沂水县富锶地下水特征及成因分析

刘中业

(山东省地质调查院，山东 济南 250013)

0 引言

国家标准《饮用天然矿泉水》(GB8537—2008)中对锶(Sr)的最低限值做出了要求，当水源水温在25℃以上时锶(Sr)最低限值为0.20mg/L，当水源水温低于25℃时锶(Sr)最低限值为0.40mg/L；研究区勘探深度内地下水温度均小于25℃，故锶(Sr)的最低限值取0.40mg/L，文中对锶(Sr)含量大于0.40mg/L的地下水称作“富锶(Sr)地下水”；2016年在沂水县开展的1∶5万区域水文地质工作中，在碎屑岩、灰岩、火山岩、侵入岩、变质岩分布区均发现了富锶(Sr)地下水，含水层类型丰富，初步统计富锶(Sr)地下水分布面积约为800km2。富锶(Sr)地下水作为一种安全、卫生、可恢复性的特殊资源而备受各级政府的高度重视，由于潜在的、巨大的市场需求以及经济效益，矿泉水开发已成为贫困山区脱贫致富的重要途径之一。

目前对于富锶(Sr)地下水的研究主要集中在赋存条件、水质评价、地球化学特征等方面研究[4-12]，主要为非岩溶区，多为单个富锶(Sr)水井成因分析研究，尤其是对于沂水县富锶(Sr)地下水的研究很少；该文利用1∶5万区域水文地质调查取得的丰富水文地质资料，通过对不同含水岩组地下水锶(Sr)富集环境以及锶(Sr)来源进行分析，以期为揭示其形成机理，为当地发展富锶(Sr)地下水产业提供技术支撑。

1 研究区概况

沂水县地处山东省中部、鲁中南山区南部，主要有低山、丘陵、山间平原三大地貌类型，低山分布在沂水县西北部及北部，海拔300～600m；丘陵在西北部及北部、东部地区均有分布，海拔150～300m；沂河干流两岸及其支流的两岸为山间平原，海拔120～150m，地势总体由两侧向沂河山间平原倾斜，倾斜度3°～5°。研究区属于暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季分明，春季干旱多风，夏季湿热多雨，秋季晴朗，冬季寒冷干燥，年平均气温13.6℃，多年(1971—2017年)平均降水量724.90mm，多年平均蒸发量1578.9mm。

研究区横跨沂沭断裂带的西半部分，地层出露较齐全，自太古宇、古生界、中生界、新生界均有出露新太古代沂水岩群岩性主要为变质岩，分布在研究区的东部和北部，岩性以黑云变粒岩、斜长角闪岩、二辉斜长麻粒岩、紫苏角闪黑云变粒岩等为主；新元古界主要以震旦纪佟家庄组砂岩、页岩、钙质页岩为主，分布面积较为局限，主要分布在研究区的中部和西北部；古生代寒武系以海相碳酸盐类与陆源碎屑交互沉积为主，总厚度约660m，主要岩性为灰岩夹页岩、白云岩夹页岩、砂岩，主要出露在西部和南部，出露面积大；奥陶系以海相碳酸盐类沉积为主，岩性主要为灰岩、白云岩，最大厚度约130m，分布面积局限，主要分布在沂沭断裂带中，寒武—奥陶纪灰岩被中生代沂南序列的脉岩、岩床剧烈穿插，岩性主要为辉长岩、闪长岩和玢岩；白垩系主要为一套陆相火山岩、火山碎屑岩—陆相碎屑岩建造，为断陷盆地和火山洼地沉积，主要分布在沂沭断裂带中，岩性以火山角砾岩、火山角砾熔岩为主；新生代第四系主要以坡积、冲积物为主，主要分布在沂河等河流的两侧。

