安徽泾县榔桥镇马渡村饮用天然矿泉水成因及水化学特征研究

陈皓龙,谢 杰,宋武元,陈 军,夏浩然

(安徽省地质矿产勘查局327地质队,安徽 合肥 230011)

0 引言

近年来,随着生活水平的提高,人们对饮用水的要求也越来越高。矿泉水因其含有微量元素、矿物质或其它有益成分,具有一定的保健作用[1],深受广大消费者的喜爱。矿泉水作为地下水资源的特殊类型,其形成受到围岩类型、温度、压力等多种因素影响。一般而言,矿泉水水化学特征可以很好的反映其成因。因此,系统分析矿泉水水化学特征以及其形成过程有利于掌握资源潜力,可以为后续资源开发提供理论依据[2]。

安徽省饮用天然矿泉水资源丰富,现有已勘察矿泉水水源地140处,分布于16个地级市[3],但目前相当一部分水源地的水化学组分及其成因仍不清楚,亟待开展系统研究。本研究选取安徽泾县榔桥镇马渡村饮用天然矿泉水作为研究对象,基于水化学及同位素技术系统评估矿泉水的补给源和形成年代,结合研究区水文地质条件揭示地下水成因模式[4-6]。本研究结果可为马渡村矿泉水资源合理开发利用提供依据。

1 自然地理条件

榔桥镇位于安徽省东南部,隶属于安徽省宣城市泾县。北距泾县县城约32 km,南西与旌德县三溪镇相邻,芜黄高速、205国道等交通干线呈近南北走向纵贯区内,北可达泾县、芜湖市,南可通旌德县、黄山市,交通较为便利。

泾县属北亚热带副热带季风湿润性气候区。气候温和,雨量充沛,光照资源丰富,春、夏、秋、冬四季分明。区内年平均无霜期264 d,历年平均气温16.1℃,多年平均降雨量1 730.1 mm,多年平均蒸发量为1 483.9 mm,多年平均相对湿度80%。

位于泾县南部的榔桥镇,区域地貌类型主要为侵入构造剥蚀丘陵。区域总体地势中间低、两侧高,南东为志留系下统霞乡组泥质粉砂岩构成的低山,最高点为笔架山山顶,标高+696.8 m;中部为榔桥岩体构成的丘陵地貌,标高+130～+477 m;北西侧为二叠系、石炭系及志留系沉积岩构成的低山,最高点高程+714.8 m。

泾县属长江流域,青弋江水系。境内河流皆为雨源型河流,河流水位、流量随降雨的变化而变化。

2 水源地地质与水文地质条件

研究区区域上位于江南古陆北缘与扬子凹陷的交接地带,太平复向斜的次级褶皱—汀王殿-大礼村背斜核部。地层分区属下扬子地层分区,区域分布的地层主要为志留系～三叠系碎屑岩、碳酸盐岩。岩浆岩侵入体分布广泛,代表性岩体为榔桥岩体,岩性主要为花岗闪长岩,岩体年龄范围为135.59±0.65～138.81±0.58 Ma,属于早白垩世早期产物。构造活动亦具多旋回特征,并以北东向构造为主要构造格架。

2.1 水源地地质条件

2.1.1 地层

研究区内主要出露榔桥岩体中粒花岗闪长岩,矿物成分以石英、斜长石、碱性长石、黑云母、角闪石等为主。其中石英15%～20%,粒状,半自形-它形结构;斜长石40%～45%,柱状或板状,自形-半自形结构,少量表面浑浊,风化呈绢云母和粘土矿物,斜消光,见较多的聚片双晶,双晶纹相对较宽,应以中、拉长石为主;碱性长石20%～25%,以正长石为主,长条状或不规则粒状,偶见少量卡斯巴双晶;黑云母3%～5%,叶片状、鳞片状;角闪石3%～5%,短柱状、针状。岩体内见大量包体,以富云母包体为主,显示该岩体具有壳源成份特点。花岗闪长岩中ω(SiO2)=64.63%～67.78%、ω(Al2O3)=13.53%～15.13%、ω(K2O)为3.87%～5.68%,属于高钾钙碱性-钾玄岩系列。岩体206Pb/238U年龄为130～142 Ma,加权平均年龄为(135.6±1.8) Ma,形成于早白垩世早期。

