湖北省偏硅酸型矿泉水水文地球化学特征及成因分析

翟振飞,谭光超,李智民,石长柏,王万里

(1.湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020; 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室,湖北 荆州 434020)

偏硅酸型(含偏硅酸—锶复合型)矿泉水是常见的饮用天然矿泉水类型之一,深受矿泉水市场青睐,消费需求量逐渐攀升。国内学者对偏硅酸型矿泉水的研究较多,除了对单点偏硅酸型矿泉水水质特征和成因模式的研究[1-3],还注重对区域偏硅酸型矿泉水成矿规律的总结[4-6]。湖北省饮用天然矿泉水资源较丰富,截至2022年,全省共发现饮用天然矿泉水83处,其中偏硅酸型矿泉水有53处(含偏硅酸—锶复合型29处)。牛俊强等[7]将湖北省饮用天然矿泉水划分为锶型、偏硅酸型、锶—偏硅酸复合型、硒型、硒—锶复合型等5种类型,总结提出断裂深循环型、裂隙浅循环型、层间缓慢径流型等3种成因类型。文美霞等[8]将湖北省饮用天然矿泉水划分为构造断裂型含锶—偏硅酸矿泉水区、基岩裂隙型含锶—硒—偏硅酸矿泉水区、沉积盆地型含锶—偏硅酸矿泉水区等三大矿泉水分区。上述研究极大地提升了湖北省饮用天然矿泉水的研究程度,为快速选择水源地提供了重要依据,然而对偏硅酸型矿泉水的专门研究几乎没有,限制了该类型矿泉水的成因认识。本文在系统收集湖北省偏硅酸型矿泉水地质资料和水质分析数据的基础上,开展水文地球化学特征和成因研究,助力偏硅酸型矿泉水勘查评价与开发。

1 研究区概况

1.1 自然地理

湖北省处于中国地势第二阶梯与第三阶梯的过渡地带,地貌类型多样,山地、丘陵、岗地、平原皆有。具亚热带季风气候,全省年均气温为15～17℃,夏季平均降雨量为300～700 mm,冬季平均降雨量为30～190 mm。6月中旬—7月为梅雨期,降雨最多,强度最大。湖北省河湖水系发育,属于长江流域,水资源较丰富。

1.2 地质背景

湖北省大地构造位置主要跨2个二级构造单元,北部为南秦岭—大别中生代造山带,南部大部分为扬子陆块[9],除缺失上志留统上部与下泥盆统下部外,元古界—新生界其余地层均有不同程度出露,且发育良好、层序较完整。南秦岭—大别中生代造山带主要分布变质岩、岩浆岩,扬子陆块主要分布沉积岩。不同的地层岩性控制着矿泉水的物质成分,SiO2含量较高的岩浆岩、碎屑岩为偏硅酸型矿泉水的形成提供了物质基础和水文地球化学环境[10]。

湖北省发育NW、EW、NNE、NE、NNW等5组断裂体系,控制了不同时代地层的发育、构造形变、岩浆喷出或侵入活动,改变了岩石地层物性,改善了水溶性SiO2的迁移富集条件。

湖北省地下水类型发育齐全,松散岩类孔隙水、碎屑岩裂隙孔隙水、碳酸盐岩岩溶水、变质岩裂隙水、岩浆岩裂隙水等均有分布(图1)。降水丰富,地形起伏多变,岩性齐全,构造发育齐全,发育出众多类型的地下水系统,为矿泉水的形成提供了丰富的流体来源。

