河北承德御道口牧场区偏硅酸型矿泉水形成过程及影响因素研究＊

2023-05-16云玉攀侯中帅

科技与创新 2023年9期

梁钊，魏浩，云玉攀，侯中帅

（河北地质大学，河北石家庄 050031）

承德地处河北省东北部，作为京畿重地，拥有得天独厚的区位和生态优势。2013 年，习近平总书记在京津冀协同发展座谈会上，对承德地区作出“定位于建设京津冀水源涵养功能区，同步考虑解决京津周边贫困问题”的重要指示，这意味着承德担负着京津冀水源涵养功能区建设的重大政治责任。天然矿泉水具有安全、卫生、无污染等天然特性，含有人体所必需的锶、锂、偏硅酸等微量元素和钾、钙、钠等矿物质，这些微量元素和矿物质在水中呈离子状态，易被人体细胞吸收，吸收后能提高身体免疫力，减少疾病的发生，微量元素对人类的生长、发育、健康、疾病、衰老和死亡有着极其重要的作用[1]。承德市北部御道口牧场一带为农牧林过渡带，矿泉水主要为偏硅酸型[2]，本文主要对其形成过程和影响因素进行了研究，并对其资源量进行了调查评价，希望能对该地区的水资源开发利用做好基础工作，推动贫困地区经济发展。

1 承德地区区域概况

承德地区水资源量丰沛，境内有滦河、潮河、辽河、大凌河四大水系，水资源总量排名全省第一，年产水量3.76×109m3，服务京津水量2.2×109m3，占潘家口水库年入库总水量的93.4%、密云水库入库总水量的56.7%，是京津冀的重要供水水源地。承德地区降水较为丰沛，年平均降雨量为531.1 mm，丰沛的降水渗入地下后，为矿泉水的形成提供了水源补给保障[3]。

承德地区地层发育较为齐全，以康保—围场深断裂为界，分为2 个地层区，断裂带以北为内蒙古地层区，以南为华北地层区，华北地层区占全区面积的80%。内蒙古地层区在早元古代以前结晶基底出露零星，以古生界、中生界、新生界出露为主。华北地层区地层发育齐全，除缺失志留、泥盆系外，从上太古界至新生界均有出露。

承德地区断裂构造发育，区内深断裂有5 条，大断裂2 条，一般断裂数百条。调查研究表明，承德地区矿泉水与构造关系密切，矿泉水水源地大多分布于断裂带附近。断裂带，特别是深大断裂带的次一级断裂构造，为矿泉水的赋存与运移提供了较好的地下空间，为矿泉水运、储、移的重要通道，是矿泉水的主要控制因素。

偏硅酸型矿泉水主要在承德坝上及坝上与坝下接触地带，岩性也以玄武岩为主。

2 围场县御道口牧场偏硅酸型矿泉水概况

2.1 偏硅酸型矿泉水点分布

在御道口牧场区共采集61 组水样，在井水样品中共发现偏硅酸型矿泉水10 件，在泉水样品中共发现偏硅酸型矿泉水5 件。水文钻探3 处，在其中2 处发现偏硅酸型矿泉水。

2.2 偏硅酸型矿泉水形成过程

矿泉水中富含偏硅酸是由硅元素本身的地球化学性质及其所处的水文地球化学环境决定的，是地下水与含水介质在一定条件下长期作用的结果[4-7]。SiO2是铝硅酸盐类岩石的主要成分，自然界中存在于此类岩石中的SiO2一般难溶或不溶于水，只有在适当条件下，特别是富含CO2的水作用下，介质中的SiO2才被溶解进水中，形成偏硅酸矿泉水。矿泉水中偏硅酸普遍偏高，与含水岩组的岩石成分密切相关，偏硅酸主要是地下水循环过程中来自硅酸盐和铝硅酸盐矿物的溶解，水解作用如下：

2KAlSi3O8（钾长石）+2H2CO3+9H2O=Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+2K++2HCO3-+4H2SiO42-

2NаAlSi3O8（钠长石）+2H2CO3+9H2O=Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+2Nа++2HCO3-+4H2SiO42-

