陳萬(wàn)利，劉 虹，王惠東，韋光景

（1.湖南省核地質(zhì)調(diào)查所,湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.徐州市河湖管理中心,江蘇 徐州 221000）

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行礦泉水成因分析中常采用水化學(xué)類型法、飽和指數(shù)法和離子關(guān)系法[1],而對(duì)于水巖作用,則主要采用水文地球化學(xué)模擬[2]。本文運(yùn)用上述方法,結(jié)合地質(zhì)環(huán)境背景條件,建立物質(zhì)遷移模型,研究玉溪村地段礦泉水成因。

由于玉溪地段新發(fā)現(xiàn)鍶礦泉水,水質(zhì)較好,鍶含量豐富,且該地段水文地球化學(xué)研究成果較少,科學(xué)研究礦泉水的成因?qū)τ谠摰囟蔚V泉水的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。本文以玉溪村地段礦泉水為研究對(duì)象,分析其形成條件,識(shí)別礦泉水的水化學(xué)類型,分析礦泉水在徑流過(guò)程中水巖相互作用。

1 地質(zhì)背景概況

1.1 地下地貌

研究區(qū)位于湘中偏北,雪峰山北段,大神山北部,地勢(shì)中間低四周高。最高海拔為353.0 m,最低海拔為104.2 m,一般在120 m～230 m,相對(duì)高差20 m～80 m。基本地貌形態(tài)為低矮丘陵地貌,按成因劃分為構(gòu)造溶蝕地貌。

1.2 地層巖性

研究區(qū)及其周邊出露地層巖性主要為震旦系（Z）礫泥巖、含礫泥巖夾含礫砂巖、炭質(zhì)板巖、絹云母板巖；寒武系（Э）黑色炭質(zhì)板狀頁(yè)巖、黑色鈣泥質(zhì)頁(yè)巖；奧陶系（O）青灰色、黃綠色粉砂質(zhì)板巖夾絹云母板巖、淺變質(zhì)粉砂巖。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于雪峰山加里東弧形褶皺隆起帶上,處于安化-黔陽(yáng)北東向構(gòu)造帶與桃江-新化新華夏系構(gòu)造帶的中間部位,地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育兩組（F5、F6）,以節(jié)理裂隙密集發(fā)育為主要特征,北東向構(gòu)造是最顯著的構(gòu)造形跡,呈45°展布。

ZK01、ZK04 鉆孔為本次勘查主要礦泉水井,位于北東向構(gòu)造F6 上盤及寒武地層內(nèi)。北東向F5 斷裂與F6 斷裂的構(gòu)造系統(tǒng),為地下水的補(bǔ)給和儲(chǔ)存提供了有利條件,寒武系碳酸鹽巖巖溶水為鍶礦泉水的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ),高密度電法1 線和5 線反演斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 高密度電法1 線和5 線反演斷面圖

2 礦泉水形成條件及成因分析

2.1 鍶元素的物質(zhì)來(lái)源

鍶為弱堿性金屬元素,在地殼、地下水和海水中具有廣泛的分布性和不同的富集性,地殼巖石平均豐度為326 ppm。

研究區(qū)及其周邊富含鍶的巖性主要為寒武系灰?guī)r,鍶含量為478 ppm～1187 ppm,見(jiàn)表1。是Sr地殼克拉克值的1.47～3.2倍,為鍶礦泉水的形成提供了必備的物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。

表1 水源地及其周邊主要巖石中Sr 含量 單位：%

2.2 礦泉水的補(bǔ)給條件

大氣降水是水源地地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源,水源地年平均降水量為1450.88 mm,最高達(dá)1980.78 mm,最少也有1076.18 mm。豐沛的降水為礦泉水提供了充足的水源補(bǔ)給。

2.3 礦泉水的徑流

F5、F6 構(gòu)造由東北向西南縱貫水源地,切割寒武系灰?guī)r地層,形成網(wǎng)狀貫通裂隙,在其附近形成巖溶發(fā)育帶。大氣降水入滲地下,順F5、F6 斷裂構(gòu)造及其巖溶裂隙系統(tǒng)向下徑流,為礦泉水的水巖相互作用提供了良好的徑流條件,同時(shí)這些裂隙密集帶為礦泉水提供了足夠的儲(chǔ)存場(chǎng)所條件。

