湖北省飲用天然礦泉水成因類型及成礦模式分析

牛俊強(qiáng), 文美霞, 郭 昆, 周 寧, 葉騰升, 蘇 呈

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.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)

湖北省飲用天然礦泉水資源較豐富,經(jīng)國家或省礦泉水技術(shù)評(píng)審組鑒定的礦泉水水源地共75處,其中大型水源地6處、中型水源地30處,其余為小型水源地。按《飲用天然礦泉水》(GB8537—2008)[1],重新評(píng)價(jià)礦泉水資源,符合飲用天然礦泉水水質(zhì)要求的礦泉水有70處。

礦泉水資源的出露呈兩種形式:一種為天然出露的泉水,主要分布于鄂東北大別山、鄂東南、鄂西、鄂中大洪山等丘陵山區(qū);一種為人工或鉆探揭露的,主要分布于江漢盆地和南襄盆地崗狀平原及平原區(qū)。

1 飲用天然礦泉水類型

按《飲用天然礦泉水》(GB8537—2008)中界限指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況將省內(nèi)礦泉水分為五種類型,即含鍶型、含偏硅酸型、含鍶—偏硅酸復(fù)合型、含硒型、含硒—鍶復(fù)合型。

含鍶型礦泉水19處,分布于鄂東南、大洪山、鄂西南等地,礦泉水主要產(chǎn)于海相碳酸鹽巖建造地層中,并以石炭系—二疊系、三疊系為主。

含偏硅酸型礦泉水17處,分布于大別山、鄂東南、神農(nóng)架等地。除3處賦存于新近系碎屑巖中、1處賦存于第四系砂、砂卵石地層中,其余皆分布于以含硅酸巖成分為主的花崗巖、變質(zhì)巖類區(qū)。

含鍶—偏硅酸復(fù)合型礦泉水30處,主要分布于江漢盆地、南襄盆地,其他地區(qū)零星分布。一部分賦存于下古生代地層,生成與分布主要受斷裂構(gòu)造的控制,屬深循環(huán)的地下水;一部分賦存于新近系—第四系下更新統(tǒng)和中上更新統(tǒng)的半松散或松散的碎屑巖含水層中,為長期溶濾作用下形成的。

含硒—鍶復(fù)合型礦泉水2處,分布于建始、恩施。礦泉水含水層為二疊系、三疊系碳酸鹽巖。

含硒型礦泉水2處,分布于襄陽、恩施。礦泉水含水層為二疊系、三疊系碳酸鹽巖。

2 飲用天然礦泉水成因類型

省內(nèi)礦泉水主要受地質(zhì)構(gòu)造條件、地球化學(xué)條件及地下水水動(dòng)力條件等因素的控制,特別是取決于這些因素相互間的配置,據(jù)此劃分為三種成因類型。

2.1 斷裂深循環(huán)型[2]

系指以溫泉或地?zé)崃黧w為特征的各類礦泉水。它的形成是地下水通過斷裂導(dǎo)水構(gòu)造作深循環(huán),在深部運(yùn)移過程中穿越不同的圍巖化學(xué)環(huán)境,在溫度效應(yīng)、壓力效應(yīng)的影響下,經(jīng)過長時(shí)間的水巖相互作用形成礦泉水(圖1)。

該類礦泉水有10處,礦泉水含水層為三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層、震旦系—奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層。

圖1 鐘祥市長壽礦泉水形成條件示意圖Fig.1 Diagram of formation conditions of Changshou mineral water in Zhongxiang City

1.地層代號(hào);2.灰?guī)r;3.白云巖;4.砂礫巖;5.砂巖;6.頁巖;7.斷層;8.大氣降水;9.地下水運(yùn)動(dòng)方向;10.礦泉水。

圖2 通山縣九宮山礦泉水形成條件示意圖Fig.2 Diagram of formation conditions of Jiugongshan mineral water in Tongshan County1.第四系;2.奧陶系;3.花崗巖;4.花崗細(xì)晶巖脈;5.石英脈;6.斷層及編號(hào);7.構(gòu)造裂隙密集帶;8.風(fēng)化層下限;9.地下水水位線;10.地下水出露點(diǎn);11.地下水流方向。