1.3 偏硅酸型矿泉水分布规律

1.3.1地层岩性控制

湖北省偏硅酸型矿泉水分布于鄂西北、鄂东北、江汉平原、鄂东的药姑山和大幕山等地,主要赋存于震旦系—奥陶系碳酸盐岩、古近系—第四系碎屑岩、前震旦系变质岩地层和部分岩浆岩中。53处偏硅酸型矿泉水中,9处赋存于震旦系—奥陶系白云岩、灰岩中,如宜城华严寺矿泉水(W30);1处赋存于志留系砂岩破碎带中,即武汉清泉矿泉水(W16);1处赋存于三叠系灰岩中,即黄石啤酒厂矿泉水(W51);1处赋存于侏罗系砂岩中,即秭归高峡矿泉水(W32);26处赋存于古近系、新近系和第四系砂砾岩中,如枝江顾家店矿泉水(W36);2处赋存于古近系砂岩夹玄武岩中,如荆州跑马泉矿泉水(W37);1处赋存于新近系泥灰岩和三叠系中砂岩中,即荆门十里牌矿泉水(W34);3处赋存于前震旦系变质岩地层中,如英山三门河矿泉水(W20)赋存于大别群铁冶组。其他9处赋存于岩浆岩中,包括玄武岩中3处,如安陆碧山矿泉水(W44);石英闪长岩中1处,即大冶天台矿泉水(W52);花岗岩中4处,如通山九宫山矿泉水(W24);流纹岩和安山岩中1处,即鄂州金鸡坡矿泉水(W17)。

1.3.2断裂构造控制

断裂改善了岩体物性,对地下水赋存和运移、岩体风化和水岩作用、有益元素富集等均有积极作用[11]。矿泉水多与断裂构造匹配产出,沿断裂带呈串珠或带状分布,特别是一些活动断裂带。湖北省偏硅酸型矿泉水中受深大断裂影响的有9处,其中青峰断裂带有5处,包括房县凤凰山(W25)、龙王山(W26)、小汤池(W27),谷城薤山(W28),保康汤池峡(W2)等矿泉水;荆门断裂带有1处,即荆门十里牌矿泉水(W34);大洪山逆掩断裂带有1处,即宜城华严寺(W30);客店—龙炮寨断裂带有1处,即钟祥长寿矿泉水(W31);阳日—九道断裂带有1处,即神农架阳日矿泉水(W1)。此外,受小型断裂控制有18处,如英山三门河矿泉水(W20)等。

1.3.3岩浆岩控制

单一偏硅酸型矿泉水多分布在岩浆岩区,尤其是燕山期花岗岩区,如黄梅紫云山矿泉水(W22)赋存于燕山期龙坪岩体的花岗岩中,鄂州金鸡坡矿泉水(W17)赋存于流纹岩和英安岩中,武穴绿林矿泉水(W21)出露于燕山期梅川杂岩体近中心的二长花岗岩中,通城杨源矿泉水(W23)赋存在受断裂改造的燕山早期花岗岩脉中,通山九宫山矿泉水(W24)出露于燕山早期花岗岩体过渡相的中—细粒黑云母花岗岩中,大冶天台矿泉水(W52)出露于燕山期灵乡杂岩体黑云角闪石英闪长岩中。此外,还有3处位于玄武岩中,如安陆碧山(W44)、金泉(W45)、加力太白(W46)等矿泉水。

2 材料和方法

2.1 材料

本次收集了偏硅酸型矿泉水水质检测报告41份,相关数据(常规指标为一期检测结果,H2SiO3和Sr含量为多期检测结果)列于表1,其中16份检测报告属单一偏硅酸型矿泉水(表中W1-W24),25份检测报告属偏硅酸—锶复合型矿泉水(表中W25-W53)。这些检测报告时间跨度较长,有关评价标准和规范已发生变化,本次研究均参照最新标准[12-13]。

2.2 方法

利用Origin2022编制矿泉水Durov图、Schoeller图,研究偏硅酸型矿泉水水化学特征。利用H-O同位素关系图、主要离子相关矩阵图、Gibbs图、离子比例图,研究偏硅酸型矿泉水水文地球化学特征,并进一步讨论其成因类型。

3 矿泉水水化学特征

3.1 基本特征

由表1和图2可以看出,湖北省偏硅酸型矿泉水的pH为6.5～8.32,为中性—弱碱水;溶解性总固体(TDS)含量为45.07～638.45 mg/L,平均为364.54 mg/L,皆为淡水;总硬度(以CaCO3计)为3.04～488.8 mg/L,平均为234.80 mg/L,从极软水到极硬水皆有,以微硬水为主;水温为17～42℃,属冷水—热水,其中神农架阳日(W1)、保康汤池峡(W2)、钟祥长寿(W31)、崇阳浪口(W53)等4处矿泉水的水温>36℃,属于温矿(泉)水。

