李 輝, 翟 星*, 劉 碩, 錢 龍, 李琛曦, 谷明旭

(1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，石家莊 050011；2.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)重點(diǎn)實驗室，石家莊 050011)

冀東都山地區(qū)巖體鍶含量高，賦存大量優(yōu)質(zhì)高鍶礦泉水資源，是秦皇島市建設(shè)京津冀水源涵養(yǎng)功能區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)。因此，開展富鍶礦泉水鍶的運(yùn)移和礦泉水賦存特征研究對促進(jìn)礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和落實“供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”具有重大意義。

目前，中外學(xué)者對礦泉水的形成機(jī)理和成因開展了一系列的研究[1-8]。陳正新[9]、Barbier等[10]和梁爽等[11]對礦泉水水文地球化學(xué)特征進(jìn)行了分析。Dinelli等[12]通過對比瓶裝自來水，利用瓶裝礦泉水表征地下水地球化學(xué)特征。沈照理等[13]通過總結(jié)分析地下水成因以及水的地球化學(xué)特征，對地下水環(huán)境演變及水-巖相互作用提出新的研究方向；Bagdavadze等[14]將格魯吉亞Borjomi地區(qū)分為3個水文地質(zhì)單元，研究地下水開采對礦泉水資源的影響。張海萍等[15]從地質(zhì)環(huán)境出發(fā)分析縉云山礦泉水水源的地理背景和開發(fā)前景；高月等[16]運(yùn)用皮爾遜Ⅲ型模型研究最大降雨量分布概率，利用交叉小波變換法分析降雨量和泉流量的關(guān)系；葉義昌等[17]和張?？频萚18]采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定礦泉水中的微量元素；劉慶宣等[19]通過分析全國含鍶礦泉水測試數(shù)據(jù)，闡述了鍶富集的地球化學(xué)環(huán)境；董悅安等[20]針對平頂山煤礦八礦礦泉水，利用應(yīng)用熱力學(xué)原理分析鍶、硅的來源；劉立軍等[21]通過調(diào)查分析石家莊市深層地下水水文地球化學(xué)特征評價該區(qū)礦泉水田?；诖?，以河北省承德市寬城滿族自治縣亮甲臺鎮(zhèn)大漢溝富鍶礦泉水為研究對象，利用水文地質(zhì)調(diào)查、巖礦鑒定試驗、反向水文地球化學(xué)分析、水質(zhì)分析及物探等多種方法研究鍶的運(yùn)移和礦泉水的賦存特征，為該地區(qū)礦泉水規(guī)模化開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 鍶的運(yùn)移分析

1.1 氣象

研究區(qū)屬于半濕潤、半干旱的燕山山地丘陵氣候，多年平均降水量567.2 mm(1996—2016年)，年最大降水量832 mm，日最大降水量296 mm(2012年7月21日)，年內(nèi)降水不均勻，降水多集中于6—8月，占全年的75%～80%，雨量較充沛(圖1)。

圖1 研究區(qū)多年降雨量

1.2 都山雜巖體礦物鑒定分析

都山花崗巖巖體各巖相呈同心環(huán)狀展布，由邊緣相向中心相分別是花崗閃長巖、斑狀黑云母二長花崗巖；中-粗粒黑云母二長花崗巖；中細(xì)粒及部分中粗粒二長花崗巖。受構(gòu)造變形影響，巖體具不同程度的片麻狀構(gòu)造，呈斷續(xù)的環(huán)狀鑲嵌在巖體的邊部[22]。

在都山巖體西側(cè)，巖體與圍巖接觸關(guān)系比較復(fù)雜，巖體與圍巖穿插接觸(圖2)，分布有花崗巖與形成的混染巖帶，巖石呈灰褐色、淺灰褐色，混染強(qiáng)烈處巖石呈塊狀構(gòu)造，沿混染帶殘留片麻巖，主要礦物成分為長石、石英、云母、角閃石(圖3)。推測其由花崗巖侵入片麻巖形成，巖漿侵入過程中巖漿熔化了圍巖，同化混染作用使巖漿與圍巖成分發(fā)生改變。

圖2 巖體與圍巖接觸帶

Kfs為鉀長石(k-feldspar)；Qtz為石英(quartz)；Bt為黑云母(biotite)；Pl為斜長石(plagioclase)；Hbl為角閃石(hornblende)

1.3 鍶的運(yùn)移分析

為了分析研究區(qū)內(nèi)礦泉水鍶的運(yùn)移，通過對初始水和終止水的化學(xué)成分分析，研究水流路徑上發(fā)生的水-巖相互作用，進(jìn)行反向水文地球化學(xué)反應(yīng)路徑模擬。反向水文地球化學(xué)模擬是依據(jù)觀測的化學(xué)和同位素資料來確定系統(tǒng)中所進(jìn)行的水-巖反應(yīng)，解釋同一水流路徑上不同兩處(上、下游)之間發(fā)生的地球化學(xué)質(zhì)量守恒反應(yīng)。

