华北克拉通北缘典型高锶花岗岩区域锶型矿泉水分布特征及成因

刘 硕， 马百衡， 翟 星， 田西昭， 李琛曦

(河北省地质环境监测院河北省地质资源环境监测与保护重点实验室， 石家庄 050021)

天然锶型矿泉水因富含对人体骨骼、牙齿和心血管系统有益的锶及多种微量元素而日益受到大众的青睐。在饮用天然矿泉水资源中含锶型矿泉水较为普遍，不论在山区还是平原都有分布，但一般锶含量较低。以往研究也均表明地下水中Sr的含量与岩土中Sr含量有密切关系[1-6]。张伟等[7]研究指出，盘山花岗岩岩石中锶平均含量为627 μg/g，裂隙水中Sr含量为0.15～0.72 mg/L。赵广涛等[8]研究表明，崂山花岗岩地区构造裂隙水中锶含量为0.14～0.51 mg/L。刘红涛等[9]研究指出，华北克拉通北缘广泛分布中生代高锶花岗岩类，在冀北和辽西地区起码可以确认有64个中生代花岗岩体属于或部分属于(有的大型复式岩体也包含有非高锶花岗岩类)，岩石的Sr含量变化于229.1～1 829.25 μg /g，平均值为740.42 μg /g，这远远高于非高锶花岗岩石(Sr含量一般低于100 μg /g )。但针对该类岩体周边锶型矿泉水的研究较少，基本处于空白。

以华北克拉通北缘冀东地区最大的花岗岩基-都山岩体作为典型高锶花岗岩进行研究，对其周边锶型矿泉水的空间分布特征及形成原因进行初步分析。同时，对寿王坟-都山一带的寿王坟岩体、碾子峪岩体、小寺沟岩体和杨杖子岩体四处高锶花岗岩周边区域水体进行取样分析，验证都山岩体周边矿泉水分布规律，以期对高锶花岗岩周边区域科学、合理、有序的勘查、开发矿泉水水源提供科学依据。

1 研究背景

1.1 区域地质概况

都山岩体位于燕山山脉的东段，为剥蚀构造中低山区。区内出露岩性主要为花岗岩、太古界三屯营组、上川组片麻岩、长城系砂岩及第四系全新统冲洪积物。研究区附近断裂构造发育，以北东向断裂为主，正断层、逆断层交替出现，断层走向呈北东-南西向，与岩体长轴方向大体一致，如图1所示。都山岩体出露于华北克拉通北东缘的太古宙燕辽沉降带马兰峪复背斜内，是该地区具有代表性的中生代岩体之一[10]。都山岩体侵位时正处于西伯利亚板块与中朝古板块碰撞造山作用的后碰撞时期，构造背景具有挤压的特点，其就位后仍受到区域挤压应力作用并形成边部的片麻状构造[10]。

1.2 都山岩体概况

都山岩体整体呈椭圆状，长轴沿北东方向展布，长轴长约30 km，短轴宽约17 km，出露面积约400 km2[11]，呈岩基状产出，是冀东地区最大的花岗岩基。罗振宽等[12]采用锆石SHRIMP-Pb法获得的中细粒黑云母二长花岗岩年龄为(223±2)Ma，中国地质大学(北京)地质调查院[13]采用相同方法测的粗中粒黑云母正长花岗岩的样品年龄为(221±4)Ma，确定都山岩体形成于印支期。

岩体主要侵入于太古宙基底变质杂岩和中新元古代碳酸盐岩及碎屑岩系中，在岩体边部见中元古界长城系高于庄组灰岩捕掳体，并已大理岩化和矽卡岩化[3]。岩体各岩相呈同心环状展布，边缘相为花岗闪长岩、斑状黑云母二长花岗岩；过渡相(主体相)为中-粗粒黑云母二长花岗岩；中心相为中细粒及部分中粗粒二长花岗岩。过渡相与中心相之间大部分为渐变过渡，局部呈突变。过渡相与边缘相之间则完全是过渡关系[11]。刘红涛等[9]、吴鸣谦等[10]、罗振宽等[12]在对都山岩体地球化学特征研究结果表明，样品中锶平均含量为596.34～1 131.4 μg/g。