CаA12Si2O8（钙长石）+2CO2+8H2O=A12O3·3H2O（三水铝石）+Cа2++2H4SiO4+2HCO3-

玄武岩地下水径流过程中水岩作用主要表现为钙长石、镁橄榄石和辉石的水解，其中钙长石的水解作用占主导地位。非晶质SiO2均有所溶解，但是溶解的量小，对地下水中整体的偏硅酸浓度影响有限。长石类矿物风化水解形成可溶SiO2和高岭石，长石在水解反应中，如果有CO2加入，反应会加剧，御道口牧场径流区植被覆盖率普遍在90%以上，土壤呼吸作用较为强烈，产生大量二氧化碳富集，这在一定程度上使地下水中游离二氧化碳和碳酸氢根离子含量富集。偏硅酸在水中以胶体形式存在，部分直接浸入水中，部分被高岭石吸附沉淀并在特定环境中释放到水中，形成本区矿泉水中的偏硅酸。

本区矿泉水多以泉的形式出露，分布在低洼谷地两侧，沿断裂呈线状分布，其径流、排泄受断裂控制。影响矿泉水出露的断裂多为小规模断裂，径流途径较短，循环深度较浅，断裂构造破坏了岩石的完整性，经历了多次反复活动，岩石破碎，影响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，尤其是断裂交汇及转折处。山区大气降水入渗形成基岩裂隙水，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，多形成偏硅酸单一型矿泉水，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。

2.3 偏硅酸型矿泉水形成影响因素

2.3.1 围岩条件

2.3.1.1 岩石孔穴条件

围场县御道口牧场一带处于内蒙古高原，新近系岩浆活动强烈，为裂隙式火山喷发，呈多期次喷溢，形成大面积的熔岩被，喷发间断期大于喷发期，形成古剥蚀面，为洞穴水的赋存和分布提供了场所。

基性熔岩，岩浆黏度较低，流溢出地表时，高温高压的挥发分因压力的突然减小和温度的急剧降低而向熔岩流表面汇集，挥发分（水分和气体）在冷凝过程中占据熔岩流表层的大量空间，形成熔岩流的内生气孔带，即熔岩流顶气孔带。当熔岩流流入地表水体时高温高压熔岩流覆盖水体之上，常形成熔岩流底气孔带。喷发间断期，强烈的风化剥蚀作用，形成玄武岩风化壳古剥蚀面。地下水在古剥蚀面长期潜蚀作用，首先将风化的气孔玄武岩、蜂窝状玄武岩的易碎气孔隔膜逐渐掏空形成小孔洞。随着径流通道的形成和逐渐扩大，地下水的冲蚀作用逐渐加强。由于孔洞内底部玄武岩被地下水潜蚀松散和上部玄武岩的崩塌，地下径流产生搬运作用，长期冲蚀—搬运—磨蚀，使得玄武岩小孔洞逐渐扩大形成大型的孔洞，大型孔洞隔壁被地下水径流冲蚀—磨蚀而破坏贯通后，形成地下层状或连通洞穴。随着新构造运动，南部抬升，北部下降，水力坡度增加，加强地下水径流条件，提高侵蚀能力，加速该区玄武岩的次生洞穴规模。

2.3.1.2 岩石地球化学条件

该地区的岩石类型主要为汉诺坝玄武岩、白垩系义县组安山岩、凝灰岩、凝灰质砂岩等，为中酸性火山碎屑岩、中酸性火山熔岩，其主要成分为SiO2、Al2O3、CаO 等。偏硅酸主要由非晶质二氧化硅水解而成，二氧化硅广泛存在于各种岩石和矿物中，它们是石英、铝硅酸盐、黏土矿物等，硅在地壳中的丰度仅次于氧，尤其是在砂岩、酸性火山碎屑岩中的含量最高。

2.3.2 地下水补径排条件

御道口牧场属地貌构造剥蚀高原区，在区域水文地质单元上属于上游补给区，坡度平缓，植被覆盖率高。在调查区东西两侧边界至分水岭，为一小型集水盆地，构成一个相对完整的小滦河水文地质单元，区内地下水总体流向与小滦河流向一致，为北东—南西向。区内南部地下水埋深比较浅，一般小于2 m，东部埋深比较大，一般大于4 m。各层洞穴含水层为独立含水段，补给区和排泄区可能受断裂控制。地下水大部分为非承压，泉水出露广泛，且常年有水，流量最大可达18 L/s。