朱雪芹，劉文波，李志明，陳 坦，任玉祥，邵 海，王龍鳳

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中央民族大學生命與環(huán)境科學學院，北京 100081；3.承德市自然資源和規(guī)劃局，河北 承德 067000)

在國標《飲用天然礦泉水》(GB 8537—2018)中，飲用天然含鍶礦泉水被定義為：當水質(zhì)達到飲用天然礦泉水標準情況下，其中鍶(Sr)濃度超過0.2 mg/L時，此水稱為含鍶礦泉水。鍶是人體骨骼和牙齒的正常組成部分，是一種人體必需的微量元素。鍶對骨骼和牙齒強度起到強化作用，尤其是對治療老年骨質(zhì)疏松癥有非常好的療效。

隨著對含鍶水有益于健康認識的加深，20世紀末全國范圍內(nèi)加大開發(fā)利用含鍶礦泉水，也更加推進學者對含鍶礦泉水特征及成因分析研究。前人在含鍶水分布特征及成因方面的研究取得了一定的進展。有學者從基礎地質(zhì)角度分析湖南省礦泉水資源地質(zhì)特征，研究礦泉水成因規(guī)律[1]。方建華[2]對鄭州市飲用天然礦泉水中鍶成因進行了探討；牛俊強等[3]對湖北省75個含鍶礦泉水成因類型劃分為：斷裂深循環(huán)型、裂隙淺循環(huán)型、層間緩慢徑流型，并分析了礦泉水的形成機理。王松等[4]對黑龍江五大連池含鍶礦泉水分布及成因進行研究，分析了含鍶地下水分布特征及成因，指出黑龍江省、湖南省、安徽省、河北省等水源地的鍶型礦泉水鍶含量較高。劉慶宣等[5]對全國566處含鍶礦泉水的化學測試數(shù)據(jù)、所處的地球化學環(huán)境、地質(zhì)背景的分析，重點闡述了微量元素鍶的富集與含水介質(zhì)巖性的關系，并概括了礦泉水中鍶富集的地球化學特征，得出礦泉水中Sr的含量與巖石中Sr豐度存在正相關關系,但由于影響水中Sr富集的其它因素較多,并得出碳酸鹽巖地層含鍶最高，其次是碎屑巖地層。地下水中鍶主要來源于水巖相互作用[6-7]，鍶在地下水動力作用下遷移和轉化，通過巖石礦物的風化作用、水解溶濾作用進入地下水中[8]。蘇宏建等[9-10]對承德市飲用天然礦泉水研究認為承德地區(qū)礦泉水與構造關系密切，礦泉水水源地大多分布于斷裂帶附近。唐山開平區(qū)天然礦泉水地球化學特征與成因也被進行了詳細的研究探討[11]。廖先遠等[12]得出Sr在地殼豐度為0.375‰，在純碳酸鹽巖中含量為0.610‰，在石英砂巖中含量較小。通過總結前人研究結果：含鍶豐度較高的圍巖可以出現(xiàn)含鍶較高的含鍶水，但不是絕對控制因素。普遍認為礦泉水中微量元素 Sr 富集的最有利的環(huán)境是碳酸鹽巖地層, 其次是碎屑巖地層。

總結前人在承德地區(qū)對含鍶礦泉水研究結果，多為定性分析富含鍶巖石成分與水化學成分變化，研究含鍶水成因，缺少對研究區(qū)內(nèi)主要巖性含鍶值量化對比分析；在分析深大斷裂操控含鍶礦泉水成因分析中，缺少空間上富鍶水點與構造巖石關聯(lián)分析并提出含鍶潛力分布區(qū)。

依據(jù)承德地區(qū)開展的生態(tài)水文地質(zhì)調(diào)查，大量采集的地下水、泉、地表水樣品，以及含鍶礦泉水檢測分析。利用統(tǒng)計學中的相關分析、對比分析、因子分析，GIS數(shù)據(jù)空間疊加分析等方法，對研究區(qū)內(nèi)三大巖類中主要巖性進行含鍶值的量化對比分析，明確指出了本區(qū)富含鍶的巖性地層；將含鍶礦泉水分布與巖性、構造在空間上疊加并進行關聯(lián)分析，指出富含鍶礦泉水潛力構造區(qū)域帶，以解析研究區(qū)含鍶礦泉水的分布規(guī)律特征及成因分析，為進一步指導研究區(qū)探尋構造帶及地層中的富鍶礦泉水潛力區(qū)，提供精準靶向目標，提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于燕山山脈東段長城北側的承德地區(qū)，地勢北高南低，地形復雜，山脈縱橫，灤河基本流經(jīng)全區(qū)，局部流入外省，地貌由北向南從壩上高原、燕山山脈中低山、燕山南麓低山丘陵逐步過渡。承德市下轄雙橋區(qū)、雙灤區(qū)、鷹手營子礦區(qū)3個區(qū)，承德縣、興隆縣、灤平縣、隆化縣4個縣，1個縣級市平泉市，豐寧滿族自治縣、寬城滿族自治縣、圍場滿族蒙古族自治縣3個自治縣，總面積為39 506.3 km2。

