微量元素分析在飲用天然礦泉水開發(fā)中的應用

羅 瓊，周 煉，付郴生

(1.湖北省核工業(yè)地質局，湖北 孝感 432000;2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 研究對象

長陽地處亞熱帶季風氣候區(qū)，常年雨水充沛，森林覆蓋率達70%以上，又有清江貫穿其間，地下水資源豐富。長陽地區(qū)工業(yè)不發(fā)達，污染較少，地下水資源保護較好。在較好的地質條件和氣候條件下，礦泉水資源蘊藏豐富，已成為長陽地區(qū)寶貴的礦產資源之一。

飲用天然礦泉水因其含有多種人體所需的微量元素，有益健康，所以受到人們的青睞，其市場前景良好，現已成為國家礦產資源開發(fā)的重要策略。長陽地區(qū)泉水資源豐富，峰山鄉(xiāng)一處泉水年出水量較大，遠超山下居民用水需求量，且泉水口感清甜，鄉(xiāng)政府擬將剩余水量作飲用天然礦泉水開發(fā)。飲用天然礦泉水的投資開發(fā)國家管理較嚴格，僅水質方面，國家標準《飲用天然礦泉水》(GB 8537—2008)［1］要求的指標多達 40項，且較一般礦泉水和生活飲用水要求嚴格。作為待開發(fā)的水源，僅水質達標仍然不夠，還需要有穩(wěn)定充足的水量供應。加上人文地理環(huán)境等限制，一處好的飲用天然礦泉水水源就顯得十分寶貴。本文主要就長陽峰山鄉(xiāng)一處山泉水源在勘察的基礎上作微量元素分析，確定該泉的水質和水源用于投資開發(fā)的適宜性。

2 研究方法

礦泉水水源理論上要求來自深層地下水，但是有些水源因為形成原因比較復雜，從露頭尺度上很難判斷泉水是否來自深層地下水。所以水文勘查的同時，對泉水可能來源做微量元素分析，了解可能來源與待開發(fā)泉水間的關系，為判斷泉水的真正來源提供科學依據。

2.1 現場勘查

長陽地處鄂西南山區(qū)，其地屬新生代以來強烈隆起的云貴高原東尾部向平原過渡地帶。境內震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、三疊系、二疊系、白堊系、下第三系及第四系地層均有出露。地層在長期的構造運動中，各地質構造形成了一系列復式褶皺及其相配套的斷裂，而且古老巖層強烈變質。長陽峰山鄉(xiāng)泉水點所在山體主要由灰色片狀泥巖和灰?guī)r組成，植被覆蓋較好。泉水出露處位于半山腰，海拔261 m，泉水形成的潭中心有一股涌流，旁邊有山澗一同匯合流到山下，山下300口村民的飲用水就來自這個潭(以下簡稱下潭)。山體同一側海拔高出約64 m處有一個溶洞，溶洞中央凹陷處有一個潭(以下簡稱上潭)，潭中心可以看到水流自下向上涌，兩潭可能位置關系如圖1。溶洞面積約300 m2，潭口面積約30 m2，洞內存在蝙蝠等生物活動，在地面形成約40 cm厚的沉積物(小動物的尸體、糞便等)。據當地人描述，這個溶洞中的潭水就是下潭的水源所在，四季不斷流，水量很足，用不完。但露頭尺度上，未見兩潭聯通。該泉的涌水量較大，確實是開發(fā)利用的有利條件，但要確定該泉是否適合開發(fā)，還需要解決3個問題:①水質;②兩潭水源;③兩潭相互關系。

解決以上問題，傳統(tǒng)方法是經過至少一年的跟蹤水文地質調查和水質全分析，頻率為每半月或者每月1次［2］，必要時還需要打鉆取樣。泉水點所在地區(qū)層巒疊嶂，3 km內不通車，按傳統(tǒng)辦法，勢必費時費力，且需一筆不小的經濟投入。本項目根據湖北省降水量變化特征分別于2013年1月3日和5月9日到峰山鄉(xiāng)泉水點進行現場監(jiān)測，并在5月9日采集水樣進行微量元素分析。

圖1 兩潭位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of location of two puddles

2.2 微量元素分析

飲用天然礦泉水水質檢測國家標準GB/T 8538—2008中對礦泉水的采樣、保存、樣品前處理、檢測等都做了明確的規(guī)定，本研究部分參照執(zhí)行。

2.2.1 水樣采集

5月份是當地雨水充沛的時節(jié)，與擬開發(fā)泉水可能有關系的水源均無缺失。分別采集匯入下潭的3條山澗的水樣S1、S2、S3，下潭泉心水樣S4，下潭水與山澗匯流水樣S5，上潭泉心水樣S6，具體采集和保存方法執(zhí)行 GB/T 8538［3］。

2.2.2 檢測方法

水文勘查過程中，準確快速地提供水質情況十分必要，所以水中微量元素分析需要選擇準確可靠的檢測方法。國家標準GB/T 8538—2008規(guī)定的微量元素的檢測方法及其檢測范圍如表1。

張利民等［4］在國家標準的基礎上利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP－AES法)對水中10種微量元素進行測定(表2)。

劉麗萍等［5］也在國家標準的基礎上，利用電感耦合等離子體質譜法(ICP－MS法)對飲用水中的23種元素進行了測試(表3)。

將后兩種方法與國家標準對比，從操作程序的簡便性和連貫性來看，ICP－AES法和 ICP－MS法明顯優(yōu)于國家標準推薦的方法。從檢測的靈敏度來看，ICP－MS法則更具優(yōu)勢。所以本研究采用ICP－MS法來分析泉水樣品中的微量元素。