1.3.1 模型建立

建立水-巖作用模型首先必須具備同一水流路徑上起點(diǎn)和終點(diǎn)的地下水化學(xué)組分含量，然后確定發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的礦物相。根據(jù)已有的水文地球化學(xué)資料，選擇3處具有地下水徑流上下游關(guān)系的水文點(diǎn)，分別位于都山西側(cè)的亮甲臺鎮(zhèn)北五溝村(編號S1)、楊樹溝村(編號S2)和半壁山村(編號S3)，各水文點(diǎn)位置如圖4所示。

1.3.2 選取地下水化學(xué)成分

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)和礦物研究資料，都山巖體鍶含量較高，為高鍶花崗巖，以及碳酸鹽和黏土類礦物是組成都山巖體介質(zhì)的主要礦物。結(jié)合研究區(qū)地下水水化學(xué)成分，可能礦物相確定為巖鹽、硬石膏、高嶺石、Ca-蒙脫石、CO2氣體、方解石、硅、黑云母、斜長石，各礦物相的溶解反應(yīng)方程式如表1所示。

表1 礦物及組分

根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)地下水中的各種元素的濃度變化確定各種“可能礦物相”的溶解或者沉淀情況，從而有助于對最終的模型結(jié)果進(jìn)行熱力學(xué)檢驗。根據(jù)研究區(qū)水化學(xué)成分測定結(jié)果，最終選擇pH、SiO2、K、Na、Ca、Mg、C、S、Cl作為約束變量，分析其在研究中化學(xué)元素變化。根據(jù)本次水樣化驗數(shù)據(jù)，選擇的3個試驗點(diǎn)各組分如表2所示。

表2 地下水流向上的水文點(diǎn)分析數(shù)據(jù)

1.3.3 鍶的運(yùn)移分析

采用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的改進(jìn)版PHREEQC(Parhusrt，1993—2001)軟件進(jìn)行模擬計算，根據(jù)建立的模型和選取的約束變量進(jìn)行分析。模擬計算結(jié)果如表3所示。

表3 反向水文地球化學(xué)模擬試驗結(jié)果

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，模擬結(jié)果在路徑S1—S2時，Ca-蒙脫石、CO2氣體、斜長石為溶解狀態(tài)，其余礦物為沉淀狀態(tài)，其中鍶礦亦為沉淀狀態(tài)，但水文點(diǎn)S2的鍶含量大于水文點(diǎn)S1，由此可見，雖然水文點(diǎn)S1位于S2地下水徑流的上游，但水文點(diǎn)S1的鍶不是S2的全部補(bǔ)給源，存在深部地下水源補(bǔ)給。在該徑流上，CO2氣體為溶解狀態(tài)，溶解量相對較大，說明水文點(diǎn)S2的地下水埋深較淺，大氣中CO2氣體溶解于地下水中，導(dǎo)致地下水與含鈣礦物反應(yīng)，鈣溶解增加。

在路徑S2—S3時，巖鹽、高嶺石、方解石、二氧化硅、黑云母、碳酸鍶為溶解狀態(tài)，其余礦物為沉淀狀態(tài)，其中，巖鹽、黑云母、鍶礦為少量溶解狀態(tài)。根據(jù)水文地區(qū)化學(xué)資料，水文點(diǎn)S2的鍶含量為0.011 mmol/L，S3的鍶含量為0.027 mmol/L，S3是S2的2.7倍，推測分析僅由溶解鍶礦難以使水文點(diǎn)S3的鍶含量增加2.7倍，分析S3地下水中的鍶除接受上游地下水補(bǔ)給外，深部亦補(bǔ)給。

綜上分析，研究區(qū)地下水在接受大氣降水補(bǔ)給后通過構(gòu)造裂隙、構(gòu)造破碎帶及接觸帶不斷向地下深部運(yùn)移，受地下水的溫度、壓力影響，含水層中的巖石礦物成分不斷溶于水中，結(jié)合含水層埋藏深，徑流緩慢，地下水的深部運(yùn)移和溶濾作用也為鍶的富集創(chuàng)造條件，使得深部水體中鍶含量逐步增加。都山巖區(qū)深部構(gòu)造裂隙水中鍶含量明顯大于第四系松散巖類孔隙水與基巖裂隙水中鍶含量，通過本次反向水文地球化學(xué)模擬分析，驗證了地下水鍶含量主要受到垂直補(bǔ)給的影響，水平向地下水徑流對鍶含量的影響較小。

2 高鍶礦泉水賦存特征

2.1 含鍶礦泉水分布特征

為了研究鍶型礦泉水分布特征，分析鍶是否達(dá)到礦泉水的標(biāo)準(zhǔn)(鍶型礦泉水界限值0.4 mg/L)，在都山不同地區(qū)共抽取水樣56組，分別是第四系松散層孔隙水(含泉水和地表水，井深小于20 m)46組、風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水(井深50～150 m)8組、構(gòu)造裂隙水(井深300 m)2組。