本區(qū)富含鍶的巖性分布較廣，巖性是含鍶水的主要來源，是主控因素，區(qū)域中部內(nèi)含有大量富含鍶的巖石礦物，如巖漿巖中侵入巖中的安山巖、花崗巖、凝灰?guī)r等，沉積巖中的灰?guī)r。

地質(zhì)構造是本區(qū)地下水的重要控制因素，不論是淺層水還是深層水，其富水地段無不受構造控制，尤其是斷層帶、斷層影響帶以及向、背斜的軸部，常常形成較大的蓄水構造，構成具有供水意義的水源地。

控制著研究區(qū)構造框架是7條深大斷裂，其展布方向為NE向或近EW向，它們直接控制本區(qū)的水文地質(zhì)條件，使得研究區(qū)基巖地下水呈現(xiàn)出自北向南的孔洞裂隙水、構造裂隙水、風化帶網(wǎng)狀裂隙水、碳酸鹽巖裂隙、溶隙、巖溶水的分布規(guī)律。深、大斷裂性質(zhì)以壓性、壓扭性為主，間斷出現(xiàn)有張性，但它的疏張地帶的次一級構造裂隙多呈張性，充填物少，連通性好，為地下水的運移及儲存創(chuàng)造了良好的空間場所，泉水出露較多，流量大。

全區(qū)多年平均降水量為542.77 mm(1956—2015年)，但因降水年內(nèi)分配極不均勻，集中降水的6—8月占全年的70%，集中在汛期(6—9月)。區(qū)內(nèi)降水量、降水強度及降水補給特征對地下水形成起著主要控制作用。降雨多為暴雨，加之地形坡度較大，植被發(fā)育一般，降水入滲系數(shù)僅為4%～8%，所以大部分降水以地表徑流流失。承德市水資源受降雨和地形影響，時空分布極不均勻，總體呈南多北少的態(tài)勢。

承德地區(qū)地下水補給來源主要為大氣降水，同時接受河流及渠道滲漏補給。淺層地下水流向與地表水流向總體一致，由西北向東南流，山前側向徑流補給是淺層地下水的重要補給來源。本區(qū)地下水主要賦存于松散巖類孔隙、碳酸鹽巖類裂隙溶隙、基巖類的構造節(jié)理裂隙、風化帶網(wǎng)狀裂隙以及玄武巖、碎屑巖裂隙、孔隙之中，多為潛水，局部具承壓性，其分布受地層巖性、地質(zhì)構造和地貌等賦存條件的綜合影響，具有較大的不均勻性。垂向上，山間溝谷上部多分布砂性土，主干流寬緩河谷多為砂、礫石、卵石的連續(xù)沉積，且其間所夾的弱透水層分布不連續(xù)，地下水垂直運動明顯。地下水除蒸發(fā)排泄、基流排泄和人工開采，大部分以泉水排泄，并有局部呈地下暗流補給溝谷第四系孔隙水，或者通過斷裂帶下滲成為深部承壓水或?qū)娱g水。深部基巖具有微量層狀孔隙-裂隙及巖溶水, 主要賦存于陸相沉積巖及構造盆地中, 埋藏較深，巖層透水性弱，徑流排泄條件較差。區(qū)內(nèi)大氣降水—地表水—地下水相互轉化作用強烈，山前地下水補給條件好，徑流速度快，更新速率高, 鹽分溶濾水巖相互作用強烈，地下水動態(tài)季節(jié)性變化明顯。

