中國含硒型飲用天然礦泉水控礦因素和成礦模式淺析

翟振飛，祝 軍，譚光超，周 寧

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

在中國硒元素0.01～0.05 mg/L的飲用天然泉水為硒型飲用天然礦泉水,其作為液體礦產(chǎn),其成礦三要素生、儲、蓋缺一不可,但其空間疊置關(guān)系與油氣成藏有所不同,成礦物質(zhì)來源層兼為蓋層,中國含硒礦泉水的分布主要受硒元素富集巖層分布和構(gòu)造控制,天然富硒礦泉水主要分布在硒元素富集的湖北恩施,陜西紫陽和江西宜春等地。

中國含硒型礦泉水主要分布在揚子地塊周邊深水滯留沉積環(huán)境屬于拉張的斷陷盆地早二疊世峨眉山玄武巖大規(guī)模噴發(fā)活動(恩施)、淺海滯留的盆地沉積環(huán)境寒武系拉張裂谷環(huán)境海底熱液活動(紫陽縣),為Se元素富集提供了初始物質(zhì)來源[1],此外宜春明月山震旦系混合巖中巖漿活動提供了硒元素物質(zhì),礦泉水儲層為經(jīng)斷裂或裂隙構(gòu)造改造的含水巖層。

1 硒礦泉水控制因素

1.1 硒元素來源巖層

如表1,控制中國含硒礦泉水分布諸多因素中,硒元素來源巖層為首要因素。硒源層巖石類型三大巖石類均有,但以沉積型黑色炭質(zhì)硅質(zhì)巖系為主。鄭寶山等在恩施地區(qū)恩施市、咸豐縣、建始縣等地進(jìn)行硒礦資源調(diào)查(5個地質(zhì)點、125件樣品)時發(fā)現(xiàn):二疊系中統(tǒng)孤峰組硅質(zhì)巖段是含硒最富的巖段,該段巖石取樣檢測含硒量>0.01%。

表1 中國含硒飲用天然礦泉水統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of selenium containing natural mineral water in China

李明龍,徐輝等[2]通過對恩施地區(qū)廣泛出露的31個巖石地層單位(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)歷史上多個黑色巖系沉積時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—志留系龍馬溪組等地層。早寒武世牛蹄塘期(巖石樣品硒含量均值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15.67～175.38 mg/kg)。

據(jù)陜西省地勘局1995年開展的陜西省飲用天然礦泉水動態(tài)監(jiān)測及新類型天然礦泉水調(diào)查評價工作中巖樣含硒元素分析，結(jié)果表明：寒武系—奧陶系洞河群[(C--O)dh]、志留系大貴坪組(S1d)炭質(zhì)板巖、炭質(zhì)頁巖夾煤層地層含硒量較高,一般可達(dá)2.64～30.40 mg/kg,最高可達(dá)33.0～176.00 mg/kg,泉水含硒量隨巖層含硒量高低而變化。

截至目前,中國發(fā)現(xiàn)的含硒或硒鍶復(fù)合礦泉水主要分布在二疊系碳酸鹽巖地層中,硒元素來源主要以二疊系中統(tǒng)孤峰組為代表的黑色巖系。根據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研究出版中國南方地區(qū)硒地球化學(xué)圖硒元素地球化學(xué)高異常區(qū)與中國含硒礦泉水空間分布耦合性好,尤其與賦存在碳酸鹽巖含水層中的遠(yuǎn)距離運移淺—中循環(huán)型耦合性更好,如圖1所示。

圖1 中國含硒礦泉水與硒元素地球化學(xué)異常區(qū)空間關(guān)系圖Fig.1 Spatial relationship between selenium bearing mineral water and selenium geochemical anomalies in China

1.2 構(gòu)造因素

中國含硒礦泉水均位于褶皺尤其是斷裂構(gòu)造交匯部位,斷裂破碎促進(jìn)了碳酸鹽巖含水巖層巖溶發(fā)育，改善其滲透性。導(dǎo)水性等理性指標(biāo)改善,成為礦泉水較好的儲層。另外,斷裂構(gòu)造也促進(jìn)了硒元素從源巖到水中的運移和富集。

1.3 含水層巖性富水性

如表2,中國含硒礦泉水從小型至大型均有,含水層為碳酸鹽巖且富水性強,溶洞型的泉水流量最大,裂隙型巖溶泉水次之。變質(zhì)巖和巖漿巖富水性相對較差,出露泉水流量較小。

表2 中國含硒礦泉水儲量統(tǒng)計表Table 2 Statistics of selenium bearing mineral water reserves in China

