汝城羅泉礦泉水生成機理探討

王小清,陳帶花,歐任文，劉珍奇（湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014）

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汝城羅泉礦泉水生成機理探討

王小清*,陳帶花,歐任文，劉珍奇
（湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014）

摘 要羅泉礦泉水水源地位于汝城縣暖水鎮羅泉村，含水層為泥盆系上統錫礦山組和石炭系下統巖關階碳酸鹽巖層。礦泉取水深度為356 m（靜水位高出地面3.65 m），最大涌水量6479.9 m3/d。水質評定為含鍶、偏硅酸的重碳酸—鈉?鈣型礦泉水。通過對水源地的地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質條件等區域地質環境條件和地球化學分析，認為礦泉水是砂礫石層風化溶解、鍶硅離子交替吸附的結果，其主要補給為東南邊山前斷裂帶泥盆系灰巖水側向補給，以及上覆潛水越流補給等共同作用而形成。開采實踐證明，鍶（Sr）含量隨著開采時間的推移總體呈下降趨勢，偏硅酸（H2SiO3）含量基本穩定。該礦泉水為適合飲用的低鈉、高熱優質天然礦泉水。

關鍵詞羅泉礦泉水；地質環境條件；地球化學分析；生成機理探討

汝城羅泉礦泉水出露于第四系沖積坡積物中。1992年湖南汝城天然礦泉水開發公司開采，主要生產“太乙泉”純天然礦泉水及開展澡堂營業項目，礦泉水生產能力可達5000 t/a；礦泉水澡堂營業位40人/次，開采潛力大。但是由于受諸因素影響，生產經營不盡人意，自95年8月正式投產以來，只生產優質 “太乙泉”礦泉水700 t，每年平均只有180 t，僅為設計能力的3.6%，按照允許開采(自流)量2500 m3/d計算，目前的利用率(包括澡堂營業)還不足1%。因礦權轉讓且未延續，2011年底停采礦泉水，但澡堂營業繼續。目前，羅泉礦泉水礦重新辦理礦權手續，將于2016年10月重新投放開采。礦泉水流量27.23～29.24 l/s。經歷年水質檢驗，礦泉水清徹透明，無可見異物，無色無味無嗅。礦泉水水化學類型為重碳酸鈣型，PH值6.9～7.94，礦化度0.337～0.371 g/L，總硬度0.185～0.216 g/L，水溫48.0～50℃，偏硅酸含量0.31～0.39 g/L，鍶0.20～0.3 mg/L。而揮發酚、氰化物等有毒有害元素、放射性物質，微生物和亞硝酸根、耗氧量等指標均在限量范圍之內，綜合評定為含鍶、偏硅酸的重碳酸鈣型天然飲用礦泉水。

隨著社會的發展，人民生活水平的不斷提高，人們消費觀念的改變，越來越關注食品安全與健康，礦泉水以其天然、純凈、安全、衛生、有利于健康而成為熱門商品。本文通過綜合分析羅泉礦泉水的區域地質環境條件與地球化學條件，對其形成機理進行探討，對礦泉水的合理開發利用具有重要意義。

1　區域地質環境條件

1.1 地形地貌

本區屬侵蝕、剝蝕構造地貌和侵蝕溶蝕巖溶地貌。礦泉東、南、西三面地勢高，群峰聳立；北面為一狹長、底闊緩、北傾斜的溝谷。侵蝕構造地貌分布在西北部一帶，由泥盆系中統跳馬澗組砂巖、頁巖和寒武系淺變質砂巖、板巖組成，山頂高度一般1000 m以上，相對高差600～800 m，山頂尖棱，山坡坡度在25～35°，溝谷呈“V”形；剝蝕侵蝕構造地貌分布在東南部一帶，由侏羅系中統紫紅色砂頁巖組成，山頂高700～900 m，相對高差400～500 m，山頂較平緩，山坡坡度20～30°，溝谷多呈“V”字形；侵蝕溶蝕巖溶地貌分布于前二者之間地帶，由泥盆系石炭系碳酸鹽巖組成，地形標高300～700 m，相對高差100～300 m，山坡坡度20～30°，局部懸崖絕壁，谷底較開闊，有的亦呈“V”形，呈北東—南西向展布與構造線方向一致。區內地形最高點為礦泉南東約1400 m的山頭，山頂高854 m，最低點在礦泉北部約1500 m的羅泉村，標高326 m，礦泉出露處地形標高356 m。

