恩施市硒型饮用天然矿泉水成矿条件和开发利用建议

2021-08-30翟振飞王水华赵德君谭光超李智民

资源环境与工程 2021年4期

翟振飞，王水华，赵德君，谭光超，李智民

(湖北省地质局水文地质工程地质大队，湖北荆州 434020)

随着经济发展和人民水消费观念的改变，饮用天然矿泉水已成为人们日常生活的重要水源。湖北省境内，经国家或湖北省矿泉水技术评审组鉴定的矿泉水水源地共70处，锶型19处、偏硅酸型17处、锶偏硅酸复合型30处、硒型2处、硒锶复合型2处[1]，含硒型和硒锶复合型仅占0.057%，但其医学[2-3]及保健[4]价值很高，具有更大开发利用前景。由于硒型矿泉水较稀少，全国关于硒型饮用天然矿泉水成因和开发利用的研究较少。张援军等[5]总结了陕南秦巴山区富硒矿泉水形成条件；李洁[6]分析了石门县悦家泉富硒矿泉水水源地形成条件及富硒来源；柳运清等[7]介绍了恩施州建始县“希世宝”硒矿泉水开发利用情况；翟振飞、祝军等[8-9]总结了中国硒型矿泉水控矿条件和成矿模式，以及恩施市灰包洞矿泉水源地保护区划分应注意的问题。

恩施市富硒岩石、富硒土壤、富硒矿泉水、富硒动植物资源形成了天然富硒农业地质环境与富硒生物圈[10]。恩施市双河地区拥有全球唯一独立硒矿床——鱼塘坝硒矿床，其赋存于二叠系孤峰组的炭质硅质岩段中[11]，恩施市硒型矿泉水的出露位置与富硒地层高度相关。

“十三五”期间，恩施市沐抚办事处—高台、白杨坪镇楠木沟、红土乡金龙坝、新塘乡灰包洞硒型矿泉水水源地完成勘查工作，其中高台、金龙坝和楠木沟通过湖北省自然资源厅评审和备案。2020年8月，在恩施市境内遴选饮用天然矿泉水14处，采集样品14组，获硒锶复合型矿泉水3处、锶型矿泉水2处，后者与生态红线发生冲突，3处硒锶复合型矿泉水拟纳入恩施市“十四五”矿业规划。硒型矿泉水资源开发可以带动水源地周边乡村经济发展，有利于促进乡村振兴。

1 硒型矿泉水成矿条件

矿泉水属于液体矿产，但其与石油天然气矿藏的“生储盖”严格时空组合不同，其成矿元素来自储集层和其上的盖层，尤其是硒型矿泉水，硒元素主要来自盖层，其次是储集层。恩施市矿泉水水源地主要受富含硒源地层，储层类型，褶皱和断裂构造，地形切割，水动力、水循环条件及水岩作用等因素控制，其中硒源地层是决定因素(表1)。

表1 恩施市硒型饮用天然矿泉水成矿影响因素统计表

1.1 硒源地层

硒型矿泉水成矿诸多条件中，硒源地层为首要因素。李明龙等[12]通过对恩施地区广泛出露的31个岩石地层单位(组)的495件岩石样品硒含量分析，发现研究区在地质历史上多个黑色岩系沉积时期为岩石硒元素富集高峰期，最富硒地层为二叠系孤峰组，其次为寒武系牛蹄塘组、奥陶系—志留系龙马溪组等。早寒武世牛蹄塘期，岩石样品硒含量均值为32.47 mg/kg；晚奥陶世—早志留世龙马溪期，岩石样品硒含量均值为2.14 mg/kg；中二叠世孤峰期—晚二叠世大隆期，岩石样品硒含量为15.67～175.38 mg/kg。

