临朐山旺泉天然苏打水形成机理简析

杨培杰，赵　菲，王元波，白兴港（.山东省地质环境监测总站，山东济南 5004；.临朐县国土资源局，山东潍坊 6600）



临朐山旺泉天然苏打水形成机理简析

杨培杰1，赵菲1，王元波1，白兴港2
（1.山东省地质环境监测总站，山东济南 250014；2.临朐县国土资源局，山东潍坊 262600）

临朐山旺泉苏打水赋存于临朐群牛山组蜂窝状玄武岩中，水质优良，开发前景广阔，该文利用高压反应釜模拟实际地层条件下水岩平衡反应，同时辅以同位素分析，矿物X-射线衍射分析等手段，结合当地特殊的水文地质背景，系统性地阐明了苏打水形成机理。

天然苏打水；山旺泉；形成环境；水岩平衡；临朐山旺

引文格式：杨培杰，赵菲，王元波，等.临朐山旺泉天然苏打水形成机理简析［J］.山东国土资源，2016，32（5）：51-54. YANG Peijie，ZHAO Fei，WANG Yuanbo，etc.Primary Analysis on Forming Mechanism of Natural Soda Water in Shanwang Spring in Linqu County［J］.Shandong Land and Resources，2016，32（5）：51-54.

山旺泉天然苏打水产地位于临朐县城东南4 km的甘石沟村北，处于沂沭断裂带西侧沂山凸起内的营子断裂和七贤断裂两平行断层相夹的地堑构造内，含水层为临朐群中新世牛山组蜂窝状玄武岩，水质优良，资源量动态稳定，具有良好的开发利用前景。该文通过同位素分析、X射线衍射分析、水岩平衡实验等手段，结合产地地质、水文地质条件，综合分析天然苏打水形成机理。

图1　山旺泉苏打水产地地质简图

1　区域地质概况与水文地质特征

苏打水产地周边沉积地层发育，出露地层包括寒武纪长清群、九龙群，中生代青山群八亩地组，新生代古近纪五图群，新近纪临朐群，第四纪山前组、沂河组［1］。产地范围内新近纪临朐群覆盖在古近纪五图群之上，东部以断层与泰山岩群太平顶组、寒武纪长清群、九龙群接触，上部覆盖第四纪山前组①山东省地质调查研究院，1∶20万临朐、淄博、沂水幅区域地质调查报告，1996年。（图1）。

1.1地下水赋存特征

临朐群牛山组玄武岩，是新生代火山活动产生的，上部和底部均致密不透水，与古近系内部其他层位及上覆第四系之间基本无水力联系，中部蜂窝状玄武岩孔隙裂隙发育，与南部牛山地区的临朐群尧山组和山旺组玄武岩联通，形成了一个相对独立的水文地质单元［2］。

1.2 地下水补给来源

据主开采井及周边相同层位开采井D和O18同位素测定结果（表1），经研究对比，4个水样中δD和δO18的值在克雷格标准降水直线δD=8δO18+10附近（图2），说明该区地下水流体主要补给来源为大气降水。

表1　地下水流体同位素测定结果

图2　δD和δO18与标准雨线对比图

1.3地下水补径排特征

该区地势南高北低，苏打水产地位于水文地质单元北部径流排泄区，补给区为南部环牛山分布的山旺组和尧山组地层。牛山顶部平坦开阔，上覆第四系厚度小，基岩风化破碎严重，有利于降水汇集并沿裂隙渗入［3］，降水入渗后，受底部致密玄武岩阻隔，沿牛山组中部蜂窝状玄武岩通道向方山方向运移，并最终受新近纪五图群泥页岩相对隔水地层阻隔，在有利地段大量富集。受地势及构造条件影响，地下水埋深总体分布规律是南浅北深，方山附近最大埋深超过100 m。

2　地下水化学成分特征

该区地下水pH在8.4～8.7之间，属弱碱性水，水中阳离子主要为，阴离子主要为和，矿化度551.70～581.66 mg/L，水化学类型为HCO3-Na型。NaHCO3含量在381.50～459.04 mg/L之间，达到国际苏打水界限指标［4］，同时地下水中还含有丰富的对人体有益的微量元素，偏硅酸、锶等含量均接近矿泉水命名标准（表2）。

表2　主要指标测试结果

天然苏打水补给来源为大气降水，其中并不含丰富的离子成分和微量元素，因此推断，苏打水的形成是在特定的地质环境下，地下水运移过程中，与围岩相互促进和共同作用的结果。

3　苏打水形成环境

3.1物理环境

苏打水的运移及赋存均在玄武岩孔隙裂隙中，处于一个相对封闭的环境，水温在15.67～15.73℃之间，相对稳定。方山开采井水位埋深100 m左右，作为主要含水层的蜂窝状玄武岩分布于190～220 m深度，因此地下水运移及赋存于压强近似为1 MPa的高压环境中。

3.2化学环境

为查明苏打水中成分来源，需确定围岩的矿物成分，通过矿物X-射线衍射分析方法（图3），岩石矿物成分以方解石、沸石类和蒙脱石为主，相对含量分别为38%，24%和23.5%。主要成分为SiO2，含量在46.42%左右，化学成分总体上为高钙、钠，低镁、钾。

图3　矿物X-射线衍射分析图谱

4　苏打水形成机理分析

4.1实验过程

为了对苏打水的形成机理进行科学论证，进行了模拟实际地层条件的水-岩平衡实验，旨在查明自然条件下水岩相互作用机理。

首先，实际条件的模拟是该次实验的前提，主要有3个基本要求：①模拟1 MPa的高压环境；②模拟实际水温的近似恒温环境；③模拟地下水径流条件。为了满足上述3个要求，选择高压反应釜为实验仪器［5］，实验过程中釜内压力设定为1 MPa，温度设定在16±1℃，釜内配备搅拌装置每24 h开启12 h，转速60 r/min，使岩样与水充分接触，并使溶液随反应进行混合均匀。

