湖北省饮用天然矿泉水成因类型及成矿模式分析

牛俊强, 文美霞, 郭 昆, 周 宁, 叶腾升, 苏 呈

(1.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020)

湖北省饮用天然矿泉水资源较丰富,经国家或省矿泉水技术评审组鉴定的矿泉水水源地共75处,其中大型水源地6处、中型水源地30处,其余为小型水源地。按《饮用天然矿泉水》(GB8537—2008)[1],重新评价矿泉水资源,符合饮用天然矿泉水水质要求的矿泉水有70处。

矿泉水资源的出露呈两种形式:一种为天然出露的泉水,主要分布于鄂东北大别山、鄂东南、鄂西、鄂中大洪山等丘陵山区;一种为人工或钻探揭露的,主要分布于江汉盆地和南襄盆地岗状平原及平原区。

1 饮用天然矿泉水类型

按《饮用天然矿泉水》(GB8537—2008)中界限指标的达标情况将省内矿泉水分为五种类型,即含锶型、含偏硅酸型、含锶—偏硅酸复合型、含硒型、含硒—锶复合型。

含锶型矿泉水19处,分布于鄂东南、大洪山、鄂西南等地,矿泉水主要产于海相碳酸盐岩建造地层中,并以石炭系—二叠系、三叠系为主。

含偏硅酸型矿泉水17处,分布于大别山、鄂东南、神农架等地。除3处赋存于新近系碎屑岩中、1处赋存于第四系砂、砂卵石地层中,其余皆分布于以含硅酸岩成分为主的花岗岩、变质岩类区。

含锶—偏硅酸复合型矿泉水30处,主要分布于江汉盆地、南襄盆地,其他地区零星分布。一部分赋存于下古生代地层,生成与分布主要受断裂构造的控制,属深循环的地下水;一部分赋存于新近系—第四系下更新统和中上更新统的半松散或松散的碎屑岩含水层中,为长期溶滤作用下形成的。

含硒—锶复合型矿泉水2处,分布于建始、恩施。矿泉水含水层为二叠系、三叠系碳酸盐岩。

含硒型矿泉水2处,分布于襄阳、恩施。矿泉水含水层为二叠系、三叠系碳酸盐岩。

2 饮用天然矿泉水成因类型

省内矿泉水主要受地质构造条件、地球化学条件及地下水水动力条件等因素的控制,特别是取决于这些因素相互间的配置,据此划分为三种成因类型。

2.1 断裂深循环型[2]

系指以温泉或地热流体为特征的各类矿泉水。它的形成是地下水通过断裂导水构造作深循环,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矿泉水(图1)。

该类矿泉水有10处,矿泉水含水层为三叠系碳酸盐岩裂隙岩溶含水层、震旦系—奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶含水层。

图1 钟祥市长寿矿泉水形成条件示意图Fig.1 Diagram of formation conditions of Changshou mineral water in Zhongxiang City

1.地层代号;2.灰岩;3.白云岩;4.砂砾岩;5.砂岩;6.页岩;7.断层;8.大气降水;9.地下水运动方向;10.矿泉水。

图2 通山县九宫山矿泉水形成条件示意图Fig.2 Diagram of formation conditions of Jiugongshan mineral water in Tongshan County1.第四系;2.奥陶系;3.花岗岩;4.花岗细晶岩脉;5.石英脉;6.断层及编号;7.构造裂隙密集带;8.风化层下限;9.地下水水位线;10.地下水出露点;11.地下水流方向。

矿泉水类型主要为含锶—偏硅酸复合型,少量含偏硅酸型、含锶型。含锶量一般为0.23～0.92 mg/L,偏硅酸含量一般为30.01～54.91 mg/L,其总的变化规律,含水层为三叠系的锶含量高于震旦系—奥陶系的锶含量,此外,其含量的高低还与水温有关,一般高温者含量高,低温者则低,特别是偏硅酸含量表现更为明显。矿泉水中各种微量元素比较齐全,且含氟量高于其它成因类型的矿泉水。水化学类型主要为重碳酸钙镁型,个别为重碳酸氯化物钙镁型、重碳酸硫酸钙镁型。

矿泉水的形成与地下水的远源循环效应、温度及压力效应,以及围岩化学环境密切相关[3]。

远源循环效应:从部分温泉水中的氢同位素氚的测试值来看,一般在3～8 TU,低者<1 TU,可视为无氚水。从大气降水入渗径流至泉水泄溢,循环周期已逾30年,反映了它们径流途径比较长,并在远源渗流循环过程中赢得了水对围岩作用的时间,致使围岩中一些矿物成分或元素被充分溶滤,取得了水岩之间的化学动态平衡而形成矿泉水。