1.2 地層巖性

區內出露的地層主要有第四系沖積坡積物、泥盆系中上統石炭系和侏羅系中統，由老至新敘述如下：

（1）第四系坡積物：分布于谷底較開闊地帶，為碎屑巖、砂礫卵石及黃土等沖積殘坡積物，厚1～3 m。

（2）泥盆系中、上統：①中統跳馬澗組（D2t）為灰色、暗紫紅色石英砂巖、頁巖，含礫石英砂巖及石英礫巖厚63～100 m。②中統棋梓橋組（D2q）為深灰色白云巖，白云質灰巖、灰巖，厚130～177 m。③上統佘田橋組（D3s），下段（D3s1）為深灰色灰巖夾白云質灰巖、泥質灰巖及白云巖，局部夾同生角礫巖，厚306 m；上段（D3s2）下部為灰巖，上部為泥質灰巖，底部有一層灰質石英粉砂巖，厚123 m。④上統錫礦山組（D3x），下段（D3x1）為深灰色灰巖，泥質灰巖，含白云質灰巖，中上部含燧石結核和條帶，厚206 m；上段（D3x2）為深灰色灰巖、泥灰巖、石英粉砂巖、石英砂巖，厚53 m。

（3）石炭系下統巖關階（C1y）：下段（C1y1）巖性為深灰色灰巖夾砂質頁巖、鈣質粉砂巖，厚170 m；中段（C1y2）巖性為頁巖、泥灰巖夾粉砂頁巖、粉砂質泥灰巖，厚30 m；上段（C1y3）巖性為深灰色灰巖夾紫紅色泥灰巖，鈣質頁巖，厚66 m。

（4）侏羅系中統白香帶組（J2b）：巖性上部紫紅色中厚層狀泥巖、粉砂質泥巖、粉砂巖夾中細粒長石石英砂巖；下部為紫紅色中厚層狀中細粒長石石英巖、砂質礫巖，厚77～816 m。

1.3地質構造

本區屬華夏構造體系，構造形跡主要為北東走向，由向斜北東向的壓扭性斷裂組成。

向斜軸向總體北東，南西端揚起。核部由下石炭統大塘階地層組成，兩翼依次出現下石炭統巖關階和上泥盆統錫礦山組、佘田橋組和中統棋梓組、跳馬澗組。羅泉礦泉水即出露于向斜南東翼的錫礦山組地層中。向斜南東翼與侏羅系斷陷盆地接合部位發育有兩條斷層。

F1：大屋場—楓樹下壓性斷裂，區域活動性斷裂。走向總體北東，長約數公里。斷裂面傾向290～315°，傾角42～55°，斷裂破碎帶寬10～16 m，發育構造角礫巖及構造透鏡體，且伴有糜棱巖化、硅化、方解石化和片理化。斷層北西盤中，上泥盆統沿斷裂面向南東推覆到南東盤中侏羅統之上。

F2：F1斷裂上盤的大湯斷裂，走向近東西，東端與F1斜交；地表可見長度約1 km，斷裂面傾向北，傾角80°，沿斷裂巖層波狀撓曲異常發育，見斷層泥。沿斷裂帶落水洞呈串珠狀分布。此斷裂具先壓后張的特性。礦泉水出露于該斷裂下盤。

另外在向斜核部發育一條北水—西臘壓性斷裂（F3），呈北東南西向延伸。沿斷裂發育有構造角礫巖帶，可見寬度3～25 m。斷裂影響的地層主要為下石炭統巖關階和大塘階，而各地層缺失情況不盡一致。在向斜北西翼的泥盆系中發育一條F4壓性斷裂。

