太原城市地质特点和未来研究方向分析

李 淼，刘汉斌，田忠斌

（1.山西省煤炭地质148勘查院，山西太原 030053；2.山西省煤炭地质局，山西太原 030006；3.山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中 030600）

0 引言

城市地质条件是城市规划建设的基础，城市地质调查与研究是城市运行管理的重要一环，也是城市生态文明建设的一项重要工作。太原地处山西省中部汾渭地堑系太原-晋中盆地北部，是山西省经济政治文化中心，全省经济发展的排头兵与火车头。理清太原城市地质特点，对于推进山西新型城镇化建设和全省转型综改，具有重要的现实意义和战略意义。太原城市地质的研究始于20世纪90年代（张铁林，1992），近年来不少学者也进行了研究（王银梅，2000；蒋方媛等，2009；李淼，2014：刘瑾等，2015；曹金亮等，2010），但主要从地质环境和地质灾害、地下水单一的角度进行分析。现代城市地质（何中发，2010）主张从整个城市总体发展的角度对城市进行基础地质、水文地质、工程地质、环境地质等方面进行综合研究，为城市的可持续发展做战略服务。太原东、西、北三面环山，中、南部为汾河河谷平原，地势北高南低，汾河自北向南贯穿全境，市境总面积6988 km2，市区总面积1460 km2，包含6个城区，中心城区总面积400 km2。本文在总结前人研究的基础上，从现代城市地质研究的角度出发，分析了太原六城区城市地质特点和未来研究方向。

1 地质资源

（1）地下水资源

作为一个缺水型城市，太原主要依靠引黄工程和城市地下水源地的抽采来满足城市居民的生产生活用水。太原目前的城市大型水源地主要有兰村水源地、枣沟水源地、三给水源地，西张水源地4处，另外还有6处小型水源地。兰村水源地地处汾河峡谷出口，属于太原西山岩溶水系统，主要开采奥陶系马家沟组岩溶裂隙水和上覆的汾河河床松散岩类孔隙水，目前进行控制性抽采，抽采量20万m3/d（董祥，2015）。兰村水源地水质为重碳酸钙镁型水，矿化度0.3 ～0.4 g/L，总硬度234 mg/L，水温14℃，水质符合居民生活饮用水标准。枣沟水源地位于太原东山，属于山西岩溶大泉—娘子关泉域的太原东山岩溶泉区，主要抽采奥陶系中统灰岩裂隙溶洞水和寒武系岩溶裂隙水，为低钠高锶优质矿泉水。目前抽采量为10.68 m3/d。三给水源地为太原东山—西山岩溶水系统的连接通道，含水岩性为奥陶系灰岩，富水性受岩性、构造控制，补给区单井涌水量一般小于500 m3/d。西张水源地位于太原市万柏林区，是太原的城市备用水源，主要含水层为上更新统马兰组松散层孔隙水，含水层埋深50～120 m，可开采量为3712万m3/a。目前四大水源地均已超采，其他小型水源地如西山煤电水源地、小店水源地、晋源区水源地也因为过量抽采产生地面沉降等环境地质问题。

（2）地热资源和浅层地温能

地热能是近年来非常热门的一种绿色、可循环资源，在城市取暖、旅游疗养方面发展迅速。我国对地热的大规模利用和勘查开始于20世纪70年代，并在西藏羊八井建成地热电站。近年来，天津、北京、内蒙等地利用地热供暖发展迅速。太原市城区位于我国汾渭地堑地热带，地热能蕴藏在太原断陷盆地内，太原地热异常区东西以边山断裂为界，以北以三给地垒为界。地热储层为二叠系、三叠系砂岩层和第三系砂岩及奥陶系灰岩。根据储层特征和地温场分布，分为8处地热田，分别为太原城区凹陷地热田、西铭断阶地热田、城东断阶地热田、亲贤地垒地热田、边山断裂地热田、黄陵断阶地热田、晋源凹陷地热田和清交凹陷地热田（图1）。太原地热井水井口水温一般介于31℃～58℃，属于地温地热资源（张海永，2016）。截至2015年，太原市六城区共有37眼热水井，年采储量为730万t，可利用热能折合标准煤4.07万t，在太原市的能源结构中仅占0.19%。