温度及压力效应:地下水在深循环过程中不断地与岩温进行水热平衡交换,形成了较高温度的地热流体,较高的温度使得围岩中一些矿物的溶解度增大,促进了地下水对围岩的溶解。从省内不同温度分级的地热流体水化学特征中看出:在23～40 ℃的热矿泉水中,地热流体多为低矿化重碳酸盐型水或重碳酸硫酸盐型淡水;水温>40 ℃者,由重碳酸硫酸盐型向硫酸盐型过渡,矿化度也随之增高。从上述规律可看出,随着温度的增高,水中溶质组分相应地增加。在同一溶质和相同溶剂的情况下,溶解度除受温度制约外,还与压力有关。如华严寺矿泉水循环深度为2 603 m,其所承受的压力,无疑会增强地下水对围岩某些矿物成分的溶解,并有利于矿泉水的形成。

围岩化学环境:地下水在深循环过程中穿越不同岩性的地层或不同的地球化学环境,对形成矿泉水的物质来源有利。此外,在一些断裂带常见有硅化、黄铁矿化等矿物伴随,致使水中硫酸根离子、含氟量增高。这种相关性,不同程度地反映了围岩化学成分,对矿泉水的形成有明显的影响。

2.2 裂隙浅循环型

多以泉形式出露,主要分布于山区沟谷两侧,山区大气降水入渗形成基岩裂隙水或岩溶裂隙水,在沿裂隙或岩溶向下径流过程中,淋溶流经地层中含量较高的特征元素或组分,并不断富集,在以泉水形式出露时,特征元素含量已达标,形成矿泉水(图2)。

该类矿泉水有40处。矿泉水含水层主要为白垩系—古近系砂砾岩裂隙含水层,石炭系—三叠系碳酸盐岩裂隙岩溶含水层,花岗岩、变质岩、玄武岩裂隙含水层等。

矿泉水类型与矿泉水含水层岩性关系密切,碎屑岩裂隙含水层为含锶—偏硅酸复合型,锶含量一般为0.31～0.78 mg/L,偏硅酸含量为31.2～65.1 mg/L,水化学类型重碳酸钙(镁)型;碳酸盐岩裂隙岩溶含水层以含锶型为主,恩施地区见含硒型、含锶—硒复合型,锶含量一般为0.32～0.90 mg/L,硒含量一般为0.012～0.048 mg/L,水化学类型多为重碳酸钙(镁)型;花岗岩、变质岩裂隙含水层为含偏硅酸型,偏硅酸含量为31.9～59.07 mg/L,水化学类型为重碳酸钙(镁)型、重碳酸钙钠型;玄武岩裂隙含水层为含锶—偏硅酸复合型,锶含量为1.20～2.83 mg/L,偏硅酸含量为56.58～91.44 mg/L,水化学类型多为重碳酸钙镁型。

图3 洪湖市瞿家湾矿泉水形成条件示意图Fig.3 Diagram of formation conditions of Qujiawan mineral water in Honghu City1.淤泥;2.粘土;3.含砾粘土;4.粉质粘土;5.粉土;6.含泥质砂;7.砂(岩);8.砂砾石(岩);9.地下水位;10.钻孔编号/单井涌水量(降深);11.地层界线及代号。

矿泉水的形成主要由围岩化学成分所决定,反映在矿泉水特征性指标上与围岩的化学成分及其丰度有着明显的相关性。

硒在地壳岩石圈中含量较低,多呈分散状态,平均丰度为0.05×10-6,据有关资料,恩施地区二叠系部分层段中含硒丰度77×10-6～423×10-6,远远高于地壳含硒平均丰度的1 540～8 460倍,有的地段可达2 892×10-6,富集成硒矿床,这种高硒地球化学背景对酿成含硒矿泉水提供了物质基础,恩施地区含硒型矿泉水即在此环境下形成。

还有相当多的一部分矿泉水产出的地球化学背景值不像前者那么高,但矿泉水特征成分仍为围岩所赋含,如分布于二叠系—三叠系、震旦系—寒武系碳酸盐岩岩类区的含锶型矿泉水。区域地质资料显示:崇阳—阳新一带寒武系中锶的含量为1 000×10-6～3 000×10-6;黄梅和蒲圻一带二叠系中锶的含量低者200×10-6～713×10-6,高者1 000×10-6～3 000×10-6,有的地段高达5 000×10-6:鄂城—黄石一带三叠系中锶的含量低者200×10-6～500×10-6,高者1 000×10-6～5 000×10-6,局部地段富集成天青石矿。从上述地层或岩段可以看出,含锶量高者,浓度均大于克拉克值(375×10-6),有的成倍,甚至十余倍地高于地壳锶含量的平均丰度,这种异常的地球化学特征构成含锶矿泉水形成的物质基础。