图1 研究区地质略图Fig.1 Geological sketch map of the study area

1.3 区域水文地质

区内主要河流为长河，发源于都山。研究区附近地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水(见图2)，垂向上分为三个含水层：第四系孔隙水、风化带网状基岩裂隙水和构造基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要分布于都山下游沟谷的沟谷底部以及长河河谷两岸地带，含水层顶底板埋深0～10 m，分为水量贫乏区和水量中等区，水量贫乏区位于都山沟谷区域第四系松散岩类孔隙水，单井涌水量小于100 m3/d，水量中等区位于长河河谷两侧，单井涌水量100～1 000 m3/d。都山区域基岩裂隙水主要为风化带网状基岩裂隙水和构造基岩裂隙水。风化带网状基岩裂隙水含水层顶底板埋深60～150 m，中上游花岗岩区为水量贫乏区，常见泉流量小于0.1 L/s，地下水径流模数小于1 L/(s·km2)，水化学类型以SO4·HCO3-Ca型；下游片麻岩区为水量中等区，常见泉流量0.1～1 L/s，地下水径流模数1～3 L/(s·km2)。水化学类型以SO4·HCO3-Ca·Na型和SO4·HCO3-Ca型为主。构造裂隙水含水层顶底板埋深200～300 m，在本区未出露。

区内地下水补给主要是大气降水入渗补给。松散岩类孔隙水补给来源主要为大气降水入渗补给、基岩裂隙水侧向径流补给，排泄方式以径流排泄为主，人工开采和蒸发排泄次之。基岩裂隙水补给方式以大气降水沿构造裂隙向地下深部运移，径流方式沿都山花岗岩体由东北向西南径流；排泄方式以地下径流和泉形式排泄为主。

2 研究方法

2.1 样品采集

野外工作以1∶50 000地形图为底图，在充分利用以往地质、水文地质资料的基础上，采用穿越法和追索法相结合开展野外调查取样工作。对研究区内钻孔(民井)的类型、深度、成井结构、地层结构、开采层位、取水设备及出水量、取水用途、水位及水质及其动态变化等情况进行了调查；对区内地表水体的水位、流量、水温、水质、利用情况等进行了调查；对第四系以及出露基岩地层岩性、颜色、岩相、结构、构造和相互间的接触关系，河流、沟谷等的分布，与地下水活动有关的地貌现象等均进行了调查。同时，结合物探、钻探等手段，对重要的断层、构造带进行深入分析。

根据高锶花岗岩周边地形地貌、断裂构造发育特征、水文地质条件等因素，分别对都山岩体、寿王坟岩体、碾子峪岩体、小寺沟岩体和杨杖子岩体周边区域进行取样工作。在都山岩体周边区域分别对松散层孔隙水、风化带网状基岩裂隙水和构造基岩裂隙水进行取样分析，共部署取样点55处，采集孔隙水水样45组，风化带网状基岩裂隙水水样7组，3处构造基岩裂隙水水井按丰、平、枯三期取9组水样，共取水样61组。调查路线及取样位置如图2所示。对寿王坟岩体、碾子峪岩体、小寺沟岩体、杨杖子岩体四处岩体周边部署代表性取样点，采集水样10组，分析各岩体周边水体内锶元素含量。

图2 都山区域调查路线及取样点分布Fig.2 The survey route and distribution of sampling point in the Dushan Area

2.2 样品测试

样品采集后及时送进实验室，经预处理后，采用电感耦合等离子体发射光谱仪Optima 8000进行锶含量测定。

3 结果与分析

3.1 都山岩体周边区域锶型矿泉水分布特征

3.1.1 第四系松散层孔隙水中锶型矿泉水分布

表1中化验数据显示，45个松散层孔隙水水样中均含锶，最低含量为0.061 mg/L，最高为0.962 mg/L。其中，18个水样中锶的含量在0.403～0.962 mg/L，达到锶型矿泉水的标准(锶型矿泉水界限值0.4 mg/L)，锶含量达到矿泉水界限值的水样占比40%。21个水样中锶含量在0.2～0.4 mg/L，占46.7%；锶含量在0.4～0.6 mg/L的水样有14个，占31.1%，说明岩体区域松散层孔隙水中锶含量大部分在0.2～0.6 mg/L。水样中锶含量高低一是与其所赋存地层的岩性有关，二是与取样深度也有一定的关系。4个锶含量大于0.8 mg/L的水样，究其原因是井深较大，松散层孔隙水与风化带网状基岩裂隙水之间存在一定的水力联系，导致孔隙水中锶含量升高。

表1 都山区域松散层孔隙水水样中锶含量一览表Table 1 The content of strontium in the pore water samples in Dushan Area

从图2可以看出，高锶岩体周边水样中锶含量较高，岩体围岩水样中锶含量较低。041#水样所处地层为长城系砂岩地层，无锶元素物质来源，水样中锶元素主要来源于与岩体之间存在水力联系的裂隙、构造中。高锶岩体区域所取水样中，水体中锶含量受地形地貌、地层岩性、断裂构造发育特征、水文地质条件等影响，都山区域第四系松散层孔隙水中锶型矿泉水主要沿北东-南西向断裂带和岩体南部挤压带分布。

3.1.2 风化带网状基岩裂隙水中锶矿泉水分布

受区内地下开采利用条件限制，居民生产、生活取水多以第四系松散层孔隙水为主，风化带网状基岩裂隙水研究区内分布较少，仅分布于岩体西南部区域。化验结果表明，7个水样中，锶含量一般0.669～9.551 mg/L，均高于锶矿泉水界限值0.4 mg/L，如表2所示。