1.4 水文地質條件

1.4.1 地下水類型及富水性

區內地下水主要有碳酸鹽巖溶洞裂隙水和碎屑巖裂隙水兩大類。

（1）碳酸鹽巖溶洞裂隙水分為水量豐富和水量中等的兩個亞類。其中，水量豐富的含水巖組由泥盆系上統錫礦山組下段和石炭系下統巖關階下段碳酸鹽巖組成，泉流量一般1～10 l/s，最大29 l/s，暗河流量大于10 l/s 。礦泉水即出露在本含水巖組。水量中等的含水巖組由泥盆系中統棋梓橋組、佘田橋組灰巖、白云巖、泥質灰巖和泥灰巖組成，泉水流量一般0.1～1.0 l/s。

（2）碎屑巖裂隙水

含水巖組由泥盆系中統跳馬澗組、上統錫礦山組上段，石炭系下統巖關階中上段砂巖、礫巖、頁巖和侏羅系中統砂頁巖、礫巖等組成，泉流量一般小于0.5 l/s，水量總體貧乏。

1.4.2 斷裂構造富水性

這里只敘述與礦泉水有關的F1、F2斷裂構造富水性。

F1屬區域活動性斷裂，北西盤為碳酸鹽巖強含水巖組，含水又導水，凹仔窯南200 m泉水流量4.45 l/s；南東盤為含水性弱的侏羅系砂礫巖，地表未發現泉水。

F2斷裂先壓后張，斷裂帶為斷層泥和劈理巖，其含水導水性很弱。但兩盤破碎帶既含水又導水，上盤出露兩個常溫泉，流量分別為4.45 l/s和5.61 l/s，下盤出露熱礦泉，有三個涌水點呈線狀沿斷裂帶方向排泄涌出，其自流量總計27.23～29.24 l/s，經抽水試驗，最大降深為3.65 m，涌水量37.5 l/s。

1.4.3 地下水的補給、徑流、排泄條件

（1）補給、徑流、排泄條件

區內東、南、西三面地勢高，大氣降水通過砂巖，碳酸鹽巖的裂隙、溶隙、溶洞和斷裂破碎帶向地下滲透，其中一部分水滲入地下后，以不同的運移速度經淺部循環后，在適宜地段排泄于地表，區內的常溫泉往往是這樣形成的。另一部分水繼續向深部循環，在深循環過程和較長時間的埋藏中，一方面增溫與圍巖作用溶解或溶濾一定量的化學組分，一方面沿F1斷裂向F2斷裂運移，運移至導水導熱的F2斷裂下盤時，在水壓力驅動下，沿斷裂帶下盤上升，以熱泉形式排泄于地表（圖1）。

（2）礦泉水水量與靜止水位

礦泉水水量十分豐富。1991年11月至2011 年5月，經抽水試驗，其自然水位降低3.65 m，自流流量2496.53 m3/d；當水位降深4.72 m時，涌水量3240 m3/d。1992年11月采用水泵抽按最大降深（2倍降深）9.44 m預測其最大涌水量為6479.9 m3/d。試驗結果表明礦泉水兩次降深涌水量呈直線關系。2011年3月、5月野外調查采用堰測法，其自然水位降低3.54 m，測得自流量為2419.29 m3/d。

圖1　羅泉礦泉水補、逕、排水文地質剖面示意圖Fig.1 Luoquan mineral water fill,runoff,discharge hydrogeological cross-sectional schematic

（3）礦泉水動態變化特征

圖2　羅泉礦泉水流量和水溫動態曲線圖Fig.2 Dynamic graph Luoquan mineral water flowand water temperature