恩施市达到国家标准[13]的矿泉水硒源地层主要为二叠系中统孤峰组(P2g)含炭硅质泥页岩，如红土乡金龙坝、新塘乡灰包洞、白杨坪镇找龙坝等；其次是二叠系上统大隆组和下窑组(P3d和P3x)灰黑色薄层硅质岩夹含炭质页岩。恩施市硒型矿泉水主要出露在相对隔水层的硒源地层下伏碳酸盐岩地层中(见图1)。富硒岩土体硒能否形成含硒矿泉水，受富硒岩土体的风化程度、水的腐蚀性及地下水循环交替条件等因素控制。矿泉水除主要接受降水入渗补给外，同时接受地下水径流补给，地下水在补给及径流过程中，水中碳酸根离子与含水层的矿石长期接触，经溶蚀、溶滤、离子交换等化学作用，不断溶解岩石中的矿物成分，使水中矿物质不断增加，矿物中的硒溶入水中，并在含水层水体中富集，从而形成了含硒型矿泉水[5]。泉水中硒含量与硒源地层中硒含量呈正相关，在恩施市双河地区鱼塘坝采集了一个泉水样，其硒含量为0.062 mg/L，超过了国家饮用矿泉水界限上限。虽低于双河地区鱼塘坝，但硒含量相对较高的有沐抚高台泉、龙洞湾泉、狮子阡泉，白杨坪镇楠木沟泉、找龙坝泉，红土乡金龙坝泉等，泉水中硒含量为0.010～0.022 mg/L，在丰水期硒含量最大，在枯水期和平水期相对较小。

图1 恩施市硒型矿泉水与含硒地层空间关系图[5]

按照出露地及硒源地层和所属褶皱构造等因素将恩施市硒型矿泉水划分为四个富集带，即沐抚—高台富集带、白杨坪镇找龙坝富集带、白杨坪镇楠木沟富集带和新塘—红土富集带(见图1)。

1.2 矿泉水储层类型

恩施市硒型矿泉水储层类型主要有两类：第一类是岩溶裂隙型，以沐抚办事处高台矿泉水为代表；第二类是岩溶管道型，以红土乡金龙坝、新塘乡灰包洞和白杨坪镇楠木沟为代表。同等条件下，储层类型基本上决定了矿泉水涌出量及其动态变化，详见表2。

表2 恩施硒型矿泉水储量统计表

岩溶裂隙型泉水资源储量规模小但水质稳定，感官指标优良，动态稳定，常量化学组分动态稳定。岩溶管道型资源储量规模中等—大型，但水质变化相对较大，感官指标中浊度指标有一定变化，常量化学组分动态较稳定，详见表3。

表3 恩施市硒型矿泉水枯平丰水期水质检测简表

1.3 褶皱和断裂构造

恩施硒型矿泉水多出露于褶皱或次级褶皱近核部，褶皱的横向规模控制了岩溶管道的发育规模，一定程度上控制了泉水资源量。裂隙型泉水主要位于小型断裂构造交汇部位，断裂破碎作用和裂隙发育改善了储层渗透性和导水性物性，断裂或裂隙也促进了硒元素源和汇的沟通，增强了硒从源岩到水中的运移和富集。沐抚高台泉、龙洞湾泉和狮子阡泉空间展布和规模主要受沐抚背斜及其次级背斜高台背斜控制，龙洞湾泉和狮子阡泉还受沐抚平移断层带裂隙的影响(图2)。找龙坝矿泉水富集带和楠木沟矿泉水富集带主要受白杨复式向斜带黄岩路—白杨向斜、三岔背斜等褶皱控制，找龙坝泉位于黄岩路—白杨向斜北西翼近核部，楠木沟溶洞泉则位于白杨向斜南东翼。前者主要受建始断裂及其次级断裂影响，后者主要受十里牌断裂及其次级断裂构造改造影响。

图2 恩施市构造和矿泉水出露位置分布图

新塘乡灰包洞—红土乡金龙坝硒型矿泉水富集带受双河向斜、前坪背斜及天落水背斜和漂水岩向斜等控制，灰包洞溶洞泉出露于前坪背斜北西翼天落水背斜西翼近核部，如图2-图3所示。受前坪背斜核部茅口组地层剥蚀殆尽影响，前坪背斜规模约束了灰包洞矿泉水赋水岩溶管道的规模，据调查可勘测长度约1.2 km，推测长度约4.5 km。

