翟振飛，王水華，趙德君，譚光超，李智民

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 荊州 434020)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民水消費(fèi)觀念的改變，飲用天然礦泉水已成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾?。湖北省境?nèi)，經(jīng)國(guó)家或湖北省礦泉水技術(shù)評(píng)審組鑒定的礦泉水水源地共70處，鍶型19處、偏硅酸型17處、鍶偏硅酸復(fù)合型30處、硒型2處、硒鍶復(fù)合型2處[1]，含硒型和硒鍶復(fù)合型僅占0.057%，但其醫(yī)學(xué)[2-3]及保健[4]價(jià)值很高，具有更大開發(fā)利用前景。由于硒型礦泉水較稀少，全國(guó)關(guān)于硒型飲用天然礦泉水成因和開發(fā)利用的研究較少。張?jiān)姷萚5]總結(jié)了陜南秦巴山區(qū)富硒礦泉水形成條件；李潔[6]分析了石門縣悅家泉富硒礦泉水水源地形成條件及富硒來(lái)源；柳運(yùn)清等[7]介紹了恩施州建始縣“希世寶”硒礦泉水開發(fā)利用情況；翟振飛、祝軍等[8-9]總結(jié)了中國(guó)硒型礦泉水控礦條件和成礦模式，以及恩施市灰包洞礦泉水源地保護(hù)區(qū)劃分應(yīng)注意的問(wèn)題。

恩施市富硒巖石、富硒土壤、富硒礦泉水、富硒動(dòng)植物資源形成了天然富硒農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境與富硒生物圈[10]。恩施市雙河地區(qū)擁有全球唯一獨(dú)立硒礦床——魚塘壩硒礦床，其賦存于二疊系孤峰組的炭質(zhì)硅質(zhì)巖段中[11]，恩施市硒型礦泉水的出露位置與富硒地層高度相關(guān)。

“十三五”期間，恩施市沐撫辦事處—高臺(tái)、白楊坪鎮(zhèn)楠木溝、紅土鄉(xiāng)金龍壩、新塘鄉(xiāng)灰包洞硒型礦泉水水源地完成勘查工作，其中高臺(tái)、金龍壩和楠木溝通過(guò)湖北省自然資源廳評(píng)審和備案。2020年8月，在恩施市境內(nèi)遴選飲用天然礦泉水14處，采集樣品14組，獲硒鍶復(fù)合型礦泉水3處、鍶型礦泉水2處，后者與生態(tài)紅線發(fā)生沖突，3處硒鍶復(fù)合型礦泉水?dāng)M納入恩施市“十四五”礦業(yè)規(guī)劃。硒型礦泉水資源開發(fā)可以帶動(dòng)水源地周邊鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有利于促進(jìn)鄉(xiāng)村振興。

1 硒型礦泉水成礦條件

礦泉水屬于液體礦產(chǎn)，但其與石油天然氣礦藏的“生儲(chǔ)蓋”嚴(yán)格時(shí)空組合不同，其成礦元素來(lái)自儲(chǔ)集層和其上的蓋層，尤其是硒型礦泉水，硒元素主要來(lái)自蓋層，其次是儲(chǔ)集層。恩施市礦泉水水源地主要受富含硒源地層，儲(chǔ)層類型，褶皺和斷裂構(gòu)造，地形切割，水動(dòng)力、水循環(huán)條件及水巖作用等因素控制，其中硒源地層是決定因素(表1)。

表1 恩施市硒型飲用天然礦泉水成礦影響因素統(tǒng)計(jì)表

1.1 硒源地層

硒型礦泉水成礦諸多條件中，硒源地層為首要因素。李明龍等[12]通過(guò)對(duì)恩施地區(qū)廣泛出露的31個(gè)巖石地層單位(組)的495件巖石樣品硒含量分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)在地質(zhì)歷史上多個(gè)黑色巖系沉積時(shí)期為巖石硒元素富集高峰期，最富硒地層為二疊系孤峰組，其次為寒武系牛蹄塘組、奧陶系—志留系龍馬溪組等。早寒武世牛蹄塘期，巖石樣品硒含量均值為32.47 mg/kg；晚奧陶世—早志留世龍馬溪期，巖石樣品硒含量均值為2.14 mg/kg；中二疊世孤峰期—晚二疊世大隆期，巖石樣品硒含量為15.67～175.38 mg/kg。

