益陽市城區(qū)礦泉水形成機(jī)理分析

李海兵， 尹伊君， 潘 卓， 王 丹

(湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，湖南 長沙 410007)

0 引言

湖南省礦泉水資源豐富，類型齊全，水質(zhì)好，是我國礦泉水資源大省。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全省飲用天然礦泉水資源點(diǎn)336處，可開采資源量2 300萬噸/年。其中，偏硅酸型(單一組分)226處，可開采資源量786.5萬噸/年，分別占總數(shù)的67.3%和34.2%。

益陽市位于湘中偏北，資水下游，因地處益水(資水)之陽而得名。資水南岸赫山區(qū)城區(qū)即為一處優(yōu)質(zhì)偏硅酸型飲用天然礦泉水資源，偏硅酸含量達(dá)60～80 mg/L。含水層總分布面積約19.44 km2，平均厚度26.99 m，動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量規(guī)模超過1 200萬立方米，允許開采量為2 813 m3/d。目前有2家礦泉水生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)值500萬元以上。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 自然地理

益陽市位于洞庭湖邊緣的丘崗與河湖堆積平原地貌的交接過渡地帶，南部和西部為丘崗地貌，北部和東北部為河湖堆積平原地貌。

屬亞熱帶大陸性季風(fēng)濕潤氣候，四季分明。春夏炎熱多雨，夏末秋初多旱，冬季嚴(yán)寒期短。年平均氣溫16.1～16.9 ℃，降雨量1 230～1 700 mm，年平均蒸發(fā)量1 250.4 mm。

地表水發(fā)育，資水自西向東橫貫市城區(qū)，西北部和東北部分別有志溪河和蘭溪河匯入資水，山塘、水庫眾多。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層主要發(fā)育第四系和冷家溪群。冷家溪群板巖中組玄武巖是礦泉水形成的母體，其特有的巖石化學(xué)成分是礦泉水形成的內(nèi)在條件。

第四系主要分布于資水兩岸及秀峰湖等地階地和沖積湖積平原區(qū)，一般構(gòu)成二元結(jié)構(gòu)，上部黏土、粉砂土，下部砂、砂礫石層。地層總厚度12.5～83.4 m。

冷家溪群主要分布于南部和西部地區(qū)。由板巖、砂巖組成，地層厚度最大可達(dá)2 000 m以上。

武陵期基性火山巖(亦稱石咀塘玄武巖)是最主要巖漿巖，為一套變玄武質(zhì)科馬提巖—拉斑玄武巖，賦存于冷家溪群中組地層中，總厚度大于1 335 m，夾絹云母板巖或砂質(zhì)千枚狀板巖，底部常夾基性凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)熔巖。此外，輝長—輝綠巖、巖脈等其他巖漿巖零星分布。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育有華夏系褶皺及斷裂構(gòu)造、新華夏系和北西向斷裂構(gòu)造，新華夏系斷裂割切華夏系構(gòu)造，北西向斷裂割切新華夏系和華夏系構(gòu)造，其中以新華夏系和北西向兩組斷裂規(guī)模較大，兩者交織形成本區(qū)斷裂骨架，以張扭性和壓扭性斷裂帶為主。由于這些斷裂構(gòu)造的割切，構(gòu)成斷塊狀構(gòu)造，斷塊內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，其斷裂帶水平及垂向延伸皆較大，從而為地下水沿?cái)嗔褞蛏畈窟\(yùn)移創(chuàng)造了良好條件，為本區(qū)礦泉水形成提供了有利的水文地質(zhì)條件。

主要構(gòu)造有石咀塘倒轉(zhuǎn)背斜，王四村壓扭斷裂、鄧石橋壓扭性斷裂、姚家村斷裂、欄江寺壓扭性斷裂、金井坡壓性斷裂等。

1.4 水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)地下水按其含水層結(jié)構(gòu)、埋藏條件、水力特征等因素，劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類，其中孔隙水有潛水和承壓水兩個(gè)亞類，基巖裂隙水可劃分為變玄武巖裂隙水、淺變質(zhì)巖裂隙水和巖漿巖巖脈裂隙水三個(gè)亞類(見表1)。

