浙江龍泉市青坑底礦泉水資源特征及成礦機(jī)理

韋 毅，駱湘勤，陳俊兵，毛官輝

(1.浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，浙江 寧波 315012；2.寧波大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，浙江 寧波 315211 )

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，居民健康飲水的意識(shí)逐漸增加，對(duì)飲水結(jié)構(gòu)追求多元化和優(yōu)質(zhì)化。飲用天然礦泉水以其含有一定量的礦物鹽類、微量元素或特殊氣體，化學(xué)成分相對(duì)穩(wěn)定且對(duì)人體有益[1]，深受廣大消費(fèi)者的青睞。

龍泉市青坑底礦泉水是浙江省新興的大型飲用天然礦泉水水源地之一，礦泉水中富含多種人體必需的偏硅酸、鍶、鋅等微量元素，其獨(dú)特的地貌形態(tài)、巖石礦物組分和地質(zhì)構(gòu)造是礦泉水形成的基礎(chǔ)[2]。本文以水文地球化學(xué)分析、同位素技術(shù)等方法手段[3]，分析礦區(qū)礦泉水的資源特征，模擬礦泉水的演化路徑，探究礦泉水形成的機(jī)理，為礦區(qū)礦泉水資源的保護(hù)和開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

礦區(qū)位于浙江省龍泉市查田鎮(zhèn)青坑底村一帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫約17.6℃，降水充沛，年平均降水量約為1699.4 mm，隨季節(jié)變化明顯，降水集中于5—6月，約占全年降水量的40%～50%。礦區(qū)地處龍泉溪支流沖洪積河谷中，整體地勢呈南東高北西低，地形起伏劇烈，相對(duì)高差約770 m。

巖漿活動(dòng)比較頻繁，礦區(qū)內(nèi)分布有加里東期和燕山晚期的侵入巖。麗水—海豐斷裂斜貫礦區(qū)，控制了礦區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格局。NE向斷裂性質(zhì)為壓扭性，滲透系數(shù)差，控制含水層的隔水邊界。NW向和SN向斷裂性質(zhì)為張性，裂隙相互切錯(cuò)，富水性好，是地下水運(yùn)移和成藏的良好部位(圖1)。

圖1 青坑底礦區(qū)水文地質(zhì)圖

礦區(qū)位于江山—紹興拼合帶以東，區(qū)域大地構(gòu)造單元?dú)w屬華南褶皺系浙東南褶皺帶。地表出露前第四系由老至新分別為元古界龍泉群青坑組(Pt2-3q)和白堊系西山頭組(K1x)。青坑組巖性主要有石英二長片巖、斜長變粒巖(圖2)、云母石英片巖，巖石中沿裂隙發(fā)育有高嶺石、石英細(xì)脈等(圖3)。西山頭組巖性主要為晶屑玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r。

圖2 斜長變粒巖鏡下長石石英礦物Fig.2 Plagioclase and quartz of plagioclase granofels under a microscope Pl—斜長石 Qz—石英

圖3 青坑組斜長變粒巖裂隙中發(fā)育的高嶺石細(xì)脈(白色)Fig.3 Kaolinite veinlets (white) developed in fractures of plagioclase granofels in Qingkeng Formation

2 礦區(qū)地下水類型

礦區(qū)地下水類型分為松散巖類孔隙水、風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水和構(gòu)造裂隙水。

松散巖類孔隙水主要分布于青坑底、桂花亭、墩頭等山前溝谷，含水介質(zhì)為沖洪積、坡洪積砂卵石層、砂礫、含碎石黏性土等，厚度為6～12 m，由低山丘陵向山前平原逐漸變厚。水量貧乏—中等，單井涌水量為16～94.52 m3/d。pH值為5.57～6.72，水化學(xué)類型為HCO3-Na·Ca型。富含F(xiàn)e2+，有一定的鐵銹味，接觸空氣后立即氧化呈現(xiàn)出肉眼可見的淺褐色，偏硅酸含量為21.8 mg/L。

