新疆吐尔根矿泉水水文地质条件及形成机理研究

马学龙

(新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆 乌鲁木齐 830091)

研究区位于新疆新源县境内则克台镇～吐尔根乡北部区域，交通便利。本文在对研究区自然地理、地形地貌、地层岩性以及地质构造等条件分析的基础上，并结合相关参考文献[1-5]，对研究区矿泉水的含水层特征、补径排条件以及水化学特征进行了分析，并对研究区的矿泉水形成机理和质量进行了分析和评价。研究结果可以后期政府对该矿泉水水源地的开发利用提供地学依据。

1 研究区地质条件分析

1.1 地理位置

研究区位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州新源县境内则克台镇～吐尔根乡北部区域。研究区北部为阿吾拉勒山，南部为巩乃斯河谷，南距新源县城约10 km。研究区范围内交通便利，国道G218和省道316分别为东西向和南北向贯穿全区的主干道，各乡与村落之间也有乡村便道交错分布。

1.2 地形地貌

研究区位于阿吾拉勒山区，该区内海拔约在1 400～1 900 m之间，地形起伏在200～500 m之间，坡度较大，多为切割程度不甚明显的山丘。该区域山顶呈圆状，山脊呈浑圆状。地形起伏较大，地貌类型为侵蚀构造小起伏中山，与侵蚀构造中起伏中山过渡，山间河谷冲积平原相接。地表黄土覆盖，下部为二叠系基岩，植被较发育，主要为天然牧草及杂草。

1.3 地质概况

1.3.1 地层岩性

研究区所在区域出露的地层包括：泥盆系、石炭系、二叠系和第四系。

(1)泥盆系(D)在研究区所在区域分布范围较小，仅在研究区东部边界处的阿吾拉勒山有部分分布，岩性主要为长英质糜棱岩绿泥绢云千糜岩、流纹质火山角砾岩、火山灰凝灰岩。与其他地层多为断层接触。

(2)石炭系(C)是研究区内分布的主要地层，在阿吾拉勒山南坡大面积分布，岩性为流纹斑岩、霏细斑岩、钠长斑岩、安山玢岩、玄武岩、英安斑岩及其同质火山碎屑岩、凝灰质碎屑岩。未见上覆地层，与下伏阿克沙克组海相碳酸盐岩，不整合接触。

(3)二叠系(P)在研究区北部区域分布面积较大，主要分布于研究区北部和东北部的阿吾拉勒山中山区，岩性为中性、酸性火山岩及其碎屑岩夹玄武岩，砾岩、砂砾岩、粗砂岩、长石砂岩等，上部为灰黄、灰色长石碎屑砂岩、粉砂岩、泥灰岩等。

(4)第四系(Q)在研究区南部及巩乃斯河两岸广泛分布，出露地层主要包括：上更新统风积层、上更新统冲积、洪积层和全新统冲积层。上更新统风积层地层主要分布于巩乃斯河以北的山前地带，分布面积较小，岩性为浅黄至灰黄色的黄土或粉土，地表出露厚度一般为5～10 m；上更新统冲积、洪积层地层在山前平原区分布极为广泛，形成大面积的山前冲洪积平原。全新统冲积层地层主要分布于巩乃斯河的现代河床中及低阶地上，局部具有牛轭湖特征。岩性为卵石、砾石、砂和淤积砂等。

1.3.2 地质构造

区域内地质构造较为复杂。构造形成于震旦纪之前的吕梁期，经过加里东期，尤其是华里西期表现更为强烈，基本形成了区域内构造的雏形。又经后期的燕山运动和喜玛拉雅运动，便形成了目前的构造形态。研究区所在地质构造单元包括伊宁-巩乃斯断拗陷叠合盆地和阿吾拉勒隆起断块。其中，研究区南部的平原区属伊宁-巩乃斯断拗陷叠合盆地，研究区北部的山区属阿吾拉勒隆起断块。

2 研究区水文地质条件分析

2.1 地下水类型及富水性

2.1.1 基岩裂隙水

层状基岩裂隙水主要分布在研究区中部和北部的阿吾拉勒山中山区。水量丰富区主要分布在研究区中部，该区域构造裂隙较为发育，泉水分布密集。地表出露地层可见石炭系和二叠系侵入岩零星分布于断裂周边，含水层岩性主要为杏仁状安山玢岩、霏细斑岩和流纹斑岩，单泉流量一般为1～10 L/s，最大泉群流量可达80 L/s。水量中等区主要分布在研究区北部，含水层岩性主要为凝灰质砂岩、长石砂岩、安山岩和火山角砾岩，单泉流量一般为0.1～1.0 L/s。