2 硒礦泉水成礦模式

泉水作為地下水,硒元素的直接來源主要是巖石萃取和土壤淋濾。硒元素在水中主要以水溶性硒形態(tài)硒酸鹽和亞硒酸鹽存在。含硒礦泉水是在特有的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及水文地質(zhì)條件下,地下水與周圍富硒巖石或土壤介質(zhì)長期作用的結(jié)果。硒元素富集區(qū)水文地質(zhì)條件和構(gòu)造地質(zhì)因素進(jìn)一步?jīng)Q定了天然富硒礦泉水的分布和成礦,將截至目前經(jīng)鑒定符合中國飲用礦泉水標(biāo)準(zhǔn)的含硒礦泉水分為兩個大類,根據(jù)含水層特征又可以分為若干亞類。

2.1 遠(yuǎn)距離運移淺—中循環(huán)

這種成礦模式下的泉多是天然出露,主要分布于山區(qū)溝谷兩側(cè),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[3],在以泉水形式出露時,特征元素含量已達(dá)標(biāo),形成礦泉水。

湖北省恩施市新塘鄉(xiāng)灰包洞飲用天然礦泉水水源地位于恩施市東部新塘鄉(xiāng),如圖2所示泉點出露于清江右岸支流馬尾溝匯入段左岸岸坡中部,主要賦存于天落水背斜北西翼二疊系中統(tǒng)與上統(tǒng)碳酸鹽巖巖溶溶洞和裂隙中,經(jīng)深層運移循環(huán)不斷的被溶濾、溶解和富集而形成礦泉水,礦泉水以溶洞泉的形式出露,屬天然出露型礦泉水。

圖2 恩施市灰包洞礦泉水地質(zhì)簡圖(據(jù)湖北省地質(zhì)調(diào)查院改編，2018)Fig.2 Geological map of Huibaodong mineral water in Enshi City1.上二疊統(tǒng)—中三疊統(tǒng)；2.中二疊統(tǒng)；3.泥盆系—石炭系；4.寒武系—志留系；5.背斜；6.向斜；7.正斷層；8.逆斷層；9.性質(zhì)不明斷層；10.褶皺編號；11.斷層編號；12.剖面線；13.泉點。

據(jù)彭小桂等恩施硒礦中的硒以自然硒、獨立礦物、類質(zhì)同象及有機質(zhì)吸附四種形式賦存于礦床中。除少量的硒礦物和硒黃鐵礦外,約67%的單質(zhì)硒以納米級(50～200 nm)的形式包裹或粘附在有機質(zhì)中[4]。自然界中硒主要是以化合物和單質(zhì)硒的形式存在,在風(fēng)化過程中,特別是地下水的淋濾過程中,很容易被氧化成可溶性硒而被帶入土壤、水體。據(jù)張援軍富硒巖土體能否形成含硒礦泉水,主要取決于巖土體的風(fēng)化程度、水的腐蝕性及地下水循環(huán)交替條件等因素[5]。

如圖3所示,從恩施市新塘鄉(xiāng)灰包洞飲用天然礦泉水水文地質(zhì)條件分析,灰包洞溶洞系統(tǒng)主要發(fā)育在棲霞組和茅口組分界處,除主要接受補給區(qū)大氣降水入滲而淋濾二疊系中統(tǒng)孤峰組茅口組碳酸鹽巖中的硒元素外,地下水在溶洞系統(tǒng)中經(jīng)遠(yuǎn)距離長時間徑流過程中,水中酸根離子與含水層的礦石長期接觸,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,從而將含水層中巖石礦物中的硒元素也溶入水中,并在含水層水體中富集,從而形成了含硒型礦泉水。影響硒礦泉水形成外因主要有溫度、壓力、濃度、地下水的酸堿度、氧化還原環(huán)境及有機物、膠體物質(zhì)存在的吸附作用與地下水的交替程度等,其中地下水的酸堿度、氧化還原環(huán)境及地下水交替程度對含硒泉水的形成有主要作用,地下水的交替條件好,交替作用強,可使巖石中元素轉(zhuǎn)移到水中的能力增強,且隨地下水運動,元素在水中遷移性亦增強。總之富硒區(qū)要形成礦含硒礦泉水,必須具備完整的水巖相互作用的水文地球化學(xué)環(huán)境。

圖3 灰包洞含硒礦泉水遠(yuǎn)距離運移淺中循環(huán)模式Fig.3 Shallow middle circulation model of long distance transport of selenium bearing mineral water in Huibaodong1.泥盆系中上統(tǒng)并層;2.石炭系黃龍組;3.二疊系中統(tǒng)梁山組;4.二疊系中統(tǒng)棲霞組;5.二疊系中統(tǒng)茅口組;6.二疊系上統(tǒng);7.巖溶裂隙管道;8.巖溶主管道;9.石英砂巖;10.灰?guī)r;11.炭質(zhì)泥灰?guī)r夾煤線;12.含燧石結(jié)核灰?guī)r;13.含碳硅質(zhì)夾炭質(zhì)頁巖;14.頁巖夾炭質(zhì)頁巖或煤線;15.煤線;16.巖層層狀。

