楊培杰，趙　菲，王元波，白興港（.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東濟(jì)南 5004；.臨朐縣國土資源局，山東濰坊 6600）

?

臨朐山旺泉天然蘇打水形成機理簡析

楊培杰1，趙菲1，王元波1，白興港2
（1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東濟(jì)南 250014；2.臨朐縣國土資源局，山東濰坊 262600）

臨朐山旺泉蘇打水賦存于臨朐群牛山組蜂窩狀玄武巖中，水質(zhì)優(yōu)良，開發(fā)前景廣闊，該文利用高壓反應(yīng)釜模擬實際地層條件下水巖平衡反應(yīng)，同時輔以同位素分析，礦物X-射線衍射分析等手段，結(jié)合當(dāng)?shù)靥厥獾乃牡刭|(zhì)背景，系統(tǒng)性地闡明了蘇打水形成機理。

天然蘇打水；山旺泉；形成環(huán)境；水巖平衡；臨朐山旺

引文格式：楊培杰，趙菲，王元波，等.臨朐山旺泉天然蘇打水形成機理簡析［J］.山東國土資源，2016，32（5）：51-54. YANG Peijie，ZHAO Fei，WANG Yuanbo，etc.Primary Analysis on Forming Mechanism of Natural Soda Water in Shanwang Spring in Linqu County［J］.Shandong Land and Resources，2016，32（5）：51-54.

山旺泉天然蘇打水產(chǎn)地位于臨朐縣城東南4 km的甘石溝村北，處于沂沭斷裂帶西側(cè)沂山凸起內(nèi)的營子斷裂和七賢斷裂兩平行斷層相夾的地塹構(gòu)造內(nèi)，含水層為臨朐群中新世牛山組蜂窩狀玄武巖，水質(zhì)優(yōu)良，資源量動態(tài)穩(wěn)定，具有良好的開發(fā)利用前景。該文通過同位素分析、X射線衍射分析、水巖平衡實驗等手段，結(jié)合產(chǎn)地地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，綜合分析天然蘇打水形成機理。

圖1　山旺泉蘇打水產(chǎn)地地質(zhì)簡圖

1　區(qū)域地質(zhì)概況與水文地質(zhì)特征

蘇打水產(chǎn)地周邊沉積地層發(fā)育，出露地層包括寒武紀(jì)長清群、九龍群，中生代青山群八畝地組，新生代古近紀(jì)五圖群，新近紀(jì)臨朐群，第四紀(jì)山前組、沂河組［1］。產(chǎn)地范圍內(nèi)新近紀(jì)臨朐群覆蓋在古近紀(jì)五圖群之上，東部以斷層與泰山巖群太平頂組、寒武紀(jì)長清群、九龍群接觸，上部覆蓋第四紀(jì)山前組①山東省地質(zhì)調(diào)查研究院，1∶20萬臨朐、淄博、沂水幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，1996年。（圖1）。

1.1地下水賦存特征

臨朐群牛山組玄武巖，是新生代火山活動產(chǎn)生的，上部和底部均致密不透水，與古近系內(nèi)部其他層位及上覆第四系之間基本無水力聯(lián)系，中部蜂窩狀玄武巖孔隙裂隙發(fā)育，與南部牛山地區(qū)的臨朐群堯山組和山旺組玄武巖聯(lián)通，形成了一個相對獨立的水文地質(zhì)單元［2］。

1.2 地下水補給來源

據(jù)主開采井及周邊相同層位開采井D和O18同位素測定結(jié)果（表1），經(jīng)研究對比，4個水樣中δD和δO18的值在克雷格標(biāo)準(zhǔn)降水直線δD=8δO18+10附近（圖2），說明該區(qū)地下水流體主要補給來源為大氣降水。

表1　地下水流體同位素測定結(jié)果

圖2　δD和δO18與標(biāo)準(zhǔn)雨線對比圖

1.3地下水補徑排特征

該區(qū)地勢南高北低，蘇打水產(chǎn)地位于水文地質(zhì)單元北部徑流排泄區(qū)，補給區(qū)為南部環(huán)牛山分布的山旺組和堯山組地層。牛山頂部平坦開闊，上覆第四系厚度小，基巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重，有利于降水匯集并沿裂隙滲入［3］，降水入滲后，受底部致密玄武巖阻隔，沿牛山組中部蜂窩狀玄武巖通道向方山方向運移，并最終受新近紀(jì)五圖群泥頁巖相對隔水地層阻隔，在有利地段大量富集。受地勢及構(gòu)造條件影響，地下水埋深總體分布規(guī)律是南淺北深，方山附近最大埋深超過100 m。

