浅变质岩区饮用天然矿泉水的形成原因分析——以梅州市郭田矿泉水矿山为例

邱向荣 黄颖 邓高 黄平安

（广东省地质技术工程咨询公司，广东广州 510080）

广东省有着丰富的天然矿泉水资源，这些矿泉水主要分布于结晶岩区中，目前已发现137 处，占全省矿泉水水源地总数的72.5%；其次是赋存于各时代的碎屑岩中，共45 处（占23.8%），其他岩类仅零星分布①。根据广东省的水文地质资料，浅变质岩区很难找到具有开发利用价值的矿泉水资源，原因主要是浅变质岩区的地下水往往比较贫乏，水量少，作为水源地，尤其是大中型矿泉水水源地的难度很大，其次是浅变质岩区的水质很难达到矿泉水标准。正是基于这些原因，才很少有在浅变质岩区成功探获矿泉水资源的例子。近期，在梅州市五华县郭田镇浅变质岩区勘查出一处储量规模达到中型的饮用天然矿泉水水源地②，深入分析该水源地矿泉水的形成原因，对指导类似地区的矿泉水资源勘查有良好借鉴意义。

1 水源地的地质背景

郭田矿泉水水源地位于梅州市五华县郭田镇双光村的丘陵谷地中，矿泉水类型为低钠、低矿化度偏硅酸型矿泉水[1]，偏硅酸质量浓度为34.0～61.3 mg/L②，水源地的允许开采量为2 317 m3/d，资源储量规模为中型[2]。该水源地共施工了10 口探采结合井，其中ZK8 水质不达标，最终建成9 口开采井（表1）。8 口井的出水段为下古生界千枚岩，另1 口井的主要出水段为燕山三期花岗岩①。

1.1 地质条件

水源地地层为早古生代千枚岩和第四纪黏土，岩浆岩为燕山第三期花岗岩。千枚岩主要分布于水源地中部，呈条带状向北东方向延伸（图1），地层产状310～320°∠65～76°，倾角较陡立。千枚岩和花岗岩早期为侵入接触关系，后期在构造作用下为断层接触关系，花岗岩隐伏于千枚岩之下。

水源地范围内的断层为竹园头断层（F1），产状为305°∠45～60°，该断层为多期次活动的断层，前期为压扭性，后期为张性，早古生代地层产状大致与断层平行。其次为F2 断层，走向北东，倾向北，在北东侧的鸭麻寨水库与F1 断层相交，组合成“Y”字形断层。

表1 郭田矿泉水开采井水文条件

1.2 水文地质条件

水源地的地下水类型包括松散岩类孔隙水、层状岩类裂隙水和块状岩类裂隙水三类。

松散岩类孔隙水主要分布于山间溪流两侧及丘陵坡脚，赋存在冲洪积层中，含水层为砂及砂砾石，富水性贫乏，以潜水为主，水化学类型为HCO3-Ca·Na 型，单井涌水量小于100 m3/d。

层状岩类裂隙水分布于水源地中部，为矿泉水的主要出水带，地下水赋存于千枚岩的风化裂隙及构造裂隙中。开采井主要出水段位于千枚岩中，富水性中等，微承压，水化学类型主要有HCO3-Ca·Na、HCO3-Na·Ca 型，水量为159～441 m3/d。

块状岩类裂隙水分布于区内南北两侧，富水性中等，微承压，其水化学类型主要为HCO3-Na·Ca 型，水量为234 m3/d。花岗岩深部裂隙水的氟离子超标，如ZK2 井分段抽水试验和水质分析结果发现，该井57.0 m 以下的花岗岩裂隙水中氟离子含量为2.7 mg/L，因此将该井57.0 m 以下用水泥封填止水，水质才能达标。由于深部花岗岩的氟离子超标，说明深部花岗岩中的裂隙水并非水源地矿泉水的主要来源，也说明水源地的矿泉水并非深循环形成。

2 矿泉水中偏硅酸的来源分析

广东省矿泉水中的偏硅酸主要来源于结晶岩中的硅酸盐矿物，尤其以长石类矿物的水解为主[3]。根据地形地貌条件（图1），郭田矿泉水水源地浅部地下水是从环形分水岭向沟谷中汇集，即主要从花岗岩区向千枚岩区渗流，因此花岗岩区的地下水是千枚岩区裂隙水的补给来源之一。根据钻探揭露，所有位于花岗岩区的钻井氟离子全部超标，但千枚岩区的钻井氟浓度都较低，因此可以判断来自花岗岩区的地下水主要是土层和基岩浅部风化裂隙带的地下水，有一定深度的构造裂隙水不是千枚岩裂隙水的补给来源。由此可以看出，郭田矿泉水中偏硅酸部分来自花岗岩浅部风化层。

图1 郭田镇水源地地质图

根据岩矿鉴定，水源地的千枚岩为鳞片细粒变晶结构，千枚状构造，主要矿物成分：绢云母60%～65%，白云母10%～12%，石英15%～18%，绿泥石3%～5%，黄铁矿2%～3%。由此可见，岩石中的主要矿物成分为白云母族（绢云母、白云母），未见重结晶长石类矿物，因此矿泉水中偏硅酸主要来源于石英和白云母族矿物的水解。