表2 都山区域风化带网状基岩裂隙水锶含量分布一览表Table 2 The content of strontium in the weathered zone of network bedrock fissure water samples in Dushan Area

从图2可以看出，相比较松散层孔隙水取样位置，风化带网状基岩裂隙水取样水井位置海拔更高、更接近于高锶岩体，水井深度一般58～140 m，该区域基本已无松散层孔隙水可利用。该区域断裂构造发育，水样中锶含量明显高于第四系松散层孔隙水。同时，该区第四系松散层孔隙水水样中锶含量明显高于其他水样，可以推测，风化带网状基岩裂隙水与第四系松散层孔隙水存在一定的水力联系，提高了松散层孔隙水中锶的含量。风化带网状基岩裂隙水中锶型矿泉水与松散层孔隙水呈相同规律，沿北东-南西向断裂带分布。

3.1.3 构造裂隙水中锶矿泉水分布

表3 构造裂隙水中主要组分及锶含量一览表Table 3 The content of main components and strontium in the tectonic of bedrock fissure water samples

3.2 锶矿泉水形成原因分析

3.2.1 都山岩体周边锶型矿泉水分布规律

都山岩体区域分布大量优质锶矿泉水。从平面看，高锶岩体周边区域松散层孔隙水水样中均含有锶元素，不同取样点水样中锶含量有所差别，达到锶型矿泉水标准的水样基本上都是沿北东-南西向断裂带和岩体南部挤压带分布。风化带网状基岩裂隙水和构造基岩裂隙水中锶型矿泉水主要分布于北东-南西向断裂带区域；垂向上，随着深度增加，第四系孔隙水、风化带网状基岩裂隙水和构造基岩裂隙水中锶含量呈递增趋势，如图3所示。

图3 不同地下水类型中锶含量对比Fig.3 Comparison of strontium content in different groundwater types

受地形地貌、地层岩性、断裂构造发育特征、水文地质条件等影响，第四系松散层孔隙水中锶含量的差异，围岩水体中锶含量较岩体水体中锶含量低；断裂构造发育地带水体中锶含量较高，应是其与风化带网状基岩裂隙水之间存在水力联系，风化带网基岩裂隙水中锶矿泉水排泄后与第四系孔隙水混合后，提高了断裂带区域松散层孔隙水中锶含量。构造基岩裂隙水中锶含量远高于第四系孔隙水和风化带网状基岩裂隙水水样中锶的含量，可能是由于受断层构造影响，岩石破碎，赋水性强，水体中锶的含量高，该部分水体可能是高锶型矿泉水的主要来源。

3.2.2 形成机制

矿泉水中锶的含量主要取决于岩石中锶元素的含量、溶滤时间和温度。

(1)物质基础。都山区域普遍发育的高锶花岗岩为区域内锶型矿泉水的形成提供了丰富的物质来源。相关研究数据[9,14-15]显示，都山岩体样品中微量元素和稀土元素特征总体相似，富集钡和锶，锶平均含量882.63 μg/g，最高达1 197.5 μg/g，远高于地壳岩石圈中锶元素含量。相关岩样水解浸泡实验[16-18]表明，浸泡过程中，发生水岩相互作用，岩样中不溶解的锶矿物，不断转化成为可溶性矿物，将锶释放溶解于水体中。本文中岩体区域水样中锶含量较高，而远离岩体的水样中锶含量较低的特征，这与地层中的锶含量规律一致，也有力地说明了地下水中的锶来自于岩层中锶的溶出。

(2)地质构造。区内断裂构造发育，地下水在接受大气降水补给后通过构造裂隙、构造破碎带、围岩接触带不断向地下深部运移，使含水层径流过程中岩石中的矿物成分受地下水的温度、压力影响不断溶于水中，地下水的深部运移和溶滤作用也为岩石中元素的富集创造了条件，不断使岩层中的锶离子释放出来，深部水体中锶含量逐步增加。这也就导致在垂向上，区内水体总体上锶含量构造裂隙水>风化壳裂隙水>第四系松散堆积层地下水。

(3)锶型矿泉水形成的水文地球化学条件。岩石地球化学特征、水岩作用条件及水岩作用过程均直接影响着矿泉水的物质来源和组分含量。锶与钙同属于碱土金属，其化学性质极为相似，可以随钙一起迁移、分异和富集。但锶比钙的化学性质活泼，锶的离子半径介于钙与钾之间，锶在含钙矿物中容易置换钙离子，又极易被含钾矿物中的钾离子捕获形成钾长石的同质多象变体微长石。都山区内酸性侵入岩中富含微量元素锶，且与钙及长石类极易产生类质同象置换现象，所以锶极易进入富含长石的矿物中。同时，构造、断层的发育，使富含CO2的大气降水更容易渗入到含水层之中而形成游离状态的CO2，促进锶的析出。发生的反应为