恩施市達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13]的礦泉水硒源地層主要為二疊系中統(tǒng)孤峰組(P2g)含炭硅質(zhì)泥頁(yè)巖，如紅土鄉(xiāng)金龍壩、新塘鄉(xiāng)灰包洞、白楊坪鎮(zhèn)找龍壩等；其次是二疊系上統(tǒng)大隆組和下窯組(P3d和P3x)灰黑色薄層硅質(zhì)巖夾含炭質(zhì)頁(yè)巖。恩施市硒型礦泉水主要出露在相對(duì)隔水層的硒源地層下伏碳酸鹽巖地層中(見(jiàn)圖1)。富硒巖土體硒能否形成含硒礦泉水，受富硒巖土體的風(fēng)化程度、水的腐蝕性及地下水循環(huán)交替條件等因素控制。礦泉水除主要接受降水入滲補(bǔ)給外，同時(shí)接受地下水徑流補(bǔ)給，地下水在補(bǔ)給及徑流過(guò)程中，水中碳酸根離子與含水層的礦石長(zhǎng)期接觸，經(jīng)溶蝕、溶濾、離子交換等化學(xué)作用，不斷溶解巖石中的礦物成分，使水中礦物質(zhì)不斷增加，礦物中的硒溶入水中，并在含水層水體中富集，從而形成了含硒型礦泉水[5]。泉水中硒含量與硒源地層中硒含量呈正相關(guān)，在恩施市雙河地區(qū)魚塘壩采集了一個(gè)泉水樣，其硒含量為0.062 mg/L，超過(guò)了國(guó)家飲用礦泉水界限上限。雖低于雙河地區(qū)魚塘壩，但硒含量相對(duì)較高的有沐撫高臺(tái)泉、龍洞灣泉、獅子阡泉，白楊坪鎮(zhèn)楠木溝泉、找龍壩泉，紅土鄉(xiāng)金龍壩泉等，泉水中硒含量為0.010～0.022 mg/L，在豐水期硒含量最大，在枯水期和平水期相對(duì)較小。

圖1 恩施市硒型礦泉水與含硒地層空間關(guān)系圖[5]

按照出露地及硒源地層和所屬褶皺構(gòu)造等因素將恩施市硒型礦泉水劃分為四個(gè)富集帶，即沐撫—高臺(tái)富集帶、白楊坪鎮(zhèn)找龍壩富集帶、白楊坪鎮(zhèn)楠木溝富集帶和新塘—紅土富集帶(見(jiàn)圖1)。

1.2 礦泉水儲(chǔ)層類型

恩施市硒型礦泉水儲(chǔ)層類型主要有兩類：第一類是巖溶裂隙型，以沐撫辦事處高臺(tái)礦泉水為代表；第二類是巖溶管道型，以紅土鄉(xiāng)金龍壩、新塘鄉(xiāng)灰包洞和白楊坪鎮(zhèn)楠木溝為代表。同等條件下，儲(chǔ)層類型基本上決定了礦泉水涌出量及其動(dòng)態(tài)變化，詳見(jiàn)表2。

表2 恩施硒型礦泉水儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)表

巖溶裂隙型泉水資源儲(chǔ)量規(guī)模小但水質(zhì)穩(wěn)定，感官指標(biāo)優(yōu)良，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，常量化學(xué)組分動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。巖溶管道型資源儲(chǔ)量規(guī)模中等—大型，但水質(zhì)變化相對(duì)較大，感官指標(biāo)中濁度指標(biāo)有一定變化，常量化學(xué)組分動(dòng)態(tài)較穩(wěn)定，詳見(jiàn)表3。