根据研究区地下水的含水介质、赋存条件、水力特征和供水意义，将地下水划分为5个含水岩组(图1)。

(1)松散岩类孔隙水含水岩组,主要分布在沂河两侧及其他河流的河谷地带，第四系厚度小于20m,含水层为第四纪松散砂层、卵砾石层，多为单层，富水性弱，单井涌水量一般小于500m3/d，在研究区南部的沂河沿岸局部为双层或多层，为潜水—微承压水，水量较丰富，单井涌水量1000～3000m3/d。

(2)碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组,主要分布在研究区的中部、西北部和东北部,分布面积较为局限,含水层主要为震旦纪砂岩、页岩、钙质页岩和白垩纪马朗沟组钙质砾岩的风化裂隙，富水性弱，单井涌水量一般小于100m3/d，受构造影响时富水性增强，单井涌水量可大于100m3/d。

按：“投黻”，辞去官职；让出官职。其它用例如《隶释》卷第九《繁阳令碑阴》：“委荣轻举，投黻如遗。”《皿洲文集》卷第六《合景岩咏山居夹道种松》：“投黻归来，发半华苍。”《汉语大词典》收有【释黻】一词，“投黻”与“释黻”为同构同义词。“投黻”一词，《汉语大词典》失收。

(3)碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组,主要分布在研究区的西部、南部，含水层主要为寒武—奥陶纪灰岩的溶隙、溶孔、溶穴和构造裂隙，地表岩溶比较发育，地表岩溶多以溶槽、溶沟为主要存在形式，地下岩溶发育程度差异性较大，多以溶孔、溶穴、大小溶洞、大小不等的溶隙为主要存在形式，总体上富水性弱，单井涌水量小于500m3/d，在单斜构造前缘，由于阻水地层、构造等因素的影响可形成富水地段，单井涌水量大于3000m3/d。

(4)块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组,主要分布在研究区的东部和北部，含水层为太古代变质岩、侵入岩的风化裂隙，在研究区的东南部受到韧性剪切带的影响，裂隙发育，富水性较好，单井涌水量一般大于100m3/d，其他区域富水性弱，单井涌水量小于100m3/d。

(5)喷出岩孔洞裂隙水含水岩组，主要分布在沂沭断裂带中，含水层主要为白垩纪火山岩的风化裂隙，富水性弱，单井涌水量小于100m3/d。

研究区岩浆活动强烈，岩浆岩发育，以侵入岩为主；自太古代至中生代，从超基性至酸性均有出露，尤以新太古代—古元古代最为强烈，就其成因而论，既有岩浆侵入型，亦有变质交代型，新太古代晚期至古元古代侵入岩明显受NNE向构造岩浆带控制，而中生代侵入岩则受沂沭断裂带活动的影响，前者以各种类型的花岗岩为主；后者则以规模较小的中酸性岩株、岩床及岩脉为主，脉岩发育。

由于研究区内地质构造活动频繁，断裂发育，沂沭断裂带的4条主干断裂中的2条主干断裂鄌郚-葛沟断裂、沂水-汤头断裂从研究区穿过，主干断裂的次级断裂发育，沂沭断裂的长期活动，形成了复杂的断裂构造，伴随沂沭断裂带的活动，区内盖层中还发生了三期褶皱和NNE，NEE，NW，NWW及EW方向的脆性断裂，使区内构造格局异常复杂。

1—松散岩类孔隙水含水岩组；2—碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组；3—碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组；4—块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组；5—喷出岩孔洞裂隙水含水岩组；6—研究区范围；7—鄌郚-葛沟断裂；8—沂水-汤头断裂；9—富锶(Sr)地下水分布范围；10—锶(Sr)(≥1.0mg/L)采样点；11—锶(Sr)(0.4～1.0mg/L)采样点；12—锶(Sr)(≤0.4mg/L)采样点图1 研究区水文地质图及富锶地下水分布图

