冀东都山地区富锶矿泉水锶的运移与赋存特征分析

李 辉, 翟 星*, 刘 硕, 钱 龙, 李琛曦, 谷明旭

(1.河北省地质环境监测院，石家庄 050011；2.河北省地质资源环境监测与保护重点实验室，石家庄 050011)

冀东都山地区岩体锶含量高，赋存大量优质高锶矿泉水资源，是秦皇岛市建设京津冀水源涵养功能区的支柱产业。因此，开展富锶矿泉水锶的运移和矿泉水赋存特征研究对促进矿产经济产业转型和落实“供给侧结构性改革”具有重大意义。

目前，中外学者对矿泉水的形成机理和成因开展了一系列的研究[1-8]。陈正新[9]、Barbier等[10]和梁爽等[11]对矿泉水水文地球化学特征进行了分析。Dinelli等[12]通过对比瓶装自来水，利用瓶装矿泉水表征地下水地球化学特征。沈照理等[13]通过总结分析地下水成因以及水的地球化学特征，对地下水环境演变及水-岩相互作用提出新的研究方向；Bagdavadze等[14]将格鲁吉亚Borjomi地区分为3个水文地质单元，研究地下水开采对矿泉水资源的影响。张海萍等[15]从地质环境出发分析缙云山矿泉水水源的地理背景和开发前景；高月等[16]运用皮尔逊Ⅲ型模型研究最大降雨量分布概率，利用交叉小波变换法分析降雨量和泉流量的关系；叶义昌等[17]和张保科等[18]采用电感耦合等离子体质谱法测定矿泉水中的微量元素；刘庆宣等[19]通过分析全国含锶矿泉水测试数据，阐述了锶富集的地球化学环境；董悦安等[20]针对平顶山煤矿八矿矿泉水，利用应用热力学原理分析锶、硅的来源；刘立军等[21]通过调查分析石家庄市深层地下水水文地球化学特征评价该区矿泉水田。基于此，以河北省承德市宽城满族自治县亮甲台镇大汉沟富锶矿泉水为研究对象，利用水文地质调查、岩矿鉴定试验、反向水文地球化学分析、水质分析及物探等多种方法研究锶的运移和矿泉水的赋存特征，为该地区矿泉水规模化开发利用提供科学依据。

1 锶的运移分析

1.1 气象

研究区属于半湿润、半干旱的燕山山地丘陵气候，多年平均降水量567.2 mm(1996—2016年)，年最大降水量832 mm，日最大降水量296 mm(2012年7月21日)，年内降水不均匀，降水多集中于6—8月，占全年的75%～80%，雨量较充沛(图1)。

图1 研究区多年降雨量

1.2 都山杂岩体矿物鉴定分析

都山花岗岩岩体各岩相呈同心环状展布，由边缘相向中心相分别是花岗闪长岩、斑状黑云母二长花岗岩；中-粗粒黑云母二长花岗岩；中细粒及部分中粗粒二长花岗岩。受构造变形影响，岩体具不同程度的片麻状构造，呈断续的环状镶嵌在岩体的边部[22]。

在都山岩体西侧，岩体与围岩接触关系比较复杂，岩体与围岩穿插接触(图2)，分布有花岗岩与形成的混染岩带，岩石呈灰褐色、浅灰褐色，混染强烈处岩石呈块状构造，沿混染带残留片麻岩，主要矿物成分为长石、石英、云母、角闪石(图3)。推测其由花岗岩侵入片麻岩形成，岩浆侵入过程中岩浆熔化了围岩，同化混染作用使岩浆与围岩成分发生改变。

图2 岩体与围岩接触带

Kfs为钾长石(k-feldspar)；Qtz为石英(quartz)；Bt为黑云母(biotite)；Pl为斜长石(plagioclase)；Hbl为角闪石(hornblende)

1.3 锶的运移分析

为了分析研究区内矿泉水锶的运移，通过对初始水和终止水的化学成分分析，研究水流路径上发生的水-岩相互作用，进行反向水文地球化学反应路径模拟。反向水文地球化学模拟是依据观测的化学和同位素资料来确定系统中所进行的水-岩反应，解释同一水流路径上不同两处(上、下游)之间发生的地球化学质量守恒反应。

