湖北省偏硅酸型礦泉水水文地球化學特征及成因分析

翟振飛,譚光超,李智民,石長柏,王萬里

(1.湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020; 2.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 荊州 434020)

偏硅酸型(含偏硅酸—鍶復合型)礦泉水是常見的飲用天然礦泉水類型之一,深受礦泉水市場青睞,消費需求量逐漸攀升。國內學者對偏硅酸型礦泉水的研究較多,除了對單點偏硅酸型礦泉水水質特征和成因模式的研究[1-3],還注重對區域偏硅酸型礦泉水成礦規律的總結[4-6]。湖北省飲用天然礦泉水資源較豐富,截至2022年,全省共發現飲用天然礦泉水83處,其中偏硅酸型礦泉水有53處(含偏硅酸—鍶復合型29處)。?？姷萚7]將湖北省飲用天然礦泉水劃分為鍶型、偏硅酸型、鍶—偏硅酸復合型、硒型、硒—鍶復合型等5種類型,總結提出斷裂深循環型、裂隙淺循環型、層間緩慢徑流型等3種成因類型。文美霞等[8]將湖北省飲用天然礦泉水劃分為構造斷裂型含鍶—偏硅酸礦泉水區、基巖裂隙型含鍶—硒—偏硅酸礦泉水區、沉積盆地型含鍶—偏硅酸礦泉水區等三大礦泉水分區。上述研究極大地提升了湖北省飲用天然礦泉水的研究程度,為快速選擇水源地提供了重要依據,然而對偏硅酸型礦泉水的專門研究幾乎沒有,限制了該類型礦泉水的成因認識。本文在系統收集湖北省偏硅酸型礦泉水地質資料和水質分析數據的基礎上,開展水文地球化學特征和成因研究,助力偏硅酸型礦泉水勘查評價與開發。

1 研究區概況

1.1 自然地理

湖北省處于中國地勢第二階梯與第三階梯的過渡地帶,地貌類型多樣,山地、丘陵、崗地、平原皆有。具亞熱帶季風氣候,全省年均氣溫為15～17℃,夏季平均降雨量為300～700 mm,冬季平均降雨量為30～190 mm。6月中旬—7月為梅雨期,降雨最多,強度最大。湖北省河湖水系發育,屬于長江流域,水資源較豐富。

1.2 地質背景

湖北省大地構造位置主要跨2個二級構造單元,北部為南秦嶺—大別中生代造山帶,南部大部分為揚子陸塊[9],除缺失上志留統上部與下泥盆統下部外,元古界—新生界其余地層均有不同程度出露,且發育良好、層序較完整。南秦嶺—大別中生代造山帶主要分布變質巖、巖漿巖,揚子陸塊主要分布沉積巖。不同的地層巖性控制著礦泉水的物質成分,SiO2含量較高的巖漿巖、碎屑巖為偏硅酸型礦泉水的形成提供了物質基礎和水文地球化學環境[10]。

湖北省發育NW、EW、NNE、NE、NNW等5組斷裂體系,控制了不同時代地層的發育、構造形變、巖漿噴出或侵入活動,改變了巖石地層物性,改善了水溶性SiO2的遷移富集條件。

湖北省地下水類型發育齊全,松散巖類孔隙水、碎屑巖裂隙孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水、變質巖裂隙水、巖漿巖裂隙水等均有分布(圖1)。降水豐富,地形起伏多變,巖性齊全,構造發育齊全,發育出眾多類型的地下水系統,為礦泉水的形成提供了豐富的流體來源。

