淺變質(zhì)巖區(qū)飲用天然礦泉水的形成原因分析
——以梅州市郭田礦泉水礦山為例

邱向榮 黃穎 鄧高 黃平安

（廣東省地質(zhì)技術(shù)工程咨詢公司，廣東廣州 510080）

廣東省有著豐富的天然礦泉水資源，這些礦泉水主要分布于結(jié)晶巖區(qū)中，目前已發(fā)現(xiàn)137 處，占全省礦泉水水源地總數(shù)的72.5%；其次是賦存于各時代的碎屑巖中，共45 處（占23.8%），其他巖類僅零星分布①。根據(jù)廣東省的水文地質(zhì)資料，淺變質(zhì)巖區(qū)很難找到具有開發(fā)利用價值的礦泉水資源，原因主要是淺變質(zhì)巖區(qū)的地下水往往比較貧乏，水量少，作為水源地，尤其是大中型礦泉水水源地的難度很大，其次是淺變質(zhì)巖區(qū)的水質(zhì)很難達到礦泉水標(biāo)準(zhǔn)。正是基于這些原因，才很少有在淺變質(zhì)巖區(qū)成功探獲礦泉水資源的例子。近期，在梅州市五華縣郭田鎮(zhèn)淺變質(zhì)巖區(qū)勘查出一處儲量規(guī)模達到中型的飲用天然礦泉水水源地②，深入分析該水源地礦泉水的形成原因，對指導(dǎo)類似地區(qū)的礦泉水資源勘查有良好借鑒意義。

1 水源地的地質(zhì)背景

郭田礦泉水水源地位于梅州市五華縣郭田鎮(zhèn)雙光村的丘陵谷地中，礦泉水類型為低鈉、低礦化度偏硅酸型礦泉水[1]，偏硅酸質(zhì)量濃度為34.0～61.3 mg/L②，水源地的允許開采量為2 317 m3/d，資源儲量規(guī)模為中型[2]。該水源地共施工了10 口探采結(jié)合井，其中ZK8 水質(zhì)不達標(biāo)，最終建成9 口開采井（表1）。8 口井的出水段為下古生界千枚巖，另1 口井的主要出水段為燕山三期花崗巖①。

1.1 地質(zhì)條件

水源地地層為早古生代千枚巖和第四紀(jì)黏土，巖漿巖為燕山第三期花崗巖。千枚巖主要分布于水源地中部，呈條帶狀向北東方向延伸（圖1），地層產(chǎn)狀310～320°∠65～76°，傾角較陡立。千枚巖和花崗巖早期為侵入接觸關(guān)系，后期在構(gòu)造作用下為斷層接觸關(guān)系，花崗巖隱伏于千枚巖之下。

水源地范圍內(nèi)的斷層為竹園頭斷層（F1），產(chǎn)狀為305°∠45～60°，該斷層為多期次活動的斷層，前期為壓扭性，后期為張性，早古生代地層產(chǎn)狀大致與斷層平行。其次為F2 斷層，走向北東，傾向北，在北東側(cè)的鴨麻寨水庫與F1 斷層相交，組合成“Y”字形斷層。

表1 郭田礦泉水開采井水文條件

1.2 水文地質(zhì)條件

水源地的地下水類型包括松散巖類孔隙水、層狀巖類裂隙水和塊狀巖類裂隙水三類。

松散巖類孔隙水主要分布于山間溪流兩側(cè)及丘陵坡腳，賦存在沖洪積層中，含水層為砂及砂礫石，富水性貧乏，以潛水為主，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na 型，單井涌水量小于100 m3/d。

層狀巖類裂隙水分布于水源地中部，為礦泉水的主要出水帶，地下水賦存于千枚巖的風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙中。開采井主要出水段位于千枚巖中，富水性中等，微承壓，水化學(xué)類型主要有HCO3-Ca·Na、HCO3-Na·Ca 型，水量為159～441 m3/d。