1.3.1 模型建立

建立水-岩作用模型首先必须具备同一水流路径上起点和终点的地下水化学组分含量，然后确定发生化学反应的矿物相。根据已有的水文地球化学资料，选择3处具有地下水径流上下游关系的水文点，分别位于都山西侧的亮甲台镇北五沟村(编号S1)、杨树沟村(编号S2)和半壁山村(编号S3)，各水文点位置如图4所示。

1.3.2 选取地下水化学成分

根据研究区地质和矿物研究资料，都山岩体锶含量较高，为高锶花岗岩，以及碳酸盐和黏土类矿物是组成都山岩体介质的主要矿物。结合研究区地下水水化学成分，可能矿物相确定为岩盐、硬石膏、高岭石、Ca-蒙脱石、CO2气体、方解石、硅、黑云母、斜长石，各矿物相的溶解反应方程式如表1所示。

表1 矿物及组分

根据起点和终点地下水中的各种元素的浓度变化确定各种“可能矿物相”的溶解或者沉淀情况，从而有助于对最终的模型结果进行热力学检验。根据研究区水化学成分测定结果，最终选择pH、SiO2、K、Na、Ca、Mg、C、S、Cl作为约束变量，分析其在研究中化学元素变化。根据本次水样化验数据，选择的3个试验点各组分如表2所示。

表2 地下水流向上的水文点分析数据

1.3.3 锶的运移分析

采用美国地质调查局(USGS)提供的改进版PHREEQC(Parhusrt，1993—2001)软件进行模拟计算，根据建立的模型和选取的约束变量进行分析。模拟计算结果如表3所示。

表3 反向水文地球化学模拟试验结果

根据试验数据分析，模拟结果在路径S1—S2时，Ca-蒙脱石、CO2气体、斜长石为溶解状态，其余矿物为沉淀状态，其中锶矿亦为沉淀状态，但水文点S2的锶含量大于水文点S1，由此可见，虽然水文点S1位于S2地下水径流的上游，但水文点S1的锶不是S2的全部补给源，存在深部地下水源补给。在该径流上，CO2气体为溶解状态，溶解量相对较大，说明水文点S2的地下水埋深较浅，大气中CO2气体溶解于地下水中，导致地下水与含钙矿物反应，钙溶解增加。

在路径S2—S3时，岩盐、高岭石、方解石、二氧化硅、黑云母、碳酸锶为溶解状态，其余矿物为沉淀状态，其中，岩盐、黑云母、锶矿为少量溶解状态。根据水文地区化学资料，水文点S2的锶含量为0.011 mmol/L，S3的锶含量为0.027 mmol/L，S3是S2的2.7倍，推测分析仅由溶解锶矿难以使水文点S3的锶含量增加2.7倍，分析S3地下水中的锶除接受上游地下水补给外，深部亦补给。

综上分析，研究区地下水在接受大气降水补给后通过构造裂隙、构造破碎带及接触带不断向地下深部运移，受地下水的温度、压力影响，含水层中的岩石矿物成分不断溶于水中，结合含水层埋藏深，径流缓慢，地下水的深部运移和溶滤作用也为锶的富集创造条件，使得深部水体中锶含量逐步增加。都山岩区深部构造裂隙水中锶含量明显大于第四系松散岩类孔隙水与基岩裂隙水中锶含量，通过本次反向水文地球化学模拟分析，验证了地下水锶含量主要受到垂直补给的影响，水平向地下水径流对锶含量的影响较小。

2 高锶矿泉水赋存特征

2.1 含锶矿泉水分布特征

为了研究锶型矿泉水分布特征，分析锶是否达到矿泉水的标准(锶型矿泉水界限值0.4 mg/L)，在都山不同地区共抽取水样56组，分别是第四系松散层孔隙水(含泉水和地表水，井深小于20 m)46组、风化带网状基岩裂隙水(井深50～150 m)8组、构造裂隙水(井深300 m)2组。

