中国含硒型饮用天然矿泉水控矿因素和成矿模式浅析

翟振飞，祝 军，谭光超，周 宁

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020)

在中国硒元素0.01～0.05 mg/L的饮用天然泉水为硒型饮用天然矿泉水,其作为液体矿产,其成矿三要素生、储、盖缺一不可,但其空间叠置关系与油气成藏有所不同,成矿物质来源层兼为盖层,中国含硒矿泉水的分布主要受硒元素富集岩层分布和构造控制,天然富硒矿泉水主要分布在硒元素富集的湖北恩施,陕西紫阳和江西宜春等地。

中国含硒型矿泉水主要分布在扬子地块周边深水滞留沉积环境属于拉张的断陷盆地早二叠世峨眉山玄武岩大规模喷发活动(恩施)、浅海滞留的盆地沉积环境寒武系拉张裂谷环境海底热液活动(紫阳县),为Se元素富集提供了初始物质来源[1],此外宜春明月山震旦系混合岩中岩浆活动提供了硒元素物质,矿泉水储层为经断裂或裂隙构造改造的含水岩层。

1 硒矿泉水控制因素

1.1 硒元素来源岩层

如表1,控制中国含硒矿泉水分布诸多因素中,硒元素来源岩层为首要因素。硒源层岩石类型三大岩石类均有,但以沉积型黑色炭质硅质岩系为主。郑宝山等在恩施地区恩施市、咸丰县、建始县等地进行硒矿资源调查(5个地质点、125件样品)时发现:二叠系中统孤峰组硅质岩段是含硒最富的岩段,该段岩石取样检测含硒量>0.01%。

表1 中国含硒饮用天然矿泉水统计表Table 1 Statistical table of selenium containing natural mineral water in China

李明龙,徐辉等[2]通过对恩施地区广泛出露的31个岩石地层单位(组)的495件岩石样品硒含量分析,发现研究区在地质历史上多个黑色岩系沉积时期为岩石硒元素富集高峰期,最富硒地层为二叠系孤峰组,其次为寒武系牛蹄塘组、奥陶系—志留系龙马溪组等地层。早寒武世牛蹄塘期(岩石样品硒含量均值32.47 mg/kg)、晚奥陶世—早志留世龙马溪期(岩石样品硒含量均值2.14 mg/kg)、中二叠世孤峰期—晚二叠世大隆期(岩石样品硒含量15.67～175.38 mg/kg)。

据陕西省地勘局1995年开展的陕西省饮用天然矿泉水动态监测及新类型天然矿泉水调查评价工作中岩样含硒元素分析，结果表明：寒武系—奥陶系洞河群[(C--O)dh]、志留系大贵坪组(S1d)炭质板岩、炭质页岩夹煤层地层含硒量较高,一般可达2.64～30.40 mg/kg,最高可达33.0～176.00 mg/kg,泉水含硒量随岩层含硒量高低而变化。

截至目前,中国发现的含硒或硒锶复合矿泉水主要分布在二叠系碳酸盐岩地层中,硒元素来源主要以二叠系中统孤峰组为代表的黑色岩系。根据中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研究出版中国南方地区硒地球化学图硒元素地球化学高异常区与中国含硒矿泉水空间分布耦合性好,尤其与赋存在碳酸盐岩含水层中的远距离运移浅—中循环型耦合性更好,如图1所示。

图1 中国含硒矿泉水与硒元素地球化学异常区空间关系图Fig.1 Spatial relationship between selenium bearing mineral water and selenium geochemical anomalies in China

1.2 构造因素

中国含硒矿泉水均位于褶皱尤其是断裂构造交汇部位,断裂破碎促进了碳酸盐岩含水岩层岩溶发育，改善其渗透性。导水性等理性指标改善,成为矿泉水较好的储层。另外,断裂构造也促进了硒元素从源岩到水中的运移和富集。

1.3 含水层岩性富水性

如表2,中国含硒矿泉水从小型至大型均有,含水层为碳酸盐岩且富水性强,溶洞型的泉水流量最大,裂隙型岩溶泉水次之。变质岩和岩浆岩富水性相对较差,出露泉水流量较小。

表2 中国含硒矿泉水储量统计表Table 2 Statistics of selenium bearing mineral water reserves in China