塊狀巖類裂隙水分布于區(qū)內(nèi)南北兩側(cè)，富水性中等，微承壓，其水化學(xué)類型主要為HCO3-Na·Ca 型，水量為234 m3/d?；◢弾r深部裂隙水的氟離子超標(biāo)，如ZK2 井分段抽水試驗和水質(zhì)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該井57.0 m 以下的花崗巖裂隙水中氟離子含量為2.7 mg/L，因此將該井57.0 m 以下用水泥封填止水，水質(zhì)才能達標(biāo)。由于深部花崗巖的氟離子超標(biāo)，說明深部花崗巖中的裂隙水并非水源地礦泉水的主要來源，也說明水源地的礦泉水并非深循環(huán)形成。

2 礦泉水中偏硅酸的來源分析

廣東省礦泉水中的偏硅酸主要來源于結(jié)晶巖中的硅酸鹽礦物，尤其以長石類礦物的水解為主[3]。根據(jù)地形地貌條件（圖1），郭田礦泉水水源地淺部地下水是從環(huán)形分水嶺向溝谷中匯集，即主要從花崗巖區(qū)向千枚巖區(qū)滲流，因此花崗巖區(qū)的地下水是千枚巖區(qū)裂隙水的補給來源之一。根據(jù)鉆探揭露，所有位于花崗巖區(qū)的鉆井氟離子全部超標(biāo)，但千枚巖區(qū)的鉆井氟濃度都較低，因此可以判斷來自花崗巖區(qū)的地下水主要是土層和基巖淺部風(fēng)化裂隙帶的地下水，有一定深度的構(gòu)造裂隙水不是千枚巖裂隙水的補給來源。由此可以看出，郭田礦泉水中偏硅酸部分來自花崗巖淺部風(fēng)化層。

圖1 郭田鎮(zhèn)水源地地質(zhì)圖

根據(jù)巖礦鑒定，水源地的千枚巖為鱗片細粒變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，主要礦物成分：絹云母60%～65%，白云母10%～12%，石英15%～18%，綠泥石3%～5%，黃鐵礦2%～3%。由此可見，巖石中的主要礦物成分為白云母族（絹云母、白云母），未見重結(jié)晶長石類礦物，因此礦泉水中偏硅酸主要來源于石英和白云母族礦物的水解。

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式（式(1)、式(2)）并采用熱力學(xué)方法計算，常溫常壓條件下石英水解為正硅酸的反應(yīng)自由能（△Gt）為-4.21 kJ/mol。計算結(jié)果可見，雖然常溫常壓條件下石英可以自發(fā)反應(yīng)形成偏硅酸，但其溶解反應(yīng)相當(dāng)緩慢，在常溫條件下溶解度僅為6.5 mg/L，故SiO2（石英）并非水中偏硅酸的主要來源。

根據(jù)前人的實驗得知，偏硅酸的水解主要受溫度、水中CO2含量和水巖反應(yīng)時間的影響,都為正相關(guān)關(guān)系，其中溫度和水巖反應(yīng)時間主要受地下水的循環(huán)深度控制[4]，但由于郭田鎮(zhèn)水源地礦泉水并非深循環(huán)形成，因此主要考慮水中CO2含量對偏硅酸水解的影響。地下水中的CO2部分來源于大氣降水降落過程中吸收了空氣中的CO2，其次，進入地下后又吸收了土壤中因有機質(zhì)氧化而產(chǎn)生的CO2，郭田鎮(zhèn)水源地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，植被茂密，風(fēng)化土層較厚（達6.50～21.50 m），土壤中有機質(zhì)含量較高，因此能為礦物的水解反應(yīng)提供豐富的CO2。