图1 太原市地热田分布图Fig.1 Taiyuan geothermal field distribution map

浅层地温能资源是指蕴藏在地表以下200 m范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。数据显示，太原市城区浅层地温能可利用总量冬季可供暖面积为7405万m2，夏季可制冷面积为14030万m2，可利用资源折合标准煤350.2万t。2015年，太原市六城区浅层地温能资源供暖与制冷面积 100.244万m2，可利用浅层地温能资源折合标准煤3.62万t。未来，根据全国地热能开发利用“十三五”规划，预计到2020年，山西浅层地热能供暖面积将达到1000万m2，水热型地热能供暖面积5700万m2，开发重点主要集中在太原南城区。

（3）地质遗迹

太原西山月门沟煤系地层为华北石炭二叠含煤地层的标准剖面，也是岩石地层单位太原组的命名地，晋源区晋祠—天龙山—龙山一带是太原组底部晋祠砂岩的命名地。东山大窑头村是煤系地层太原组中东大窑灰岩的命名地。太原东山孟家井瓷窑是历史上著名的北方窑都。汾河上兰村峡谷地层是北方奥陶系马家沟组的典型剖面。西山边山过渡带是新生代黄土地层的典型剖面。

（4）天然建材

太原市天然建材主要有石灰石、石膏、河卵石、建筑用砂、黏土等。石灰岩、石膏与建筑用黏土主要分布于东西山边山地带寒武—奥陶系灰岩出露区。灰岩储量大，覆盖层薄，易于开采，是主要是建材资源。河卵石及建筑用砂主要分布于汾河及其支流，如杨兴河、柏板河河床和河漫滩等地。建筑用砂岩主要分布于西山西铭、化客头等地石盒子组出露区。

2 土地和土壤质量

（1）土地质量

土地是城市发展的基石，土壤是城市生态环境的重要组成部分，是与人类关系密切的环境介质，也是人类赖以生存的自然资源。太原六城区土地中重金属元素均高于山西省背景值，镉的含量超过国家一级标准，铅、镉平均值均为全省土壤背景值的约2～4倍（王慧峰，2016）。工业排污、交通污染及污水灌概是铅含量异常高值的主要结果。总体来说，迎泽区与晋源区大部分土地质量状况良好，满足一级土地标准。其余4个区土壤质量均为二级土地标准。北部受重工业影响，土地质量相对较差，东南部受燃煤和交通运输影响，土壤污染状况相对严重，土地质量相对较差。

（2）污灌区土地

太原污灌区污灌历史较长，面积较大，是我国污灌区的典型代表。太原的污灌区主要集中在北部的尖草坪区、南部的小店区和西南部的晋源区。调查发现（栗献锋，2012），太原市污灌区土壤重金属含量均未超过土壤环境质量标准（BG15618-1995），但显著高于太原市土壤背景值。土壤中汞和镉的含量在造成土壤污染的同时，也具有一定的生态危害性。污水灌溉是土壤汞、镉污染的主要原因。

（3）垃圾场

城市垃圾是典型的城市病之一。随着城市人口的不断扩大，太原的城市垃圾也日益增多。目前太原拥有两座生活垃圾填埋场和一座生活垃圾发电厂，处理能力127万t/a（李莉，2011；王必英，2014）。垃圾填埋需要做好填埋场地防渗和渗漏液的处理以及填埋气体的净化和再利用。焚烧法主要做好烟气排放净化和对渗出液的处理。

（4）地下水污染

太原是我国重要的能源化工基地，市内有众多冶金、化工、煤炭、电力以及机械制造等高耗能高污染企业。长期的工业污水矿渣的排放和堆放，造成了严重的地下水污染。调查发现（蒋方媛等，2009），市区200m以浅的孔隙水的TDS、总硬度、SO42-，Cl-、NO3-近年来呈现上升趋势。市区南部由于人口工农业密集，排污量较大，地下水污染较市区北部严重。

3 地质灾害

（1）崩塌滑坡泥石流

作为一个资源型城市和北方的重工业城市，长期的采矿活动和人类活动导致了众多地质灾害。太原主要地质灾害（隐患）类型有崩塌、滑坡、地裂缝、地面塌陷、地面沉降、泥石流等。据2015年地质灾害核查结果，太原市共发现地质灾害隐患点654处，城区地质灾害总计226处，其中晋源区50处，万柏林区70处，迎泽区12处，小店区12处，杏花岭区42处，尖草坪区40处。太原城区地质灾害主要分布在边山一带采矿建筑活动强烈破坏区，如采矿引发的地面塌陷、滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害主要分布于矿山较集中的万柏林区西部、晋源区西部等地区，迎泽区东部和小店区东北部（图2）。建筑、交通等工程活动引发的地质灾害主要发育于尖草坪区、杏花岭区及小店区、迎泽区的部分地区。引起地质灾害的主要原因是长期的采煤、采矿活动、建筑活动、过量抽取地下水。发生于1996年8月4日，造成36人死亡的太原西山虎峪沟特大型泥石流灾害，即由采煤活动叠加强降雨引发（秦瑞萍等，2000）。截至2015年，太原市六城区有16座煤矿，矿区面积达338.93 km2，占太原六城区国土面积的23.89%。矿产开发在太原市六城区形成的地下采矿扰动影响区面积达到 463.454 km2，由人类活动引发的地质灾害占太原全部地质灾害的66%（曹金亮等，2010）。

