河北承德御道口牧場區(qū)偏硅酸型礦泉水形成過程及影響因素研究＊

梁 釗，魏 浩，云玉攀，侯中帥

（河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031）

承德地處河北省東北部，作為京畿重地，擁有得天獨(dú)厚的區(qū)位和生態(tài)優(yōu)勢。2013 年，習(xí)近平總書記在京津冀協(xié)同發(fā)展座談會(huì)上，對承德地區(qū)作出“定位于建設(shè)京津冀水源涵養(yǎng)功能區(qū)，同步考慮解決京津周邊貧困問題”的重要指示，這意味著承德?lián)?fù)著京津冀水源涵養(yǎng)功能區(qū)建設(shè)的重大政治責(zé)任。天然礦泉水具有安全、衛(wèi)生、無污染等天然特性，含有人體所必需的鍶、鋰、偏硅酸等微量元素和鉀、鈣、鈉等礦物質(zhì)，這些微量元素和礦物質(zhì)在水中呈離子狀態(tài)，易被人體細(xì)胞吸收，吸收后能提高身體免疫力，減少疾病的發(fā)生，微量元素對人類的生長、發(fā)育、健康、疾病、衰老和死亡有著極其重要的作用[1]。承德市北部御道口牧場一帶為農(nóng)牧林過渡帶，礦泉水主要為偏硅酸型[2]，本文主要對其形成過程和影響因素進(jìn)行了研究，并對其資源量進(jìn)行了調(diào)查評價(jià)，希望能對該地區(qū)的水資源開發(fā)利用做好基礎(chǔ)工作，推動(dòng)貧困地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 承德地區(qū)區(qū)域概況

承德地區(qū)水資源量豐沛，境內(nèi)有灤河、潮河、遼河、大凌河四大水系，水資源總量排名全省第一，年產(chǎn)水量3.76×109m3，服務(wù)京津水量2.2×109m3，占潘家口水庫年入庫總水量的93.4%、密云水庫入庫總水量的56.7%，是京津冀的重要供水水源地。承德地區(qū)降水較為豐沛，年平均降雨量為531.1 mm，豐沛的降水滲入地下后，為礦泉水的形成提供了水源補(bǔ)給保障[3]。

承德地區(qū)地層發(fā)育較為齊全，以康保—圍場深斷裂為界，分為2 個(gè)地層區(qū)，斷裂帶以北為內(nèi)蒙古地層區(qū)，以南為華北地層區(qū)，華北地層區(qū)占全區(qū)面積的80%。內(nèi)蒙古地層區(qū)在早元古代以前結(jié)晶基底出露零星，以古生界、中生界、新生界出露為主。華北地層區(qū)地層發(fā)育齊全，除缺失志留、泥盆系外，從上太古界至新生界均有出露。

承德地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，區(qū)內(nèi)深斷裂有5 條，大斷裂2 條，一般斷裂數(shù)百條。調(diào)查研究表明，承德地區(qū)礦泉水與構(gòu)造關(guān)系密切，礦泉水水源地大多分布于斷裂帶附近。斷裂帶，特別是深大斷裂帶的次一級(jí)斷裂構(gòu)造，為礦泉水的賦存與運(yùn)移提供了較好的地下空間，為礦泉水運(yùn)、儲(chǔ)、移的重要通道，是礦泉水的主要控制因素。

偏硅酸型礦泉水主要在承德壩上及壩上與壩下接觸地帶，巖性也以玄武巖為主。

2 圍場縣御道口牧場偏硅酸型礦泉水概況

2.1 偏硅酸型礦泉水點(diǎn)分布

在御道口牧場區(qū)共采集61 組水樣，在井水樣品中共發(fā)現(xiàn)偏硅酸型礦泉水10 件，在泉水樣品中共發(fā)現(xiàn)偏硅酸型礦泉水5 件。水文鉆探3 處，在其中2 處發(fā)現(xiàn)偏硅酸型礦泉水。

2.2 偏硅酸型礦泉水形成過程

礦泉水中富含偏硅酸是由硅元素本身的地球化學(xué)性質(zhì)及其所處的水文地球化學(xué)環(huán)境決定的，是地下水與含水介質(zhì)在一定條件下長期作用的結(jié)果[4-7]。SiO2是鋁硅酸鹽類巖石的主要成分，自然界中存在于此類巖石中的SiO2一般難溶或不溶于水，只有在適當(dāng)條件下，特別是富含CO2的水作用下，介質(zhì)中的SiO2才被溶解進(jìn)水中，形成偏硅酸礦泉水。礦泉水中偏硅酸普遍偏高，與含水巖組的巖石成分密切相關(guān)，偏硅酸主要是地下水循環(huán)過程中來自硅酸鹽和鋁硅酸鹽礦物的溶解，水解作用如下：