表3 恩施市硒型礦泉水枯平豐水期水質(zhì)檢測(cè)簡(jiǎn)表

1.3 褶皺和斷裂構(gòu)造

恩施硒型礦泉水多出露于褶皺或次級(jí)褶皺近核部，褶皺的橫向規(guī)?？刂屏藥r溶管道的發(fā)育規(guī)模，一定程度上控制了泉水資源量。裂隙型泉水主要位于小型斷裂構(gòu)造交匯部位，斷裂破碎作用和裂隙發(fā)育改善了儲(chǔ)層滲透性和導(dǎo)水性物性，斷裂或裂隙也促進(jìn)了硒元素源和匯的溝通，增強(qiáng)了硒從源巖到水中的運(yùn)移和富集。沐撫高臺(tái)泉、龍洞灣泉和獅子阡泉空間展布和規(guī)模主要受沐撫背斜及其次級(jí)背斜高臺(tái)背斜控制，龍洞灣泉和獅子阡泉還受沐撫平移斷層帶裂隙的影響(圖2)。找龍壩礦泉水富集帶和楠木溝礦泉水富集帶主要受白楊復(fù)式向斜帶黃巖路—白楊向斜、三岔背斜等褶皺控制，找龍壩泉位于黃巖路—白楊向斜北西翼近核部，楠木溝溶洞泉?jiǎng)t位于白楊向斜南東翼。前者主要受建始斷裂及其次級(jí)斷裂影響，后者主要受十里牌斷裂及其次級(jí)斷裂構(gòu)造改造影響。

圖2 恩施市構(gòu)造和礦泉水出露位置分布圖

新塘鄉(xiāng)灰包洞—紅土鄉(xiāng)金龍壩硒型礦泉水富集帶受雙河向斜、前坪背斜及天落水背斜和漂水巖向斜等控制，灰包洞溶洞泉出露于前坪背斜北西翼天落水背斜西翼近核部，如圖2-圖3所示。受前坪背斜核部茅口組地層剝蝕殆盡影響，前坪背斜規(guī)模約束了灰包洞礦泉水賦水巖溶管道的規(guī)模，據(jù)調(diào)查可勘測(cè)長(zhǎng)度約1.2 km，推測(cè)長(zhǎng)度約4.5 km。

圖3 恩施市灰包洞礦泉水地質(zhì)剖面圖

紅土鄉(xiāng)金龍壩溶洞泉?jiǎng)t位于前坪背斜北西翼和漂水巖向斜南東翼，其賦水巖溶管道規(guī)模受前坪背斜橫向規(guī)模甚至官店口背斜橫向規(guī)模控制。

1.4 地形切割

巖溶地區(qū)較大深度地形切割是控制泉水出露的因素，恩施硒型礦泉水出露主要是由清江不同規(guī)模的支流切割形成的。高臺(tái)巖溶裂隙型泉水位于清江上游干流左岸斜坡地帶，其他均位于清江支流中低山河谷或溝谷岸坡地帶，沐撫龍洞灣和獅子阡位于云龍河左岸，找龍壩位于渾水河上游找龍壩河源頭。楠木溝泉水位于盆家河上游楠木溝右岸。新塘鄉(xiāng)灰包洞泉水位于清江支流馬尾溝近河口段左岸(見(jiàn)圖3)。金龍壩泉水位于清江支流伍家河近河口段左岸。恩施市硒型礦泉水點(diǎn)出露位置均高于匯入溝谷河流最高水位，泉水補(bǔ)給河谷水。