礦泉水類型主要為含鍶—偏硅酸復(fù)合型,少量含偏硅酸型、含鍶型。含鍶量一般為0.23～0.92 mg/L,偏硅酸含量一般為30.01～54.91 mg/L,其總的變化規(guī)律,含水層為三疊系的鍶含量高于震旦系—奧陶系的鍶含量,此外,其含量的高低還與水溫有關(guān),一般高溫者含量高,低溫者則低,特別是偏硅酸含量表現(xiàn)更為明顯。礦泉水中各種微量元素比較齊全,且含氟量高于其它成因類型的礦泉水。水化學(xué)類型主要為重碳酸鈣鎂型,個(gè)別為重碳酸氯化物鈣鎂型、重碳酸硫酸鈣鎂型。

礦泉水的形成與地下水的遠(yuǎn)源循環(huán)效應(yīng)、溫度及壓力效應(yīng),以及圍巖化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)[3]。

遠(yuǎn)源循環(huán)效應(yīng):從部分溫泉水中的氫同位素氚的測試值來看,一般在3～8 TU,低者<1 TU,可視為無氚水。從大氣降水入滲徑流至泉水泄溢,循環(huán)周期已逾30年,反映了它們徑流途徑比較長,并在遠(yuǎn)源滲流循環(huán)過程中贏得了水對(duì)圍巖作用的時(shí)間,致使圍巖中一些礦物成分或元素被充分溶濾,取得了水巖之間的化學(xué)動(dòng)態(tài)平衡而形成礦泉水。

溫度及壓力效應(yīng):地下水在深循環(huán)過程中不斷地與巖溫進(jìn)行水熱平衡交換,形成了較高溫度的地?zé)崃黧w,較高的溫度使得圍巖中一些礦物的溶解度增大,促進(jìn)了地下水對(duì)圍巖的溶解。從省內(nèi)不同溫度分級(jí)的地?zé)崃黧w水化學(xué)特征中看出:在23～40 ℃的熱礦泉水中,地?zé)崃黧w多為低礦化重碳酸鹽型水或重碳酸硫酸鹽型淡水;水溫>40 ℃者,由重碳酸硫酸鹽型向硫酸鹽型過渡,礦化度也隨之增高。從上述規(guī)律可看出,隨著溫度的增高,水中溶質(zhì)組分相應(yīng)地增加。在同一溶質(zhì)和相同溶劑的情況下,溶解度除受溫度制約外,還與壓力有關(guān)。如華嚴(yán)寺礦泉水循環(huán)深度為2 603 m,其所承受的壓力,無疑會(huì)增強(qiáng)地下水對(duì)圍巖某些礦物成分的溶解,并有利于礦泉水的形成。

圍巖化學(xué)環(huán)境:地下水在深循環(huán)過程中穿越不同巖性的地層或不同的地球化學(xué)環(huán)境,對(duì)形成礦泉水的物質(zhì)來源有利。此外,在一些斷裂帶常見有硅化、黃鐵礦化等礦物伴隨,致使水中硫酸根離子、含氟量增高。這種相關(guān)性,不同程度地反映了圍巖化學(xué)成分,對(duì)礦泉水的形成有明顯的影響。

2.2 裂隙淺循環(huán)型

多以泉形式出露,主要分布于山區(qū)溝谷兩側(cè),山區(qū)大氣降水入滲形成基巖裂隙水或巖溶裂隙水,在沿裂隙或巖溶向下徑流過程中,淋溶流經(jīng)地層中含量較高的特征元素或組分,并不斷富集,在以泉水形式出露時(shí),特征元素含量已達(dá)標(biāo),形成礦泉水(圖2)。

該類礦泉水有40處。礦泉水含水層主要為白堊系—古近系砂礫巖裂隙含水層,石炭系—三疊系碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層,花崗巖、變質(zhì)巖、玄武巖裂隙含水層等。

礦泉水類型與礦泉水含水層巖性關(guān)系密切,碎屑巖裂隙含水層為含鍶—偏硅酸復(fù)合型,鍶含量一般為0.31～0.78 mg/L,偏硅酸含量為31.2～65.1 mg/L,水化學(xué)類型重碳酸鈣(鎂)型;碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層以含鍶型為主,恩施地區(qū)見含硒型、含鍶—硒復(fù)合型,鍶含量一般為0.32～0.90 mg/L,硒含量一般為0.012～0.048 mg/L,水化學(xué)類型多為重碳酸鈣(鎂)型;花崗巖、變質(zhì)巖裂隙含水層為含偏硅酸型,偏硅酸含量為31.9～59.07 mg/L,水化學(xué)類型為重碳酸鈣(鎂)型、重碳酸鈣鈉型;玄武巖裂隙含水層為含鍶—偏硅酸復(fù)合型,鍶含量為1.20～2.83 mg/L,偏硅酸含量為56.58～91.44 mg/L,水化學(xué)類型多為重碳酸鈣鎂型。

