微量元素分析在饮用天然矿泉水开发中的应用

2014-07-05付郴生

资源环境与工程 2014年3期

罗琼，周炼，付郴生

(1.湖北省核工业地质局，湖北孝感 432000;2.中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074)

1 研究对象

长阳地处亚热带季风气候区，常年雨水充沛，森林覆盖率达70%以上，又有清江贯穿其间，地下水资源丰富。长阳地区工业不发达，污染较少，地下水资源保护较好。在较好的地质条件和气候条件下，矿泉水资源蕴藏丰富，已成为长阳地区宝贵的矿产资源之一。

饮用天然矿泉水因其含有多种人体所需的微量元素，有益健康，所以受到人们的青睐，其市场前景良好，现已成为国家矿产资源开发的重要策略。长阳地区泉水资源丰富，峰山乡一处泉水年出水量较大，远超山下居民用水需求量，且泉水口感清甜，乡政府拟将剩余水量作饮用天然矿泉水开发。饮用天然矿泉水的投资开发国家管理较严格，仅水质方面，国家标准《饮用天然矿泉水》(GB 8537—2008)［1］要求的指标多达 40项，且较一般矿泉水和生活饮用水要求严格。作为待开发的水源，仅水质达标仍然不够，还需要有稳定充足的水量供应。加上人文地理环境等限制，一处好的饮用天然矿泉水水源就显得十分宝贵。本文主要就长阳峰山乡一处山泉水源在勘察的基础上作微量元素分析，确定该泉的水质和水源用于投资开发的适宜性。

2 研究方法

矿泉水水源理论上要求来自深层地下水，但是有些水源因为形成原因比较复杂，从露头尺度上很难判断泉水是否来自深层地下水。所以水文勘查的同时，对泉水可能来源做微量元素分析，了解可能来源与待开发泉水间的关系，为判断泉水的真正来源提供科学依据。

2.1 现场勘查

长阳地处鄂西南山区，其地属新生代以来强烈隆起的云贵高原东尾部向平原过渡地带。境内震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、三叠系、二叠系、白垩系、下第三系及第四系地层均有出露。地层在长期的构造运动中，各地质构造形成了一系列复式褶皱及其相配套的断裂，而且古老岩层强烈变质。长阳峰山乡泉水点所在山体主要由灰色片状泥岩和灰岩组成，植被覆盖较好。泉水出露处位于半山腰，海拔261 m，泉水形成的潭中心有一股涌流，旁边有山涧一同汇合流到山下，山下300口村民的饮用水就来自这个潭(以下简称下潭)。山体同一侧海拔高出约64 m处有一个溶洞，溶洞中央凹陷处有一个潭(以下简称上潭)，潭中心可以看到水流自下向上涌，两潭可能位置关系如图1。溶洞面积约300 m2，潭口面积约30 m2，洞内存在蝙蝠等生物活动，在地面形成约40 cm厚的沉积物(小动物的尸体、粪便等)。据当地人描述，这个溶洞中的潭水就是下潭的水源所在，四季不断流，水量很足，用不完。但露头尺度上，未见两潭联通。该泉的涌水量较大，确实是开发利用的有利条件，但要确定该泉是否适合开发，还需要解决3个问题:①水质;②两潭水源;③两潭相互关系。

解决以上问题，传统方法是经过至少一年的跟踪水文地质调查和水质全分析，频率为每半月或者每月1次［2］，必要时还需要打钻取样。泉水点所在地区层峦叠嶂，3 km内不通车，按传统办法，势必费时费力，且需一笔不小的经济投入。本项目根据湖北省降水量变化特征分别于2013年1月3日和5月9日到峰山乡泉水点进行现场监测，并在5月9日采集水样进行微量元素分析。

图1 两潭位置示意图Fig.1 Schematic diagram of location of two puddles

2.2 微量元素分析

饮用天然矿泉水水质检测国家标准GB/T 8538—2008中对矿泉水的采样、保存、样品前处理、检测等都做了明确的规定，本研究部分参照执行。

2.2.1 水样采集

5月份是当地雨水充沛的时节，与拟开发泉水可能有关系的水源均无缺失。分别采集汇入下潭的3条山涧的水样S1、S2、S3，下潭泉心水样S4，下潭水与山涧汇流水样S5，上潭泉心水样S6，具体采集和保存方法执行 GB/T 8538［3］。