恩施市—石門縣賦存在碳酸鹽巖含硒礦泉水成礦帶和陜西安康賦存于淺變質(zhì)巖成礦帶含硒礦泉水多屬于這種模式成礦模式,尤其是富水性強泉流量大的碳酸鹽巖型含硒礦泉水是中國今后找含硒飲用天然礦泉水的主要方向。

2.2 中遠(yuǎn)距離運移深循環(huán)

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)過長時間的水巖相互作用形成礦泉水,溫湯溫泉熱源來自非火山活動,以地殼正常地溫梯度之增高率及地殼運動所產(chǎn)生之摩擦熱等為熱源的,該類型的以巖漿巖型的含硒礦泉水為主,江西宜春明月山溫泉型飲用天然礦泉水。

溫湯地?zé)岬V泉水位于宜春市城區(qū)西南側(cè),主要出露地層巖性自新到老為第四系沖洪積及殘坡積層、震旦系松山群老虎塘組變質(zhì)砂巖以及松山群變質(zhì)巖經(jīng)加里東期地質(zhì)作用形成的混合巖,詳見圖4。溫泉從地下470 m深處花崗巖中涌出[7],原天然出露開采量為860 m3/d,后經(jīng)鉆孔回灌開采技術(shù)后為10 239 m3/d[8],水溫常年保持在68～72 ℃,無色無味,水質(zhì)細(xì)膩,不含硫,溫湯溫泉屬高溫重碳酸鈉弱堿性礦泉。經(jīng)國家鑒定檢測和中國醫(yī)防科學(xué)院試驗分析,該泉屬于大出水量、高溫度優(yōu)質(zhì)礦泉,可飲可浴,口感純正,具有低礦化度、低鈉、富硒、偏硅酸含量高等特點,為國內(nèi)外罕見富硒溫泉。溫湯地?zé)崽锸軘嗔芽刂?熱儲為斷裂破碎帶。如圖5所示,溫湯地區(qū)與地?zé)嵘捎嘘P(guān)系的兩個斷裂系統(tǒng),即F1斷裂系統(tǒng)和F2斷裂系統(tǒng),F1斷裂系統(tǒng)傾向南東,傾角60°左右,F2斷裂系統(tǒng)概括說來,溫湯地?zé)崴仉[伏張扭性斷裂F22運移,運移方向與地表水方向大致相同,在壓扭性斷裂F11的阻擋及張扭性斷裂F21的復(fù)合切割,在河流侵蝕部位,地?zé)嵋匀男问脚判埂?/p>

圖4 溫湯地?zé)岬V泉水地質(zhì)圖[6]Fig.4 Geological map of Wentang mineral water1.第四系全新統(tǒng)沖積洪積層；2.第四系上更新統(tǒng)冰積層；3.第四系殘坡積層；4.寒武系下統(tǒng)牛角河組下段；5.志留紀(jì)晚世稠坪單元；6.硅化破碎帶；7.實測及推測隱覆壓扭性斷裂；8.實測及推測扭性斷裂；9.溫泉；10.泉；11.鉆孔；12.剖面編號。

明月山溫湯地?zé)釋儆跇?gòu)造熱儲,地下水通過斷層或斷層破碎帶循環(huán)對流,在徑流過程中不斷吸收圍巖熱量,同時還有部分地下水補充,成為溫泉主要熱源,主要通過熱傳導(dǎo)和對流方式獲得來自深部的大地?zé)崃?。該泉硒元素主要來源于?jīng)斷裂改造的硅化混合巖。

3 結(jié)論

(1) 目前中國發(fā)現(xiàn)含硒礦泉水賦存在揚子準(zhǔn)地臺的二疊系碳酸鹽巖建造中,如恩施市灰包洞、楠木溝、高臺、金龍壩、龍洞灣和湖南省石門縣悅家泉。揚子板塊邊緣寒武系淺變質(zhì)巖建造中,如陜西省紫陽縣；震旦系火山巖混合巖,如江西宜春明月山溫湯含硒熱礦泉水。

(2) 中國含硒礦泉水成礦模式按照運移距離和循環(huán)深度分為兩大類,遠(yuǎn)距離運移淺—中循環(huán)和中遠(yuǎn)距離運移深循環(huán),兩種模式根本區(qū)別在于循環(huán)深度,溫泉性質(zhì)與深大斷裂或巖漿活動有關(guān)的確定為深循環(huán)。依托淋濾圍巖等巖水作用而使硒元素溶于水后富集成礦的為淺循環(huán)模式。前者與硒元素地球化學(xué)異常耦合性較好,后者耦合性較差。

(3) 該模式劃分對含硒礦泉水勘查工作具有一定指導(dǎo)意義,在硒元素地球化學(xué)高異常區(qū)的二疊系碳酸鹽巖建造中,斷裂構(gòu)造匯集部位巖溶強烈尤其管道型碳酸鹽巖含水層富水性強,出露泉水流量大,含硒量較高,具備較大開發(fā)價值。