研究區(qū)內(nèi)地下水賦存類型主要為松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水。北部壩上一帶發(fā)育孔隙水、孔洞裂隙水，主要賦存于玄武巖建造、碎屑巖裂隙孔隙之中、第四系亞砂土-亞黏土的松散孔隙含水層中。中部發(fā)育基巖裂隙水、構造裂隙水，賦存于侵入巖-變質(zhì)巖構造節(jié)理、裂隙、風化帶網(wǎng)狀裂隙、砂巖裂隙孔隙含水層中。南部發(fā)育巖溶裂隙水，賦存于碳酸鹽溶洞、溶孔、溶隙含水層中，本區(qū)水文地質(zhì)圖見圖1。

圖1 工作區(qū)水文地質(zhì)簡圖Fig.1 Simplified hydrogeological map of the study area

2 研究方法

2.1 樣品采集與檢測

2019年項目組在研究區(qū)內(nèi)共采集含鍶水樣167組，包括有地下水、地表水、泉水樣品。本次統(tǒng)計分析中以含鍶水(0.05 mg/L≤Sr<5.00 mg/L)為研究對象，同時收集已有的相關資料，收集已有富含鍶點26 組(2019年[9])，在含鍶水點分布示意圖以及含鍶均值占比圖增加收集26 組水點，共計189 個含鍶水點，含鍶水點分布示意圖見圖2。

圖2 工作區(qū)內(nèi)含鍶水點分布Fig.2 Distribution of Sr-bearing mineral spring water in the study area

樣品采集包括現(xiàn)場測試指標以及實驗室檢測指標，樣品采集過程中嚴格按照《區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查技術規(guī)范》(HL/T164—2004)進行采集、保存與運輸，現(xiàn)場測試了水樣溫度、pH、溶解氧(DO)、總溶解性固體(TDS)等指標，室內(nèi)測試指標分別由中國地質(zhì)大學、河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站進行分析測試，樣品檢測單位具有國家認證檢測資質(zhì)，嚴格按照國家檢測項目的要求開展檢測。

2.2 分析方法

(1)相關性分析

(2)分層分類

將巖性、構造、出露條件分為三個類別。在每個類別中再進一步分層，逐層分類。如水點所在地層巖性再分為巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖三大類；對于含鍶水點出露條件又分為水井出露、自然泉出露兩類，在不同層次及不同類別中逐層開展含鍶均值對比分析。

(3)圖層疊加

本次研究主要是將含鍶水點與研究區(qū)構造線性圖層，地層面性圖層疊加，形成耦合圖，可空間上直觀反映富含鍶礦泉水與深大構造及巖性帶的密切相關性，便于進一步深入研究含鍶水在構造和巖性中點分布特點。

3 結果與分析

3.1 空間分布特征

研究區(qū)2019年采集水點以及收集含鍶水點共計189 個，含鍶量小于0.20 mg/L的占比為35.98%，即使是這些水點達到礦泉水標準，也不能稱為含鍶礦泉水；鍶含量大于0.20 mg/L的水點占比64.40%，該水點稱為含鍶水；含鍶0.20～1.0 mg/L的水點占區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)，達到58.73%；大于1.0 mg/L以上水點占比5.29%(圖3)。

圖3 不同含鍶量所占比例Fig.3 Percentage distribution of Sr concentrations in the water samples

表1 承德地區(qū)地下水含鍶水主要成分數(shù)理統(tǒng)計表

含鍶水分布與構造關系：研究區(qū)內(nèi)分布深斷裂5條，大斷裂2 條，發(fā)育方向近EW向和NE向，在深大斷裂附近發(fā)育數(shù)百條小型斷裂，以NE為主，零星分布EW、NW向。斷裂由北向南依次分布為：康保-圍場深斷裂，豐寧-隆化深斷裂、大廟-娘娘廟深斷裂、尚義-平泉深斷裂、上黃旗-烏龍溝深斷裂、平坊-桑園大斷裂及密云-喜峰山大斷裂。將研究區(qū)含鍶量分為4段：Sr<0.20 mg/L，0.20 mg/L≤Sr<0.40 mg/L，0.40 mg/L≤Sr<1.0 mg/L，Sr≥1.00 mg/L。四類含鍶水點與區(qū)域構造圖疊加，其耦合結果在空間上分布為：低于 0.20 mg/L 含鍶水點主要分布在研究區(qū)的東南興隆縣西南區(qū)巖溶水分布區(qū)，該區(qū)分布在構造帶上的水點比例為23.5%，豐寧縣西部以及圍場北部分布在構造帶上水點比例為61.0%，巖溶水含鍶量低時與構造關系不大。中部區(qū)域構造帶未見有分布，對于Sr介于0.2～0.4 mg/L 及0.4～1.0 mg/L時，分布在構造帶上的水點比例分別為25. 6%及21. 2%，Sr>1.0 mg/L時分布在大構造帶上的水點比例為44.4%，詳見圖4?？梢姾J越高的點，與大型構造斷裂帶相關性越高。主要是位于北部康保-圍場深斷裂、中部沿豐寧—隆化深斷裂構造帶，南部分布在平坊—桑園大斷裂、密云—喜峰口大斷裂構造帶上以及圍場北部向斜構造帶。含鍶量高與深大斷裂有著密切關系，說明地下水經(jīng)過活動斷裂構造循環(huán)后, 水溫不斷升高, 溶解能力增強, 促進了水巖作用的溶解、離子交換作用, 強化了水對圍巖的溶解和淋濾作用, 從而使地下水中溶入多種礦物質(zhì)而形成礦泉水。