1.5 水動(dòng)力、水循環(huán)條件及水巖作用

高臺(tái)泉屬于裂隙型泉，高臺(tái)礦泉水放射性氚含量<1 TU，而地表水和高臺(tái)雨水氚同位素濃度分別為(3.5±0.1)TU和(4.5±0.2)TU[15]。該泉水地下水補(bǔ)給源較遠(yuǎn)，地下水年齡>30年，地下水運(yùn)移時(shí)間長(zhǎng)，并在運(yùn)移過(guò)程中贏得了長(zhǎng)期溶濾高硒高鍶圍巖的作用時(shí)間，水動(dòng)力較弱，地下水巖作用時(shí)間長(zhǎng)，從而使礦泉水水質(zhì)保持一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。豐、平、枯水期水質(zhì)變化較小，較穩(wěn)定。

紅土鄉(xiāng)金龍壩礦泉水屬于溶洞型泉水，泉水流量大，水動(dòng)力強(qiáng)，泉水放射性氚含量(2.2±0.1)TU[16]，而地表水和雨水氚同位素濃度分別為(2.4±0.1)TU和(2.5±0.1)TU。該泉水具備潛水或淺層承壓水等現(xiàn)代循環(huán)水的氚特征，含有一定的現(xiàn)代補(bǔ)給量，徑流條件較好，地下水水巖作用時(shí)間相對(duì)較短，泉水水質(zhì)相對(duì)不穩(wěn)定。

恩施市硒型礦泉水單點(diǎn)評(píng)價(jià)較少，水的年齡、循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)硒含量影響程度暫時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律。

2 成礦預(yù)測(cè)

恩施市硒型礦泉水成礦條件具有以下特征：第一有硒源地層(以二疊系中統(tǒng)孤峰組為主，其次為二疊系上統(tǒng)大隆組)分布；第二有發(fā)育厚度較大、物性良好的碳酸鹽巖儲(chǔ)層(以二疊系中統(tǒng)茅口組為主，其次為二疊系上統(tǒng)下窯組)；第三，受控褶皺構(gòu)造有一定規(guī)模，為流量較大的泉水補(bǔ)徑排提供空間，受區(qū)域次級(jí)斷層或裂隙改造巖溶發(fā)育部位具備良好的儲(chǔ)存和水巖作用空間；第四有良好的地形切割，使得泉水出露于地下水密集帶排泄部位。

根據(jù)上述特征，疊合上述因素和已經(jīng)調(diào)查的泉點(diǎn)出露位置、流量特征，預(yù)測(cè)了3個(gè)可能的硒型礦泉水富集帶，分別為雙龍、芭蕉—盛家壩、雙河—木栗園富集帶(見(jiàn)圖4)，供后續(xù)調(diào)查與評(píng)價(jià)，為恩施市提供硒型礦泉水后備水源地。

圖4 恩施市硒型飲用天然礦泉水預(yù)測(cè)圖

3 開發(fā)利用建議

恩施市硒型礦泉水分布相對(duì)比較集中，對(duì)礦泉水開發(fā)和利用提出了較高要求，不但要考慮礦泉水水質(zhì)、土地利用規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境、保護(hù)區(qū)劃分、允許開采量、交通條件，也要考慮市場(chǎng)需求和產(chǎn)品細(xì)分等各個(gè)方面。筆者以紅土鄉(xiāng)金龍壩硒型礦泉水為例，重點(diǎn)從地質(zhì)環(huán)境、允許開采量和產(chǎn)品細(xì)分三方面提出開發(fā)利用建議。

3.1 地質(zhì)環(huán)境

金龍壩硒型礦泉水位于清江支流伍家河近河口段左岸，行政上屬于紅土鄉(xiāng)老村管轄，水源地地質(zhì)環(huán)境狀況良好，如圖5所示。

圖5 紅土鄉(xiāng)金龍壩礦泉水開發(fā)利用圖

(1)除洞口有少數(shù)村民的引水細(xì)管外，其環(huán)境現(xiàn)狀均保持天然狀態(tài)。

(2)泉水天然出露，允許開采量和設(shè)計(jì)開采規(guī)模遠(yuǎn)小于天然資源量，不存在地下水被抽干、破壞含水層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