1.3 偏硅酸型礦泉水分布規律

1.3.1地層巖性控制

湖北省偏硅酸型礦泉水分布于鄂西北、鄂東北、江漢平原、鄂東的藥姑山和大幕山等地,主要賦存于震旦系—奧陶系碳酸鹽巖、古近系—第四系碎屑巖、前震旦系變質巖地層和部分巖漿巖中。53處偏硅酸型礦泉水中,9處賦存于震旦系—奧陶系白云巖、灰巖中,如宜城華嚴寺礦泉水(W30);1處賦存于志留系砂巖破碎帶中,即武漢清泉礦泉水(W16);1處賦存于三疊系灰巖中,即黃石啤酒廠礦泉水(W51);1處賦存于侏羅系砂巖中,即秭歸高峽礦泉水(W32);26處賦存于古近系、新近系和第四系砂礫巖中,如枝江顧家店礦泉水(W36);2處賦存于古近系砂巖夾玄武巖中,如荊州跑馬泉礦泉水(W37);1處賦存于新近系泥灰巖和三疊系中砂巖中,即荊門十里牌礦泉水(W34);3處賦存于前震旦系變質巖地層中,如英山三門河礦泉水(W20)賦存于大別群鐵冶組。其他9處賦存于巖漿巖中,包括玄武巖中3處,如安陸碧山礦泉水(W44);石英閃長巖中1處,即大冶天臺礦泉水(W52);花崗巖中4處,如通山九宮山礦泉水(W24);流紋巖和安山巖中1處,即鄂州金雞坡礦泉水(W17)。

1.3.2斷裂構造控制

斷裂改善了巖體物性,對地下水賦存和運移、巖體風化和水巖作用、有益元素富集等均有積極作用[11]。礦泉水多與斷裂構造匹配產出,沿斷裂帶呈串珠或帶狀分布,特別是一些活動斷裂帶。湖北省偏硅酸型礦泉水中受深大斷裂影響的有9處,其中青峰斷裂帶有5處,包括房縣鳳凰山(W25)、龍王山(W26)、小湯池(W27),谷城薤山(W28),?？禍貚{(W2)等礦泉水;荊門斷裂帶有1處,即荊門十里牌礦泉水(W34);大洪山逆掩斷裂帶有1處,即宜城華嚴寺(W30);客店—龍炮寨斷裂帶有1處,即鐘祥長壽礦泉水(W31);陽日—九道斷裂帶有1處,即神農架陽日礦泉水(W1)。此外,受小型斷裂控制有18處,如英山三門河礦泉水(W20)等。

1.3.3巖漿巖控制

單一偏硅酸型礦泉水多分布在巖漿巖區,尤其是燕山期花崗巖區,如黃梅紫云山礦泉水(W22)賦存于燕山期龍坪巖體的花崗巖中,鄂州金雞坡礦泉水(W17)賦存于流紋巖和英安巖中,武穴綠林礦泉水(W21)出露于燕山期梅川雜巖體近中心的二長花崗巖中,通城楊源礦泉水(W23)賦存在受斷裂改造的燕山早期花崗巖脈中,通山九宮山礦泉水(W24)出露于燕山早期花崗巖體過渡相的中—細粒黑云母花崗巖中,大冶天臺礦泉水(W52)出露于燕山期靈鄉雜巖體黑云角閃石英閃長巖中。此外,還有3處位于玄武巖中,如安陸碧山(W44)、金泉(W45)、加力太白(W46)等礦泉水。

2 材料和方法

2.1 材料

本次收集了偏硅酸型礦泉水水質檢測報告41份,相關數據(常規指標為一期檢測結果,H2SiO3和Sr含量為多期檢測結果)列于表1,其中16份檢測報告屬單一偏硅酸型礦泉水(表中W1-W24),25份檢測報告屬偏硅酸—鍶復合型礦泉水(表中W25-W53)。這些檢測報告時間跨度較長,有關評價標準和規范已發生變化,本次研究均參照最新標準[12-13]。

2.2 方法

利用Origin2022編制礦泉水Durov圖、Schoeller圖,研究偏硅酸型礦泉水水化學特征。利用H-O同位素關系圖、主要離子相關矩陣圖、Gibbs圖、離子比例圖,研究偏硅酸型礦泉水水文地球化學特征,并進一步討論其成因類型。

3 礦泉水水化學特征

3.1 基本特征

由表1和圖2可以看出,湖北省偏硅酸型礦泉水的pH為6.5～8.32,為中性—弱堿水;溶解性總固體(TDS)含量為45.07～638.45 mg/L,平均為364.54 mg/L,皆為淡水;總硬度(以CaCO3計)為3.04～488.8 mg/L,平均為234.80 mg/L,從極軟水到極硬水皆有,以微硬水為主;水溫為17～42℃,屬冷水—熱水,其中神農架陽日(W1)、?？禍貚{(W2)、鐘祥長壽(W31)、崇陽浪口(W53)等4處礦泉水的水溫>36℃,屬于溫礦(泉)水。