含鍶水分布與巖性關系：巖石富含鍶礦物成分是含鍶礦泉水點主要來源。與礦泉水成因有關的地層有：元古界長城系，薊縣系、古生界寒武系，中生界侏羅系、白堊系，及新生界古近系、第四系。承德地區(qū)巖性分布由北向南含鍶特點如下：

圍場北部以古近系、第四系為主，第四系主要分布在河谷區(qū)，是該區(qū)域含鍶點巖石來源，但鍶含量不高，只在大構造帶或褶皺帶中出現(xiàn)含鍶高的水點。圍場西到豐寧，南到雙塔山灤平、東到平泉，是中部地區(qū)，巖性主要以侏羅系、白堊系地層為主，有變質(zhì)巖和侵入巖帶分布，尤其侵入巖與深大斷裂構造帶相伴，在大構造分布的侵入巖帶上分布有含鍶較高水點。南部位于承德縣以南，西到興隆縣，東到平泉，主要分布有奧陶系、寒武系巖溶地層，侏羅系地層是酸性火山巖系，主要以凝灰?guī)r及流紋巖為主；白堊系地層底部為碎屑沉積巖，元古界長城系、薊縣系變質(zhì)碎屑巖。

將研究區(qū)含鍶水點與區(qū)域地層疊加，其耦合結果在空間上分布為：低于0.20 mg/L含鍶水點主要分布在研究區(qū)圍場北部及南部興隆縣西南長城系變質(zhì)巖、碳酸鹽巖以及混合碎屑巖區(qū)。0.20～0.40 mg/L含鍶水點圍場北部主要分布在古近系、第四系碎屑巖和松散第四系沉積物中。中部地區(qū)大部分含鍶水點是位于巖漿巖侵入到侏羅系和白堊系地層交界處。含鍶量一般在0.4 mg/L以上,位于中部豐寧—興隆深大斷裂帶上點侵入巖分布較高含鍶水點，該斷裂帶上侵入巖具有富鍶礦泉水，侵入巖帶具有富含鍶礦泉水潛力。南部地區(qū)，較高點富鍶礦泉水點主要是沿著近于NEE方向，元古界長城系Ch及薊縣系Jx與太古界變質(zhì)巖交界帶，以及奧陶系寒武系碳酸鹽巖與構造帶交界帶，均是富鍶水點潛力區(qū)，詳見圖5。

3.2 含鍶均值在不同出露(開采)條件下的特征

根據(jù)含鍶水點揭露方式不同，將含鍶水點分為井水、泉水及地表水，對三類含鍶水算數(shù)平均值(以下簡稱含鍶均值)進行對比分析：其鍶含量分別為0.54 mg/L、0.26 mg/L和0.29 mg/L，可見不同出露(開采)條件對含鍶量有一定影響，見圖6。

三大巖性含鍶均值對比：在相同的水點出露條件下，圍巖巖性不同，含鍶均值不同，如同為水井點中，巖漿巖含鍶均值為0.57 mg/L，變質(zhì)巖為0.52 mg/L，沉積巖0.53 mg/L。在泉水點中，巖漿巖含鍶均值0.37 mg/L 高于變質(zhì)巖0.28 mg/L，變質(zhì)巖高于沉積巖0.19 mg/L，地表水含鍶均值0.29 mg/L，僅略高于泉水點中的變質(zhì)巖，泉水出露條件下，圍巖為沉積巖含鍶均值最低，僅為0.19 mg/L。在水井開采條件下，富含鍶由高到低圍巖分別為巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖；在泉水開采條件下，富含鍶由高到低圍巖分別為巖漿巖、變質(zhì)巖，沉積巖，見圖7。

