浙江龙泉市青坑底矿泉水资源特征及成矿机理

韦 毅，骆湘勤，陈俊兵，毛官辉

(1.浙江省水文地质工程地质大队，浙江 宁波 315012；2.宁波大学土木与环境工程学院，浙江 宁波 315211 )

0 引言

随着生活水平的不断提高，居民健康饮水的意识逐渐增加，对饮水结构追求多元化和优质化。饮用天然矿泉水以其含有一定量的矿物盐类、微量元素或特殊气体，化学成分相对稳定且对人体有益[1]，深受广大消费者的青睐。

龙泉市青坑底矿泉水是浙江省新兴的大型饮用天然矿泉水水源地之一，矿泉水中富含多种人体必需的偏硅酸、锶、锌等微量元素，其独特的地貌形态、岩石矿物组分和地质构造是矿泉水形成的基础[2]。本文以水文地球化学分析、同位素技术等方法手段[3]，分析矿区矿泉水的资源特征，模拟矿泉水的演化路径，探究矿泉水形成的机理，为矿区矿泉水资源的保护和开发利用提供科学依据。

1 矿区概况

矿区位于浙江省龙泉市查田镇青坑底村一带，属亚热带季风气候区，年平均气温约17.6℃，降水充沛，年平均降水量约为1699.4 mm，随季节变化明显，降水集中于5—6月，约占全年降水量的40%～50%。矿区地处龙泉溪支流冲洪积河谷中，整体地势呈南东高北西低，地形起伏剧烈，相对高差约770 m。

岩浆活动比较频繁，矿区内分布有加里东期和燕山晚期的侵入岩。丽水—海丰断裂斜贯矿区，控制了矿区内的构造格局。NE向断裂性质为压扭性，渗透系数差，控制含水层的隔水边界。NW向和SN向断裂性质为张性，裂隙相互切错，富水性好，是地下水运移和成藏的良好部位(图1)。

图1 青坑底矿区水文地质图

矿区位于江山—绍兴拼合带以东，区域大地构造单元归属华南褶皱系浙东南褶皱带。地表出露前第四系由老至新分别为元古界龙泉群青坑组(Pt2-3q)和白垩系西山头组(K1x)。青坑组岩性主要有石英二长片岩、斜长变粒岩(图2)、云母石英片岩，岩石中沿裂隙发育有高岭石、石英细脉等(图3)。西山头组岩性主要为晶屑玻屑熔结凝灰岩。

图2 斜长变粒岩镜下长石石英矿物Fig.2 Plagioclase and quartz of plagioclase granofels under a microscope Pl—斜长石 Qz—石英

图3 青坑组斜长变粒岩裂隙中发育的高岭石细脉(白色)Fig.3 Kaolinite veinlets (white) developed in fractures of plagioclase granofels in Qingkeng Formation

2 矿区地下水类型

矿区地下水类型分为松散岩类孔隙水、风化网状裂隙水和构造裂隙水。

松散岩类孔隙水主要分布于青坑底、桂花亭、墩头等山前沟谷，含水介质为冲洪积、坡洪积砂卵石层、砂砾、含碎石黏性土等，厚度为6～12 m，由低山丘陵向山前平原逐渐变厚。水量贫乏—中等，单井涌水量为16～94.52 m3/d。pH值为5.57～6.72，水化学类型为HCO3-Na·Ca型。富含Fe2+，有一定的铁锈味，接触空气后立即氧化呈现出肉眼可见的浅褐色，偏硅酸含量为21.8 mg/L。

风化网状裂隙水广泛分布于矿区西南、北部及中部的丘陵山区，含水介质为侵入岩风化网状裂隙及变质岩风化条带状裂隙。片岩及加里东期的变质花岗岩风化带厚度大，片理产状近直立，风化厚度一般为12～26 m，富水性较好，地表多见泉出露，流量普遍大于0.1 L/s，单井水量为20～480 m3/d；因风化母岩岩性的不同，地下水中Mg2+含量略有差异，水化学类型为HCO3-Ca·Na或HCO3-Ca·Na·Mg型，偏硅酸含量为41.4～51.5 mg/L。

构造裂隙水主要赋存于矿区NW向及近SN向断裂内，多沿沟谷展布，整体或局部地段所处地势低洼，易接受大气降水或网状裂隙水的补给，其富水性一般均优于风化网状裂隙水，地下水常以泉的形式出露。泉流量为20.7～43.2 m3/d，单井涌水量可达500 m3/d以上。静水位埋深一般为1.3～6 m，局部水头可高出地表约11 m；水化学类型为HCO3-Ca·Na。偏硅酸含量为30～48.8 mg/L，局部裂隙水氟化物含量可达3.46～5.80 mg/L。