圖2 郭田鎮(zhèn)水源地成因剖面圖

千枚巖中的白云母族（絹云母、白云母）含量很高，根據(jù)水解反應(yīng)（式(3)、式(4)）可以看出，白云母族礦物在常溫常壓有CO2氣體參與的條件下，其水解反應(yīng)自由能（△Gt）為-364.77 kJ/mol（式(3)、式(4)），即反應(yīng)比較快速，因此可以認為，水源地千枚巖裂隙水中的偏硅酸主要來自白云母族礦物的水解：首先白云母族礦物水解為高嶺石，高嶺石繼續(xù)水解成水中的偏硅酸并引起三氧化二鋁的沉淀。這個判斷可以通過千枚巖區(qū)地表水水質(zhì)得到佐證，所取3 組地表水樣偏硅酸的含量為26.6～41.7 mg/L，由于地表水主要來自淺部風(fēng)化土層的溶濾水，故水中偏硅酸主要來自黏土類礦物（如高嶺石等），這類黏土礦物來自母巖的風(fēng)化，而母巖中易風(fēng)化為黏土的礦物就是云母類礦物，因此上述偏硅酸來源的判斷是合理的。

綜上，郭田礦泉水主要產(chǎn)出于千枚巖中，千枚巖的構(gòu)造裂隙水中的偏硅酸來源主要是白云母族礦物的水解，另外石英的水解以及來自花崗巖區(qū)風(fēng)化帶的地下水是偏硅酸來源之一。由于郭田礦泉水礦山主要礦物水解反應(yīng)均需足夠的CO2氣體參與，因此保持地下水中有合適的CO2氣體分壓是該偏硅酸型礦泉水形成的重要條件。

3 礦泉水的賦存條件分析

水源地地下水的補給來源主要是大氣降水，其次是地表水體。由于郭田礦泉水礦山屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年平均降雨量達1 498 mm，為地下水的補給提供了充裕來源，水源地位于地下水的補給-徑流區(qū)，地下水容易受外圍基巖裂隙水的側(cè)向補給，由此可見，水源地的補給條件較好。

礦泉水主要賦存于千枚巖中的層狀巖類裂隙中，根據(jù)水文地質(zhì)條件，千枚巖等淺變質(zhì)巖地區(qū)的富水性通常貧乏，但該水源地千枚巖的富水性屬于中等，其原因主要是構(gòu)造作用比較強烈所致。水源地的千枚巖被竹園頭斷層（F1）和F2 斷層夾持成北東向展布的狹窄地帶（圖2），早期F1 和F2 斷層為壓扭性斷層，活動性強烈，引起千枚巖地層的強烈破碎，這明顯改善了千枚巖的導(dǎo)水性和富水性。另外，比較強烈的構(gòu)造運動引起了地層產(chǎn)狀陡立，且構(gòu)造作用引起千枚巖面理不同程度的變形，這也有利于地下水沿著面理入滲，強化了地層的滲透性和富水性，給地下水提供了儲存和運移的空間，將本來透水性弱、水量貧乏的千枚巖地層改造成為富水性良好的地層。

上述可見，豐富的地下水補給來源和有利的構(gòu)造環(huán)境是千枚巖中礦泉水水量較豐富的主要原因。

4 結(jié)論

淺變質(zhì)巖中的礦泉水要具備開發(fā)利用價值，需要同時具備儲水條件和常溫常壓條件下能水解出豐富偏硅酸的巖石地球化學(xué)背景。根據(jù)郭田礦泉水的成因分析，可以得出構(gòu)造條件是地下水富集的必要條件，郭田鎮(zhèn)水源地的千枚巖在F1 和F2 斷層的挾持下強烈破碎和產(chǎn)狀陡立，面理不同程度變形，這為礦泉水提供了賦存和運移的空間；水巖反應(yīng)是偏硅酸形成的基礎(chǔ)，易溶礦物在有CO2參與下，能快速水解出偏硅酸，礦泉水中偏硅酸雖然有一部分是來源于花崗巖風(fēng)化帶中長石的水解，但更主要的來源是千枚巖中的白云母族的水解。郭田鎮(zhèn)水源地礦泉水的成因模式在廣東省內(nèi)比較少見，深入分析其成因機制，可為飲用天然礦泉水資源勘查工作提供新的思路。

注釋

①廣東省地質(zhì)調(diào)查院.中國礦產(chǎn)地質(zhì)志(廣東卷).北京:地質(zhì)出版社,2021:3245-3386.(待出版)

②黃穎,黃平安,王小海,等.廣東省五華縣郭田飲用天然礦泉水資源儲量核實報告[R].2021:1-46.