其次，实验样品的选择与处理，岩石样品为牛山组蜂窝状玄武岩（即苏打水赋存地层岩石），实验初始水样为纯净水。岩石样品经研钵研磨，粒径≤0.075m，为避免水中离子的影响，对水样进一步去离子化处理，pH值为7.0，水岩按质量比30∶1的最佳比值放入。

4.2实验结果

实验开始至结束期间共取水样10次，根据样品分析结果列于表3中，从表3中可以看出：

表3　实验水样分析结果

（1）随着时间推移，水中微量元素及阴阳离子浓度不断增加，在实验开始493 h后，作为主要研究对象的NaHCO3、偏硅酸含量就达到了较高水平，pH稳定在8.70左右，这充分证明围岩是苏打水重要物质来源。

（2）实验开始后pH上升明显，在160 h达到最大，这主要是因为，等离子可溶性强，第一次取样时就达到较高值，并发生+H2O←→H2CO3+OH-反应，水中pH值不断升高；第四次取样开始，pH逐渐下降，到493 h为8.66，这主要是因为H2SiO3溶解度较小，析出过程较慢，随着时间的推移，水中H2SiO3不断增加，导致pH下降。

4.3机理分析

根据实验过程中水样pH及各类组分变化情况，结合围岩矿物成分，综合分析水岩平衡反应的机理如下：

围岩中方解石本身不易溶［6］，遇水发生缓慢的交换反应（式1），但另一种矿物蒙脱石为亲水性，阳离子交换能力强，蒙脱石中的Na+交换水中Ca2+，形成不易溶的钙蒙脱石［7］（式2），促使方解石交换反应不断进行，水中，Na+浓度不断增加，但是只有在pH＞8.7的环境中才能大量存在，否则与H2O将发生平衡反应［8］（式3），导致水中HCO-3浓度增加，pH升高。

同时随着时间的推移，其他水岩反应不断发生（公式4，5，6），水中的H4SiO4含量不断增加：钠沸石：Na2Al2Si3O10+10H2O←→2Na++

绿泥石：Mg5Al2Si3O10（OH）6+10H2O←→5Mg2++

高岭石：Al2Si2O3（OH）4+2OH-+5H2O←→

由于实验室的水岩反应条件与实际地层条件必然存在一定差异，因此试验结果与苏打水化验结果存在一定差别，但是可以验证水岩反应确实是水中的高HCO-3，H4SiO4含量的主要原因，因此可以推断天然苏打水的形成是水岩相互促进、共同作用的结果。

5　结论

同位素分析确定了苏打水补给来源，X-射线衍射分析确定围岩矿物成分，最后通过水岩平衡实验验证了苏打水是水岩相互作用的结果，结合苏打水运移和赋存条件可知，山旺泉苏打水的形成是降雨入渗后沿蜂窝状玄武岩运移通道径流过程中，地下水与围岩之间不断进行水岩交换作用，溶解了重碳酸钠等主要矿物，使水中含量大于340 mg/L，因此苏打水的形成是玄武岩特殊的岩性条件与其所处的水文地质条件相互作用的结果。

［1］ 张增奇，刘明渭.山东岩石地层［M］.北京：中国地质大学出版社，1996.

［2］ 胡玉禄，白兴港.山东省天然苏打水的首次发现及其地质特征［J］.山东国土资源，2013，29（1）：1-4.

［3］ 李春山.山东临朐新生代玄武岩盆地地质-水文地质条件的初步分析及资源开发建议［J］.山东地质，1988，3（2）：24-26.

［4］ 谷宏.苏打水的研究现状及功能分析［J］.农业科技与装备，2010，（1）；65-66.

［5］ 张建文.高温高压模拟平台控制技术研究［D］.浙江大学，2004：29-31.

［6］ 闫志为.硫酸根离子对方解石和白云石溶解度的影响［J］.中国岩溶，2008，27（1）；24-31.

［7］ 高海英，杨仁斌，垄道新.蒙脱石的吸附行为及其环境意义［J］.农业环境科学学报，2006，25（S1）；438-442.

［8］ 沈照理.水文地球化学基础［M］.北京：地质出版社，1993.

［9］ 齐进英，江绍英.碱性玄武岩晶洞中钠沸石的矿物学研究［J］.硅酸盐学报，1982，（4）：48-51.

Primary Analysis on Forming Mechanism of Natural Soda Water in Shanwang Spring in Linqu County

YANG Peijie1，ZHAO Fei1，WANG Yuanbo1，BAI Xinggang2
（1.Shandong Monitoring Center of Geological Environment，Shandong Jinan 250014，China；2.Linqu Bureau of Land and Resources，Shandong Linqu 262600，China）

Shanwang spring natural soda water occurred in vesicular basalt rocks in Niushan formation of Linqu group.Its water quanlity is good and has vast exploitable prospect.In this paper，by using high pressure reaction kettle，actual forming conditions of water and rock reaction balance has been simulated.At the same time，with the Isotopic analysis，X-ray diffraction analysis and other means，combining with local special hydrological and geological background，the formation mechanism of soda water has been introduced systematically.

Natural soda water；forming environment；balance between rock and water；Shanwang spring in Linqu county

P641

B

2015-01-13；

2015-11-15；编辑：陶卫卫

杨培杰（1988—），男，山东费县人，工程师，主要从事水文地质、工程地质、环境地质工作；E-mail：sddhypj@163.com