上述实例说明矿泉水的形成与围岩化学成分的密切关系。除围岩介质条件外,地质构造和水文地质条件的相互配置背景,对矿泉水的形成也起着一定作用。

2.3 层间缓慢径流型

系指地下水受地层构造和地形地貌等环境因素的控制,径流滞缓,在长时间的渗流过程中赢得了对围岩充分作用的时间,使某些元素组分含量达到了矿泉水标准,称之为缓慢径流型。因该矿泉水含水层上下,普遍有相对隔水层,地下水受层间控制以水平渗流运动为主,故在命名上贯以“层间”二字,称作层间缓慢径流型(图3)。

该类矿泉水有20处,矿泉水皆为人工揭露。矿泉水含水层为新近系—第四系下更新统裂隙孔隙含水层和第四系中上更新统孔隙承压含水层。

新近系—第四系下更新统裂隙孔隙含水层中矿泉水15处,主要为含锶—偏硅酸复合型,少量含偏硅酸型,锶含量一般为0.31～0.89 mg/L,偏硅酸含量为28.72～78.31 mg/L。水化学类型大多为重碳酸钙(镁)型,矿泉水特征性指标锶、偏硅酸含量总的变化规律,锶的含量在盆地西部高于东部,而偏硅酸含量盆地东部又高于西部;第四系中上更新统孔隙承压含水层中矿泉水5处,主要为含锶—偏硅酸复合型和含偏硅酸型,锶含量为0.36～0.53 mg/L,偏硅酸含量为35.6～51.85 mg/L,水化学类型多为重碳酸钙(镁)型。两者的主要差异是:含铁量后者高于前者。前者含铁量一般为0.00～0.79 mg/L,后者含铁量一般为2.18～4.40 mg/L。

矿泉水的形成主要受含水层水动力条件和含水层地质结构因素控制[3]。

水动力条件:新近系裂隙孔隙承压水在盆地岗地地区水力坡度为1/10 000～3/10 000,在平原区为0.7/10 000～1/10 000;中、上更新统孔隙承压水水力坡度一般为1/7 000～1/10 000,含水岩组渗透系数一般为8～16 m/d,二者之间的结合造成地下水径流速度缓慢。部分矿泉水氚同位素测试结果显示,新近系裂隙孔隙承压水从大气降水入渗循环到矿泉水的形成至少有25年以上或更早的同位素年龄,由此可见,该矿泉水的形成是地下水与围岩长期相互作用的结果。

含水层地质结构:新近系—第四系下更新统和中、上更新统含水岩组为一套粗粒相碎屑岩类,地下水在这种多孔介质中渗流或浸泡,与围岩作用面加大,有利于水对围岩的溶滤、吸附作用,加上围岩介质物质组分复杂,提供了矿泉水的物质成分来源。此外,各含水岩组上覆的粘土岩和粘土起着良好的隔水屏障作用。

3 成矿模式

在成因类型分析的基础上,将省内矿泉水划分为6种成矿模式(表1)。

断裂深循环型:根据其形成的构造条件、水动力条件分为背斜式和向斜式两种成矿模式。背斜式多分布于背斜近核部或被断层破坏的一翼,大气降水远源补给,往往跨多个褶皱,沿岩层倾向或沿褶皱倾伏方向向下渗流,顺深大断裂破碎带运移,径流时间长达十几年或几十年;向斜式分布于向斜一翼、核部或单斜构造深埋区,大气降水补给区一般位于向斜的一翼,沿岩层倾向向下渗流,经向斜核部流向另一翼,或在核部附近转向沿轴向运移,径流时间、径流循环深度均较背斜式小。

裂隙浅循环型:根据围岩地球化学背景分为矿化围岩式和一般围岩式两种成矿模式。矿化围岩式矿泉水多分布于特定组分形成的矿床周边(如菱锶矿)或地球化学背景值异常高(如恩施地区硒背景值异常高)的区域;一般围岩式矿泉水分布的围岩中赋含特定的化学组分,但不像矿化围岩式那么高。

层间缓慢径流型:主要根据地层结构分为裂隙孔隙式和孔隙式两种成矿模式。裂隙孔隙式矿泉水主要赋存于新近系—第四系下更新统半固结碎屑岩的裂隙、孔隙中;孔隙式矿泉水主要赋存于第四系中上更新统砂、砂砾石层的孔隙中。

表1 饮用天然矿泉水成矿模式表Table 1 Mineralization model table of natural mineral water

4 结语

饮用天然矿泉水是地下水的一种特殊造化,是特定地质环境下的产物,含有丰富的对人体有益的矿物组分,是人体理想的矿物质补充来源。湖北省内饮用天然矿泉水资源较为丰富,具有良好的经济价值和开发前景,但在饮用天然矿泉水开发利用过程中,应加强对资源的保护。