2KAlSi3O8（鉀長石）+2H2CO3+9H2O=Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+2K++2HCO3-+4H2SiO42-

2NаAlSi3O8（鈉長石）+2H2CO3+9H2O=Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+2Nа++2HCO3-+4H2SiO42-

CаA12Si2O8（鈣長石）+2CO2+8H2O=A12O3·3H2O（三水鋁石）+Cа2++2H4SiO4+2HCO3-

玄武巖地下水徑流過程中水巖作用主要表現(xiàn)為鈣長石、鎂橄欖石和輝石的水解，其中鈣長石的水解作用占主導(dǎo)地位。非晶質(zhì)SiO2均有所溶解，但是溶解的量小，對地下水中整體的偏硅酸濃度影響有限。長石類礦物風(fēng)化水解形成可溶SiO2和高嶺石，長石在水解反應(yīng)中，如果有CO2加入，反應(yīng)會(huì)加劇，御道口牧場徑流區(qū)植被覆蓋率普遍在90%以上，土壤呼吸作用較為強(qiáng)烈，產(chǎn)生大量二氧化碳富集，這在一定程度上使地下水中游離二氧化碳和碳酸氫根離子含量富集。偏硅酸在水中以膠體形式存在，部分直接浸入水中，部分被高嶺石吸附沉淀并在特定環(huán)境中釋放到水中，形成本區(qū)礦泉水中的偏硅酸。

本區(qū)礦泉水多以泉的形式出露，分布在低洼谷地兩側(cè)，沿?cái)嗔殉示€狀分布，其徑流、排泄受斷裂控制。影響礦泉水出露的斷裂多為小規(guī)模斷裂，徑流途徑較短，循環(huán)深度較淺，斷裂構(gòu)造破壞了巖石的完整性，經(jīng)歷了多次反復(fù)活動(dòng)，巖石破碎，影響帶內(nèi)構(gòu)造裂隙十分發(fā)育，為礦泉水的貯存、運(yùn)移提供了良好的空間，同時(shí)也為礦泉水的出露提供了有利的通道，尤其是斷裂交匯及轉(zhuǎn)折處。山區(qū)大氣降水入滲形成基巖裂隙水，在沿風(fēng)化裂隙向下徑流過程中，淋溶所流經(jīng)地層巖石礦物成分，并不斷富集，多形成偏硅酸單一型礦泉水，屬于裂隙淺循環(huán)淋溶型礦泉水，其特征是水溫低（小于25 ℃），溶解性總固體及氟含量也較低。

2.3 偏硅酸型礦泉水形成影響因素

2.3.1 圍巖條件

2.3.1.1 巖石孔穴條件

圍場縣御道口牧場一帶處于內(nèi)蒙古高原，新近系巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，為裂隙式火山噴發(fā)，呈多期次噴溢，形成大面積的熔巖被，噴發(fā)間斷期大于噴發(fā)期，形成古剝蝕面，為洞穴水的賦存和分布提供了場所。

基性熔巖，巖漿黏度較低，流溢出地表時(shí)，高溫高壓的揮發(fā)分因壓力的突然減小和溫度的急劇降低而向熔巖流表面匯集，揮發(fā)分（水分和氣體）在冷凝過程中占據(jù)熔巖流表層的大量空間，形成熔巖流的內(nèi)生氣孔帶，即熔巖流頂氣孔帶。當(dāng)熔巖流流入地表水體時(shí)高溫高壓熔巖流覆蓋水體之上，常形成熔巖流底氣孔帶。噴發(fā)間斷期，強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕作用，形成玄武巖風(fēng)化殼古剝蝕面。地下水在古剝蝕面長期潛蝕作用，首先將風(fēng)化的氣孔玄武巖、蜂窩狀玄武巖的易碎氣孔隔膜逐漸掏空形成小孔洞。隨著徑流通道的形成和逐漸擴(kuò)大，地下水的沖蝕作用逐漸加強(qiáng)。由于孔洞內(nèi)底部玄武巖被地下水潛蝕松散和上部玄武巖的崩塌，地下徑流產(chǎn)生搬運(yùn)作用，長期沖蝕—搬運(yùn)—磨蝕，使得玄武巖小孔洞逐漸擴(kuò)大形成大型的孔洞，大型孔洞隔壁被地下水徑流沖蝕—磨蝕而破壞貫通后，形成地下層狀或連通洞穴。隨著新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，南部抬升，北部下降，水力坡度增加，加強(qiáng)地下水徑流條件，提高侵蝕能力，加速該區(qū)玄武巖的次生洞穴規(guī)模。