块状基岩裂隙水主要赋存于侵入岩中。水量丰富区主要分布在研究区西北部、北部和东部，岩性主要为二叠系花岗岩、花岗斑岩和石炭系辉绿岩墙，单泉流量一般大于1 L/s；水量中等区主要分布在研究区中部，岩性主要为二叠系闪长岩，单泉流量一般为0.1～0.3 L/s。

2.1.2 松散岩类孔隙水

研究区内的松散岩类孔隙水主要赋存于山前地带的第四系松散层中，根据含水层结构的差异，可划分为单层结构潜水和多层结构潜水-承压水。

1)单层结构潜水

主要分布在铁木里克沟、则克台沟及吐尔根沟的沟口冲积扇一带，均在阿吾拉勒山南坡断裂以北的区域。水量丰富区位于铁木里克沟、则克台沟及吐尔根沟的沟口冲积扇一带，主要接受山区大气降水和沟谷潜流补给，富水性较强，含水层岩性以卵砾石、砂砾石为主；水量中等区分布在吐尔根乡东部的山前地带，含水层岩性以砂砾石为主；水量贫乏区分布在研究区内的山前黄土丘陵区，上覆大厚度黄土，富水性较差。

2)多层结构潜水-承压水

主要分布在阿吾拉勒山南坡断裂以南的冲洪积平原区，第四系厚度大于300 m。潜水水量丰富-承压水水量极丰富区在研究区内分布面积较小，主要集中在吐尔根沟下游的冲洪积扇。下部承压水顶板埋深83.55 m，含水层厚度137.13 m；潜水水量丰富-承压水水量丰富区是研究区内平原区最主要的富水性分区，分布面积较大。

2.2 地下水补给、径流、排泄条件

研究区本次新发现研究区位于新源县北部，地貌类型包括阿吾拉勒山中山区和山前冲洪积平原，总体地势北高南低。研究区范围内包括基岩裂隙水和松散岩类孔隙水，地下水总体由北向南径流。

基岩山区是研究区内地下水的补给形成区，主要接受冰雪融水和大气降水的入渗补给，地下水沿基岩裂隙、断裂裂隙向下游径流，汇集至山间沟谷以地表水的形式由北向南径流。各山间沟谷以沟谷潜流的方式补给平原区地下水。

2.3 地下水化学特征

2.3.1 基岩山区地下水化学特征

研究区北部的阿吾拉勒山山区，地下水化学类型为HCO3·SO4-Ca·Na型。溶解性总固体为0.21～0.67 mg/L。

2.3.2 平原区地下水化学特征

研究区内的平原区，地下水化学类型包括SO4·HCO3-Ca·Na·Mg型，溶解性总固体为0.45～0.63 mg/L；靠近巩乃斯河，受局部地段地下水与地表水转换关系的影响，地下水化学类型逐渐转变为HCO3-Ca·Mg型，溶解性总固体为0.39 mg/L。

3 研究区矿泉水形成机理

3.1 矿物质形成条件

锶元素在地壳中属丰度值较高的元素，含锶型矿泉水是在特定的地质、水文地质条件下，地下水与其存储介质长期发生物理化学作用的产物。矿泉水中锶元素的含量主要取决于岩石中锶元素的含量、水岩相互作用的溶滤时间以及温度条件。

3.1.1 地层岩性条件

岩石中的矿物成分决定着矿泉水特殊组分的形成，是矿泉水的主要物质来源。

新源县则克台镇-吐尔根乡以北的阿吾拉勒山区，分布地层以二叠系和石炭系为主，岩性主要为安山岩、英安岩、钠长斑岩、凝灰岩等，其中凝灰岩属火山碎屑岩，安山岩属中性的钙碱性喷出岩，而英安岩和钠长斑岩属中酸性的喷出岩，而这些岩石中的矿物成分都以富含锶元素的斜长石、钾长石、角闪石等为主。利用阿吾拉勒山区的安山岩和英安岩样品，对其锶含量进行检测，岩石中的锶含量高达303～1 633 mg/kg，这为地下水中锶元素的富集提供了物质来源。