3 矿区岩石地球化学特征

矿区岩石中含有丰富的钙长石、钠长石、钾长石、绢云母、角闪石等铝硅酸盐矿物和石英，石英矿物含量占10%～25%，斜长石含量占35%～40%，钾长石含量占30%～35%，其余为角闪石、绢云母等。节理裂隙中还见有石英晶簇、高岭石、石膏等矿物。丰富的铝硅酸盐矿物(表1)为矿区矿泉水的形成提供了基础物质来源。其中，w(SiO2)为59.41%～74.08%，w(Al2O3)为14.17%～15.94%，w(Sr)为154×10-6～359×10-6。

表1 矿区岩石化学组分含量Table 1 Chemical compositions of rocks in the mining area

4 矿泉水资源特征

矿区地形切割强烈，坡降较大，雨量充沛，岩石形成时代老，长期遭受风化作用和水流的侵蚀，在近地表形成厚度大于2 m的风化裂隙带；同时，受近SN走向断裂等构造活动影响，石英二长片岩、变粒岩等青坑组变质岩裂隙发育，岩石破碎，为矿泉水的形成提供良好的运移通道和赋存空间。

除河流底部直接基岩裸露外，山前冲洪积斜地的覆盖有一定厚度的第四系和全风化产物，其性状呈粉质黏土状，整体厚度为5～33 m，垂向渗透系数为0.006～0.008 m/d，透水性差，能有效防止地表水和第四系潜水的直接入渗补给，避免地表活动对矿泉水含水层造成直接影响。

矿泉水(K4)常年水温为19℃～21℃，pH值为6.20～6.79，感官性状良好，水化学类型为HCO3-Ca·Na型(图4)。

图4 矿区地下水piper三线图Fig. 4 Underground water three-linear diagram of the mining area

溶解性总固体为120～125 mg/L，偏硅酸含量为48.8～51.5 mg/L，Zn含量为0.12～0.20 mg/L(表2)，属含锌的偏硅酸型矿泉水。与第四系潜水相比，矿泉水具有低铁高硅的特征；与深部地下水相比，矿泉水具有低氟高硅的特征。

表2 矿区地下水测试结果Table 2 Analysis data of groundwater composition in the mining area

5 矿泉水演化机理

5.1 水化学离子比例分析

地下水化学组分能够揭示某些水文地球化学问题。不同成因的地下水，某些离子的比例系数也会存在比较明显的差异。γNa+/γCl-是表征钠离子富集程度的一个水文地球化学参数。如果地下水中的Na+和Cl-来源于岩盐的溶解，那么两者比值将接近于1。矿泉水γNa+/γCl-值大于1，则说明Na+主要来源于硅酸盐的溶解或离子交换作用，如钠长石的溶解等。根据K-Mg-Na图解法，矿泉水在水文地球化学演化史中属未成熟水，为大气降水溶滤-渗入型，溶滤作用是水源地矿泉水形成的主要水化学作用。γCa2+/γMg2+值可以反映矿物的溶解情况[3]，当其值接近1时，暗示着主要溶解矿物为白云石，比值>1且<2时，暗示方解石参与水解；比值>2时，暗示主要参与水解的矿物是铝硅酸盐。矿区矿泉水的γCa2+/γMg2+>2(图5)，表明铝硅酸盐是本区的主要溶滤矿物。

图5 矿泉水γCa2+/γMg2+分布Fig.5 The proportion of γCa2+/γMg2+of mineral water

图6 矿区钠长石水解产物投影位置Fig.6 Projection position of albite hydrolysate in the mining area

图7 矿泉水分布Fig.7 The proportion of mineral water

5.2 同位素分析

地下水中的同位素含量可以为水文地质研究提供重要的信息。当地大气降水线收集浙江省地热资源调查评价项目中的测试数据[5]，表达式为δD=8.2851δ18O+15.846。矿区地下水和地表水氢氧同位素均为美国Beta实验室实测数据(表3)，实测地表水、地下水氢氧同位素均落于大气降水线上(图8)，说明矿泉水补给来源为大气降水。

表3 大气降水和地下水氢氧同位素测试成果Table 3 Analysis data of hydrogen and oxygen isotopes in atmospheric precipitation and groundwater

图8 氢氧同位素与当地大气降水线关系Fig.8 Relationship between hydrogen and oxygen isotopes and local atmospheric precipitation line

根据氢氧稳定同位素的高程效应原理，δD值随地下水补给高程的增大而减小，而δD值基本不受水-岩反应的影响，可用于推算地下水补给区的高程[6-7]，其计算公式为

H=(δg-δp)/K+h

(1)

