系亞黏土夾礫石中，厚度小于10 m，透水性差，單井涌水量一般3～10 m3/d，水位埋深0.5～3.0 m。湯山山體由奧陶系(O)—寒武系中上統(tǒng)(∈2—3)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖組成，裂隙及溶洞發(fā)育，中部塊段巖溶裂隙水水溫18～25℃，東西兩端為熱水溫泉區(qū)，水溫35～65℃，單井涌水量達(dá)1 500 m3/d。

湯山地區(qū)地?zé)豳Y源沒有規(guī)則的地?zé)醿樱瑹崴鎯υ跍贤ㄉ畈繜嵩吹暮湎怠W陶系碳酸鹽巖導(dǎo)水破碎帶中。寧句線城際軌道交通位于湯山范圍內(nèi)，隧道和站點埋深不超過30 m，主要處在第四系松散層、志留系高家邊組和白堊系上統(tǒng)砂頁(泥)巖內(nèi)，可判斷無論施工期還是運營期，地鐵穿越地?zé)釁^(qū)對寒武系、奧陶系碳酸鹽巖裂隙熱儲層不構(gòu)成破壞。

前文分析確定，地?zé)崴莵碜钥鐓^(qū)域的外源水補(bǔ)給，與當(dāng)?shù)亟邓⒌乇硭蜏\層冷水無關(guān)。地?zé)崴畞碓催h(yuǎn)，循環(huán)深度大，湯山地?zé)釁^(qū)只是地?zé)崴呐判箙^(qū)。軌道交通工程空間占位低，處于志留系、白堊系砂頁(泥)巖地層內(nèi)，各地?zé)峋∷紊喜烤捎盟喙叹顾涫┕ず瓦\營對地?zé)崴难a(bǔ)給、徑流不存在直接影響。

4 結(jié) 論

a. 地?zé)崴⒌叵吕渌偷乇硭?8O、87Sr/86Sr及水化學(xué)特征分析表明，湯山地?zé)崴c淺部冷水、地表水聯(lián)系微弱，并非接受當(dāng)?shù)亟邓a(bǔ)給，而是來自具有同位素貧化特征的外源水，經(jīng)新生代火山玄武巖深循環(huán)過程中加熱，并在湯山兩端沿斷裂構(gòu)造向地表排泄，成為溫泉群。

b. 寧句線軌道交通工程埋深淺、占位低，其施工和運營對地?zé)崴馁x存、補(bǔ)給及徑流條件沒有直接影響。

致謝： 本文在寫作過程中得到了河海大學(xué)陳建生教授的悉心指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝！

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