(3)建議開采方式利用勢(shì)能原理將水管引水至廠區(qū)，僅是引水管道占地和廠房占地等，對(duì)環(huán)境影響較小。

(4)排泄區(qū)附近斜坡坡度達(dá)35°～75°，裂縫發(fā)育，尤其在泉點(diǎn)下側(cè)和牧場(chǎng)溝近溝口段見(jiàn)到大小不一的滾石，推測(cè)陡坡上的巖石曾發(fā)生過(guò)崩塌。開發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意避開崩塌等地質(zhì)災(zāi)害影響范圍。擬設(shè)廠房區(qū)右側(cè)有人工堆積斜坡一處，長(zhǎng)100 m，寬20～30 m，為村民修路堆積斜坡，雨后在斜坡邊緣已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)約2 m、寬1～5 cm拉裂縫，應(yīng)注意該斜坡體的安全問(wèn)題。

礦泉水開發(fā)利用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范分三級(jí)保護(hù)區(qū)保護(hù)礦泉水水源地，做好泉域內(nèi)衛(wèi)生保護(hù)工作。

3.2 允許開采量

根據(jù)《天然礦泉水資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 13727—2016)要求，對(duì)于天然涌出的礦泉水水源，可依據(jù)泉水動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)資料，按泉水流量衰減方程或以天然礦泉水多年枯水期最小流量80%推算允許開采量。經(jīng)過(guò)一個(gè)水文年監(jiān)測(cè)，枯水期最小日流量為6 362.77 m3/d[16]。

(1)根據(jù)監(jiān)測(cè)期枯水期降雨量與多年枯水期降雨量均值估算。恩施雨量站和紅土鄉(xiāng)紅土溪雨量站監(jiān)測(cè)期枯水期(2019年12月—2020年2月)降雨量分別為169.5 mm和141 mm，多年枯水期降雨量分別為94.4 mm和97.3 mm?？紤]到紅土溪雨量站建站較晚和級(jí)別較低，取紅土溪雨量站和恩施雨量站平均值計(jì)算，監(jiān)測(cè)期枯水期降雨量為155.25 mm，多年(歷史均值)枯水期降雨量為95.85 mm。

Q多年枯日最小=6 362.77 m3/d×95.85÷155.25=3 928.32 m3/d

(2)根據(jù)監(jiān)測(cè)期年降雨量與多年枯水期年降雨量均值估算。由于紅土溪雨量站建站較晚，本次報(bào)告長(zhǎng)期雨量值采用恩施雨量站長(zhǎng)期數(shù)據(jù)計(jì)算，如表4所示。代表年法是按規(guī)定設(shè)計(jì)保證率(P=50%、P=75%、P=95%)，從具代表性長(zhǎng)系列降雨量資料中排頻得出符合設(shè)計(jì)保證率要求和實(shí)際豐枯情況的年份(即代表年)。監(jiān)測(cè)期取2019年7月—2020年6月的降雨量為年降雨量，為1 215 mm。

表4 恩施雨量站排頻表

Q枯日最小=6 362.77 m3/d×1 211÷1 215=6 341.82 m3/d。即滿足P=75%保證率下的泉水枯水年最小日流量為6 341.82 m3/d；

Q特枯日最小=6 362.77 m3/d×1 026÷1 215=5 373.01 m3/d，即滿足P=95%保證率下的泉水枯水年最小日流量為5 373.01 m3/d。

(3)根據(jù)布辛奈斯克流量衰減方程估算：

Qn=Qmin×365

Qmin=Q0e-αt

式中：Qn為推測(cè)泉年可開采資源量；Qmin為推算枯水期最小流量；Q0為枯水期開始時(shí)泉流量；α為含水層賦存量衰減系數(shù)；t為枯水期開始至監(jiān)測(cè)最小流量所經(jīng)歷的天數(shù)；Q為長(zhǎng)期觀測(cè)期間最小泉流量。