2 硒矿泉水成矿模式

泉水作为地下水,硒元素的直接来源主要是岩石萃取和土壤淋滤。硒元素在水中主要以水溶性硒形态硒酸盐和亚硒酸盐存在。含硒矿泉水是在特有的地质构造、地层岩性及水文地质条件下,地下水与周围富硒岩石或土壤介质长期作用的结果。硒元素富集区水文地质条件和构造地质因素进一步决定了天然富硒矿泉水的分布和成矿,将截至目前经鉴定符合中国饮用矿泉水标准的含硒矿泉水分为两个大类,根据含水层特征又可以分为若干亚类。

2.1 远距离运移浅—中循环

这种成矿模式下的泉多是天然出露,主要分布于山区沟谷两侧,大气降水入渗形成基岩裂隙水或岩溶裂隙水,在沿裂隙或岩溶向下径流过程中,淋溶流经地层中含量较高的特征元素或组分,并不断富集[3],在以泉水形式出露时,特征元素含量已达标,形成矿泉水。

湖北省恩施市新塘乡灰包洞饮用天然矿泉水水源地位于恩施市东部新塘乡,如图2所示泉点出露于清江右岸支流马尾沟汇入段左岸岸坡中部,主要赋存于天落水背斜北西翼二叠系中统与上统碳酸盐岩岩溶溶洞和裂隙中,经深层运移循环不断的被溶滤、溶解和富集而形成矿泉水,矿泉水以溶洞泉的形式出露,属天然出露型矿泉水。

图2 恩施市灰包洞矿泉水地质简图(据湖北省地质调查院改编，2018)Fig.2 Geological map of Huibaodong mineral water in Enshi City1.上二叠统—中三叠统；2.中二叠统；3.泥盆系—石炭系；4.寒武系—志留系；5.背斜；6.向斜；7.正断层；8.逆断层；9.性质不明断层；10.褶皱编号；11.断层编号；12.剖面线；13.泉点。

据彭小桂等恩施硒矿中的硒以自然硒、独立矿物、类质同象及有机质吸附四种形式赋存于矿床中。除少量的硒矿物和硒黄铁矿外,约67%的单质硒以纳米级(50～200 nm)的形式包裹或粘附在有机质中[4]。自然界中硒主要是以化合物和单质硒的形式存在,在风化过程中,特别是地下水的淋滤过程中,很容易被氧化成可溶性硒而被带入土壤、水体。据张援军富硒岩土体能否形成含硒矿泉水,主要取决于岩土体的风化程度、水的腐蚀性及地下水循环交替条件等因素[5]。

如图3所示,从恩施市新塘乡灰包洞饮用天然矿泉水水文地质条件分析,灰包洞溶洞系统主要发育在栖霞组和茅口组分界处,除主要接受补给区大气降水入渗而淋滤二叠系中统孤峰组茅口组碳酸盐岩中的硒元素外,地下水在溶洞系统中经远距离长时间径流过程中,水中酸根离子与含水层的矿石长期接触,经溶蚀、溶滤、离子交换等化学作用,不断溶解岩石中的矿物成分,使水中矿物质不断增加,从而将含水层中岩石矿物中的硒元素也溶入水中,并在含水层水体中富集,从而形成了含硒型矿泉水。影响硒矿泉水形成外因主要有温度、压力、浓度、地下水的酸碱度、氧化还原环境及有机物、胶体物质存在的吸附作用与地下水的交替程度等,其中地下水的酸碱度、氧化还原环境及地下水交替程度对含硒泉水的形成有主要作用,地下水的交替条件好,交替作用强,可使岩石中元素转移到水中的能力增强,且随地下水运动,元素在水中迁移性亦增强。总之富硒区要形成矿含硒矿泉水,必须具备完整的水岩相互作用的水文地球化学环境。

图3 灰包洞含硒矿泉水远距离运移浅中循环模式Fig.3 Shallow middle circulation model of long distance transport of selenium bearing mineral water in Huibaodong1.泥盆系中上统并层;2.石炭系黄龙组;3.二叠系中统梁山组;4.二叠系中统栖霞组;5.二叠系中统茅口组;6.二叠系上统;7.岩溶裂隙管道;8.岩溶主管道;9.石英砂岩;10.灰岩;11.炭质泥灰岩夹煤线;12.含燧石结核灰岩;13.含碳硅质夹炭质页岩;14.页岩夹炭质页岩或煤线;15.煤线;16.岩层层状。