图3 恩施市灰包洞矿泉水地质剖面图

红土乡金龙坝溶洞泉则位于前坪背斜北西翼和漂水岩向斜南东翼，其赋水岩溶管道规模受前坪背斜横向规模甚至官店口背斜横向规模控制。

1.4 地形切割

岩溶地区较大深度地形切割是控制泉水出露的因素，恩施硒型矿泉水出露主要是由清江不同规模的支流切割形成的。高台岩溶裂隙型泉水位于清江上游干流左岸斜坡地带，其他均位于清江支流中低山河谷或沟谷岸坡地带，沐抚龙洞湾和狮子阡位于云龙河左岸，找龙坝位于浑水河上游找龙坝河源头。楠木沟泉水位于盆家河上游楠木沟右岸。新塘乡灰包洞泉水位于清江支流马尾沟近河口段左岸(见图3)。金龙坝泉水位于清江支流伍家河近河口段左岸。恩施市硒型矿泉水点出露位置均高于汇入沟谷河流最高水位，泉水补给河谷水。

1.5 水动力、水循环条件及水岩作用

高台泉属于裂隙型泉，高台矿泉水放射性氚含量<1 TU，而地表水和高台雨水氚同位素浓度分别为(3.5±0.1)TU和(4.5±0.2)TU[15]。该泉水地下水补给源较远，地下水年龄>30年，地下水运移时间长，并在运移过程中赢得了长期溶滤高硒高锶围岩的作用时间，水动力较弱，地下水岩作用时间长，从而使矿泉水水质保持一个较稳定的状态。丰、平、枯水期水质变化较小，较稳定。

红土乡金龙坝矿泉水属于溶洞型泉水，泉水流量大，水动力强，泉水放射性氚含量(2.2±0.1)TU[16]，而地表水和雨水氚同位素浓度分别为(2.4±0.1)TU和(2.5±0.1)TU。该泉水具备潜水或浅层承压水等现代循环水的氚特征，含有一定的现代补给量，径流条件较好，地下水水岩作用时间相对较短，泉水水质相对不稳定。

恩施市硒型矿泉水单点评价较少，水的年龄、循环时间长短对硒含量影响程度暂时没有发现明显的规律。

2 成矿预测

恩施市硒型矿泉水成矿条件具有以下特征：第一有硒源地层(以二叠系中统孤峰组为主，其次为二叠系上统大隆组)分布；第二有发育厚度较大、物性良好的碳酸盐岩储层(以二叠系中统茅口组为主，其次为二叠系上统下窑组)；第三，受控褶皱构造有一定规模，为流量较大的泉水补径排提供空间，受区域次级断层或裂隙改造岩溶发育部位具备良好的储存和水岩作用空间；第四有良好的地形切割，使得泉水出露于地下水密集带排泄部位。

根据上述特征，叠合上述因素和已经调查的泉点出露位置、流量特征，预测了3个可能的硒型矿泉水富集带，分别为双龙、芭蕉—盛家坝、双河—木栗园富集带(见图4)，供后续调查与评价，为恩施市提供硒型矿泉水后备水源地。

图4 恩施市硒型饮用天然矿泉水预测图

3 开发利用建议

恩施市硒型矿泉水分布相对比较集中，对矿泉水开发和利用提出了较高要求，不但要考虑矿泉水水质、土地利用规划、地质环境、保护区划分、允许开采量、交通条件，也要考虑市场需求和产品细分等各个方面。笔者以红土乡金龙坝硒型矿泉水为例，重点从地质环境、允许开采量和产品细分三方面提出开发利用建议。

3.1 地质环境

金龙坝硒型矿泉水位于清江支流伍家河近河口段左岸，行政上属于红土乡老村管辖，水源地地质环境状况良好，如图5所示。

图5 红土乡金龙坝矿泉水开发利用图

(1)除洞口有少数村民的引水细管外，其环境现状均保持天然状态。

(2)泉水天然出露，允许开采量和设计开采规模远小于天然资源量，不存在地下水被抽干、破坏含水层结构等地质环境问题。

(3)建议开采方式利用势能原理将水管引水至厂区，仅是引水管道占地和厂房占地等，对环境影响较小。

(4)排泄区附近斜坡坡度达35°～75°，裂缝发育，尤其在泉点下侧和牧场沟近沟口段见到大小不一的滚石，推测陡坡上的岩石曾发生过崩塌。开发过程中应注意避开崩塌等地质灾害影响范围。拟设厂房区右侧有人工堆积斜坡一处，长100 m，宽20～30 m，为村民修路堆积斜坡，雨后在斜坡边缘已经发现有长约2 m、宽1～5 cm拉裂缝，应注意该斜坡体的安全问题。

