安化縣玉溪村地段礦泉水成因水文地球化學模擬分析

陳萬利，劉 虹，王惠東，韋光景

（1.湖南省核地質調查所,湖南 長沙 410000；2.徐州市河湖管理中心,江蘇 徐州 221000）

目前,國內外學者進行礦泉水成因分析中常采用水化學類型法、飽和指數法和離子關系法[1],而對于水巖作用,則主要采用水文地球化學模擬[2]。本文運用上述方法,結合地質環境背景條件,建立物質遷移模型,研究玉溪村地段礦泉水成因。

由于玉溪地段新發現鍶礦泉水,水質較好,鍶含量豐富,且該地段水文地球化學研究成果較少,科學研究礦泉水的成因對于該地段礦泉水的開發利用具有重要意義。本文以玉溪村地段礦泉水為研究對象,分析其形成條件,識別礦泉水的水化學類型,分析礦泉水在徑流過程中水巖相互作用。

1 地質背景概況

1.1 地下地貌

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

1.2 地層巖性

研究區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、炭質板巖、絹云母板巖；寒武系（Э）黑色炭質板狀頁巖、黑色鈣泥質頁巖；奧陶系（O）青灰色、黃綠色粉砂質板巖夾絹云母板巖、淺變質粉砂巖。

1.3 地質構造

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

ZK01、ZK04 鉆孔為本次勘查主要礦泉水井,位于北東向構造F6 上盤及寒武地層內。北東向F5 斷裂與F6 斷裂的構造系統,為地下水的補給和儲存提供了有利條件,寒武系碳酸鹽巖巖溶水為鍶礦泉水的形成提供了物質基礎,高密度電法1 線和5 線反演斷面圖見圖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 鍶元素的物質來源

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。

研究區及其周邊富含鍶的巖性主要為寒武系灰巖,鍶含量為478 ppm～1187 ppm,見表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基礎[3]。

表1 水源地及其周邊主要巖石中Sr 含量 單位：%

2.2 礦泉水的補給條件

大氣降水是水源地地下水的主要補給來源,水源地年平均降水量為1450.88 mm,最高達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給。

2.3 礦泉水的徑流

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

2.4 礦泉水的儲存條件

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

3 水文地球化學特征

3.1 水化學類型

研究區地下水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特征均不同,ZK01 孔以上部巖溶水為主,水化學類型為HCO3-Ca 型,處于中性環境；ZK04 孔為下部巖溶構造裂隙水,水化學類型為HCO3-Na·Ca·Mg 型,處于弱堿性環境；ZK03 井為底部沉積巖構造裂隙水,水化學類型為HCO3-Na 型,處于弱堿性環境,研究區地下水piper 見圖2。

圖2 研究區地下水piper 圖

3.2 鍶含量的分布

ZK01/CK01 和ZK04 均位于高含鍶區,鍶含量均大于0.5 mg/L,為0.59 mg/L～1.83 mg/L,達到鍶礦泉水命名標準；相反ZK02和ZK03位于低含鍶區,鍶含量僅為0.29 mg/L～0.31 mg/L,研究區鍶含量等值線見圖3。

圖3 研究區鍶含量等值線圖

4 水文地球化學模擬結果與分析

4.1 徑流路徑上的水化學特征

研究區礦泉水沿F5～F6 構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,研究區礦泉水水化學分析結果見表2。

表2 研究區礦泉水水化學分析結果表 單位：mg/L

4.2 徑流路徑上的水化學特征

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

圖4 研究區徑流路徑上離子濃度

2-和NO3-濃度逐漸降低,表明相關礦物發生持續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,表明相關礦物先沉淀再溶解。

飽和指數（Saturation index）為離子活度積IAP 與平衡常數K的比值,是目前對水巖作用研究中應用最為廣泛的一個指標[4]。研究區礦泉水礦物飽和指數變化見圖5,石英飽和指數變化較小,為-0.61～0.92,表明石英基本處于飽和狀態；碳酸鹽礦物（SrCO3、方解石、白云巖和BaCO3）飽和指數逐漸升高,表明其受HCO3-控制（HCO3-濃度逐漸升高）；石膏飽和指數逐漸降低,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 礦物飽和指數變化

4.3 研究區礦泉水物質遷移模擬分析

水文地球化學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程和人類影響下的水巖相互作用[5]。根據研究區圍巖礦物及礦泉水礦物飽和指數分析,選取相應礦物相,并同時考慮各金屬離子之間的交換作用,建立研究區礦泉水物質遷移模型如下：

根據礦泉水化學組分及礦泉水物質遷移模型,利用PHREEQC 軟件進行物質遷移模擬[6],模擬結果見表3。

表3 物質遷移模擬結果

研究區礦泉水在ZK01 →ZK04 →ZK03 徑流路徑上,進行了復雜的水文地球化學作用。模擬結果表明：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造向下徑流,SrCO3不斷溶解,鍶元素以離子形式進入地下水溶液中,溶解量為2.65 E-06 mol,并達到飽和（SrCO3飽和指數趨近于0）,同時白云巖和BaCO3也發生溶解,CO32-進入礦泉水,與H+結合,促使HCO3-濃度進一步升高,pH 上升,從而導致方解石發生沉淀,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,斷裂構造穿過富鍶地層（寒武系灰巖）,富鍶礦泉水繼續構造向下徑流,由于Sr 元素過飽和（SrCO3飽和指數大于0）,同時方解石和BaCO3發生溶解導致HCO3-濃度急劇上升,進而使Sr2+與CO32-結合產生SrCO3沉淀,鍶離子濃度降低,沉淀量為6.18 E-06 mol,同時白云巖、石膏發生沉淀,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 結論

①研究區富鍶灰巖提供了物質基礎,豐沛降水提供了水源補給,在炭質頁巖隔水作用下,富鍶礦泉水在F5～F6 斷裂構造及其巖溶裂隙系統徑流和儲存。

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

③從水化學特來看,研究區地下水在徑流路徑上,Na+和Ba2+相關礦物溶解或離子交換進入礦泉水溶液中；Ca2+、SO42-和NO3-相關礦物發生持續沉淀或離子交換溢出礦泉水溶液中；Mg2+和Sr2+相關礦物先溶解再沉淀；ΣFe、HCO3-、Cl-和F-相關礦物先沉淀再溶解。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入地下水溶液中,并達到飽和,形成鍶礦泉水,在ZK04 →ZK03 路徑上,由于Sr 元素過飽和,Sr2+與CO32-結合產生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雜過程。