風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水廣泛分布于礦區(qū)西南、北部及中部的丘陵山區(qū)，含水介質(zhì)為侵入巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙及變質(zhì)巖風(fēng)化條帶狀裂隙。片巖及加里東期的變質(zhì)花崗巖風(fēng)化帶厚度大，片理產(chǎn)狀近直立，風(fēng)化厚度一般為12～26 m，富水性較好，地表多見泉出露，流量普遍大于0.1 L/s，單井水量為20～480 m3/d；因風(fēng)化母巖巖性的不同，地下水中Mg2+含量略有差異，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na或HCO3-Ca·Na·Mg型，偏硅酸含量為41.4～51.5 mg/L。

構(gòu)造裂隙水主要賦存于礦區(qū)NW向及近SN向斷裂內(nèi)，多沿溝谷展布，整體或局部地段所處地勢低洼，易接受大氣降水或網(wǎng)狀裂隙水的補(bǔ)給，其富水性一般均優(yōu)于風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水，地下水常以泉的形式出露。泉流量為20.7～43.2 m3/d，單井涌水量可達(dá)500 m3/d以上。靜水位埋深一般為1.3～6 m，局部水頭可高出地表約11 m；水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na。偏硅酸含量為30～48.8 mg/L，局部裂隙水氟化物含量可達(dá)3.46～5.80 mg/L。

3 礦區(qū)巖石地球化學(xué)特征

礦區(qū)巖石中含有豐富的鈣長石、鈉長石、鉀長石、絹云母、角閃石等鋁硅酸鹽礦物和石英，石英礦物含量占10%～25%，斜長石含量占35%～40%，鉀長石含量占30%～35%，其余為角閃石、絹云母等。節(jié)理裂隙中還見有石英晶簇、高嶺石、石膏等礦物。豐富的鋁硅酸鹽礦物(表1)為礦區(qū)礦泉水的形成提供了基礎(chǔ)物質(zhì)來源。其中，w(SiO2)為59.41%～74.08%，w(Al2O3)為14.17%～15.94%，w(Sr)為154×10-6～359×10-6。

表1 礦區(qū)巖石化學(xué)組分含量Table 1 Chemical compositions of rocks in the mining area

4 礦泉水資源特征

礦區(qū)地形切割強(qiáng)烈，坡降較大，雨量充沛，巖石形成時(shí)代老，長期遭受風(fēng)化作用和水流的侵蝕，在近地表形成厚度大于2 m的風(fēng)化裂隙帶；同時(shí)，受近SN走向斷裂等構(gòu)造活動(dòng)影響，石英二長片巖、變粒巖等青坑組變質(zhì)巖裂隙發(fā)育，巖石破碎，為礦泉水的形成提供良好的運(yùn)移通道和賦存空間。

除河流底部直接基巖裸露外，山前沖洪積斜地的覆蓋有一定厚度的第四系和全風(fēng)化產(chǎn)物，其性狀呈粉質(zhì)黏土狀，整體厚度為5～33 m，垂向滲透系數(shù)為0.006～0.008 m/d，透水性差，能有效防止地表水和第四系潛水的直接入滲補(bǔ)給，避免地表活動(dòng)對(duì)礦泉水含水層造成直接影響。

礦泉水(K4)常年水溫為19℃～21℃，pH值為6.20～6.79，感官性狀良好，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型(圖4)。

圖4 礦區(qū)地下水piper三線圖Fig. 4 Underground water three-linear diagram of the mining area

溶解性總固體為120～125 mg/L，偏硅酸含量為48.8～51.5 mg/L，Zn含量為0.12～0.20 mg/L(表2)，屬含鋅的偏硅酸型礦泉水。與第四系潛水相比，礦泉水具有低鐵高硅的特征；與深部地下水相比，礦泉水具有低氟高硅的特征。

表2 礦區(qū)地下水測試結(jié)果Table 2 Analysis data of groundwater composition in the mining area