圖5為不同類型水樣鍶含量分布圖。由圖5可知，第四系松散層孔隙水鍶含量在0.4 mg/L以上達(dá)到礦泉水界限值的水樣占比41.3%，風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水鍶含量達(dá)到礦泉水界限值的水樣占比87.5%，構(gòu)造裂隙水樣鍶含量全部滿足要求，且遠(yuǎn)超界限值。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水與第四系松散層孔隙水水化學(xué)特征相近、水力聯(lián)系密切，前者水中鍶含量高于后者，說明了淺部地下水鍶離子向深部運(yùn)移，以構(gòu)造裂隙水作為水源，滿足富鍶礦泉水開采要求。

圖5 不同類型水樣鍶含量分布

2.2 構(gòu)造

構(gòu)造基巖裂隙水主要賦存在粗中粒斑二長花崗巖和圍巖接觸帶及構(gòu)造破碎帶中，含水層沿接觸帶和破碎帶呈條帶狀展布。研究區(qū)構(gòu)造主要以北東向斷裂為主，研究區(qū)內(nèi)主要斷裂有3條，分別為F1、F2、F3，主要是北東東、北東東、北北東向斷裂。

(1)F1：下杖子-杉樹嶺斷裂，走向N60°E，傾向NW，傾角70°，寬度10～40 m，長度4 km，斷層性質(zhì)為正斷層，該斷層破碎強(qiáng)烈，宏觀上負(fù)地形特征明顯。

(2)F2：張南溝-小楊樹溝斷裂，走向N60°E，傾向NW，傾角65°，影響帶寬度150 m，長度大于9.8 km，斷層性質(zhì)為逆斷層，后期有小型正斷層疊加。

(3)F3：小漢溝-老王家斷裂，走向N60°E，傾向NW，傾角70°，影響帶寬度100 m，長度7.9 km，斷層性質(zhì)為正斷層，該斷層破碎強(qiáng)烈，呈渣狀，巖石內(nèi)礦物具弱定向性，擠壓片理發(fā)育，該斷層疊加了先期的韌性帶。

2.3 賦存特征

基于水文地質(zhì)調(diào)查，研究區(qū)位于地下水徑流上游，尤其是含水層埋深在300 m左右，受外界污染少，在鍶滿足礦泉水要求的前提條件下，富水量是其賦存的重要指標(biāo)。采用可控源大地電磁測深(CSAMT)法和測氡物探法，結(jié)合地質(zhì)、水文地質(zhì)、地形地貌及地面工程，確定礦泉水開采位置和深度，分析其富水性。

2.3.1 CSAMT法分析

基于CSAMT法獲取剖面，結(jié)合掌握的太古代變質(zhì)巖與東側(cè)巖體接觸帶的位置及特征，推斷低阻地段與巖體接觸帶或構(gòu)造破碎帶有關(guān)，并開展響應(yīng)的地面調(diào)查，初步確定礦泉水賦存位置和深度，綜合考慮后選取F2斷裂帶作為取水段，井深度為250～300 m，為測氡物探法提供基礎(chǔ)(圖6)。

圖6 CSAMT剖面

2.3.2 測氡物探法分析

氡氣測量是通過采集和探測斷裂氣氡(Rn)來尋找隱伏斷裂的經(jīng)典地球探測技術(shù)，通過探測地表氡異常，可以為確認(rèn)斷裂位置提供依據(jù)。因此，在CSAMT法剖面確定的斷裂帶基礎(chǔ)上，進(jìn)一步判定井位和深度。通過計算，該區(qū)氡氣測量背景值為3 631 Bq/m3，閾值為7 251 Bq/m3。基于此，通過氡氣測量，與推斷的F2斷裂帶對應(yīng)的166～172 m測點(diǎn)段具較明顯異常特征(圖7)，異常幅值最高7 933 Bq/m3，高于閾值及臨近測段，推斷異常部位為深部斷裂構(gòu)造帶，巖石破碎，裂隙發(fā)育，賦存大量地下水。

圖7 氡氣測量異常曲線圖

2.3.3 賦存特征分析

3 結(jié)論

通過收集資料和水文地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合巖體鑒定試驗、礦泉水分析試驗，基于反向水文地球化學(xué)分析思路，研究鍶的運(yùn)移路徑；并采用CSAMT法和測氡物探法確定礦泉水體的賦存位置。得出如下結(jié)論。

(1)根據(jù)巖體鑒定試驗，分析礦物成分，為反向水文地球化學(xué)分析提供化學(xué)成分，借助PHREEQC軟件進(jìn)行模擬計算，確定鍶的運(yùn)移路徑主要是垂向地下水徑流，淺層水體是主要補(bǔ)給源，水平向地下水徑流影響較小。

(2)通過取樣發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水鍶含量能滿足礦泉水質(zhì)要求，為富鍶礦泉水體的賦存分析提供理論基礎(chǔ)。

(3)基于野外調(diào)查，采用CSAMT法和測氡物探法確定了水體賦存位置，并滿足礦泉水開采要求。

(4)富鍶礦泉水的賦存具備3個特征，即富鍶巖體是物質(zhì)基礎(chǔ)；斷裂構(gòu)造發(fā)育為鍶的運(yùn)移提供通道，提供了賦存空間；在水文地球化學(xué)條件下，鍶沿裂隙帶不斷向深部運(yùn)移、富集，最終形成富鍶礦泉水。