淄博市淄川区饮用天然矿泉水赋存条件与形成机理研究

2014-03-20吴立新

山东国土资源 2014年6期

吴立新

(山东省地质调查院，山东济南 250013)

水是生命之源，水的质量问题一直为人类社会所关注，近年来，对矿泉水的研究已成为一项热点课题[1-4]。淄博市淄川区是一处具有代表性的矿泉水产出地，其地处泰沂山脉北部，山峦起伏，地势陡峻、沟谷切割纵深，总面积约178km2。古生代寒武纪、奥陶纪碳酸盐岩地层广布，构成山域广阔的中低山单斜区。特有的水文地球化学环境，相对独立的储水构造，汇集了比较丰富且运移流畅的碳酸盐岩裂隙岩溶地下水，为矿泉水的形成创造了天然条件。根据该区地质和水文地质资料, 对矿泉水的赋存特征及形成机理进行初步研究。

1 区域地质

1.1 地层

区域地层属华北地层大区、晋冀鲁豫地层区、鲁西地层分区、淄博-新泰地层小区。出露古生代寒武纪、奥陶纪和第四纪地层。其中，寒武纪地层遍布整个研究区，自南而北、由老至新依次出露有寒武纪长清群馒头组，九龙群张夏组、崮山组、炒米店组和三山子组，岩性以粉砂岩、紫色页岩、鲕粒灰岩、黄绿色页岩、泥质灰岩及薄层灰岩互层为主，是该区主要目的含水层所在。奥陶纪地层仅有马家沟群东黄山段和北庵庄组，分布于山体上部和顶部。岩性以泥质白云岩、微晶白云岩、纯灰岩夹有薄层白云质灰岩为主。第四纪地层分布于区内沟谷和山涧洼地，主要为大站组和沂河组，主要岩性为浅黄色亚砂土、亚粘土，含沙砾石，砾石成分以石灰岩为主。

1.2 构造

研究区地质构造总体特征褶皱不发育，断裂构造较发育。主要断裂有： ①淄河断裂带：沿淄河河谷发育，总体走向NE 35°，主断裂倾向SE，倾角60°～70°，平面延伸距离达60km，水平断距约13km。②紫峪-东庄断裂：位于研究区东南，北起紫峪村，向南西延伸至博山区池上乡东庄村西，长度约600m，走向NE，倾向NW，发育在寒武纪地层内，北盘岩性为馒头组、张夏组和崮山组，南盘为馒头组和张夏组。③西余粮断裂：位于西余粮村南侧，EW走向，倾向S，倾角70°，断距近100m，延伸长度约500m，断层发育在寒武纪炒米店组和三山子组。

1.3 岩浆岩

岩浆岩分布于区内北部东太河村、东岭庄及双崮堆等地，分布面积约6.24km2。出露中生代燕山晚期沂南超单元和苍山超单元。主要岩性为灰黑色辉石闪长岩、灰绿色闪长玢岩、花岗闪长斑岩等，粒状结构、块状构造。矿物成分主要有斜长石、角闪石、石英等。

2 水文地质概况

研究区处于淄博向斜盆地东南、淄河以东单斜区，西侧淄河断裂带、南侧苇园-尹家峪断裂、东部淄河与弥河分水岭将研究区构筑为一相对独立单斜构造水文地质单元。地下水类型按照含水层性质，可划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和岩浆岩类构造裂隙水3大类。

(1)松散岩类孔隙水分布于研究区内山谷、山间洼地和河谷内。含水层岩性为砂砾石、卵砾石，厚度0.5～3.0m，含水性相对较差，局部透水而不含水，单井涌水量一般小于100m3/d。

(2)岩浆岩类风化裂隙水分布在研究区南侧的鲁山地带和太河镇东岭庄、新庄一带，风化层厚度10～20m，含水层厚度5～15m，地下水储存于岩浆岩裂隙和风化层内，地下水补给来源主要靠大气降水入渗补给，地下水单井涌水量100～250m3/d。

(3)其余地带均为碳酸盐岩类裂隙岩溶水。含水层岩性为张夏组鲕状灰岩，含水层厚度一般介于6～10m，最厚可达20.05m(柏树村水井)，埋藏深度在紫峪一带出露地表，而后向北隐伏于崮山组地层之下，且自南而北埋深逐步增大，于中部峨庄一带顶板埋深150m左右，至北部太河一带顶板埋深400m左右。根据钻孔抽水试验成果，单孔涌水量一般200～240m3/d，最大可达770m3/d。

3 矿泉水赋存特征

区内29眼井泉监测点饮用天然矿泉水检测结果显示，枯、丰水期锶检出率均为100%，达标率分别为45%和48%，最大检出值6.79mg/L，最小检出值0.1mg/L，两期平均检出值0.805mg/L；枯、丰水期锂的检出率分别为44.8%和48.28%，达标率分别为10.34%和6.89%，最大值为0.22mg/L，最小值低于检出线，两期平均值约0.12mg/L。根据检测结果，研究区存在锶型、锂型和锶锂复合型3种类型。

3.1 锶型矿泉水

锶含量差异较大，分析发现，其含量变化具有一定的规律性，即锶含量在研究区内自南而北依次降低，如峨庄沟谷南部边缘云龙山水厂井(上雀峪村井)，2008年丰水期锶含量达6.79mg/L，向北至后沟村井降至3.3mg/L，再北至下岛坪降至1.08mg/L，到沟谷下游西石村地带，降至0.1mg/L；在淄河镇幸福沟谷内其规律大致相同，沟谷南端西股村井含量达1.30mg/L，向北至东等村降为1.18mg/L，再北至前怀村降至0.75mg/L。研究区锶离子含量变化见图1。