恩施市—石门县赋存在碳酸盐岩含硒矿泉水成矿带和陕西安康赋存于浅变质岩成矿带含硒矿泉水多属于这种模式成矿模式,尤其是富水性强泉流量大的碳酸盐岩型含硒矿泉水是中国今后找含硒饮用天然矿泉水的主要方向。

2.2 中远距离运移深循环

指以温泉或地热流体为特征的各类矿泉水。它的形成是地下水通过断裂导水构造作深循环,在深部运移过程中穿越不同的围岩化学环境,在温度效应、压力效应的影响下,经过长时间的水岩相互作用形成矿泉水,温汤温泉热源来自非火山活动,以地壳正常地温梯度之增高率及地壳运动所产生之摩擦热等为热源的,该类型的以岩浆岩型的含硒矿泉水为主,江西宜春明月山温泉型饮用天然矿泉水。

温汤地热矿泉水位于宜春市城区西南侧,主要出露地层岩性自新到老为第四系冲洪积及残坡积层、震旦系松山群老虎塘组变质砂岩以及松山群变质岩经加里东期地质作用形成的混合岩,详见图4。温泉从地下470 m深处花岗岩中涌出[7],原天然出露开采量为860 m3/d,后经钻孔回灌开采技术后为10 239 m3/d[8],水温常年保持在68～72 ℃,无色无味,水质细腻,不含硫,温汤温泉属高温重碳酸钠弱碱性矿泉。经国家鉴定检测和中国医防科学院试验分析,该泉属于大出水量、高温度优质矿泉,可饮可浴,口感纯正,具有低矿化度、低钠、富硒、偏硅酸含量高等特点,为国内外罕见富硒温泉。温汤地热田受断裂控制,热储为断裂破碎带。如图5所示,温汤地区与地热生成有关系的两个断裂系统,即F1断裂系统和F2断裂系统,F1断裂系统倾向南东,倾角60°左右,F2断裂系统概括说来,温汤地热水沿隐伏张扭性断裂F22运移,运移方向与地表水方向大致相同,在压扭性断裂F11的阻挡及张扭性断裂F21的复合切割,在河流侵蚀部位,地热以泉的形式排泄。

图4 温汤地热矿泉水地质图[6]Fig.4 Geological map of Wentang mineral water1.第四系全新统冲积洪积层；2.第四系上更新统冰积层；3.第四系残坡积层；4.寒武系下统牛角河组下段；5.志留纪晚世稠坪单元；6.硅化破碎带；7.实测及推测隐覆压扭性断裂；8.实测及推测扭性断裂；9.温泉；10.泉；11.钻孔；12.剖面编号。

明月山温汤地热属于构造热储,地下水通过断层或断层破碎带循环对流,在径流过程中不断吸收围岩热量,同时还有部分地下水补充,成为温泉主要热源,主要通过热传导和对流方式获得来自深部的大地热流。该泉硒元素主要来源于经断裂改造的硅化混合岩。

3 结论

(1) 目前中国发现含硒矿泉水赋存在扬子准地台的二叠系碳酸盐岩建造中,如恩施市灰包洞、楠木沟、高台、金龙坝、龙洞湾和湖南省石门县悦家泉。扬子板块边缘寒武系浅变质岩建造中,如陕西省紫阳县；震旦系火山岩混合岩,如江西宜春明月山温汤含硒热矿泉水。

(2) 中国含硒矿泉水成矿模式按照运移距离和循环深度分为两大类,远距离运移浅—中循环和中远距离运移深循环,两种模式根本区别在于循环深度,温泉性质与深大断裂或岩浆活动有关的确定为深循环。依托淋滤围岩等岩水作用而使硒元素溶于水后富集成矿的为浅循环模式。前者与硒元素地球化学异常耦合性较好,后者耦合性较差。

(3) 该模式划分对含硒矿泉水勘查工作具有一定指导意义,在硒元素地球化学高异常区的二叠系碳酸盐岩建造中,断裂构造汇集部位岩溶强烈尤其管道型碳酸盐岩含水层富水性强,出露泉水流量大,含硒量较高,具备较大开发价值。