根据化学反应式（式(1)、式(2)）并采用热力学方法计算，常温常压条件下石英水解为正硅酸的反应自由能（△Gt）为-4.21 kJ/mol。计算结果可见，虽然常温常压条件下石英可以自发反应形成偏硅酸，但其溶解反应相当缓慢，在常温条件下溶解度仅为6.5 mg/L，故SiO2（石英）并非水中偏硅酸的主要来源。

根据前人的实验得知，偏硅酸的水解主要受温度、水中CO2含量和水岩反应时间的影响,都为正相关关系，其中温度和水岩反应时间主要受地下水的循环深度控制[4]，但由于郭田镇水源地矿泉水并非深循环形成，因此主要考虑水中CO2含量对偏硅酸水解的影响。地下水中的CO2部分来源于大气降水降落过程中吸收了空气中的CO2，其次，进入地下后又吸收了土壤中因有机质氧化而产生的CO2，郭田镇水源地属亚热带季风气候，植被茂密，风化土层较厚（达6.50～21.50 m），土壤中有机质含量较高，因此能为矿物的水解反应提供丰富的CO2。

图2 郭田镇水源地成因剖面图

千枚岩中的白云母族（绢云母、白云母）含量很高，根据水解反应（式(3)、式(4)）可以看出，白云母族矿物在常温常压有CO2气体参与的条件下，其水解反应自由能（△Gt）为-364.77 kJ/mol（式(3)、式(4)），即反应比较快速，因此可以认为，水源地千枚岩裂隙水中的偏硅酸主要来自白云母族矿物的水解：首先白云母族矿物水解为高岭石，高岭石继续水解成水中的偏硅酸并引起三氧化二铝的沉淀。这个判断可以通过千枚岩区地表水水质得到佐证，所取3 组地表水样偏硅酸的含量为26.6～41.7 mg/L，由于地表水主要来自浅部风化土层的溶滤水，故水中偏硅酸主要来自黏土类矿物（如高岭石等），这类黏土矿物来自母岩的风化，而母岩中易风化为黏土的矿物就是云母类矿物，因此上述偏硅酸来源的判断是合理的。

综上，郭田矿泉水主要产出于千枚岩中，千枚岩的构造裂隙水中的偏硅酸来源主要是白云母族矿物的水解，另外石英的水解以及来自花岗岩区风化带的地下水是偏硅酸来源之一。由于郭田矿泉水矿山主要矿物水解反应均需足够的CO2气体参与，因此保持地下水中有合适的CO2气体分压是该偏硅酸型矿泉水形成的重要条件。

3 矿泉水的赋存条件分析

水源地地下水的补给来源主要是大气降水，其次是地表水体。由于郭田矿泉水矿山属南亚热带季风气候，雨量充沛，年平均降雨量达1 498 mm，为地下水的补给提供了充裕来源，水源地位于地下水的补给-径流区，地下水容易受外围基岩裂隙水的侧向补给，由此可见，水源地的补给条件较好。

矿泉水主要赋存于千枚岩中的层状岩类裂隙中，根据水文地质条件，千枚岩等浅变质岩地区的富水性通常贫乏，但该水源地千枚岩的富水性属于中等，其原因主要是构造作用比较强烈所致。水源地的千枚岩被竹园头断层（F1）和F2 断层夹持成北东向展布的狭窄地带（图2），早期F1 和F2 断层为压扭性断层，活动性强烈，引起千枚岩地层的强烈破碎，这明显改善了千枚岩的导水性和富水性。另外，比较强烈的构造运动引起了地层产状陡立，且构造作用引起千枚岩面理不同程度的变形，这也有利于地下水沿着面理入渗，强化了地层的渗透性和富水性，给地下水提供了储存和运移的空间，将本来透水性弱、水量贫乏的千枚岩地层改造成为富水性良好的地层。

上述可见，丰富的地下水补给来源和有利的构造环境是千枚岩中矿泉水水量较丰富的主要原因。

4 结论

浅变质岩中的矿泉水要具备开发利用价值，需要同时具备储水条件和常温常压条件下能水解出丰富偏硅酸的岩石地球化学背景。根据郭田矿泉水的成因分析，可以得出构造条件是地下水富集的必要条件，郭田镇水源地的千枚岩在F1 和F2 断层的挟持下强烈破碎和产状陡立，面理不同程度变形，这为矿泉水提供了赋存和运移的空间；水岩反应是偏硅酸形成的基础，易溶矿物在有CO2参与下，能快速水解出偏硅酸，矿泉水中偏硅酸虽然有一部分是来源于花岗岩风化带中长石的水解，但更主要的来源是千枚岩中的白云母族的水解。郭田镇水源地矿泉水的成因模式在广东省内比较少见，深入分析其成因机制，可为饮用天然矿泉水资源勘查工作提供新的思路。

注释

①广东省地质调查院.中国矿产地质志(广东卷).北京:地质出版社,2021:3245-3386.(待出版)

②黄颖,黄平安,王小海,等.广东省五华县郭田饮用天然矿泉水资源储量核实报告[R].2021:1-46.