2 研究方法

2.1 岩石样品测试数据

研究区内岩石的锶(Sr)含量测试数据均引自通过评审的1∶5万、1∶25万区域地质调查报告。

2.2 水样采集与测试

2016年9—10月，在1∶5万沂水县幅、高桥幅、韩旺幅区域水文地质调查工作中，针对区内不同含水岩组开展了地下水样品采集工作，其中在碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组、碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组、块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组、喷出岩孔洞裂隙水含水岩组中共采集地下水样品221组。由山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院)实验室完成测试分析，地下水中锶(Sr)含量测试采用火焰发射光谱法。

3 地下水中锶(Sr)的赋存特征及成因分析

3.1 岩石中的锶(Sr)含量特征

根据收集的资料①中国地质大学(北京)区域地质调查研究所，中华人民共和国区域地质调查报告(马站、圈里、高桥幅)，1997年。②山东省地质调查院，山东省1∶25万临沂市幅(I50C001003)区域地质调查报告，2007年。③山东省地质调查院，山东省1∶25万日照市幅(I50C001004)区域地质调查报告，2002年。，研究区及邻区的岩石样品测试数据较为丰富；分别对研究区及邻区采集的寒武纪岩石样品测试数据、中生代沂南序列脉岩、岩床岩石样品测试数据、火山岩岩石样品测试数据、太古代沂水岩群变质岩、侵入岩岩石样品测试数据进行了统计分析(表1)，结果表明，中生代脉岩、岩床岩石的锶(Sr)平均含量最高，其次为白垩纪火山岩，太古代沂水岩群变质岩、侵入岩岩石次之，寒武纪碳酸盐岩的锶(Sr)平均含量最低；中生代脉岩、岩床、白垩纪火山岩、太古代沂水岩群变质岩、侵入岩的锶(Sr)平均含量均高于地球平均丰度375×10-6[13]，寒武纪碳酸盐岩的锶(Sr)平均含量低于地球平均丰度。

表1 不同岩石的锶(Sr)统计特征

3.2 地下水中主要水化学指标及锶(Sr)赋存特征

该次工作在碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组中采集了19组地下水样品，取样深度多为20～30m，含水层多为震旦纪砂岩、钙质页岩等的风化裂隙，78.95%的水样锶(Sr)含量大于等于0.40mg/L，锶(Sr)平均含量为0.99mg/L，地下水水化学类型主要为HCO3·Ca-Mg型和HCO3-SO4·Ca-Mg型；在碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组中采集了92组地下水样品，取样井深度20～200m，大多数取样井位于断裂附近，含水层多为构造破碎带，部分取样井钻遇白垩纪沂南序列脉岩、岩床， 66.30%的水样锶(Sr)含量大于等于0.40mg/L，锶(Sr)平均含量为0.76mg/L，地下水水化学类型主要为 HCO3·Ca-Mg型和HCO3-SO4·Ca-Mg型；在块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组中采集地下水样品93组，采样机井深度多在20m左右，含水层主要为太古界变质岩、侵入岩的风化裂隙，58.95%的水样锶(Sr)含量大于等于0.40mg/L，锶(Sr)平均含量为0.48mg/L，地下水水化学类型主要为HCO3·Ca-Mg型和HCO3-SO4·Ca-Mg型；在喷出岩孔洞裂隙水含水岩组中采集了17组地下水样品，含水层多为火山岩的风化裂隙、构造裂隙，取样深度约20m，全部水样的锶(Sr)含量均大于0.40mg/L，锶(Sr)平均含量为0.95mg/L，地下水水化学类型主要为 HCO3-SO4·Ca-Mg型；对各个含水岩组的主要水化学指标进行了特征统计分析(表2)。