2　地下水化學(xué)成分特征

該區(qū)地下水pH在8.4～8.7之間，屬弱堿性水，水中陽離子主要為，陰離子主要為和，礦化度551.70～581.66 mg/L，水化學(xué)類型為HCO3-Na型。NaHCO3含量在381.50～459.04 mg/L之間，達(dá)到國際蘇打水界限指標(biāo)［4］，同時地下水中還含有豐富的對人體有益的微量元素，偏硅酸、鍶等含量均接近礦泉水命名標(biāo)準(zhǔn)（表2）。

表2　主要指標(biāo)測試結(jié)果

天然蘇打水補給來源為大氣降水，其中并不含豐富的離子成分和微量元素，因此推斷，蘇打水的形成是在特定的地質(zhì)環(huán)境下，地下水運移過程中，與圍巖相互促進(jìn)和共同作用的結(jié)果。

3　蘇打水形成環(huán)境

3.1物理環(huán)境

蘇打水的運移及賦存均在玄武巖孔隙裂隙中，處于一個相對封閉的環(huán)境，水溫在15.67～15.73℃之間，相對穩(wěn)定。方山開采井水位埋深100 m左右，作為主要含水層的蜂窩狀玄武巖分布于190～220 m深度，因此地下水運移及賦存于壓強近似為1 MPa的高壓環(huán)境中。

3.2化學(xué)環(huán)境

為查明蘇打水中成分來源，需確定圍巖的礦物成分，通過礦物X-射線衍射分析方法（圖3），巖石礦物成分以方解石、沸石類和蒙脫石為主，相對含量分別為38%，24%和23.5%。主要成分為SiO2，含量在46.42%左右，化學(xué)成分總體上為高鈣、鈉，低鎂、鉀。

圖3　礦物X-射線衍射分析圖譜

4　蘇打水形成機理分析

4.1實驗過程

為了對蘇打水的形成機理進(jìn)行科學(xué)論證，進(jìn)行了模擬實際地層條件的水-巖平衡實驗，旨在查明自然條件下水巖相互作用機理。

首先，實際條件的模擬是該次實驗的前提，主要有3個基本要求：①模擬1 MPa的高壓環(huán)境；②模擬實際水溫的近似恒溫環(huán)境；③模擬地下水徑流條件。為了滿足上述3個要求，選擇高壓反應(yīng)釜為實驗儀器［5］，實驗過程中釜內(nèi)壓力設(shè)定為1 MPa，溫度設(shè)定在16±1℃，釜內(nèi)配備攪拌裝置每24 h開啟12 h，轉(zhuǎn)速60 r/min，使巖樣與水充分接觸，并使溶液隨反應(yīng)進(jìn)行混合均勻。

其次，實驗樣品的選擇與處理，巖石樣品為牛山組蜂窩狀玄武巖（即蘇打水賦存地層巖石），實驗初始水樣為純凈水。巖石樣品經(jīng)研缽研磨，粒徑≤0.075m，為避免水中離子的影響，對水樣進(jìn)一步去離子化處理，pH值為7.0，水巖按質(zhì)量比30∶1的最佳比值放入。

4.2實驗結(jié)果

實驗開始至結(jié)束期間共取水樣10次，根據(jù)樣品分析結(jié)果列于表3中，從表3中可以看出：

表3　實驗水樣分析結(jié)果

（1）隨著時間推移，水中微量元素及陰陽離子濃度不斷增加，在實驗開始493 h后，作為主要研究對象的NaHCO3、偏硅酸含量就達(dá)到了較高水平，pH穩(wěn)定在8.70左右，這充分證明圍巖是蘇打水重要物質(zhì)來源。

（2）實驗開始后pH上升明顯，在160 h達(dá)到最大，這主要是因為，等離子可溶性強，第一次取樣時就達(dá)到較高值，并發(fā)生+H2O←→H2CO3+OH-反應(yīng)，水中pH值不斷升高；第四次取樣開始，pH逐漸下降，到493 h為8.66，這主要是因為H2SiO3溶解度較小，析出過程較慢，隨著時間的推移，水中H2SiO3不斷增加，導(dǎo)致pH下降。