图5为不同类型水样锶含量分布图。由图5可知，第四系松散层孔隙水锶含量在0.4 mg/L以上达到矿泉水界限值的水样占比41.3%，风化带网状基岩裂隙水锶含量达到矿泉水界限值的水样占比87.5%，构造裂隙水样锶含量全部满足要求，且远超界限值。结合现场调查，风化带网状基岩裂隙水与第四系松散层孔隙水水化学特征相近、水力联系密切，前者水中锶含量高于后者，说明了浅部地下水锶离子向深部运移，以构造裂隙水作为水源，满足富锶矿泉水开采要求。

图5 不同类型水样锶含量分布

2.2 构造

构造基岩裂隙水主要赋存在粗中粒斑二长花岗岩和围岩接触带及构造破碎带中，含水层沿接触带和破碎带呈条带状展布。研究区构造主要以北东向断裂为主，研究区内主要断裂有3条，分别为F1、F2、F3，主要是北东东、北东东、北北东向断裂。

(1)F1：下杖子-杉树岭断裂，走向N60°E，倾向NW，倾角70°，宽度10～40 m，长度4 km，断层性质为正断层，该断层破碎强烈，宏观上负地形特征明显。

(2)F2：张南沟-小杨树沟断裂，走向N60°E，倾向NW，倾角65°，影响带宽度150 m，长度大于9.8 km，断层性质为逆断层，后期有小型正断层叠加。

(3)F3：小汉沟-老王家断裂，走向N60°E，倾向NW，倾角70°，影响带宽度100 m，长度7.9 km，断层性质为正断层，该断层破碎强烈，呈渣状，岩石内矿物具弱定向性，挤压片理发育，该断层叠加了先期的韧性带。

2.3 赋存特征

基于水文地质调查，研究区位于地下水径流上游，尤其是含水层埋深在300 m左右，受外界污染少，在锶满足矿泉水要求的前提条件下，富水量是其赋存的重要指标。采用可控源大地电磁测深(CSAMT)法和测氡物探法，结合地质、水文地质、地形地貌及地面工程，确定矿泉水开采位置和深度，分析其富水性。

2.3.1 CSAMT法分析

基于CSAMT法获取剖面，结合掌握的太古代变质岩与东侧岩体接触带的位置及特征，推断低阻地段与岩体接触带或构造破碎带有关，并开展响应的地面调查，初步确定矿泉水赋存位置和深度，综合考虑后选取F2断裂带作为取水段，井深度为250～300 m，为测氡物探法提供基础(图6)。

图6 CSAMT剖面

2.3.2 测氡物探法分析

氡气测量是通过采集和探测断裂气氡(Rn)来寻找隐伏断裂的经典地球探测技术，通过探测地表氡异常，可以为确认断裂位置提供依据。因此，在CSAMT法剖面确定的断裂带基础上，进一步判定井位和深度。通过计算，该区氡气测量背景值为3 631 Bq/m3，阈值为7 251 Bq/m3。基于此，通过氡气测量，与推断的F2断裂带对应的166～172 m测点段具较明显异常特征(图7)，异常幅值最高7 933 Bq/m3，高于阈值及临近测段，推断异常部位为深部断裂构造带，岩石破碎，裂隙发育，赋存大量地下水。

图7 氡气测量异常曲线图

2.3.3 赋存特征分析

3 结论

通过收集资料和水文地质调查，结合岩体鉴定试验、矿泉水分析试验，基于反向水文地球化学分析思路，研究锶的运移路径；并采用CSAMT法和测氡物探法确定矿泉水体的赋存位置。得出如下结论。

(1)根据岩体鉴定试验，分析矿物成分，为反向水文地球化学分析提供化学成分，借助PHREEQC软件进行模拟计算，确定锶的运移路径主要是垂向地下水径流，浅层水体是主要补给源，水平向地下水径流影响较小。

(2)通过取样发现，风化带网状基岩裂隙水和构造裂隙水锶含量能满足矿泉水质要求，为富锶矿泉水体的赋存分析提供理论基础。

(3)基于野外调查，采用CSAMT法和测氡物探法确定了水体赋存位置，并满足矿泉水开采要求。

(4)富锶矿泉水的赋存具备3个特征，即富锶岩体是物质基础；断裂构造发育为锶的运移提供通道，提供了赋存空间；在水文地球化学条件下，锶沿裂隙带不断向深部运移、富集，最终形成富锶矿泉水。