2.4 礦泉水的儲(chǔ)存條件

F5、F6 構(gòu)造近平行,距離較近,且傾向相反,兩條構(gòu)造從東北向西南縱貫水源地,切割寒武系上中統(tǒng)瑯琳沖組（Эln）灰?guī)r,在兩條構(gòu)造附近及其之間巖層并形成貫通裂隙,裂隙內(nèi)由一系列的網(wǎng)狀方解石脈充填。在平面上沿構(gòu)造由西南向東北從永安到沙里坪地區(qū)呈條帶狀展布,往深部,從地表往地下94.39 m～133.60 m 的巖心仍可見(jiàn)大量網(wǎng)狀方解石脈,且局部發(fā)育有溶巢、溶溝和溶洞,形成構(gòu)造巖溶裂隙系統(tǒng)。這些裂隙密集帶為區(qū)內(nèi)礦泉水提供了良好的通道和儲(chǔ)存場(chǎng)所。

3 水文地球化學(xué)特征

3.1 水化學(xué)類型

研究區(qū)地下水pH 值為6.95～8.67,礦化度123.2 mg/L～393.0 mg/L,鍶含量0.282 mg/L～0.823 mg/L,水類型主要為HCO3-Ca、HCO3-Na 和HCO3-Ca·Mg·Na 型。ZK01 和ZK04 井礦泉水屬低礦化度—中性～弱堿性鍶礦泉水。三口井礦泉水水文地球化學(xué)特征均不同,ZK01 孔以上部巖溶水為主,水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型,處于中性環(huán)境；ZK04 孔為下部巖溶構(gòu)造裂隙水,水化學(xué)類型為HCO3-Na·Ca·Mg 型,處于弱堿性環(huán)境；ZK03 井為底部沉積巖構(gòu)造裂隙水,水化學(xué)類型為HCO3-Na 型,處于弱堿性環(huán)境,研究區(qū)地下水piper 見(jiàn)圖2。

圖2 研究區(qū)地下水piper 圖

3.2 鍶含量的分布

ZK01/CK01 和ZK04 均位于高含鍶區(qū),鍶含量均大于0.5 mg/L,為0.59 mg/L～1.83 mg/L,達(dá)到鍶礦泉水命名標(biāo)準(zhǔn)；相反ZK02和ZK03位于低含鍶區(qū),鍶含量?jī)H為0.29 mg/L～0.31 mg/L,研究區(qū)鍶含量等值線見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)鍶含量等值線圖

4 水文地球化學(xué)模擬結(jié)果與分析

4.1 徑流路徑上的水化學(xué)特征

研究區(qū)礦泉水沿F5～F6 構(gòu)造由南向北自上而下徑流,本次模擬的徑流路徑確定由ZK01 井→ZK04 井→ZK03 井,研究區(qū)礦泉水水化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 研究區(qū)礦泉水水化學(xué)分析結(jié)果表 單位：mg/L

4.2 徑流路徑上的水化學(xué)特征

研究區(qū)地下水由ZK01 井經(jīng)ZK04 井徑流至ZK03 井,離子濃度變化見(jiàn)圖4,K+和偏硅酸濃度變化不大,Na+和Ba2+濃度逐漸增大,表明不斷有相關(guān)礦物溶解或離子交換進(jìn)入礦泉水溶液中；Ca2+、SO4

圖4 研究區(qū)徑流路徑上離子濃度

2-和NO3-濃度逐漸降低,表明相關(guān)礦物發(fā)生持續(xù)沉淀或離子交換溢出礦泉水溶液中；Mg2+和Sr2+濃度先升高再降低,則表明相關(guān)礦物先溶解再沉淀；ΣFe、HCO3-、Cl-和F-濃度先降低再升高,表明相關(guān)礦物先沉淀再溶解。

飽和指數(shù)（Saturation index）為離子活度積IAP 與平衡常數(shù)K的比值,是目前對(duì)水巖作用研究中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)指標(biāo)[4]。研究區(qū)礦泉水礦物飽和指數(shù)變化見(jiàn)圖5,石英飽和指數(shù)變化較小,為-0.61～0.92,表明石英基本處于飽和狀態(tài)；碳酸鹽礦物（SrCO3、方解石、白云巖和BaCO3）飽和指數(shù)逐漸升高,表明其受HCO3-控制（HCO3-濃度逐漸升高）；石膏飽和指數(shù)逐漸降低,表明其受Ca2+和SO42-控制（Ca2+和SO42-濃度逐漸降低）,CaF2飽和指數(shù)先降低再升高,表明其受F-控制（F-濃度先下降再降低）。