图2 偏硅酸型矿泉水Durov图

偏硅酸型矿泉水的阳离子以Ca2+为主,含量为0.811～147.10 mg/L,平均为61.74 mg/L;Na+次之,含量为1.6～106.00 mg/L,平均为25.63 mg/L;Mg2+含量为0.246～37.1 mg/L,平均为19.56 mg/L;K+含量较低,为0.5～5.34 mg/L,平均为1.84 mg/L。Ca2+相对含量为11.01%～86.79%,平均为53.86%;Na+相对含量为1.36%～71.94%,平均为26.77%;Mg2+相对含量为3.34%～30.46%,平均为16.94%。

图3 偏硅酸型矿泉水Schoeller图

3.2 水化学类型

矿泉水中摩尔分数>25%的阴阳离子参与水化学类型命名[12],结合水化学检测结果,可将湖北省偏硅酸型矿泉水水化学类型分为HCO3-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、SO4·HCO3-Ca、SO4·HCO3-Na·Ca、HCO3·Cl-Mg·Ca·Na等(图2),以前两种为主,分别占总数的36.59%和34.15%。

矿泉水中阴阳离子的含量主要受地层岩性、构造、环境压力、水动力条件及地下水补给来源、运移距离、循环深度、水温等条件的综合影响,总之与矿泉水成因密切相关[15]。

4 矿泉水成因分析

4.1 H-O同位素分析

部分偏硅酸型矿泉水样品的H-O同位素分析结果见表2,反映矿泉水δD为-61.8‰～-48.1‰,平均为-54.36‰;δ18O为-9.65‰～-5.65‰,平均为-7.74‰。将上述样品投到H-O同位素关系图中(图4),可以看出大多数样品落在全球大气降水线[16]和中国大气降水线[17]附近,指示矿泉水主要来源于大气降水补给。但钟祥长寿(W31)、荆门沙洋(W35)、荆州望龙泉(W39)等3处矿泉水偏离大气降水线较远,这可能有两个原因:一是矿泉水受埋藏水补给,埋藏水中H2S、CH4与矿泉水中D发生同位素交换,δD发生变化;二是强烈的水岩作用引起矿泉水中18O漂移。此外,偏硅酸型矿泉水中3H检测值为<1～(18.07±8.6)TU,反映了矿泉水从补给区运移至排泄区的时间相差较大[18]。

表2 偏硅酸型矿泉水H-O同位素统计表

图4 偏硅酸型矿泉水H-O同位素关系图

4.2 离子相关性分析

利用Origin2022软件对41组样品的主要化学指标进行Spearman相关性分析(图5),所得显著性水平均<0.05,认为Spearman模型有效。结果显示湖北省偏硅酸型矿泉水中H2SiO3和Sr与其他离子的相关性较差,这与矿泉水赋存岩石类型多样有关。

图5 偏硅酸型矿泉水主要离子相关矩阵图

4.3 Gibbs图解

图6 偏硅酸型矿泉水Gibbs图

4.4 离子比例系数

图7 偏硅酸型矿泉水离子比例图

4.5 矿泉水成因分析

岩石中硅酸盐矿物的风化和溶解是地下水中H2SiO3的主要来源[24]。岩石地球化学条件即矿物组成和晶体结构、溶解度等,决定着H2SiO3的来源——非晶质SiO2的丰度及其溶滤释放的难易程度[5],进而影响了对地下水供给可溶性SiO2的数量和速率。水中可溶性SiO2浓度还受到水岩作用中固相含硅矿物丰度,液相介质的补给、径流途径,以及风化产物端次生矿物的溶解度等因素的综合影响。岩石风化和水化学作用控制着硅酸盐矿物中Si的迁移转化过程,地下水温度、CO2含量和水岩反应时间对硅酸盐矿物水解产生正向影响,其中温度和水岩反应时间主要受地下水循环深度的控制[25]。同种岩性条件下,水中偏硅酸含量与水温呈正相关关系;相同温度下,玄武岩、砂砾石、花岗岩、变质岩、碳酸盐岩中赋存的地下水中H2SiO3含量依次降低(表1)。