5 礦泉水演化機(jī)理

5.1 水化學(xué)離子比例分析

地下水化學(xué)組分能夠揭示某些水文地球化學(xué)問題。不同成因的地下水，某些離子的比例系數(shù)也會(huì)存在比較明顯的差異。γNa+/γCl-是表征鈉離子富集程度的一個(gè)水文地球化學(xué)參數(shù)。如果地下水中的Na+和Cl-來源于巖鹽的溶解，那么兩者比值將接近于1。礦泉水γNa+/γCl-值大于1，則說明Na+主要來源于硅酸鹽的溶解或離子交換作用，如鈉長石的溶解等。根據(jù)K-Mg-Na圖解法，礦泉水在水文地球化學(xué)演化史中屬未成熟水，為大氣降水溶濾-滲入型，溶濾作用是水源地礦泉水形成的主要水化學(xué)作用。γCa2+/γMg2+值可以反映礦物的溶解情況[3]，當(dāng)其值接近1時(shí)，暗示著主要溶解礦物為白云石，比值>1且<2時(shí)，暗示方解石參與水解；比值>2時(shí)，暗示主要參與水解的礦物是鋁硅酸鹽。礦區(qū)礦泉水的γCa2+/γMg2+>2(圖5)，表明鋁硅酸鹽是本區(qū)的主要溶濾礦物。

圖5 礦泉水γCa2+/γMg2+分布Fig.5 The proportion of γCa2+/γMg2+of mineral water

圖6 礦區(qū)鈉長石水解產(chǎn)物投影位置Fig.6 Projection position of albite hydrolysate in the mining area

圖7 礦泉水分布Fig.7 The proportion of mineral water

5.2 同位素分析

地下水中的同位素含量可以為水文地質(zhì)研究提供重要的信息。當(dāng)?shù)卮髿饨邓€收集浙江省地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目中的測試數(shù)據(jù)[5]，表達(dá)式為δD=8.2851δ18O+15.846。礦區(qū)地下水和地表水氫氧同位素均為美國Beta實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)(表3)，實(shí)測地表水、地下水氫氧同位素均落于大氣降水線上(圖8)，說明礦泉水補(bǔ)給來源為大氣降水。

表3 大氣降水和地下水氫氧同位素測試成果Table 3 Analysis data of hydrogen and oxygen isotopes in atmospheric precipitation and groundwater

圖8 氫氧同位素與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€關(guān)系Fig.8 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and local atmospheric precipitation line

根據(jù)氫氧穩(wěn)定同位素的高程效應(yīng)原理，δD值隨地下水補(bǔ)給高程的增大而減小，而δD值基本不受水-巖反應(yīng)的影響，可用于推算地下水補(bǔ)給區(qū)的高程[6-7]，其計(jì)算公式為

H=(δg-δp)/K+h

(1)

根據(jù)礦泉水的氘含量δg與采樣點(diǎn)地表水氘含量δP的差值以及梯度系數(shù)K(龍泉地區(qū)地溫梯度約為2.8℃/100 m，同位素高度梯度K計(jì)算值約為2.1℃/100 m。)和采樣點(diǎn)的高程h，即可計(jì)算出K4礦泉水補(bǔ)給來源高程約682 m，位于采樣點(diǎn)南東方向的豬章一帶。K8地下水則來自于高程約1100 m的龍巖洞附近或南東方向更遠(yuǎn)的龍泉山脈區(qū)。由于K8地下水補(bǔ)給更遠(yuǎn)，循環(huán)深度更深，水巖反應(yīng)更充分，溶解性總固體更高，氟化物等微量組分含量更高。

地下水中的鍶均可視為來自于巖石礦物的溶解。理想狀態(tài)下，水中鍶同位素的比值與其溶出的母巖相同。因此，鍶同位素可輔助用于追溯母巖巖性。礦區(qū)礦泉水鍶同位素比值為0.711 687(表4)，與之最相近的巖石為青坑組石英二長片巖，表明礦泉水中的鍶主要來自石英二長片巖的溶解。

表4 礦區(qū)礦泉水、巖石鍶同位素測試結(jié)果Table 4 Analysis data of strontium isotope of mineral water and rocks in the mining area

結(jié)合水中的TFe、Mg2+、H2SiO3等特征組分含量，礦泉水中的偏硅酸主要來自于石英二長片巖、斜長變粒巖、角閃片巖中的鋁硅酸鹽水解，鋅、鐵等微量組分主要來源于角閃片巖、斜長變粒巖的溶解。

利用氫氧同位素可計(jì)算礦泉水在含水層中的滯留時(shí)間，計(jì)算公式[6]為

(2)