2.1.2 构造

研究区位于扬子陆块东部,江南断裂带南侧,宁国～太平褶断带内,构造变形较为复杂,构造类型以断裂构造为主,断裂走向以北西为主,北东、北北东向一般发育。岩体内发育的北西走向断裂构造的形成与北东向、北北东向主干断裂活动有关,该区域遭受燕山晚期的北北东-南南西向挤压应力导致横切、错移主干断裂带的北西向断层发育,以张扭性的平移断层为主,规模大,延伸远。

以研究区内具有代表性的北西走向F8断层为例,该断裂地表未见出露,经物探视电阻率联合剖面、高密度电法、天然源面波勘探等手段揭露,断裂带发育部位视电阻率联合剖面ρsA曲线与ρsB曲线均表现为明显的低阻正交点异常,同样位置的高密度剖面中深部电阻率呈低阻下凹状异常反映,中深部Vs也呈低速下凹状异常反映。物探结果显示断裂切割深度大,倾角较大,表现出明显的平移断层特征。

2.2 水源地水文地质条件

研究区内主要出露榔桥岩体花岗闪长岩,风化层厚度一般2～15 m,根据地下水的赋存条件和含水介质特征,区内地下水类型主要分为风化带孔隙水、基岩裂隙水和构造裂隙水。

2.2.1 风化带孔隙含水岩组

该岩组一般由风化成砂状的花岗闪长岩及粘土组成,厚度约2～15 m,单井出水量一般为10～20 m3/d。民井水质检测结果显示,地下水中主要阴离子为HCO3-、SO42-及Cl-,主要阳离子为Ca2+、Mg2+、Na+、K+。主要阴离子HCO3-含量36.07～170.5 mg/L,SO42-含量6.61～46.05 mg/L,Cl-含量1.41～57.59 mg/L;主要阳离子Ca2+含量9.63～65.25 mg/L,Mg2+含量1.01～11.58 mg/L,Na+含量4.89～38.04 mg/L,K+含量0.70～9.14 mg/L;溶解性总固体含量46～484 mg/L;pH值6～7;矿化度44.3～358.3 mg/L;水化学类型以HCO3-Ca·Na型为主,其次为HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca型,水质清澈透明、无色、无味、水温15.7℃～20.6℃,肉眼可见物为无异物。

2.2.2 基岩裂隙含水岩组

该含水岩组由花岗闪长岩中发育的节理、裂隙组成,分布范围广,岩体整体上完整性较好,节理、裂隙不发育,局部岩体完整性相对较差,节理、裂隙较发育。调查表明花岗闪长岩中节理性质以剪节理为主,走向北东东或近东西向,节理倾角一般大于60°,节理面平直光滑,延伸稳定,节理缝内一般无填充物。张节理多为北西或北东走向,倾角相对较缓,一般在40°左右,节理缝内填充石英细脉,连通性差,总体含水较弱。水化学类型以HCO3-Ca型为主,水量微弱。

2.2.3 构造裂隙含水岩组

主要由北西走向的断裂组成,经钻孔揭露单井最大涌水量51.36～163.68 m3/d,渗透系数差异较大,为0.03～0.89 m/d。水化学类型为HCO3-Ca及HCO3-Ca·Na型。

研究区地处山间汇水盆地,地下水主要接受大气降雨补给,地下水总体径流方向自东向西,较为发育的北西向构造形成了良好的储水和导水通道,加之区内花岗闪长岩次级构造裂隙和节理较为发育,对降水的入渗、地下水的运移和富集十分有利。排泄方式主要是人工开采和自然蒸发。

3 矿泉水特征

3.1 矿泉水的补给源和形成年代

本研究选取3个典型位置进行钻孔(图1),将孔内样品送至国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心(中国地质科学院水文地质环境地质研究所)分析了稳定同位素(18O和2H)及放射性同位素(3H)(表1)。其中,稳定同位素主要用来判别地下水补给来源,放射性同位素主要用于判别地下水年龄。

表1 钻孔样品同位素检测结果

1.芜湖组第一段;2.安庆组;3.龙潭组下段;4.孤峰组;5.栖霞组;6.梁山组;7.船山组;8.黄龙组;9.老虎洞组;10.高骊山组;11.擂鼓台组;12.观音台组;13.霞乡组;14.唐家坞组;15.中粒花岗闪长岩;16.中粒正长花岗岩;17.花岗闪长斑岩脉;18.正长斑岩脉;19.地质界线;20.正断层;21.逆断层;22.推测断层;23.钻孔;24.研究区

