陽泉市郊區張華溝飲用天然礦泉水性質特征及其成因分析

王浩乾 李龍 郭政斌 王波濤 雷鵬

摘要：對山西省陽泉市郊區河底鎮曹家掌村張華溝內的飲用天然礦泉水的賦存地質條件進行了研究。并對S02號泉眼在豐水期、枯水期及平水期進行了水質化驗分析和流量測定。對周圍巖石進行采樣及巖石光譜分析。根據天然礦泉水的性質特征，分析認為該礦泉水類型為含釩鍶飲用天然礦泉水，曹家掌村張華溝飲用天然礦泉水成因與該區的地質構造條件、巖石地球化學條件、水文地球化學條件等密切相關。

關鍵詞：曹家掌村;礦泉水;性質特征;地球化學分析;鍶;釩

中圖分類號：P641.5+1 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）24-0055-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.014 ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis of formation causes and features of natural mineral water in Zhanghua valley of Yangquan city suburb

WANG Hao-qian，LI Long，GUO Zheng-bin，WANG Bo-tao，LEI Peng

（No.3 Bureau of China Metallurgical Geology Bureau，Taiyuan 030000，China）

Abstract： The water bearing condition of natural mineral wate was studied in Zhanghua valley， Caojiazhang village， Hedi town， Yangquan city suburb，Shanxi province. The characteristics and water flow of S02 spring water in high flow period， dry period and normal-water period were studied. The surrounding rocks were sampled and analyzed by rock spectrum. According to the features of natural mineral water， it is considered that the type of the natural drinking mineral water contained the V and Sr. The genesis of drinking natural mineral water from Zhanghua valley in Caojiazhang village was closely related to the geological structure， petrogeochemistry and hydrogeochemistry of the area.

Key words： Caojiazhang village; mineral water; nature features; geochemical analysis; strontium; vanadium

山西省陽泉市郊區河底鎮曹家掌村張華溝內出露5個泉眼，位于陽泉市河底鎮西南劉備山北部張華溝內，北東距河底鎮5 km，出露高程1 037.55～1 088.75 m。

陽泉市郊區屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季變化比較明顯，春多風沙，夏秋多雨，冬季干寒。年平均氣溫10.8 ℃，年平均降水量547.2 mm，年降水量分布不均，每年6—9月為豐水期，3—5月為枯水期，其余月份為平水期。年平均相對濕度54%，凍土最大深度68 cm。

陽泉市郊區屬于海河流域滹沱河水系[1]，泉眼所在張華溝為桃河四級支溝（桃河-溫河-曹家掌溝-張華溝），張華溝地表常年有水，地表水流由溝谷內泉水匯集而成，由西南向東北匯入三交河后再匯入溫河，流入桃河，桃河為滹沱河支流。

研究區內總的地勢為西南高東北低，屬中-低山區，海拔多在1 032～1 298 m，相對高差266 m。最高峰為窯頭山，海拔1 298 m，最低點位于張華溝東北部，海拔1 032 m，地形地貌為侵蝕構造類型。區內山體多呈北東向展布。泉眼出露位于張華溝，溝谷長約3.2 km，斷面呈U字形，底部寬度50 m左右，溝谷兩側斜坡坡度一般為18°～20°，局部可達35°;南部梁卯展布方向大致為東西向，較為寬緩，東西兩側梁卯大致呈西南-東北方向展布，較為狹長。溝谷東西兩側發育數條小支溝，長度200～500 m。

1 ?礦泉水賦存的地質背景

1.1 ?礦泉水賦存的地質條件

1.1.1 ?地層巖性 ?研究區內地層屬華北地層區晉冀魯豫地層分區[2]，區內大部基巖出露，呈北東向展布，風化較為強烈，僅在溝谷底部覆蓋有少量第四系。出露的基巖地層為二疊系下石盒子組（P1x）、上統上石盒子組（P2s）（圖1）。區內未見巖漿巖。

1.1.2 ?地質構造 ?研究區在大地構造位置上處于中朝地臺（Ⅰ）山西幔隆（Ⅱ）沁水塊坳（Ⅲ）的東北部娘子關-坪頭坳緣翹起帶（Ⅳ）[3]。受區域地質構造的控制和影響，區內總體為一走向北東、傾向北西的單斜構造。在這一單斜構造之上，發育了一些次一級的短軸背、向斜，這些次級構造多呈北東或近南北向展布。區內地層總體走向為北東、傾向北西，傾角4°～9°。