矿泉水开发利用过程中应严格按照规范分三级保护区保护矿泉水水源地，做好泉域内卫生保护工作。

3.2 允许开采量

根据《天然矿泉水资源地质勘查规范》(GB/T 13727—2016)要求，对于天然涌出的矿泉水水源，可依据泉水动态连续监测资料，按泉水流量衰减方程或以天然矿泉水多年枯水期最小流量80%推算允许开采量。经过一个水文年监测，枯水期最小日流量为6 362.77 m3/d[16]。

(1)根据监测期枯水期降雨量与多年枯水期降雨量均值估算。恩施雨量站和红土乡红土溪雨量站监测期枯水期(2019年12月—2020年2月)降雨量分别为169.5 mm和141 mm，多年枯水期降雨量分别为94.4 mm和97.3 mm。考虑到红土溪雨量站建站较晚和级别较低，取红土溪雨量站和恩施雨量站平均值计算，监测期枯水期降雨量为155.25 mm，多年(历史均值)枯水期降雨量为95.85 mm。

Q多年枯日最小=6 362.77 m3/d×95.85÷155.25=3 928.32 m3/d

(2)根据监测期年降雨量与多年枯水期年降雨量均值估算。由于红土溪雨量站建站较晚，本次报告长期雨量值采用恩施雨量站长期数据计算，如表4所示。代表年法是按规定设计保证率(P=50%、P=75%、P=95%)，从具代表性长系列降雨量资料中排频得出符合设计保证率要求和实际丰枯情况的年份(即代表年)。监测期取2019年7月—2020年6月的降雨量为年降雨量，为1 215 mm。

表4 恩施雨量站排频表

Q枯日最小=6 362.77 m3/d×1 211÷1 215=6 341.82 m3/d。即满足P=75%保证率下的泉水枯水年最小日流量为6 341.82 m3/d；

Q特枯日最小=6 362.77 m3/d×1 026÷1 215=5 373.01 m3/d，即满足P=95%保证率下的泉水枯水年最小日流量为5 373.01 m3/d。

(3)根据布辛奈斯克流量衰减方程估算：

Qn=Qmin×365

Qmin=Q0e-αt

式中：Qn为推测泉年可开采资源量；Qmin为推算枯水期最小流量；Q0为枯水期开始时泉流量；α为含水层赋存量衰减系数；t为枯水期开始至监测最小流量所经历的天数；Q为长期观测期间最小泉流量。

据一个水文年长观监测资料，枯水期开始至最小流量延续时间为12月5日—次年2月29日，布辛奈斯克流量衰减方程参数和计算值如表5。

表5 布辛奈斯克流量衰减方程参数和计算值表

取最不利情况或者最保守情况下多年枯水期流量为三种计算方法中的最小值3 928.32 m3/d。该允许开采量已经经过湖北省自然资源厅储量评审中心审查通过备案。在开发利用过程中应严格遵守不大于该开采量开采。

3.3 产品细分

中国矿泉水市场硒型矿泉水为稀缺品种，目前上市仅有润田翠天然含硒矿泉水。恩施市硒型矿泉水产品定位为硒型健康水，主打高端矿泉水市场目标人群为高收入人群，如企业老板、公司高管、时尚人士，兼顾中低端市场，目标人群为工薪阶层、普通百姓等。硒型矿泉水开发应在品牌化、差异化、场景化、包装等方面做足文章，产品细分建议为4个品种“一桶三瓶”,即18.9×104m3年产18.9 L桶装水1 000万桶；5×104m3为5 L瓶装水1 000万瓶；15×104m3为1.5 L瓶装水10 000万瓶；其余17.7×104m3，可装500 mL瓶装矿泉水35 400万瓶。按年生产300 d，可建设年生产300×3 142.65×0.6[17]=56.6×104m3的生产线。

恩施市硒型矿泉水开发可引进大型饮用水企业和本土企业以及乡村组建股份制饮用水生产企业，高度重视品牌建设和高端饮用矿泉水安全生产与销售宣传工作，促进乡村振兴。