表1 益陽市赫山區(qū)城區(qū)含水層特征表

根據(jù)全區(qū)以往水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)資料，鉆孔平均涌水量為163.22 m3/d，以涌水量100～200 m3/d鉆孔為主。石咀塘倒轉(zhuǎn)背斜核部區(qū)域，由于巖石受力變形破碎形成張裂隙，富水程度較高。

大氣降水是地下水主要的補(bǔ)給源，主要沿?cái)嗔褬?gòu)造下滲補(bǔ)給地下水。自然狀態(tài)下，礦泉水動(dòng)態(tài)變化與降雨量的變化趨勢(shì)一致，一般滯后10天左右。由于西南部地勢(shì)高，基巖裂隙水對(duì)礦泉水存在側(cè)向補(bǔ)給，但除斷裂附近外側(cè)向補(bǔ)給量較小。總體徑流方向是從南、西往北、東方向，局部由于開采井的影響形成徑向流。資江是礦泉水重要排泄場(chǎng)所，在東部通過越側(cè)向徑流補(bǔ)給第四系孔隙水，人工開采也是排泄方式之一。

2 偏硅酸的形成

2.1 玄武巖組分

巖石礦物成分主要由透閃石——陽起石、綠泥石、簾石等蝕變礦物組成，原生礦物很少，僅有輝石和斜長石殘晶，巖石化學(xué)成分：SiO250.08%～52.1%，全區(qū)平均51.09%，CaO為8.15%～9.33%，全區(qū)平均9.26%，MgO為5.61%～8.70%，全區(qū)平均8.60%，同時(shí)還含有不等微量元素。

2.2 偏硅酸的形成

本區(qū)偏硅酸的形成主要來自以下兩個(gè)方面。此外，從地質(zhì)意義考慮，存在于原始沉積巖石中的沉積水含少量H2SiO3。

2.2.1 裂隙滲透水對(duì)巖石礦物的作用

地下水對(duì)巖石中SiO2的溶解和深部硅酸鹽礦物的分解是區(qū)內(nèi)礦泉水中H2SiO3的最主要來源。

其一，區(qū)內(nèi)玄武巖SiO2的含量50.08%～52.1%，地下水pH值一般在6.8～7.11之間，在合適的地球化學(xué)環(huán)境，其中部分非晶質(zhì)SiO2溶于水中形成H2SiO3。特別是當(dāng)?shù)叵滤M(jìn)行深部循環(huán)時(shí)，沿?cái)嗔褞С涮畹氖⒌鹊V物硅質(zhì)含量更高。

其二，來自于裂隙滲透水中的N2、O2、CO2等氣體，特別是CO2和硅酸鹽礦物的作用，會(huì)在深部高溫高壓條件下產(chǎn)生偏硅酸。以斜長石中的鈉長石為例：

H2Al2Si2O8+2Na++CO32-+4SiO2

2Na2SiO3+5 H2SiO3+2Al2O3+5SiO2

2.2.2 巖漿期后熱水溶液及變質(zhì)熱液水的作用

一是巖漿期后熱水溶液中本身含有H2SiO3。二是巖漿期后熱水溶液及地殼深部高溫高壓下由巖石中的結(jié)合水轉(zhuǎn)變成的自由狀態(tài)的再生水(呈液態(tài)或氣態(tài)的變質(zhì)熱液水)，在沿?cái)嗔焉弦邕^程中，對(duì)由巖漿水分異冷凝并充填于裂隙中的石英脈及圍巖中的硅酸鹽礦物進(jìn)行熱液交代(圍巖蝕變)，被帶出的非晶質(zhì)SiO2溶于水中形成H2SiO3。