圖3 洪湖市瞿家灣礦泉水形成條件示意圖Fig.3 Diagram of formation conditions of Qujiawan mineral water in Honghu City1.淤泥;2.粘土;3.含礫粘土;4.粉質(zhì)粘土;5.粉土;6.含泥質(zhì)砂;7.砂(巖);8.砂礫石(巖);9.地下水位;10.鉆孔編號(hào)/單井涌水量(降深);11.地層界線及代號(hào)。

礦泉水的形成主要由圍巖化學(xué)成分所決定,反映在礦泉水特征性指標(biāo)上與圍巖的化學(xué)成分及其豐度有著明顯的相關(guān)性。

硒在地殼巖石圈中含量較低,多呈分散狀態(tài),平均豐度為0.05×10-6,據(jù)有關(guān)資料,恩施地區(qū)二疊系部分層段中含硒豐度77×10-6～423×10-6,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地殼含硒平均豐度的1 540～8 460倍,有的地段可達(dá)2 892×10-6,富集成硒礦床,這種高硒地球化學(xué)背景對(duì)釀成含硒礦泉水提供了物質(zhì)基礎(chǔ),恩施地區(qū)含硒型礦泉水即在此環(huán)境下形成。

還有相當(dāng)多的一部分礦泉水產(chǎn)出的地球化學(xué)背景值不像前者那么高,但礦泉水特征成分仍為圍巖所賦含,如分布于二疊系—三疊系、震旦系—寒武系碳酸鹽巖巖類區(qū)的含鍶型礦泉水。區(qū)域地質(zhì)資料顯示:崇陽—陽新一帶寒武系中鍶的含量為1 000×10-6～3 000×10-6;黃梅和蒲圻一帶二疊系中鍶的含量低者200×10-6～713×10-6,高者1 000×10-6～3 000×10-6,有的地段高達(dá)5 000×10-6:鄂城—黃石一帶三疊系中鍶的含量低者200×10-6～500×10-6,高者1 000×10-6～5 000×10-6,局部地段富集成天青石礦。從上述地層或巖段可以看出,含鍶量高者,濃度均大于克拉克值(375×10-6),有的成倍,甚至十余倍地高于地殼鍶含量的平均豐度,這種異常的地球化學(xué)特征構(gòu)成含鍶礦泉水形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。

上述實(shí)例說明礦泉水的形成與圍巖化學(xué)成分的密切關(guān)系。除圍巖介質(zhì)條件外,地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的相互配置背景,對(duì)礦泉水的形成也起著一定作用。

2.3 層間緩慢徑流型

系指地下水受地層構(gòu)造和地形地貌等環(huán)境因素的控制,徑流滯緩,在長時(shí)間的滲流過程中贏得了對(duì)圍巖充分作用的時(shí)間,使某些元素組分含量達(dá)到了礦泉水標(biāo)準(zhǔn),稱之為緩慢徑流型。因該礦泉水含水層上下,普遍有相對(duì)隔水層,地下水受層間控制以水平滲流運(yùn)動(dòng)為主,故在命名上貫以“層間”二字,稱作層間緩慢徑流型(圖3)。

該類礦泉水有20處,礦泉水皆為人工揭露。礦泉水含水層為新近系—第四系下更新統(tǒng)裂隙孔隙含水層和第四系中上更新統(tǒng)孔隙承壓含水層。

新近系—第四系下更新統(tǒng)裂隙孔隙含水層中礦泉水15處,主要為含鍶—偏硅酸復(fù)合型,少量含偏硅酸型,鍶含量一般為0.31～0.89 mg/L,偏硅酸含量為28.72～78.31 mg/L。水化學(xué)類型大多為重碳酸鈣(鎂)型,礦泉水特征性指標(biāo)鍶、偏硅酸含量總的變化規(guī)律,鍶的含量在盆地西部高于東部,而偏硅酸含量盆地東部又高于西部;第四系中上更新統(tǒng)孔隙承壓含水層中礦泉水5處,主要為含鍶—偏硅酸復(fù)合型和含偏硅酸型,鍶含量為0.36～0.53 mg/L,偏硅酸含量為35.6～51.85 mg/L,水化學(xué)類型多為重碳酸鈣(鎂)型。兩者的主要差異是:含鐵量后者高于前者。前者含鐵量一般為0.00～0.79 mg/L,后者含鐵量一般為2.18～4.40 mg/L。