3.1.2 矿物质赋存条件

富锶地下水的形成与赋存主要受地质背景条件控制，包括地层岩性、沉积环境及水文地球化学环境等，表现出沉积盆地成因型。巨厚地层的存在和封闭的还原环境为矿泉水的形成和储存提供了良好的环境条件。石炭系、二叠系中大量锶元素的存在为矿泉水提供了物质来源。区域地层产状多向北倾，使地下水径流缓慢，水岩作用时间长，有利于矿泉水的演化过程。其形成过程大致为：早期大气降水经裂隙通道运移至深部含水层，通过高温和高压条件，经与深部地下热水相互勾通并与岩层中非晶质二氧化硅、石膏、硫化物及锶矿物相互作用进行水岩成分平衡交替，在这一复杂过程中逐渐溶滤了岩层中的锶等多种矿物成分，从而形成富含多种微量元素的含锶矿泉水。

3.2 地下水动力条件

研究区范围地下水埋藏于基岩中，一般具有先沿地层倾向向深部径流、继而转为水平径流的特点。受构造条件及地层走向的影响，地下水径流方向会相应改变，研究区地下水总体由北向南径流。地下水径流途中在沟谷深切位置、受断裂构造作用出露位置均有泉水出露，本次调查过程中的泉水点大多位于此处。地下水通过径流、渗流和潜流的形式向南排泄，最终在巩乃斯谷地北侧山前流出，进入谷地第四系松散岩类孔隙含水层中。

3.3 水文地球化学条件

锶在自然界中易与其他元素结合形成各种化合物，如SrCO3、SrSO4等。研究区经历多次构造运动的改造后，使得富含CO2的大气降水容易入渗到裂隙含水层中。具有较强侵蚀性的地下水与围岩发生水岩作用的过程中，将SrCO3中的锶元素溶解于水中，从而使得地下水中的锶元素含量增加，形成锶型矿泉水。同时，地下水中的重碳酸根浓度增高，使得地下水化学类型以重碳酸型为主。其化学反应式如下：

SrCO3+H2O+CO2→Sr2++2HCO3-

当地下水中存在盐酸或者碱金属氯化物时，碳酸锶和硫酸锶还会形成氯化锶而溶于水中，其反应如下：

SrSO4+2HCl→SrCl2+H2SO4

SrCO3+2NaCl→SrCl2+Na2CO3

通过上述分析可知，在围岩中富含锶元素的地质背景下，长期发生水岩作用，为该区域锶矿泉水的形成提供了极为有利的水文地球化学条件。

4 研究区天然矿泉水质量评价

按照《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)，在研究区采集的地下水样品进行水质评价，评价结果显示，研究区内的地下水水质总体较好，溶解性总固体为0.21～0.67 mg/L，各项指标均未超过《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)中规定的Ⅲ类指标现值，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。按照《饮用天然矿泉水》(GB8537-2008)，在通常情况下，其化学成分、流量、水温等动态指标在天然周期波动范围内相对稳定。其界限指标共有八项，满足其中的一项或以上，就可定为饮用天然矿泉水。在研究区范围内，各取样点均达到了锶含量的界限指标，其中pH值为7.36，锶含量为0.4～2.45 mg/L。结合地下水化学类型划分结果，最终确定水源地内的矿泉水类型主要为重碳酸硫酸钙钠型锶饮用天然矿泉水、硫酸重碳酸钙钠镁型锶饮用天然矿泉水。

5 结语

(1)研究区矿泉水形成区主要集中在阿吾拉勒山区，二叠系和石炭系地层中含有丰富的锶元素，在地质构造作用下，通过水岩作用将地层中的矿物质溶滤到地下水中，山区地下水化学类型包括HCO3-Ca型，HCO3·SO4-Ca·Na型和SO4·HCO3-Ca·Na·Mg型。

(2)受构造条件及地层走向的影响，研究区地下水总体由北向南径流。地下水径流途中在沟谷深切位置、受断裂构造作用出露位置均有泉水出露，地下水通过径流、渗流和潜流的形式向南排泄，最终在巩乃斯谷地北侧山前流出，进入谷地第四系松散岩类孔隙含水层中，含锶地下水在此处富集，地下水化学类型包括SO4·HCO3-Ca·Na·Mg型和HCO3-Ca·Mg型。

(3)在研究区范围内，地下水pH值为7.36，溶解性总固体为0.65 g/L，锶含量为0.4～2.45 mg/L。通过对研究区地下水质量评价，最终确定水源地内的矿泉水类型主要为重碳酸硫酸钙钠型锶饮用天然矿泉水、硫酸重碳酸钙钠镁型锶饮用天然矿泉水。