圖5 礦物飽和指數(shù)變化

4.3 研究區(qū)礦泉水物質(zhì)遷移模擬分析

水文地球化學(xué)模擬是研究地下水的一種新方法,能夠定量模擬各種自然過(guò)程和人類影響下的水巖相互作用[5]。根據(jù)研究區(qū)圍巖礦物及礦泉水礦物飽和指數(shù)分析,選取相應(yīng)礦物相,并同時(shí)考慮各金屬離子之間的交換作用,建立研究區(qū)礦泉水物質(zhì)遷移模型如下：

根據(jù)礦泉水化學(xué)組分及礦泉水物質(zhì)遷移模型,利用PHREEQC 軟件進(jìn)行物質(zhì)遷移模擬[6],模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 物質(zhì)遷移模擬結(jié)果

研究區(qū)礦泉水在ZK01 →ZK04 →ZK03 徑流路徑上,進(jìn)行了復(fù)雜的水文地球化學(xué)作用。模擬結(jié)果表明：在ZK01 →ZK04 徑流路徑上地下水中鍶離子濃度低,地下水在富鍶地層中沿構(gòu)造向下徑流,SrCO3不斷溶解,鍶元素以離子形式進(jìn)入地下水溶液中,溶解量為2.65 E-06 mol,并達(dá)到飽和（SrCO3飽和指數(shù)趨近于0）,同時(shí)白云巖和BaCO3也發(fā)生溶解,CO32-進(jìn)入礦泉水,與H+結(jié)合,促使HCO3-濃度進(jìn)一步升高,pH 上升,從而導(dǎo)致方解石發(fā)生沉淀,伴隨石膏、氟化鈣等礦物的沉淀及鉀鈉鈣離子交換,形成弱堿性鍶礦泉水。

在ZK04 →ZK03 徑流路徑上,斷裂構(gòu)造穿過(guò)富鍶地層（寒武系灰?guī)r）,富鍶礦泉水繼續(xù)構(gòu)造向下徑流,由于Sr 元素過(guò)飽和（SrCO3飽和指數(shù)大于0）,同時(shí)方解石和BaCO3發(fā)生溶解導(dǎo)致HCO3-濃度急劇上升,進(jìn)而使Sr2+與CO32-結(jié)合產(chǎn)生SrCO3沉淀,鍶離子濃度降低,沉淀量為6.18 E-06 mol,同時(shí)白云巖、石膏發(fā)生沉淀,伴隨氟石、石英的溶解和鉀鈉鈣離子交換,形成弱堿性含鍶地下水。

5 結(jié)論

①研究區(qū)富鍶灰?guī)r提供了物質(zhì)基礎(chǔ),豐沛降水提供了水源補(bǔ)給,在炭質(zhì)頁(yè)巖隔水作用下,富鍶礦泉水在F5～F6 斷裂構(gòu)造及其巖溶裂隙系統(tǒng)徑流和儲(chǔ)存。

②研究區(qū)地下水屬低礦化度—中性～弱堿性鍶（富鍶）礦泉水,水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型、HCO3-Na 型和HCO3-Ca·Mg·Na 型。

③從水化學(xué)特來(lái)看,研究區(qū)地下水在徑流路徑上,Na+和Ba2+相關(guān)礦物溶解或離子交換進(jìn)入礦泉水溶液中；Ca2+、SO42-和NO3-相關(guān)礦物發(fā)生持續(xù)沉淀或離子交換溢出礦泉水溶液中；Mg2+和Sr2+相關(guān)礦物先溶解再沉淀；ΣFe、HCO3-、Cl-和F-相關(guān)礦物先沉淀再溶解。碳酸鹽礦物受HCO3-控制；石膏受Ca2+和SO42-控制；CaF2受F-控制。

④在ZK01 →ZK04 路徑上,SrCO3不斷溶解,鍶元素以離子形式進(jìn)入地下水溶液中,并達(dá)到飽和,形成鍶礦泉水,在ZK04 →ZK03 路徑上,由于Sr 元素過(guò)飽和,Sr2+與CO32-結(jié)合產(chǎn)生SrCO3沉淀,鍶離子濃度降低,伴隨著方解石、白云巖、石膏等礦物的溶解和沉淀及鉀鈉鈣離子交換等一系列復(fù)雜過(guò)程。