2.3.1.2 巖石地球化學(xué)條件

該地區(qū)的巖石類型主要為漢諾壩玄武巖、白堊系義縣組安山巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖等，為中酸性火山碎屑巖、中酸性火山熔巖，其主要成分為SiO2、Al2O3、CаO 等。偏硅酸主要由非晶質(zhì)二氧化硅水解而成，二氧化硅廣泛存在于各種巖石和礦物中，它們是石英、鋁硅酸鹽、黏土礦物等，硅在地殼中的豐度僅次于氧，尤其是在砂巖、酸性火山碎屑巖中的含量最高。

2.3.2 地下水補(bǔ)徑排條件

御道口牧場屬地貌構(gòu)造剝蝕高原區(qū)，在區(qū)域水文地質(zhì)單元上屬于上游補(bǔ)給區(qū)，坡度平緩，植被覆蓋率高。在調(diào)查區(qū)東西兩側(cè)邊界至分水嶺，為一小型集水盆地，構(gòu)成一個(gè)相對完整的小灤河水文地質(zhì)單元，區(qū)內(nèi)地下水總體流向與小灤河流向一致，為北東—南西向。區(qū)內(nèi)南部地下水埋深比較淺，一般小于2 m，東部埋深比較大，一般大于4 m。各層洞穴含水層為獨(dú)立含水段，補(bǔ)給區(qū)和排泄區(qū)可能受斷裂控制。地下水大部分為非承壓，泉水出露廣泛，且常年有水，流量最大可達(dá)18 L/s。

3 承德御道口牧場一帶礦泉水資源評價(jià)結(jié)果

北部御道口牧場漢諾壩玄武巖建造區(qū)，水文鉆探探明偏硅酸礦泉水井一處，最大涌水量3.39 L/s，日出水量292.8 m3，偏硅酸質(zhì)量濃度27.77 mg/L。表明北部多期噴發(fā)的蜂窩狀漢諾壩玄武巖組易形成有利的富水巖組，但該區(qū)為沙漠化易發(fā)區(qū)，需要加強(qiáng)用水結(jié)構(gòu)平衡調(diào)查評價(jià)。

3.1 抽水試驗(yàn)成果及水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

SW01 鉆孔成井時(shí)間為2018 年8 月，抽水試驗(yàn)類型為穩(wěn)定流單孔抽水試驗(yàn)，分3 個(gè)落程，如表1、圖1所示?，F(xiàn)以3 個(gè)落程抽水試驗(yàn)成果計(jì)算礦泉水井允許開采量。

圖1 SW01 鉆孔Q-S 關(guān)系曲線圖

表1 SW01 鉆孔抽水試驗(yàn)成果表

抽水試驗(yàn)自2018-08-26T16：00 開始，經(jīng)過3 個(gè)水位降深過程和1 個(gè)水位恢復(fù)過程，至2018-08-28T 16：00 結(jié)束。

抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算公式：

承壓完整井：

式（1）（2）中：K為含水層滲透系數(shù)，m/d；Q為抽水井流量，m3/d；sw為抽水井中水位降深，m；M為承壓含水層厚度，m；R為影響半徑，m；rw為抽水井半徑，m。

其中，流量Q及水位降深sw為抽水試驗(yàn)過程中的最大流量及降深，含水層厚度采取了測井得出的4 個(gè)裂隙層厚度之和，抽水井半徑rw選取了裂隙較多的17.9～42.2 m 處井徑273 mm。

3.2 允許開采量計(jì)算

在供水水文地質(zhì)勘查中，因抽水設(shè)備能力有限，抽水量和抽水降深達(dá)不到供水期間的要求，則需要利用3 次降深（3 個(gè)落程）的抽水試驗(yàn)資料；其中最大抽水量應(yīng)盡量接近實(shí)際需水量，最大降深也應(yīng)盡量接近設(shè)計(jì)降深。SW01 礦泉水允許開采量是根據(jù)實(shí)際的抽水試驗(yàn)結(jié)果來確定的，抽水試驗(yàn)以枯水期為準(zhǔn)。

Q=f（S）線型判斷：確定曲線類型采用Eхсеl 趨勢線法，利用Eхсеl 添加趨勢線模塊，做S=f（Q）、lgQ=f（lgS）、Q=f（lgS）等曲線，曲線方程如圖2 所示。

圖2 SW01 鉆孔Q-S 關(guān)系擬合曲線圖

通過R2值及趨勢線擬合情況確定Q=f（S）曲線類型為拋物線型，即：

各類曲線允許外推范圍：一般推斷的設(shè)計(jì)降深值為抽水試驗(yàn)最大降深的1.75～2 倍，為更好地保證出水量，取抽水試驗(yàn)最大降深24.29 m 對應(yīng)的涌水量12.2 m3/h（292.8 m3/d）作為水源井的允許開采量。