表2 地下水中主要指标及锶(Sr)统计特征

3.3 地下水中锶(Sr)成因分析

利用SPSS13统计软件，对不同含水岩组中的锶(Sr)与主要水化学指标进行Hierarchical聚类分析[14]。聚类分析结果表明，碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组、块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组、喷出岩孔洞裂隙水含水岩组地下水水样聚类结果集中，可以归为一类，地下水中锶(Sr)的来源单一；对锶(Sr)与主要地下水水化学指标进行了相关性统计(表3)，并对其成因进行了分析；碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组中的地下水水样聚类结果较为分散，说明地下水中的锶(Sr)来源较为复杂，按照锶(Sr)含量进行分类，然后再进行Hierarchical聚类分析，结果表明，锶(Sr)大于等于0.40mg/L的61件地下水水样聚类结果较为集中，将其归为一类，锶(Sr)小于0.40mg/L的31件地下水水样聚类结果较为分散，归类困难，仅对锶(Sr)大于0.40mg/L的水样进行相关性统计，并对其成因进行分析。

表3 地下水中锶(Sr)与其他水化学指标Spearman相关性统计系数

*相关性在 0.05水平上显著(双尾)；**相关性在 0.01 水平上显著(双尾)。

1—块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组取样点及拟合曲线;2—喷出岩孔洞裂隙水含水岩组取样点及拟合曲线图3 不同含水岩组的Mg-Sr关系图

1—块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组取样点及拟合曲线;2—喷出岩孔洞裂隙水含水岩组取样点及拟合曲线图4 不同含水岩组的Ca-Sr关系图

1—块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组取样点及拟合曲线;2—碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组取样点及拟合曲线图5 不同含水岩组的Na-Sr关系图

碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组地下水中锶(Sr)含量与TDS、Ca2+、Cl-成显著负相关(图6)，与随着地下水的运移，地下水中的组分逐渐富集，与“高矿化度高锶”的认识相悖，原因与揭露的含水层类型有关。当采样点的主要含水层为沂南序列脉岩、岩床构造破碎带时，水质测试成果明显具有“高锶低矿化度”的特征；而当采样点附近脉岩、岩床不发育，主要含水层为灰岩溶蚀裂隙时，水质测试成果明显具有“低锶高矿化度”的特征。由于锶(Sr)含量丰富的沂南序列脉岩、岩床在碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组中十分发育，当主要含水层为沂南序列脉岩、岩床构造破碎带时，构造破碎带裂隙发育，地下水交替迅速，有利于构造破碎带中的锶(Sr)溶出，渗流进入地下水，脉岩、岩床为非可溶岩，脉岩、岩床中矿物的溶解度较小，地下水的矿化度较低，从而使地下水具有“高锶低矿化度”的特点；当采样点附近脉岩、岩床不发育、主要含水层为灰岩的溶蚀裂隙时，由于围岩灰岩中的锶(Sr)含量较低，锶(Sr)随着地下水渗流进入含水层的浓度较低，同时灰岩分布区的地势起伏较大，地下水位埋深大，地下水交替迅速，加之阻水的页岩等地层的影响，地下水的径流途径较短，蒸发浓缩和离子交换作用不明显，不利于锶(Sr)富集，灰岩为可溶岩，灰岩中的矿物溶解度较大，矿化度相对于非可溶岩大，从而使地下水具有“低锶高矿化度”的特点；当取样点的含水层分别包括灰岩的溶蚀裂隙和脉岩、岩床的构造裂隙时，赋存在灰岩溶蚀裂隙和脉岩、岩床构造裂隙中的地下水在井中进行了混合，为“混合水”，赋存在灰岩裂隙中的锶(Sr)含量较低的地下水对赋存在脉岩、岩床构造裂隙的锶(Sr)含量较高的地下水中起到了一定的“稀释”作用，由于混合比例的不同，使混合后的地下水水化学特征变得异常复杂，从而使锶(Sr)表现为强变异性；当部分取样点附近出露沂南序列的脉岩、岩床时，大气降水顺着脉岩、岩床的风化裂隙进入灰岩含水层，也使赋存在灰岩含水层中的地下水具有了前述的“混合水”的特征。碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组富锶(Sr)地下水中的锶(Sr)主要来源于沂南序列的构造破碎带和风化带的风化溶解，其次为灰岩等围岩的溶解；碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组分布区土壤中锶(Sr)[19-21]和灰岩、页岩中的锶(Sr)含量均低但地下水富锶(Sr)的原因也得到了较为合理的解释。