图1 研究区锶离子含量分区图

①低值区(锶含量<0.2mg/L)。分布于峨庄乡北部的西石村、东石村、鲁子峪村等地，分布面积约8km2，锶含量0.1～0.19mg/L。

②中等区(锶含量0.2～0.4mg/L)。分布广泛，分布范围约145km2。锶含量介于0.2～0.4mg/L，接近于矿泉水标准。

③较高区(锶含量0.4～1.0mg/L)。沿峨庄沟谷中上游和幸福沟谷两侧分布，分布总面积46.25km2，占淄川区面积的30.91%。锶含量在0.5～0.75mg/L，达到锶型矿泉水标准。

④高值区(锶含量>1.0mg/L)。以点状分布于太河镇的下岛坪、西岛坪、后沟、上雀峪村，西股、东等村等地，分布面积约8.75km2，含量1.0～3.3mg/L，达到锶型矿泉水标准，上雀峪井锶含量高达6.79mg/L，为全区最高检出值。

3.2 锂型矿泉水

锂在29个水井的地下水中的检出率不足50%，达标率10.34%。锂型矿泉水和锂锶复合型矿泉水分布在峨庄沟谷柏树村、石安峪和石沟村一带，含量值0.2～0.22mg/L，分布面积约5.0km2，占研究区面积的2.81%，锂含量变化见图2。

图2 研究区锂离子含量分区图

4 矿泉水形成机理分析

4.1 岩石物源条件

矿泉水的形成需要丰富的物质来源，为查明锶、锂等的物质来源，按照相关标准[5-8]，于研究区采集33件岩石样品进行岩矿分析，岩石样品包括不同地质年代、不同深度的页岩、纯灰岩、结晶灰岩、竹叶状灰岩、板状灰岩、片麻岩、闪长岩和主要含水层张夏组鲕状石灰岩。测试结果显示，锶、锂元素在研究区不同岩石中全部检出，检出率为100%，其中锶检出值介于(116～595)×10-6，平均值393.45×10-6。锂检出值(2.91～54.62)×10-6，平均值35.41×10-6(表1)。

表1 不同岩石中锶、锂含量统计 10-6

通过对石灰岩、页岩和主要含水层鲕状灰岩中锶、锂统计，锶元素在鲕状灰岩中的均值含量为443×10-6，石灰岩中的均值含量为438×10-6，页岩中的均值含量为341×10-6；锂元素页岩中均值含量为43.12×10-6，石灰岩中的值含量为34.13×10-6，鲕状灰岩最低，均值含量为34.11×10-6。

锶元素在地壳中的丰度值为375×10-6，研究区页岩平均值为341×10-6，低于地壳丰度值，石灰岩和鲕状灰岩锶平均值分别为438×10-6和443×10-6，均大于地壳丰度值，从元素地球化学观点，锶的离子半径与钙相近，碳酸盐岩在形成过程中，同时捕获了锶，分散元素锶能够进入到各种富钙或钾的矿物之中。研究区广泛分布寒武纪碳酸盐岩地层，石灰岩尤其是鲕状灰岩中丰富的锶元素，为锶型矿泉水的生成提供了丰富的物源，是锶矿泉水形成的主要物源条件之一。

自然界中锂元素在地壳中的丰度很低，为40×10-6。但页岩丰度值最高可达60×10-6，碳酸盐岩最低。研究区锂的测试数据与此比较吻合，页岩均值含量最高为43.12×10-6，略大于地壳丰度值，石灰岩和鲕状灰岩含量较低，分别为34.13×10-6和34.11×10-6，小于地壳丰度值。页岩中锂元素所以较高，是因为锂元素容易被锰土胶体所吸附，页岩中尤其红色页岩中富含铁锰氧化物，页岩在沉积过程中，锰土胶体吸附了大量锂元素，导致锂元素得以在页岩中存积。

4.2 地下水水动力条件

根据钻孔揭露资料，崮山组、张夏组含水层厚度可达20余米，上部覆盖厚140～190m的崮山组页岩和薄层石灰岩，下部为馒头组紫色页岩，受上下隔水层控制，含水层具有明显的承压性。受淄河断裂带等地质构造影响，岩石裂隙岩溶比较发育，为地下水的储存创造了良好空间，研究区山势陡峻，地面坡降大，地下水径流条件良好，井水大多处于山间沟谷两侧，含水层接受大气降水入渗补给后，地下水沿灰岩裂隙岩溶由南而北运动、循环交替条件良好，运移途中可对含锶岩石进行充分溶蚀溶解，为矿泉水的形成创造了重要的水动力条件。

4.3 地下水水化学条件

研究区地处中低山区，林业发达，植被茂密，人烟相对稀少，腐殖质经低矿化近中性的大气降水淋滤后，形成富含腐殖酸的偏酸性入渗地下，对地下岩层产生溶解、溶滤作用，寒武纪碳酸盐岩属易溶岩石，特别是在酸性溶液作用侵蚀下更易溶解，随着溶解过程的进行，岩石中的锶元素大量进入地下水中，锶矿物(SrCO3)与含CO2的水相互作用时，其反应为：

SrCO3+H+=HCO3-+Sr2+

随着溶滤作用的不断进行，地下水中的pH值逐渐增高，水的溶蚀能力逐步减弱，部分盐类趋于饱和，整个碳酸体系达到平衡，各类组分含量相对稳定下来，锶含量也受碳酸平衡的影响趋于稳定，达到目前的含量水平。