從1991年11月至1992年12月，通過對該礦泉水水質、水溫和流量動態長期觀測，從豐、枯季兩次取樣分析測試結果，其主要成分的變幅仍在10%之內，泉流量27.23～29.24 l/s，變幅2.01 l/s；水溫48.0～50℃，變幅1.5℃；礦泉水各項指標的變化幅度均在10%之內。這些充分說明礦泉水水質、流量和水溫的動態是穩定的，受季節影響甚微（圖2）。地下水主要為泥盆系上統錫礦山組、棋梓橋組，佘田橋組灰巖、白云巖、泥質灰巖和泥灰巖組成的碳酸鹽巖溶洞裂隙水為主，泉流量一般0.11～10 l/s，最大29 l/s泉流量，暗河流量大于10.l l/s。其次為泥盆系中統跳馬澗組、上統錫礦山組上段、石炭系下統巖關階中上段砂巖、礫巖、頁巖和侏羅系中統砂頁巖、礫巖組成的碎屑巖裂隙水，泉流量一般小于0.5 l/s，水量總體貧乏。

據收集的有關資料和調查，礦泉水水源地在地形分水嶺范圍內沒有居民居住區，沒有稻田更沒有工廠、礦山，全部為崇山峻嶺、植被茂盛、風景秀美，完全是一派自然風光環境。礦泉水產于泥盆系上統錫礦山組下段碳酸鹽巖裂隙溶洞水含水巖組，受斷裂構造影響，水量豐富，礦泉水為天然自流，其補給、徑流、排泄均處于自然平衡狀態，不存在地下水資源破壞問題。

現礦泉水廠已于2011年底停產，僅澡堂在營業，其規模小，廢水量小，有害組分含量低，對地表、地下水污染均影響較輕。

1.5.2 土地資源、土石環境

1987年以來，包括人工開挖涌水點成水池、修建礦泉水廠房和澡堂、泳池以及其它設施共占地約5000 m2，占地面積小，且占用地類均為林地和未利用地，對土地資源影響較輕；礦泉水生產和澡堂營業不產生固體廢棄物、廢水量小，有害組分含量低，對植物生長影響小，對土石環境破壞、污染影響較輕。

礦泉水開采區巖體穩定性好，植被茂盛，覆蓋率高，現狀未發現崩塌、滑坡、泥石流等地質災害及較大隱患，其危險性小，影響較輕。

礦泉水雖產于巖溶發育區，其巖溶發育已處于相對平衡狀態，現狀未發現巖溶地面塌陷，礦泉水自流引發巖溶地面塌陷的危險性小，影響較輕，礦泉附近無礦山采空區，不存在發生地面沉降(塌陷)的危險，影響較輕。

2　礦泉水的地球化學分析

1.5 環境地質條件

1.5.1 水資源、水環境

本區主要有東江水庫及其支流、李家洞水庫。

羅泉礦泉水出露處地形標高356 m，靜止水位3.65 m。斷層帶泥盆系下統錫礦山組的含水層具有+360 m統一的水位標準，含水層水側向滲漏補給地下水。另外該承壓含水層也接受上部潛水越流下滲，與東南部山區的碎屑巖裂隙水也有一定的聯系。

2.1 鍶形成的水化學分析

（1）鍶（Sr）是ⅡA族元素，與鈣、鎂、鋇處在同一主族的堿土金屬。它的化學性質活潑，前移性強，容易失去最外層的2個價電子而變成離子。對周圍的地球化學（溫度、壓力、濃度、PH值、氧化還原電位、表面能等）適應性強，且具有很強的遷移力。鍶離子與鈣、鎂相近，電價相同，常以類質同相共存于巖石礦物之中。在地下水中經常會發生離子交替吸附，從而被鈣、鎂取代而進入水中。

（2）羅泉礦泉水賦存于水量豐富的泥盆系上統錫礦山組下段碳酸鹽巖中。巖層中主要礦物成分為灰巖、長石、石英，鍶以分散的形式呈類質同相存在于含鈣、鎂的巖石中，當水與這些巖層作用后，鈣、鎂巖石解體，使鍶進入地下水中。而地下水主要以HCO3--Ca(Mg)型為主，而鍶與鈣、鎂可以經常發生離子交替吸附，使其它巖層的鍶進入水中，從而增加了地下水中鍶的含量。