（2）地面沉降

地面沉降是太原平原地区的主要地质灾害，全市地面沉降面积600km2（曹金亮，2010），目前已经形成西张、下元、吴家堡等沉降中心（图2）。全市最大沉降中心位于吴家堡—大马村一带，累计沉降314.8 cm，年沉降速率6.17cm/a。2009—2014年的监测结果显示，太原市南城区地面沉降严重，高新区4年累计沉降量达115.2mm（李军，2016）。地下水的过量开采是太原市地面沉降的主要原因。

（3）区域断层与活动断裂

太原城区南北向区域性断裂，主要有西边山断裂、东边山断裂以及中部的新城-汾河断裂纵贯太原城区全境，东西向区域性活动断裂主要为田庄断裂（图3）。近年来，随着城市扩张和轨道交通的发展，城市地下活动断裂逐渐成为城市地质研究的热点（张龙飞，2016）。太原市拟建的轨道交通2号线即横跨太原晋源区南部的田庄断裂。田庄断裂西起晋源区田村，经候家寨至田庄，全长35 km，NEE走向，倾向SE，为一晚更新世的高角度正断层。断裂带附近，小地震密集。监测显示，该断裂自1970年以来，共发生8次震群活动（曾金艳等，2016；李自红等，2018），地震活动强烈，影响显著。

图2 太原城区主要地质灾害图Fig.2 Geological hazard map of Taiyuan City

图3 太原城区主断裂分布图Fig.3 Taiyuan main fault distribution map

4 结论与建议

城市地质是未来地质工作的重要发展方向，理清城市地质条件是一个城市繁荣发展的基础和先决条件。太原作为山西省省会和山西转型综改示范区的主战场，太原城市地质的调查和研究是山西地质工作的重中之重。未来随着太原城市的进一步扩张和人口的不断增加，如何从人口-资源-环境的角度出发更好地为城市的绿色、健康、可持续发展布局将是太原城市地质研究的一项重要内容。

（1）城市地质应首先保障城市发展所需要的足够的地质空间。地下方面，随着太原“南移西进北拓”发展战略的实施和“双城多组团”的城市空间结构的形成以及城市轨道交通的开建，改造区、新建区、规划区的地质适宜性和地下空间的复杂程度研究将成为未来太原城市地质工作的第一要务。太原西山地区地质环境治理和生态修复是保障太原城市地质环境安全的重要一环。地上方面，随着太原重污染企业的搬迁，大批土地将成为居民生活和建筑用地，所以搬迁地土地质量评价、土地修复也必将成为太原城市地质的一项重要工作。

（2）城市地质应保证未来城市用水安全。随着人口的进一步增加，太原城市缺水问题将更加严峻。因此寻找更多城市备用水源地和保证现有水源地的水质安全，是太原城市地质的一项重要任务。

（3）城市地质应保证城市地质环境安全和生态安全。太原东山、西山、北山地区由于长期的采矿活动，地质环境问题十分突出，地质灾害频发，是导致太原地质灾害频发的主要因素，也是太原洪涝灾害的源头与太原粉尘污染的主要源头。因此如何保证太原三山地区的地质环境安全，修复矿山生态环境是太原城市地质研究的另一项重要内容。

（4）城市地热和浅层地温能开发利用以及地质遗迹开发利用，是太原城市地质未来发展的另一方向。太原地热田属于山西沉积盆地型地热资源，分布面积广，埋藏相对较浅，地热开发利用方兴未艾。如何利用地热进行城市供暖，将是未来太原地质研究的一个重要议题。太原东山—西山地区地质遗迹丰富典型，国内外知名，但目前地质公园建设仍然滞后，部分遗址破坏严重，未来如何充分发挥这些地质遗迹的宣传教育意义，更好地开发保护地质遗迹也将成为太原城市地质研究的重要课题。