礦泉水的形成主要受含水層水動(dòng)力條件和含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)因素控制[3]。

水動(dòng)力條件:新近系裂隙孔隙承壓水在盆地崗地地區(qū)水力坡度為1/10 000～3/10 000,在平原區(qū)為0.7/10 000～1/10 000;中、上更新統(tǒng)孔隙承壓水水力坡度一般為1/7 000～1/10 000,含水巖組滲透系數(shù)一般為8～16 m/d,二者之間的結(jié)合造成地下水徑流速度緩慢。部分礦泉水氚同位素測試結(jié)果顯示,新近系裂隙孔隙承壓水從大氣降水入滲循環(huán)到礦泉水的形成至少有25年以上或更早的同位素年齡,由此可見,該礦泉水的形成是地下水與圍巖長期相互作用的結(jié)果。

含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu):新近系—第四系下更新統(tǒng)和中、上更新統(tǒng)含水巖組為一套粗粒相碎屑巖類,地下水在這種多孔介質(zhì)中滲流或浸泡,與圍巖作用面加大,有利于水對(duì)圍巖的溶濾、吸附作用,加上圍巖介質(zhì)物質(zhì)組分復(fù)雜,提供了礦泉水的物質(zhì)成分來源。此外,各含水巖組上覆的粘土巖和粘土起著良好的隔水屏障作用。

3 成礦模式

在成因類型分析的基礎(chǔ)上,將省內(nèi)礦泉水劃分為6種成礦模式(表1)。

斷裂深循環(huán)型:根據(jù)其形成的構(gòu)造條件、水動(dòng)力條件分為背斜式和向斜式兩種成礦模式。背斜式多分布于背斜近核部或被斷層破壞的一翼,大氣降水遠(yuǎn)源補(bǔ)給,往往跨多個(gè)褶皺,沿巖層傾向或沿褶皺傾伏方向向下滲流,順深大斷裂破碎帶運(yùn)移,徑流時(shí)間長達(dá)十幾年或幾十年;向斜式分布于向斜一翼、核部或單斜構(gòu)造深埋區(qū),大氣降水補(bǔ)給區(qū)一般位于向斜的一翼,沿巖層傾向向下滲流,經(jīng)向斜核部流向另一翼,或在核部附近轉(zhuǎn)向沿軸向運(yùn)移,徑流時(shí)間、徑流循環(huán)深度均較背斜式小。

裂隙淺循環(huán)型:根據(jù)圍巖地球化學(xué)背景分為礦化圍巖式和一般圍巖式兩種成礦模式。礦化圍巖式礦泉水多分布于特定組分形成的礦床周邊(如菱鍶礦)或地球化學(xué)背景值異常高(如恩施地區(qū)硒背景值異常高)的區(qū)域;一般圍巖式礦泉水分布的圍巖中賦含特定的化學(xué)組分,但不像礦化圍巖式那么高。

層間緩慢徑流型:主要根據(jù)地層結(jié)構(gòu)分為裂隙孔隙式和孔隙式兩種成礦模式。裂隙孔隙式礦泉水主要賦存于新近系—第四系下更新統(tǒng)半固結(jié)碎屑巖的裂隙、孔隙中;孔隙式礦泉水主要賦存于第四系中上更新統(tǒng)砂、砂礫石層的孔隙中。

表1 飲用天然礦泉水成礦模式表Table 1 Mineralization model table of natural mineral water

4 結(jié)語

飲用天然礦泉水是地下水的一種特殊造化,是特定地質(zhì)環(huán)境下的產(chǎn)物,含有豐富的對(duì)人體有益的礦物組分,是人體理想的礦物質(zhì)補(bǔ)充來源。湖北省內(nèi)飲用天然礦泉水資源較為豐富,具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開發(fā)前景,但在飲用天然礦泉水開發(fā)利用過程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)資源的保護(hù)。