圖2 偏硅酸型礦泉水Durov圖

偏硅酸型礦泉水的陽離子以Ca2+為主,含量為0.811～147.10 mg/L,平均為61.74 mg/L;Na+次之,含量為1.6～106.00 mg/L,平均為25.63 mg/L;Mg2+含量為0.246～37.1 mg/L,平均為19.56 mg/L;K+含量較低,為0.5～5.34 mg/L,平均為1.84 mg/L。Ca2+相對含量為11.01%～86.79%,平均為53.86%;Na+相對含量為1.36%～71.94%,平均為26.77%;Mg2+相對含量為3.34%～30.46%,平均為16.94%。

圖3 偏硅酸型礦泉水Schoeller圖

3.2 水化學類型

礦泉水中摩爾分數>25%的陰陽離子參與水化學類型命名[12],結合水化學檢測結果,可將湖北省偏硅酸型礦泉水水化學類型分為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、SO4·HCO3-Ca、SO4·HCO3-Na·Ca、HCO3·Cl-Mg·Ca·Na等(圖2),以前兩種為主,分別占總數的36.59%和34.15%。

礦泉水中陰陽離子的含量主要受地層巖性、構造、環境壓力、水動力條件及地下水補給來源、運移距離、循環深度、水溫等條件的綜合影響,總之與礦泉水成因密切相關[15]。

4 礦泉水成因分析

4.1 H-O同位素分析

部分偏硅酸型礦泉水樣品的H-O同位素分析結果見表2,反映礦泉水δD為-61.8‰～-48.1‰,平均為-54.36‰;δ18O為-9.65‰～-5.65‰,平均為-7.74‰。將上述樣品投到H-O同位素關系圖中(圖4),可以看出大多數樣品落在全球大氣降水線[16]和中國大氣降水線[17]附近,指示礦泉水主要來源于大氣降水補給。但鐘祥長壽(W31)、荊門沙洋(W35)、荊州望龍泉(W39)等3處礦泉水偏離大氣降水線較遠,這可能有兩個原因:一是礦泉水受埋藏水補給,埋藏水中H2S、CH4與礦泉水中D發生同位素交換,δD發生變化;二是強烈的水巖作用引起礦泉水中18O漂移。此外,偏硅酸型礦泉水中3H檢測值為<1～(18.07±8.6)TU,反映了礦泉水從補給區運移至排泄區的時間相差較大[18]。

表2 偏硅酸型礦泉水H-O同位素統計表

圖4 偏硅酸型礦泉水H-O同位素關系圖

4.2 離子相關性分析

利用Origin2022軟件對41組樣品的主要化學指標進行Spearman相關性分析(圖5),所得顯著性水平均<0.05,認為Spearman模型有效。結果顯示湖北省偏硅酸型礦泉水中H2SiO3和Sr與其他離子的相關性較差,這與礦泉水賦存巖石類型多樣有關。

圖5 偏硅酸型礦泉水主要離子相關矩陣圖

4.3 Gibbs圖解

圖6 偏硅酸型礦泉水Gibbs圖

4.4 離子比例系數

圖7 偏硅酸型礦泉水離子比例圖

4.5 礦泉水成因分析

巖石中硅酸鹽礦物的風化和溶解是地下水中H2SiO3的主要來源[24]。巖石地球化學條件即礦物組成和晶體結構、溶解度等,決定著H2SiO3的來源——非晶質SiO2的豐度及其溶濾釋放的難易程度[5],進而影響了對地下水供給可溶性SiO2的數量和速率。水中可溶性SiO2濃度還受到水巖作用中固相含硅礦物豐度,液相介質的補給、徑流途徑,以及風化產物端次生礦物的溶解度等因素的綜合影響。巖石風化和水化學作用控制著硅酸鹽礦物中Si的遷移轉化過程,地下水溫度、CO2含量和水巖反應時間對硅酸鹽礦物水解產生正向影響,其中溫度和水巖反應時間主要受地下水循環深度的控制[25]。同種巖性條件下,水中偏硅酸含量與水溫呈正相關關系;相同溫度下,玄武巖、砂礫石、花崗巖、變質巖、碳酸鹽巖中賦存的地下水中H2SiO3含量依次降低(表1)。