水样中氚同位素测定结果显示裂隙水在断裂带中的循环时间一般在20年以上，这为水岩相互作用提供了充足的时间，保证了矿泉水中微量元素和矿物质进入水中成为具有特殊意义的组分[19]，是高锶矿泉水形成的关键。

(4)都山区域锶矿泉水形成的模式。都山区域锶型矿泉水沿主要断裂构造呈带状分布，有一定的溶滤时间和温度，已揭露的三处高锶矿泉水井勘察资料显示，储水带岩石破碎，带内构造裂隙十分发育，为矿泉水的贮存、运移提供了良好的空间。同时也为矿泉水的出露提供了有利的通道，尤其是断裂交汇及岩体与围岩接触带附近。大气降水在沿风化裂隙向下径流过程中，淋溶所流经地层岩石矿物成分，并不断富集，多形成锶单一型矿泉水，属于裂隙浅循环淋溶型矿泉水，其特征是水温低(小于25 ℃)，溶解性总固体及氟含量也较低，如图4所示。

3.3 其他高锶花岗岩周边锶型矿泉水分布

通过分析都山岩体区域锶型矿泉水的形成机理及其分布规律，对小寺沟岩体、杨杖子岩体、碾子峪岩体和寿王坟岩体四处高锶花岗岩体周边区域现有水体出露点分别进行取样化验，探索各区域锶型矿泉水存在的可能性。

受岩体周边区域水资源开发利用影响，水体出露点比较少，在小寺沟岩体周边取样3个、杨杖子岩体周边取样2个、碾子峪岩体周边取样2个、寿王坟岩体周边取样3个，共取水样10个。根据表4试验数据可知，四处岩体周边区域水样中均含锶元素，最低含量0.223 mg/L，最高1.016 mg/L。整体上看，各岩体周边区域水样中锶含量基本与都山周边区域水样中锶含量分布规律一致，水样中均含锶元素，松散层孔隙水和基岩裂隙水中均有水样能达到锶型矿泉水标准。从岩体分，不同岩体周边区域水样中锶含量有差异，究其原因，一是各岩体中锶含量不同，即物质基础有差异，导致水样中锶含量有差异；二是岩体周边断裂构造发育程度不同，也对水体中锶的富集产生影响。

通过初步取样分析，四处高锶岩体周边均有含锶水体分布，有些达到锶型矿泉水标准，锶含量为0.402～1.016 mg/L不等，主要分布于杨杖子岩体佟杖子村三道沟一带、碾子峪岩体碾子峪村五垧地一带和寿王坟岩体寿王坟镇郑家庄村-罗圈子村梆子沟口一带。

图4 都山区域锶型矿泉水形成模式示意图Fig.4 Schematic diagram of the formation mode of strontium type mineral water in Dushan Area

表4 四处高锶花岗岩体周边区域水样中锶含量一览表Table 4 The content of strontium in the water samples in other four high-Sr granites area

4 结论

(1)都山岩体作为华北卡拉通北缘东段的典型高锶岩体，岩体中锶含量远远高于非高锶花岗岩石，为锶型矿泉水形成提供了物质来源。都山岩体周边区域水体中均含锶元素，平面上，孔隙水中锶型矿泉水主要沿北东-南西向断裂带和岩体南部挤压带分布；风化带网状基岩裂隙水和构造基岩裂隙水中锶型矿泉水沿北东-南西向断裂带分布；垂向上，孔隙水、风化带网状基岩裂隙水、构造基岩裂隙水中锶含量依次增加。

(2)都山岩体区域断裂构造发育，为丰富的降水提供了较好的补给通道，同时也为地下水的储存提供了空间，地层中的锶不断溶出，在断裂构造带沿地下水径流在地下水中长期循环富集是区内高锶型矿泉水形成的主要原因。孔隙水、风化带网状基岩裂隙水出露点多处于水量贫乏区，水量小，均为村民生活用水。而该区域深层构造基岩裂隙水水质、水量稳定，极具开发利用价值。

(3)小寺沟岩体、杨杖子岩体、碾子峪岩体和寿王坟岩体四处高锶花岗岩体周边区域水样中锶含量基本与都山周边区域水样中锶含量分布呈现类似规律，水样中均含有锶元素。部分水样达到锶型矿泉水标准，锶含量为0.402～1.016 mg/L不等，主要分布于各岩体周边断裂构造发育地带。

(4)揭示了典型高锶花岗岩体周边锶型矿泉水赋存规律和成因，推测华北克拉通北缘众多高锶花岗岩区域断裂构造发育地带极具锶型矿泉水资源开发利用潜力。