圖6 不同出露條件下的Sr均值Fig.6 Percentage distribution of Sr concentrations under the different occurrence conditions

水井開采條件下，不同巖性含鍶值不同：巖漿巖類中，安山巖及花崗巖含鍶均值較高，分別為0.71 mg/L、0.74 mg/L，凝灰?guī)r0.58 mg/L，玄武巖為0.32 mg/L，本區(qū)最低為石英砂巖0.17 mg/L，低于含鍶礦泉水的標準。沉積巖類中，灰?guī)r0.55 mg/L，砂巖0.39 mg/L，白云巖0.37 mg/L，石英砂巖僅為0.17 mg/L，低于含鍶礦泉水的標準。變質(zhì)巖中的片麻巖含鍶均值 0.52 mg/L，低于巖漿巖中的安山巖及花崗巖。未固結第四系沉積物中含鍶均值0.67 mg/L。井水出露條件下，含鍶均值由高到低排序依次為花崗巖、安山巖、第四系沉積物、凝灰?guī)r、灰?guī)r、片麻巖、砂巖、白云巖、玄武巖、石英砂巖。

泉水出露條件下，同為巖漿巖類中的安山巖含鍶均值為0.48 mg/L，凝灰?guī)r0.41 mg/L，花崗巖 0.39 mg/L，均高于玄武巖0.30 mg/L；巖漿巖中的安山巖、凝灰?guī)r、花崗巖、玄武巖均高于變質(zhì)巖中的片麻巖0.28 mg/L；沉積巖中，最低為白云巖及砂巖 0.14 mg/L，石英砂巖為0.17 mg/L。沉積巖中超過含鍶礦泉水標準的只有灰?guī)r0.20 mg/L。本區(qū)在泉水出露方式條件下圍巖巖石含鍶均值由高到低排序依次為：安山巖、凝灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、第四系沉積物、片麻巖、灰?guī)r、砂巖、白云巖。

圖7 不同出露條件下三大巖中含鍶均值對比Fig.7 Distribution of Sr concentrations in the three lithological systems under different occurrence conditions

相同巖性對比：在不同的開采方式下含鍶均值也有著明顯變化，普遍存在著水井開采方式中含鍶均值高于泉水，但玄武巖、石英砂巖中兩種方式變化較小，石英砂巖相對其它巖含鍶是最低的，見圖8。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可見，圍巖巖性條件相同，井水中含鍶量普遍高于泉水，推測原因：是否存在著水井開采條件下水體攪動力增大，使含鍶鹽圍巖溶解性增強，含鍶鹽巖溶解變化是否受水體動力攪動強度以及環(huán)境溫度、氣壓等環(huán)境條件影響，需要進一步探索研究。

圖8 研究區(qū)主要巖性在不同開采條件下含鍶均值對比Fig.8 Distribution of Sr concentrations of the key rocks in the study area under the different occurrence conditions

3.3 因子相關性分析

4 結論

(1)含鍶量越高與大型構造越密切，尤其是中部沿豐寧—隆化深斷裂構造帶，南部平坊—桑園大斷裂、密云—喜峰口大斷裂構造帶南部，以及奧陶系、寒武系碳酸鹽巖與構造帶交界帶，是富含鍶水的重要潛力區(qū)。

(2)在相同出露條件下，本區(qū)不同的巖性含鍶均值不同，如井水出露條件下含鍶均值由高到低排序依次為花崗巖、安山巖、第四系沉積物、凝灰?guī)r、灰?guī)r、片麻巖、砂巖、白云巖、玄武巖、石英砂巖。進一步指出研究區(qū)內(nèi)富含鍶的地層巖性潛力地層為：巖漿巖的深成花崗巖、其次是巖漿巖中噴出安山巖、凝灰?guī)r，以及未成巖的第四系沉積物。玄武巖、石英砂巖在兩種方式變化較小，石英砂巖相對其它巖含鍶是最低的。

表2 承德地區(qū)地下水含鍶水主要化學成分相關矩陣表

(3)含鍶水出露方式不同，含鍶量存在一定的差別，如水井出露方式對于部分巖性含鍶量影響較大，如水井中含鍶值高于泉水和地表水，除溶濾作用之外，是否存在著氧化環(huán)境、水動力強度等因素影響含鍶量變化，尚需要進一步對比分析研究。