根据矿泉水的氘含量δg与采样点地表水氘含量δP的差值以及梯度系数K(龙泉地区地温梯度约为2.8℃/100 m，同位素高度梯度K计算值约为2.1℃/100 m。)和采样点的高程h，即可计算出K4矿泉水补给来源高程约682 m，位于采样点南东方向的猪章一带。K8地下水则来自于高程约1100 m的龙岩洞附近或南东方向更远的龙泉山脉区。由于K8地下水补给更远，循环深度更深，水岩反应更充分，溶解性总固体更高，氟化物等微量组分含量更高。

地下水中的锶均可视为来自于岩石矿物的溶解。理想状态下，水中锶同位素的比值与其溶出的母岩相同。因此，锶同位素可辅助用于追溯母岩岩性。矿区矿泉水锶同位素比值为0.711 687(表4)，与之最相近的岩石为青坑组石英二长片岩，表明矿泉水中的锶主要来自石英二长片岩的溶解。

表4 矿区矿泉水、岩石锶同位素测试结果Table 4 Analysis data of strontium isotope of mineral water and rocks in the mining area

结合水中的TFe、Mg2+、H2SiO3等特征组分含量，矿泉水中的偏硅酸主要来自于石英二长片岩、斜长变粒岩、角闪片岩中的铝硅酸盐水解，锌、铁等微量组分主要来源于角闪片岩、斜长变粒岩的溶解。

利用氢氧同位素可计算矿泉水在含水层中的滞留时间，计算公式[6]为

(2)

当地衰减系数α=76.8，则T=12.08 a，即矿泉水在含水层中滞留时间约12.08年。

根据14C同位素测试结果表明，K8地下水碳百分数为36.35 pMC，表现为8130 BP；K4矿泉水碳百分数为105.21 pMC，表现为现代大气降水成因。根据全球大气降水氚浓度恢复模型[8]，目前大气降水氚浓度趋于稳定，南京地区2007年大气降水氚同位素测试值为5.9 TU[9]。K4矿泉水氚同位素测试值为2.4 TU，补给年龄约16年。

5.3 演化拟合分析

从水化学离子比例分析和锶同位素追踪溯源，可以定性分析青坑底矿区参与水岩反应的主要矿物为钾长石、高岭石、钙长石、钠长石、角闪石、石英、石膏等，主要气体为游离二氧化碳。氢氧同位素和碳同位素测试表明，矿泉水循环补给年龄为12～16年。根据上述结果，采用质量平衡模拟来定量分析各种矿物的溶解(或沉淀)变化，其基本原理如下：

假定沿地下水的流动途径测定了两个点上的水质，记上游点的水质为“初始水质”，下游点的水质为“终点水质”。假设地下水在“初始水质”的基础上，每升水中溶解(沉淀)了x1(mmol)的第1种矿物、x2(mmol)的第2种矿物，…，xn(mmol)的第n种矿物，形成的“终点水质”与“初始水质”相比，“终点水质”中第i中元素的增量为bi，则有：

(3)

方程式[10]可以简写为

(4)

式(3)有n个未知数和n个线性方程组，存在唯一解。

表5 质量平衡方程中aij系数Table 5 Coefficientaijin mass balance equation

表6 “终点水质”中各元素的增量值Table 6 The incremental value of each element in "terminal water quality"

表7 矿区水质演化模拟结果Table 7 Modeling result of water quality evolution in the mining area

同时，高岭石矿物大量沉淀析出，石英、石膏等矿物也有少量沉淀，充填岩石中的微裂隙，与K4钻孔揭露的岩心结果吻合。

6 结论与建议

1)龙泉青坑底矿泉水主要赋存于龙泉群青坑组石英二长片岩、斜长变粒岩、角闪片岩风化裂隙及SN向构造裂隙之中，其上覆盖有一定厚度的全风化基岩，呈粉质黏土状，透水性差，能有效防止地表水和第四系潜水的直接入渗补给，避免地表活动对矿泉水含水层造成直接影响。

2)矿区东南的猪章一带丘陵山区为矿泉水入渗补给区，补给来源为现代大气降水。大气降水沿基岩裂隙入渗地下后，在静水压力的作用下沿节理、裂隙向西北方向的沟谷内运移。在运移过程中，地下水与围岩中的长石、角闪石等铝硅酸盐矿物发生水解反应，岩石中的锶、硅、锌等微量元素和各种矿物组分不断的溶入水中，并在地下水中富集，高岭石、石英、石膏等矿物随之沉淀充填于裂隙内，为矿泉水的形成演化创造了条件。地下水经12～16年的溶滤作用，偏硅酸含量达到饮用天然矿泉水的标准，形成含锶锌的偏硅酸型矿泉水。

3)根据矿区研究和模拟成果，建议优先保护矿泉水出露区和猪章一带的丘陵山区，禁止开展破坏矿泉水演化和改变水文地质条件的人类活动、工程建设等。