由孔内样品稳定同位素检测结果与中国大气降水线和长江流域大气降水线关系图(图2)可以看出,其同位素组成点均落在全国降水线的附近并略有偏移,说明矿泉水是大气降水入渗循环补给形成的。

图2 钻孔内水样δD、δ18O与全国、长江流域大气降水线关系图

氚(3H)是氢的放射性同位素,半衰期为12.43 a。氚在高空生成后,很快同大气中氧原子化合成含氚水分子(HTO),成为大气水的组成部分,参与自然界的水循环。因此,所有现代循环水都受到了氚的标记,氚是研究现代渗入起源地下水的理想示踪剂。在天然条件下,大气降水的氚浓度平均为10TU左右(北半球)。1953年后,由于大量核爆氚进人大气层,降水中氚浓度的自然平衡已遭破坏,已不是常量。根据3H同位素地下水年龄判定表,研究区矿泉水主要为1960年以前补给的地下水与少量现代水的混合物。

3.2 矿泉水水位动态变化特征

为掌握天然矿泉水资源的动态变化规律,确定其在丰、平、枯水期的动态特征,对施工的钻孔水位、水温按照每月2次～3次进行测量(图3),观测结果表明各个钻孔水温基本恒定,变化范围1℃～2℃;水位与降雨量同步变化,但水位变化对于降水量变化有一定滞后性,一般滞后5～15 d。

(a-ZK02;b-ZK03;c-ZK04)

3.3 矿泉水水质动态变化特征

根据孔内水样枯、平、丰水期的离子全分析测试结果(图4),孔内水主要阴、阳离子的含量基本稳定,变化幅度较小;界限指标中ZK02偏硅酸含量38.8～48.1 mg/L,ZK03偏硅酸含量36.5～55.73 mg/L,ZK04偏硅酸含量44.1～49.0 mg/L,其它感观指标、限量指标、污染指标、微生物指标均符合《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》(GB8537-2018)标准。

综上,泾县榔桥镇马渡村天然饮用矿泉水的水温、水量与水质变化动态稳定,感观指标、界限指标、限量指标、污染指标、微生物指标在枯、平、丰水期样品检测结果均符合《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》(GB8537-2018)标准规定的技术要求,各孔偏硅酸含量始终在30.0 mg/L以上。

4 矿泉水成因分析

根据研究区的水文地质条件及矿泉水的补给源和形成年代,确定了研究区的矿泉水成因类型为断裂深循环型。研究区区域上处于太平复向斜的次级褶皱—汀王殿-大礼村背斜核部,榔桥岩体沿背斜核部呈北东向侵入,岩体内北西向断裂构造较为发育。岩体南东及北西侧主要为志留系地层褶皱形成的低山,查区夹在两山之间,形成丘陵地貌,地下水自东向西径流时沿北西向断裂构造作深循环,在深部运移过程中穿越不同的围岩化学环境,在温度效应、压力效应的影响下,经过长时间的水岩相互作用形成天然矿泉水(图5)。

图5 矿泉水成因模式图

5 结语

(1)泾县榔桥镇马渡村饮用天然矿泉水主要赋存于榔桥岩体花岗闪长岩构造裂隙中,以北西向张性构造破碎带为主要含水层。同位素分析结果表明,矿泉水主要为大气降水入渗循环补给,矿泉水的年龄主要为1960年以前补给的地下水与少量现代水的混合物。岩体南东及北西侧主要为志留系地层褶皱形成的低山,研究区夹在两山之间,形成丘陵地貌,地下水自东向西径流时沿北西向断裂构造作深循环,在深部运移过程中穿越不同的围岩化学环境,在温度效应、压力效应的影响下,经过长时间的水岩相互作用形成天然矿泉水。

(2)通过钻孔动态观测,表明地下水水质、水温、水量动态稳定,偏硅酸含量符合《饮用天然矿泉水》(GB8537-2018)界限指标要求,其它各项限量指标、污染指标、微生物指标均符合标准要求,地下水可定名为重碳酸钙钠型含锶的偏硅酸饮用天然矿泉水。