（3）本區地形低洼處有第四系碎屑巖、砂礫卵石及黃土等沖積坡積物覆蓋，地下水在由山區向低洼處徑流過程中，與圍巖長期接觸，經溶濾、水解和碳化作用，使水中的鍶含量不斷增高，從而達到礦泉水界限標準。該泉水就是出露在地形低洼處。

2.2 偏硅酸形成的水化學分析

硅元素是地殼中最豐富的元素之一，硅酸鹽礦物占地殼主體的3/4。地下水中的硅酸是通過溶解硅酸鹽礦物而形成。硅酸在水中容易電離呈偏硅酸，水與礦物作用是否持續進行，與地下水循環深度、徑流通暢條件密切相關。由水和硅酸鹽礦物作用常形成更難溶解的次生物，包圍在原生礦物周圍，減緩水巖作用。當徑流條件好時使之徹底溶解，水中偏硅酸含量進一步提高。另外，偏硅酸在水中的溶解度對水溫很敏感，水溫越高溶解度越大。

羅泉礦泉水出露的含水層為水量豐富的泥盆系上統錫礦山組下段和石炭系下統巖關階下段碳酸鹽巖組成。同時，礦泉水出露的斷裂破碎帶寬10～16 m，發育構造角礫巖及構造透鏡體，并伴有糜棱巖化、硅化、方解石化和片理化。為此，沿斷裂帶形成了泥盆系灰巖水的強徑流帶和富水區，由于徑流途徑長，循環深度大，水溫高，壓力大，水中溶解的礦物質增加，水質為HCO3?SO4--Na?Ca?Mg型，礦化度為337.02～370.71 mg/L，水中偏硅酸為31.2～39.0 mg/L，達到礦泉水界限標準。

3　礦泉水的生成機理探討

F1斷裂屬區域活動性斷裂，該礦泉水出露在次級斷裂F2下盤。斷裂的蠕動釋放熱和地下增溫為礦泉水提供了熱源；通過水中偏硅酸含量和水溫計算其循環深度約2700 m。

3.1 熱儲溫度

根據地下水中可溶SiO2的溶解度與溫度呈正向關系，利用SiO2的濃度，采用無蒸汽損失的石英溫標計算深部礦泉水形成該濃度的熱儲溫度。

t=[1309/（5.19-lgC1）]-273.15=70.42℃，式中t：熱儲溫度，C1：SiO2含量（24 mg/L）。

3.2 循環深度

根據地溫梯度計算循環深度：

H=G（Th-tB）+h=50（70.42-16.7）+20= 2706 m；式中H：礦泉水循環深度；G：地熱增溫級(根據收集石油鉆井資料：50 m/℃)；Th：礦泉水的熱儲溫度（70.42℃）；tB：本地的平均氣溫（16.7℃）；h：恒溫帶深度（20 m）。

3.3 循環通道

水源地東、南、西三面接受降水入滲，滲入水沿F1斷裂或其它裂隙系統通道向深部滲透運移到特定的深度、由分散到集中、循環且不斷增溫，并溶解、溶濾了圍巖一定量的微量組分，變成含有特殊離子的地下水后，由潛水逐漸轉變為承壓水，然后沿斷裂帶繼續運移至與F2斷裂交匯處附近，由于F2斷裂帶有厚度大于3 m的斷層泥和劈理化帶隔水、隔熱、其下盤碳酸鹽巖巖溶裂隙發育，為礦泉水提供了導水導熱通道，于是沿F2斷裂下盤上升溢出地表。

4　結論及建議

4.1 結論

（1）羅泉礦泉水出露于含水量豐富的由泥盆系上統錫礦山組下段和石炭系下統巖關階下段碳酸鹽巖組成的巖組中。泉水自流開采方便，水量豐富，最大涌水量3240 m3/d，允許開采量2400 m3/d，開采水量有保障。