1—碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组取样点TDS-Sr拟合曲线;2—碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组取样点Ca-Sr拟合曲线图6 碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组TDS、Ca-Sr关系图

碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组、喷出岩孔洞裂隙水含水岩组的地下水取样点在Piper三线图上总体分布比较集中(图7～图8)，表现为补给区和径流区的特征，径流途径较短，块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组的地下水取样点在Piper三线图上规律性较好(图9)，取样点在补给区、径流区、排泄区均有分布；锶(Sr)含量总体上均符合从补给区到排泄区逐渐升高的特征，随着地下水运移距离的增加，地下水中的锶(Sr)逐渐富集，形成富锶(Sr)地下水。这也与相关性统计结论相符，说明碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组、块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组、喷出岩孔洞裂隙水含水岩组地下水中的锶(Sr)主要来源于地下水所处围岩的风化溶解。

图7 碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组水样三线图

图8 喷出岩孔洞裂隙水含水岩组水样三线图

图9 块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组水样三线图

碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组富锶(Sr)地下水取样点在Piper三线图上总体分布比较集中(图10)，表现为补给区和径流区的特征，径流途径较短，蒸发浓缩作用和离子交换作用较弱；锶(Sr)含量随着地下水运移距离增加而升高的趋势不明显，说明地下水中的锶(Sr)来源较为复杂；地下水中的锶(Sr)可能来源于不同种类的含水层，存在地下水的混合作用，这也与相关性统计的结论相符。

图10 碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组(锶含量大于等于0.40mg/L)三线图

4 结论

(1)沂水县地层岩石中的锶(Sr)含量较为丰富，不同岩石中的锶(Sr)含量差异较大，白垩纪沂南序列侵入岩锶(Sr)含量最高，平均含量1013.64×10-6，其次为白垩纪火山岩，锶(Sr)平均含量为739.18×10-6，太古代侵入岩、变质岩中的锶(Sr)平均含量为398.99×10-6，寒武—奥陶纪灰岩、页岩中的锶(Sr)平均含量为201.54×10-6。

(2)沂水县富锶(Sr)地下水分布广泛，不同含水岩组地下水中的锶(Sr)含量差异较大，碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组最高，地下水锶(Sr)平均含量为0.99mg/L，喷出岩孔洞裂隙水含水岩组次之，地下水锶(Sr)平均为0.95mg/L，碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组地下水中的锶(Sr)平均含量为0.76mg/L14，块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组地下水中锶(Sr)的平均含量为0.48mg/L。

(3)不同含水岩组地下水中锶(Sr)的来源存在差异；碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组、喷出岩孔洞裂隙水含水岩组、块状岩类(侵入岩)裂隙水含水岩组地下水中锶(Sr)主要来源为围岩的风化溶解；碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组富锶(Sr)地下水中锶(Sr)主要来源于沂南序列脉岩、岩床的构造破碎带和风化带的风化溶解，其次为寒武—奥陶纪灰岩的风化溶解，锶(Sr)强变异性与不同含水层地下水的混合比例有关。

(4)锶(Sr)含量丰富的中生代白垩纪沂南序列侵入岩、太古界侵入岩、变质岩、白垩系火山岩岩石给富锶(Sr)地下水的形成提供了充足物质来源，低的降水入渗系数、面状补给、分散渗流为富锶(Sr)地下水的形成提供了良好的水文地质基础；可以为在脉岩发育的寒武—奥陶纪灰岩分布区、火山岩分布区、太古界沂水岩群变质岩、侵入岩分布区等区域寻找富锶(Sr)地下水提供参考，具有借鉴意义。