2.2.2 检测方法

水文勘查过程中，准确快速地提供水质情况十分必要，所以水中微量元素分析需要选择准确可靠的检测方法。国家标准GB/T 8538—2008规定的微量元素的检测方法及其检测范围如表1。

张利民等［4］在国家标准的基础上利用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP－AES法)对水中10种微量元素进行测定(表2)。

刘丽萍等［5］也在国家标准的基础上，利用电感耦合等离子体质谱法(ICP－MS法)对饮用水中的23种元素进行了测试(表3)。

将后两种方法与国家标准对比，从操作程序的简便性和连贯性来看，ICP－AES法和 ICP－MS法明显优于国家标准推荐的方法。从检测的灵敏度来看，ICP－MS法则更具优势。所以本研究采用ICP－MS法来分析泉水样品中的微量元素。

2.2.3 仪器试剂

本文主要讨论微量元素分析，主要检测设备为ICP－MS(Aglient7500a)。微量元素的标准溶液的配制方法参考文献［5］的研究方法。

表1 GB/T 8538规定检测方法及测量范围Table 1 Detection methods and measuring range about GB/T 8538

表2 ICP－AES法测定水中10种微量元素的检测范围Table2 Detection range of ten trace element in water by ICP-AES mg/L

表3 ICP－MS法测定矿泉水中的23种元素的检出限Table 3 Detection Limit of 23 elements in mineral springs by ICP-AES μg/L

2.2.4 样品前处理

待测样品用已纯化硝酸酸化，使其酸度为1%(V/V)。

3 结果与讨论

3.1 现场监测情况

由于两潭潭口面积较大，现有的流量计无法直接获得流量数据，所以本文只提供地表径流和汇流的流量数据。两次测得的水温、pH值和流量如表4所示。数据显示，地表径流的水温、流量随季节变化较大，受当地气温和降水量影响较大。上潭水温变化较小，水温＞26℃，属于微温泉［6］。下潭水温变化也较大，且水温与一般地表径流水温存在明显差异。汇流与山涧的流量差显示下潭在1月和5月涌流量无明显差异，表明下潭水源中存在地下水补给。下潭涌流总量预计超过2 000 m3/d，山下村民用水约50 m3/d，如剩余水量全部用于开发，该泉属中型规模［7］。

3.2 微量元素测定结果与分析

本研究使用的设备与刘丽萍等使用的是同一型号，实验条件参照该研究。结合国家标准微量元素要求，分别对峰山乡的6个泉水样品中的18种微量元素进行了测定，测定过程中对样品平行测定3次，测定结果均值如表5。由于设备精度较高，检出下限远低于国家标准方法，为了与国家标准限值对应，且便于数据分析，检测结果均以mg/L表示，保留两位有效数字。

表5 水样中微量元素测定结果Table5 Determination results of trace element in water sample

水样中微量元素含量与国家标准要求对比，S4、S5、S6 三个水样Sr含量＞0.20 mg/L，符合 GB 8537 界限指标要求，且其他限量指标也符合要求。其他水样界限指标均不达标。

将水样的微量元素数据进行相关性分析，比较6个水样的相似性，分析所得相关系数如表6所示。数据显示S4、S5、S6三个水样间的相关系数较高，其中S4－S6相关系数为0.993，接近1，表明S4和S6之间高度相关，可以认定两潭水样同源。通过温度的变化差异来看，上潭应该是来源于的地下水的补给，而下潭系上潭经浅层暗道(裂隙)流下，在海拔361 m处地表出露。S4－S5间相关系数是 0.984，＞0.95，表明 S5与S4也是显著相关的，但同源性较S4－S6差。S4、S5、S6 与 S1、S2、S3 的相关系数均＜0.95，表明他们之间不显著相关。从汇流水样与下潭水样相似性更好来看，表明汇流中大部分水量来自下潭。