2.2.3 儀器試劑

本文主要討論微量元素分析，主要檢測設備為ICP－MS(Aglient7500a)。微量元素的標準溶液的配制方法參考文獻［5］的研究方法。

表1 GB/T 8538規(guī)定檢測方法及測量范圍Table 1 Detection methods and measuring range about GB/T 8538

表2 ICP－AES法測定水中10種微量元素的檢測范圍Table2 Detection range of ten trace element in water by ICP-AES mg/L

表3 ICP－MS法測定礦泉水中的23種元素的檢出限Table 3 Detection Limit of 23 elements in mineral springs by ICP-AES μg/L

2.2.4 樣品前處理

待測樣品用已純化硝酸酸化，使其酸度為1%(V/V)。

3 結果與討論

3.1 現場監(jiān)測情況

由于兩潭潭口面積較大，現有的流量計無法直接獲得流量數據，所以本文只提供地表徑流和匯流的流量數據。兩次測得的水溫、pH值和流量如表4所示。數據顯示，地表徑流的水溫、流量隨季節(jié)變化較大，受當地氣溫和降水量影響較大。上潭水溫變化較小，水溫＞26℃，屬于微溫泉［6］。下潭水溫變化也較大，且水溫與一般地表徑流水溫存在明顯差異。匯流與山澗的流量差顯示下潭在1月和5月涌流量無明顯差異，表明下潭水源中存在地下水補給。下潭涌流總量預計超過2 000 m3/d，山下村民用水約50 m3/d，如剩余水量全部用于開發(fā)，該泉屬中型規(guī)模［7］。

3.2 微量元素測定結果與分析

本研究使用的設備與劉麗萍等使用的是同一型號，實驗條件參照該研究。結合國家標準微量元素要求，分別對峰山鄉(xiāng)的6個泉水樣品中的18種微量元素進行了測定，測定過程中對樣品平行測定3次，測定結果均值如表5。由于設備精度較高，檢出下限遠低于國家標準方法，為了與國家標準限值對應，且便于數據分析，檢測結果均以mg/L表示，保留兩位有效數字。

表5 水樣中微量元素測定結果Table5 Determination results of trace element in water sample

水樣中微量元素含量與國家標準要求對比，S4、S5、S6 三個水樣Sr含量 ＞0.20 mg/L，符合 GB 8537 界限指標要求，且其他限量指標也符合要求。其他水樣界限指標均不達標。

將水樣的微量元素數據進行相關性分析，比較6個水樣的相似性，分析所得相關系數如表6所示。數據顯示S4、S5、S6三個水樣間的相關系數較高，其中S4－S6相關系數為0.993，接近1，表明S4和S6之間高度相關，可以認定兩潭水樣同源。通過溫度的變化差異來看，上潭應該是來源于的地下水的補給，而下潭系上潭經淺層暗道(裂隙)流下，在海拔361 m處地表出露。S4－S5間相關系數是 0.984，＞0.95，表明 S5與S4也是顯著相關的，但同源性較S4－S6差。S4、S5、S6 與 S1、S2、S3 的相關系數均 ＜0.95，表明他們之間不顯著相關。從匯流水樣與下潭水樣相似性更好來看，表明匯流中大部分水量來自下潭。

表6 樣品相似性矩陣Table 6 Similaritymatrix of sample

4 結語

(1)下潭水和上潭水同源，且都是地下水，水質較好，符合國家有關標準要求。地下水源頭水溫＞25℃，符合富鍶飲用天然礦泉水要求。泉水流量較大，屬中型礦泉，且流量穩(wěn)定。峰山鄉(xiāng)泉水點可初步認定為有充足穩(wěn)定水源的中型微溫飲用天然礦泉水水源地，適合投資開發(fā)。

(2)雖然上潭、下潭和匯流水質都符合飲用天然礦泉水水質要求，但地表徑流隨環(huán)境變化較大，不宜混入待開發(fā)水源中，應采取隔離措施。

(3)下潭水源自上潭，水質受上潭影響較大，應采取措施改善上潭潭口環(huán)境，防止生物活動對泉水造成污染。

微量元素分析科學快速地確定了礦泉水的水質，礦泉水的源頭以及與臨近水源之間的關系，縮短投資決策時間，減少了前期投入，有效地指導投資方向。

［1］GB 8537—2008，飲用天然礦泉水［S］.

［2］GB/T 13727—1992，天然礦泉水地質勘探規(guī)范［S］.

［3］GB/T 8538—2008，飲用天然礦泉水檢驗方法［S］.

［4］張利民，楊麗君，張吉才，等.ICP—AES測定飲用天然礦泉水中10種微量元素［J］.光譜實驗室，2005(1):142－144.

［5］劉麗萍，張妮娜，張嵐，等.電感耦合等離子體質譜法測定礦泉水中23種元素［J］.質譜學報，2005(1):27－31.

［6］楊振芳.礦泉水的分類［J］.黑龍江水利科技，2005，4(33):35.

［7］陶慶法.勘查開采地熱、礦泉水和地下水資源的監(jiān)督管理［C］∥劉時彬.全國地熱產業(yè)可持續(xù)發(fā)展學術研討會論文集.北京:化學工業(yè)出版社，2005:203－208.