當(dāng)?shù)厮p系數(shù)α=76.8，則T=12.08 a，即礦泉水在含水層中滯留時(shí)間約12.08年。

根據(jù)14C同位素測試結(jié)果表明，K8地下水碳百分?jǐn)?shù)為36.35 pMC，表現(xiàn)為8130 BP；K4礦泉水碳百分?jǐn)?shù)為105.21 pMC，表現(xiàn)為現(xiàn)代大氣降水成因。根據(jù)全球大氣降水氚濃度恢復(fù)模型[8]，目前大氣降水氚濃度趨于穩(wěn)定，南京地區(qū)2007年大氣降水氚同位素測試值為5.9 TU[9]。K4礦泉水氚同位素測試值為2.4 TU，補(bǔ)給年齡約16年。

5.3 演化擬合分析

從水化學(xué)離子比例分析和鍶同位素追蹤溯源，可以定性分析青坑底礦區(qū)參與水巖反應(yīng)的主要礦物為鉀長石、高嶺石、鈣長石、鈉長石、角閃石、石英、石膏等，主要?dú)怏w為游離二氧化碳。氫氧同位素和碳同位素測試表明，礦泉水循環(huán)補(bǔ)給年齡為12～16年。根據(jù)上述結(jié)果，采用質(zhì)量平衡模擬來定量分析各種礦物的溶解(或沉淀)變化，其基本原理如下：

假定沿地下水的流動(dòng)途徑測定了兩個(gè)點(diǎn)上的水質(zhì)，記上游點(diǎn)的水質(zhì)為“初始水質(zhì)”，下游點(diǎn)的水質(zhì)為“終點(diǎn)水質(zhì)”。假設(shè)地下水在“初始水質(zhì)”的基礎(chǔ)上，每升水中溶解(沉淀)了x1(mmol)的第1種礦物、x2(mmol)的第2種礦物，…，xn(mmol)的第n種礦物，形成的“終點(diǎn)水質(zhì)”與“初始水質(zhì)”相比，“終點(diǎn)水質(zhì)”中第i中元素的增量為bi，則有：

(3)

方程式[10]可以簡寫為

(4)

式(3)有n個(gè)未知數(shù)和n個(gè)線性方程組，存在唯一解。

表5 質(zhì)量平衡方程中aij系數(shù)Table 5 Coefficientaijin mass balance equation

表6 “終點(diǎn)水質(zhì)”中各元素的增量值Table 6 The incremental value of each element in "terminal water quality"

表7 礦區(qū)水質(zhì)演化模擬結(jié)果Table 7 Modeling result of water quality evolution in the mining area

同時(shí)，高嶺石礦物大量沉淀析出，石英、石膏等礦物也有少量沉淀，充填巖石中的微裂隙，與K4鉆孔揭露的巖心結(jié)果吻合。

6 結(jié)論與建議

1)龍泉青坑底礦泉水主要賦存于龍泉群青坑組石英二長片巖、斜長變粒巖、角閃片巖風(fēng)化裂隙及SN向構(gòu)造裂隙之中，其上覆蓋有一定厚度的全風(fēng)化基巖，呈粉質(zhì)黏土狀，透水性差，能有效防止地表水和第四系潛水的直接入滲補(bǔ)給，避免地表活動(dòng)對(duì)礦泉水含水層造成直接影響。

2)礦區(qū)東南的豬章一帶丘陵山區(qū)為礦泉水入滲補(bǔ)給區(qū)，補(bǔ)給來源為現(xiàn)代大氣降水。大氣降水沿基巖裂隙入滲地下后，在靜水壓力的作用下沿節(jié)理、裂隙向西北方向的溝谷內(nèi)運(yùn)移。在運(yùn)移過程中，地下水與圍巖中的長石、角閃石等鋁硅酸鹽礦物發(fā)生水解反應(yīng)，巖石中的鍶、硅、鋅等微量元素和各種礦物組分不斷的溶入水中，并在地下水中富集，高嶺石、石英、石膏等礦物隨之沉淀充填于裂隙內(nèi)，為礦泉水的形成演化創(chuàng)造了條件。地下水經(jīng)12～16年的溶濾作用，偏硅酸含量達(dá)到飲用天然礦泉水的標(biāo)準(zhǔn)，形成含鍶鋅的偏硅酸型礦泉水。

3)根據(jù)礦區(qū)研究和模擬成果，建議優(yōu)先保護(hù)礦泉水出露區(qū)和豬章一帶的丘陵山區(qū)，禁止開展破壞礦泉水演化和改變水文地質(zhì)條件的人類活動(dòng)、工程建設(shè)等。