3 礦泉水成因機(jī)理

3.1 循環(huán)深度估算

本次研究先利用地?zé)釡貥?biāo)估算地下熱儲(chǔ)的溫度，再根據(jù)當(dāng)?shù)氐販靥荻确赐蒲h(huán)深度。

SiO2溫標(biāo)作為應(yīng)用最早也是最常用的地?zé)釡貥?biāo)，因其具備的物理化學(xué)特性可能很好地指示地下熱儲(chǔ)的溫度。SiO2在水中的溶解度與溫度、壓力呈正相函數(shù)關(guān)系，而溫度、壓力又與深度為正相函數(shù)關(guān)系。研究表明，溫度小于110 ℃時(shí)，通常是玉髓控制著溶液中SiO2的含量；大于180 ℃時(shí)，通常是石英控制著溶液中SiO2的含量；110～180 ℃之間均有影響。

石英溫標(biāo)：T=1 309/(5.19-lgSiO2)-273.15

（3）由于高拱壩拱肩槽開挖位置與上下游邊坡軸線具有一定距離，因此在縱向爆破期間，需要進(jìn)行一定爆破區(qū)域的劃分。即在爆破塊分界邊位置，設(shè)置孔距在2.50～3.00m；線裝藥密度為250g/m；φ35mm藥卷孔底連續(xù)裝藥；堵塞長度為3.1m，導(dǎo)爆索起爆。結(jié)合中部起爆的塑料管寬V網(wǎng)路設(shè)置，可獲得良好的爆破效果。

玉髓溫標(biāo)：T=1 032/(4.69-lgSiO2)-273.15

水中1 mg/L H2SiO3相當(dāng)于溶解SiO2為0.769 mg/L，研究區(qū)H2SiO3含量60～80 mg/L。根據(jù)上述公式，石英溫標(biāo)和玉髓溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果分別為98.11～111.75 ℃和67.92～82.61 ℃，其中玉髓溫標(biāo)計(jì)算結(jié)果符合其控制范圍。故67.92～82.61 ℃更接近循環(huán)深度的區(qū)間溫度。

當(dāng)?shù)氐販靥荻葹?.0285 ℃/m，井口處年平均溫度To=19 ℃，循環(huán)深度h=(T-To)/0.0285。計(jì)算可得循環(huán)深度為1 716.49～2 231.93 m。

礦泉水由深部上升后，可能有部分含少量偏硅酸的淺部裂隙水混入，導(dǎo)致偏硅酸檢測(cè)值低于其在深部形成時(shí)的含量，礦泉水的實(shí)際形成環(huán)境溫度和循環(huán)深度將高于估算值。

3.2 成因機(jī)理分析

首先，大氣降水滲入補(bǔ)給地下水，地下水在風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中儲(chǔ)存與運(yùn)移，同時(shí)溶解巖石、巖脈及斷裂充填物中的SiO2，使淺部地下水中含有一定的H2SiO3。

圖1 礦泉水形成機(jī)理圖

4 結(jié)論

(1)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和厚度達(dá)1 335 m以上的武陵期基性火山巖為益陽市城區(qū)偏硅酸型礦泉水的形成提供了良好的地質(zhì)條件。由大氣降水補(bǔ)給的斷裂構(gòu)造水是礦泉水最主要水源。

(2)區(qū)內(nèi)礦泉水中偏硅酸主要來自地下水進(jìn)行深部循環(huán)時(shí)在高溫高壓環(huán)境下與硅酸鹽礦物反應(yīng)的產(chǎn)物，以及巖漿后期熱液水、變質(zhì)熱液水、沉積水中所含偏硅酸。

(3)分析表明，玉髓控制著區(qū)內(nèi)深部溶液中SiO2含量。利用地?zé)釡貥?biāo)法求得礦泉水形成環(huán)境溫度在67.92～82.61 ℃以上，深度達(dá)1 716.49～2 231.93 m以上。