據(jù)一個(gè)水文年長(zhǎng)觀監(jiān)測(cè)資料，枯水期開始至最小流量延續(xù)時(shí)間為12月5日—次年2月29日，布辛奈斯克流量衰減方程參數(shù)和計(jì)算值如表5。

表5 布辛奈斯克流量衰減方程參數(shù)和計(jì)算值表

取最不利情況或者最保守情況下多年枯水期流量為三種計(jì)算方法中的最小值3 928.32 m3/d。該允許開采量已經(jīng)經(jīng)過(guò)湖北省自然資源廳儲(chǔ)量評(píng)審中心審查通過(guò)備案。在開發(fā)利用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵守不大于該開采量開采。

3.3 產(chǎn)品細(xì)分

中國(guó)礦泉水市場(chǎng)硒型礦泉水為稀缺品種，目前上市僅有潤(rùn)田翠天然含硒礦泉水。恩施市硒型礦泉水產(chǎn)品定位為硒型健康水，主打高端礦泉水市場(chǎng)目標(biāo)人群為高收入人群，如企業(yè)老板、公司高管、時(shí)尚人士，兼顧中低端市場(chǎng)，目標(biāo)人群為工薪階層、普通百姓等。硒型礦泉水開發(fā)應(yīng)在品牌化、差異化、場(chǎng)景化、包裝等方面做足文章，產(chǎn)品細(xì)分建議為4個(gè)品種“一桶三瓶”,即18.9×104m3年產(chǎn)18.9 L桶裝水1 000萬(wàn)桶；5×104m3為5 L瓶裝水1 000萬(wàn)瓶；15×104m3為1.5 L瓶裝水10 000萬(wàn)瓶；其余17.7×104m3，可裝500 mL瓶裝礦泉水35 400萬(wàn)瓶。按年生產(chǎn)300 d，可建設(shè)年生產(chǎn)300×3 142.65×0.6[17]=56.6×104m3的生產(chǎn)線。

恩施市硒型礦泉水開發(fā)可引進(jìn)大型飲用水企業(yè)和本土企業(yè)以及鄉(xiāng)村組建股份制飲用水生產(chǎn)企業(yè)，高度重視品牌建設(shè)和高端飲用礦泉水安全生產(chǎn)與銷售宣傳工作，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興。

4 結(jié)論

(1)恩施市硒型礦泉水主要有四個(gè)富集帶，即沐撫—高臺(tái)富集帶、白楊坪鎮(zhèn)找龍壩富集帶、白楊坪鎮(zhèn)楠木溝富集帶和新塘—紅土富集帶。

(2)恩施市礦泉水成礦條件主要有富含硒源地層，泉水儲(chǔ)集層類型，控制地層展布的褶皺和斷裂構(gòu)造，控制泉水出露的地形切割，水動(dòng)力、水循環(huán)條件及水巖作用等因素，其中硒源地層是根本條件。巖溶裂隙型泉多為小型，巖溶管道型泉多為中等—大型?？氐V褶皺構(gòu)造規(guī)?；究刂屏藥r溶管道的規(guī)模和泉水資源量的大小。

(3)根據(jù)恩施市硒型礦泉水成礦條件，疊合恩施市已有大泉或地下河出口分布及流量，本文預(yù)測(cè)了3個(gè)可能的硒型礦泉水富集帶，即雙龍、芭蕉—盛家壩、雙河—木栗園等富集帶，供后續(xù)調(diào)查取證甚至勘查開發(fā)。

(4)恩施市硒型礦泉水分布相對(duì)比較集中，這對(duì)礦泉水開發(fā)和利用提出了較高要求，不但要考慮土地利用規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境、保護(hù)區(qū)劃分、允許開采量、交通條件，更要考慮產(chǎn)品細(xì)分等方面的因素。