4.3機理分析

根據(jù)實驗過程中水樣pH及各類組分變化情況，結(jié)合圍巖礦物成分，綜合分析水巖平衡反應(yīng)的機理如下：

圍巖中方解石本身不易溶［6］，遇水發(fā)生緩慢的交換反應(yīng)（式1），但另一種礦物蒙脫石為親水性，陽離子交換能力強，蒙脫石中的Na+交換水中Ca2+，形成不易溶的鈣蒙脫石［7］（式2），促使方解石交換反應(yīng)不斷進(jìn)行，水中，Na+濃度不斷增加，但是只有在pH＞8.7的環(huán)境中才能大量存在，否則與H2O將發(fā)生平衡反應(yīng)［8］（式3），導(dǎo)致水中HCO-3濃度增加，pH升高。

同時隨著時間的推移，其他水巖反應(yīng)不斷發(fā)生（公式4，5，6），水中的H4SiO4含量不斷增加：鈉沸石：Na2Al2Si3O10+10H2O←→2Na++

綠泥石：Mg5Al2Si3O10（OH）6+10H2O←→5Mg2++

高嶺石：Al2Si2O3（OH）4+2OH-+5H2O←→

由于實驗室的水巖反應(yīng)條件與實際地層條件必然存在一定差異，因此試驗結(jié)果與蘇打水化驗結(jié)果存在一定差別，但是可以驗證水巖反應(yīng)確實是水中的高HCO-3，H4SiO4含量的主要原因，因此可以推斷天然蘇打水的形成是水巖相互促進(jìn)、共同作用的結(jié)果。

5　結(jié)論

同位素分析確定了蘇打水補給來源，X-射線衍射分析確定圍巖礦物成分，最后通過水巖平衡實驗驗證了蘇打水是水巖相互作用的結(jié)果，結(jié)合蘇打水運移和賦存條件可知，山旺泉蘇打水的形成是降雨入滲后沿蜂窩狀玄武巖運移通道徑流過程中，地下水與圍巖之間不斷進(jìn)行水巖交換作用，溶解了重碳酸鈉等主要礦物，使水中含量大于340 mg/L，因此蘇打水的形成是玄武巖特殊的巖性條件與其所處的水文地質(zhì)條件相互作用的結(jié)果。

［1］ 張增奇，劉明渭.山東巖石地層［M］.北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1996.

［2］ 胡玉祿，白興港.山東省天然蘇打水的首次發(fā)現(xiàn)及其地質(zhì)特征［J］.山東國土資源，2013，29（1）：1-4.

［3］ 李春山.山東臨朐新生代玄武巖盆地地質(zhì)-水文地質(zhì)條件的初步分析及資源開發(fā)建議［J］.山東地質(zhì)，1988，3（2）：24-26.

［4］ 谷宏.蘇打水的研究現(xiàn)狀及功能分析［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2010，（1）；65-66.

［5］ 張建文.高溫高壓模擬平臺控制技術(shù)研究［D］.浙江大學(xué)，2004：29-31.

［6］ 閆志為.硫酸根離子對方解石和白云石溶解度的影響［J］.中國巖溶，2008，27（1）；24-31.

［7］ 高海英，楊仁斌，壟道新.蒙脫石的吸附行為及其環(huán)境意義［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，25（S1）；438-442.

［8］ 沈照理.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1993.

［9］ 齊進(jìn)英，江紹英.堿性玄武巖晶洞中鈉沸石的礦物學(xué)研究［J］.硅酸鹽學(xué)報，1982，（4）：48-51.

Primary Analysis on Forming Mechanism of Natural Soda Water in Shanwang Spring in Linqu County

YANG Peijie1，ZHAO Fei1，WANG Yuanbo1，BAI Xinggang2
（1.Shandong Monitoring Center of Geological Environment，Shandong Jinan 250014，China；2.Linqu Bureau of Land and Resources，Shandong Linqu 262600，China）

Shanwang spring natural soda water occurred in vesicular basalt rocks in Niushan formation of Linqu group.Its water quanlity is good and has vast exploitable prospect.In this paper，by using high pressure reaction kettle，actual forming conditions of water and rock reaction balance has been simulated.At the same time，with the Isotopic analysis，X-ray diffraction analysis and other means，combining with local special hydrological and geological background，the formation mechanism of soda water has been introduced systematically.

Natural soda water；forming environment；balance between rock and water；Shanwang spring in Linqu county

P641

B

2015-01-13；

2015-11-15；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

楊培杰（1988—），男，山東費縣人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作；E-mail：sddhypj@163.com