區內主要可見3組節理產出，分別為1組層間節理和2組垂直節理，部分節理發生少量位移形成裂隙，主要在砂巖中發育（圖2a、圖2b、圖2c、圖2d）。1組為層間節理，順層產出或與巖層小角度相交產出，傾向北西，傾角5°～15°，節理裂隙間無充填，產出密度為5～8條/m。此外，2組為垂直節理，1組節理走向為35°～55°，傾角65°～75°，密度為8～10條/m;另1組節理走向為310°～340°，傾角為70°～85°，此2組節理呈大角度相交狀，密度為6～9條/m（圖2e、圖2f）。部分節理發生位移形成裂隙，野外調查發現裂隙寬通常為5～60 cm，最大寬度為1 m，延伸長度通常為15～100 cm，最大長度為6 m，裂隙間無充填物（圖2a、圖2b、圖2c、圖2d）。這2組節理為張性節理，是在新構造運動下間歇性上升形成的。

1.2 ?礦泉水賦存的水文地質特征

1.2.1 ?含水層特征 ?根據地下水的賦存條件、物理性質及水動力特征，含水層內地下水主要為碎屑巖類裂隙水和松散巖類孔隙水。

1）碎屑巖類裂隙水。含水層賦存于二疊系上、下石盒子組地層中，巖性為K9、K10、K11砂巖，貯存空間為構造節理和層面裂隙，多以層間裂隙水存在。砂巖與隔水性能強的砂質頁巖、頁巖相間沉積，受溝谷切割影響，含水層在接受大氣降水后，形成地下徑流，在合適的地段以泉的形式涌出。由于呈層狀產出，間夾隔水體，不同層位的含水層構成若干小的含水系統，其間有水力聯系。一般含水層單層厚小于20 m。

2）松散巖類孔隙水。賦存在張華溝溝谷底部，底部巖性為沖洪積砂卵礫石、碎石，上部為粉土，厚度0～2 m。除接受基巖裂隙水的側向補給外還接受大氣降水的入滲補給。在排泄方式上，除一部分蒸發和向下游排泄以外，部分為人工開采，大部分地下水沿著溝谷向下游徑流、排泄。

1.2.2 ?相對隔水層特征 ?相對隔水層為二疊系地層中的頁巖、砂質頁巖，在水源地調查區內大概可見4層，分別為二疊系上石盒子組二段頁巖、砂質頁巖，位于K12與K11砂巖之間;二疊系上石盒子組一段頁巖、砂質頁巖，位于K11與K10砂巖之間;下石盒子組3段砂質頁巖，位于K10與K9砂巖之間。頁巖透水性差，在垂向上與各含水層呈平行互層結構，使各含隔水層（體）多處于分散間隔狀態，失去了相鄰含水層間的水力聯系而各自形成獨立的含水體系，被地表溝谷切割常沿隔水層頂板出露形成泉水。泉S01-05均出露于砂巖地層中，下部地層均為頁巖。區內地下水類型為碎屑巖類裂隙水，具有潛水性質。

2 ?礦泉水特征

2.1 ?水質動態

本次飲用天然礦泉水水質檢驗項目、樣品采集和保存[4]、檢驗方法參照《天然礦泉水資源地質勘查規范》[5]《飲用天然礦泉水國家標準》[6]和《飲用天然礦泉水檢驗標準》[7]。在S02泉按2017年豐水期、平水期和枯水期分別采樣送國土資源部太原礦產資源監督檢測中心進行了天然礦泉水水質全分析，根據水質檢測報告對該泉水水質進行評價。

分析結果表明，該山泉水中微量元素鍶（Sr）和釩（V）含量均達到界限指標與國家標準[6]，檢測結果表明，鍶含量0.334～0.780 mg/L，釩含量0.029 6～0.072 0 mg/L。主要組分有溶解性總固體341～451 mg/L，鈉含量0.97～64.80 mg/L，鉀含量0.44～0.93 mg/L，鈣含量40.8～55.8 mg/L，鎂含量7.57～11.30 mg/L，重碳酸根含量148～262 mg/L，氯化物含量7.43～8.36 mg/L，硫酸根含量47.9～85.2 mg/L，變化較小，水質動態穩定（表1）。水化學類型為HCO3-SO4-Ca型，水化學類型穩定。

2.2 ?水質評價

S02泉水無色、無味、無嗅、透明純凈（表2），泉水中鍶（Sr）的含量為0.334～0.780 mg/L，釩含量為0.029 6～0.072 0 mg/L（表3），污染物指標（表4）、各項限量指標（表5）、微生物指標（表6）也均符合國家標準[6]，可命名為含釩鍶飲用天然礦泉水，長期飲用對人體起到保健作用。

釩并無國家規定標準[8]，但釩是人體正常生長所必需的微量元素，具有降低血糖的作用，含釩水可以改善及增強人體各方面代謝功能，從而可以改善與緩解糖尿病患者多種綜合代謝障礙。

2.3 ?水量動態

2017年3—12月對編號為S02的泉眼進行了流量的動態觀測工作，觀測頻率為每月3次。觀測結果表明，最大泉流量出現在2017年8月，為6.47 m3/h;最小泉流量出現在2017年4月，為5.09 m3/h。