（2）該礦泉水的形成是砂礫石層風化溶解、鍶硅離子交替吸附，同時主要補給為東南邊山前斷裂帶泥盆系灰巖水側向補給，加之上覆潛水越流補給等共同作用的結果，形成了富鍶、偏硅酸的重碳酸—鈉、鈣型天然飲用礦泉水。

（3）多年開采實踐證明，鍶（Sr）含量隨著開采時間的推移總體呈下降趨勢，偏硅酸（H2SiO3）含量基本穩定。

（4）綜上所述，該礦泉水具有地熱、地質、水文地質和水文地球化學的獨特環境，有良好的熱源供給，有較豐富的礦泉水物質來源，F1、F2斷裂具有提供熱源，傳輸熱能、導水以及良好的隔水保溫條件。該礦泉水為含鍶偏硅酸適合飲用低鈉水的優質天然礦泉水，并含有微量鋰、鋅、銅、硒等對人體健康有益組分，兼具高熱醫療價值，可作為瓶裝礦泉水及其它飲料母液開發。

4.2 建議

雖然礦泉水無任何污染源，但在今后開采中，要加強衛生防護區建設和水質監則。

（1）設立衛生防護區，嚴格各項防護措施。礦泉附近地表防污能力較薄弱，且開發利用礦泉水是綜合性的，既生產飲用礦泉水和以礦泉水為母液生產飲料系列，又要發展旅游、療養和養殖、種植等，需水量大，產生的廢水量也大，為確保礦泉水的水質，建議按國標要求設立衛生防護區。

（2）礦泉水允許開采量大，水溫高，要全面規劃做到飲用、醫療、休閑、種養殖等綜合利用。

（3）加強水質的監則，注意做好開采中的水質、水溫、水量的動態長期觀測工作。

參考文獻/References

[1]湖南省地礦局水文一隊，湖南省汝城縣羅泉礦泉水勘察報告[R]， 1992.

[2]湖南省地質礦產勘查開發局四0二隊，湖南省汝城縣暖水鄉羅泉礦泉水資源評價報告[R]，2011年06月，歐任文等.

[3]陳履安，天然礦泉水[J].人民教育出版社，1993.

To Investigate the Luoquan Formation Mechanism of Mineral Water in Rucheng

Wang Xiaoqing,Cheng Daihua,Ou Renwen,Liu Zhenqi
(Hunan Coal Geology Prospecting Institute,Changsha Hunan 410014)

Abstract:Luoquan mineral water source is located in Luoquan village,Nuanshui town,Rucheng county,the aquifer is the rocks of the upper Devonian Xikuangshan formation and the lower carboniferous Yanguanian stage carbonate rock.Mineral spring water depth of 356 m(3.65 m)static water level above the ground,the maximum yield of 6479.9 m3/d.Water quality evaluation for containing strontium and metasilicic acid,sodium bicarbonate,calcium type mineral water.Through to the water source of topography ,geological structure,formation lithology,hydrogeological conditions and other regional geological environmental conditions and geochemical analysis,hat mineral water is sandy gravel layer weathering dissolution,strontium,silicon ions adsorption results alternately,the main supply to southeast very lateral fault belt of devonian system limestone water supplies,as well as the overlying diving supplies,such as the flow together and form.Mining practice proved that the content of strontium(Sr)as the structure,the passage of time is on the decline,metasilicate(H2SiO3)content basically stable.The mineral water for drinking low sodium and high quality natural mineral water.

Key Words:Luoquan mineral water;geological environmental conditions;geochemical analysis;forming mechanism to investigate

收稿日期：2016-1-15；改回日期：2016-2-23。

*第一作者簡介王小清，女，1968年生 ，煤田地質與勘探專業，工程師，主要從事水文地質、環境地質、煤田地質等技術工作。E-mail:646398961@qq.com

文章編號：1672-5603（2016）01-044-6

中圖分類號：P641.5

文獻標識碼：A