湖北省偏硅酸型礦泉水分為構造斷裂深循環型、裂隙淺循環型和層間緩慢徑流型三種[7]。地質構造條件、地球化學條件和地下水水動力條件不同,影響礦泉水形成的水巖作用過程就不盡相同,礦泉水的水化學類型,尤其是微量元素含量就會相差各異(表1)。

受大型斷裂控制的構造斷裂深循環型礦泉水,其沿活動斷裂帶深循環,或者接受巖體放射性元素衰變供熱,水溫多在30°以上。多源CO2尤其深部幔源CO2上逸參與水巖作用,促進了硅酸鹽礦物的溶解,推測深部富硅地熱水與淺源地下水發生對流混合,形成了偏硅酸型礦泉水。如宜城華嚴寺礦泉水(W30),其水溫為30℃,3H為11.4TU,周圍冷泉的3H為31.7TU,反映了華嚴寺礦泉水有一個長時間的運移過程,其水循環深度可能有2 603 m,因此循環壓力也相當大,高溫高壓環境有利于硅酸鹽礦物的水解。這類礦泉水水化學類型主要有重碳酸鈣鎂型(W1、W2、W26、W28、W31、W53)、重碳酸氯化物鈣鎂鈉型(W27)、重碳酸氯化物鈣鎂型(W25)、重碳酸硫酸鈣鎂型(W30),礦泉水中各種微量元素比較齊全,且Cl、F含量高于其他成因的礦泉水。

受小型斷裂改造的裂隙淺循環型礦泉水多以泉形式自然出露地表,主要分布于山區溝谷兩側。這類礦泉水賦存于三大類巖性的基巖中,循環深度較淺,水溫多為12～18℃,少數為22℃以上。大氣降水入滲后沿裂隙或巖溶向下徑流,與淺源CO2共同作用,溶濾斷裂、裂隙面風化的長石礦物形成H2SiO3,并不斷富集其他特殊元素,形成了偏硅酸型礦泉水。在變質巖中,礦泉水水化學類型多為重碳酸鈣型(W18、W20)和重碳酸鈣鈉型(W19)。在中酸性巖漿巖(安山巖和花崗巖類)中,礦泉水水化學類型主要為重碳酸鈉鈣型(W21、W24)、重碳酸鈣型(W22、W23),其次為重碳酸鈣鎂型(W17)、重碳酸硫酸鈣型(W52);而基性巖漿巖(玄武巖)中則以重碳酸鈣鎂型為主(W45、W46),其次為重碳酸硫酸鈣鎂型(W44)。在碎屑巖中,礦泉水水化學類型主要為重碳酸鈣鎂型(W32、W37、W39)和重碳酸鈣鈉型(W16)。

賦存于古近系—第四系砂礫巖中的層間緩慢徑流型礦泉水,含水層上下普遍有相對隔水層,如江漢盆地、南襄盆地孔隙裂隙型含水巖組中,水力坡度為0.7×10-4～3.0×10-4,滲透系數為5～16 m/d,徑流滯緩,水溫多在17～22℃。在長時間的滲流過程中,含水介質中非晶質SiO2緩慢地自然風化水解,溶濾作用和離子交換吸附充分,最終也能形成偏硅酸型礦泉水。這類礦泉水水化學類型相對簡單,主要為重碳酸鈣型或重碳酸鈣鎂型,偶見重碳酸鈣鎂鈉型(W33)。

5 結論

(1) 湖北省有53處偏硅酸型礦泉水,其分布受地層巖性和構造控制;水溫為17～42℃,主要為中性—弱堿性淡水,以微硬水為主;水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型。

(2) 湖北省偏硅酸型礦泉水補給來源主要為大氣降水,偶有埋藏水。礦泉水中H2SiO3含量與主要離子沒有明顯相關性,這可能與礦泉水分布在多種巖石類型中有關。礦泉水成因為巖石風化和水巖作用,水在循環過程中發生了硅酸鹽礦物溶解和離子交換吸附(主要為正向離子交換吸附)。

(3) 湖北省偏硅酸型礦泉水分為構造斷裂深循環型、裂隙淺循環型和層間緩慢徑流型三種,它們的地質構造條件、地球化學條件和地下水水動力條件不同,導致水巖作用過程不盡相同,從而造成礦泉水的水化學類型,尤其是微量元素含量相差較大。