泉流量隨降水補充略有變化，2017年3—5月為枯水期，降水量很小，隨向下游徑流及排出水量消耗減壓，泉流量略有減小，平均流量為5.10 m3/h。6—9月為豐水期，降水量較大，地下水得到補充，泉流量增大，平均流量為6.05 m3/h。10—12月為平水期，泉流量介于兩者之間，平均流量為5.25 m3/h。

3 ?成因分析

3.1 ?礦泉水形成的地質構造條件

地下水的運移和富集既與地層、巖性有關，又受地質構造控制[9]。區內節理十分發育，縱橫交錯。其結構面力學性質均系張性、張扭性，開啟程度好，裂隙空間導水性強，這為地下水的移運和富集提供了理想的通道和賦存空間。大氣降水沿節理裂隙入滲補給，由于區域地殼間歇性上升，地表水下蝕作用，在厚層砂巖（K9、K10、K11）與下伏砂質頁巖接觸處形成多處侵蝕下降泉。

3.2 ?礦泉水形成的巖石地球化學條件

地下水化學成分形成主要取決于碎屑巖的礦物成分、化學成分[10]。通過對區內出露巖性連續采樣（圖3a、圖3b）及光譜分析（表7）可知，區內巖性普遍含有元素釩和鍶，但是不同巖性之間的含量差異較大。其中上石盒子組、下石盒子組中淺色砂巖中釩和鍶的含量普遍較低，釩的含量為0.002%～0.008%，鍶的含量為0.002%～0.008%。上石盒子組碎屑巖中砂質頁巖中鍶含量最高達0.045%、釩含量最高達0.017%，鐵錳結核鍶含量達0.036%、釩含量達0.017%。

因此，張華溝內釩和鍶主要賦存于錳鐵質結核和各色砂質頁巖中，在水解的過程中為水中釩、鍶的來源提供了物質基礎。

3.3 ?礦泉水形成的水文地球化學條件

碎屑巖裂隙水化學成分的主要作用是大氣降水入滲和裂隙水在碎屑巖中貯存、運移過程中對巖石各類礦物質的溶濾作用（溶濾作用是一種復雜的物理化學作用），影響溶濾作用的因素很多，但主要與巖石的礦物成分、化學成分和大氣降水成分有關[11]。

3.3.1 ?裂隙水主要組分（即流量組分）形成 ?張華溝內上石盒子組碎屑巖主要為長石石英砂巖、各色砂質頁巖，主要礦物成分為長石、石英和黏土礦物，主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MnO、Na2O等，降水入滲和裂隙水在碎屑巖中貯存、運移過程中對礦物溶濾（物理化學作用）[12]，在裂隙水中形成了主要陽離子Ca2+、Na+、Mg2+和主要陰離子HCO3-、SO42-。

3.3.2 ?裂隙水中界限指標元素形成

1）地球化學研究成果表明，鍶是地球內較豐富的微量元素之一[8]，從地核到地殼鍶的含量逐漸增加，地殼上部泥質碳酸鹽巖和砂質頁巖中易富集，含量可達0.078%;釩在地殼上部黏土巖和含有機物砂質頁巖中、鐵錳結核礦物中富集，含量達0.016%。

2）根據巖石光譜分析結果可知，水源地調查區上石盒子組碎屑巖中各色砂質頁巖鍶含量達0.045%、釩含量達0.017%，鐵錳結核鍶含量達0.036%、釩含量達0.017%。調查區上石盒子組碎屑巖各色砂質頁巖和鐵錳結核中鍶、釩含量與地球化學研究成果一致。

3）裂隙水中界限指標元素組成。大氣降水入滲和裂隙水在碎屑巖中貯存、運移過程中，對砂質頁巖、頁巖、鐵錳結核中含鍶、釩礦物的溶濾，使鍶、釩以離子或絡離子狀態進入裂隙水中。S02泉水豐水期、平水期、枯水期3次采樣檢測結果表明，鍶的含量為0.334～0.780 mg/L，釩的含量為0.029 6～0.072 0 mg/L。

4 ?小結

山西省陽泉市郊區河底鎮曹家掌村張華溝泉賦存于二疊系上石盒子組砂巖節理裂隙中，是大氣降水入滲和裂隙水在碎屑巖中貯存、運移過程中經溶濾作用形成。研究區內節理裂隙十分發育，縱橫交錯。其裂隙空間由于導水性強，為地下水的移運和富集提供了理想的通道和賦存空間。在構造和地貌有利部位以泉的形式出露于地表，形成侵蝕下降泉。研究區內大氣降水主要通過裂隙滲透補給，在沿裂隙向深部移運循環過程中，在長期與周圍巖石進行水解和溶濾作用過程中，使得巖石中的含鍶、釩等礦物發生水解，鍶、釩等一系列組分溶于水中，從而使得地下水成為含釩鍶礦泉水。

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