湖北省偏硅酸型矿泉水分为构造断裂深循环型、裂隙浅循环型和层间缓慢径流型三种[7]。地质构造条件、地球化学条件和地下水水动力条件不同,影响矿泉水形成的水岩作用过程就不尽相同,矿泉水的水化学类型,尤其是微量元素含量就会相差各异(表1)。

受大型断裂控制的构造断裂深循环型矿泉水,其沿活动断裂带深循环,或者接受岩体放射性元素衰变供热,水温多在30°以上。多源CO2尤其深部幔源CO2上逸参与水岩作用,促进了硅酸盐矿物的溶解,推测深部富硅地热水与浅源地下水发生对流混合,形成了偏硅酸型矿泉水。如宜城华严寺矿泉水(W30),其水温为30℃,3H为11.4TU,周围冷泉的3H为31.7TU,反映了华严寺矿泉水有一个长时间的运移过程,其水循环深度可能有2 603 m,因此循环压力也相当大,高温高压环境有利于硅酸盐矿物的水解。这类矿泉水水化学类型主要有重碳酸钙镁型(W1、W2、W26、W28、W31、W53)、重碳酸氯化物钙镁钠型(W27)、重碳酸氯化物钙镁型(W25)、重碳酸硫酸钙镁型(W30),矿泉水中各种微量元素比较齐全,且Cl、F含量高于其他成因的矿泉水。

受小型断裂改造的裂隙浅循环型矿泉水多以泉形式自然出露地表,主要分布于山区沟谷两侧。这类矿泉水赋存于三大类岩性的基岩中,循环深度较浅,水温多为12～18℃,少数为22℃以上。大气降水入渗后沿裂隙或岩溶向下径流,与浅源CO2共同作用,溶滤断裂、裂隙面风化的长石矿物形成H2SiO3,并不断富集其他特殊元素,形成了偏硅酸型矿泉水。在变质岩中,矿泉水水化学类型多为重碳酸钙型(W18、W20)和重碳酸钙钠型(W19)。在中酸性岩浆岩(安山岩和花岗岩类)中,矿泉水水化学类型主要为重碳酸钠钙型(W21、W24)、重碳酸钙型(W22、W23),其次为重碳酸钙镁型(W17)、重碳酸硫酸钙型(W52);而基性岩浆岩(玄武岩)中则以重碳酸钙镁型为主(W45、W46),其次为重碳酸硫酸钙镁型(W44)。在碎屑岩中,矿泉水水化学类型主要为重碳酸钙镁型(W32、W37、W39)和重碳酸钙钠型(W16)。

赋存于古近系—第四系砂砾岩中的层间缓慢径流型矿泉水,含水层上下普遍有相对隔水层,如江汉盆地、南襄盆地孔隙裂隙型含水岩组中,水力坡度为0.7×10-4～3.0×10-4,渗透系数为5～16 m/d,径流滞缓,水温多在17～22℃。在长时间的渗流过程中,含水介质中非晶质SiO2缓慢地自然风化水解,溶滤作用和离子交换吸附充分,最终也能形成偏硅酸型矿泉水。这类矿泉水水化学类型相对简单,主要为重碳酸钙型或重碳酸钙镁型,偶见重碳酸钙镁钠型(W33)。

5 结论

(1) 湖北省有53处偏硅酸型矿泉水,其分布受地层岩性和构造控制;水温为17～42℃,主要为中性—弱碱性淡水,以微硬水为主;水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca型。

(2) 湖北省偏硅酸型矿泉水补给来源主要为大气降水,偶有埋藏水。矿泉水中H2SiO3含量与主要离子没有明显相关性,这可能与矿泉水分布在多种岩石类型中有关。矿泉水成因为岩石风化和水岩作用,水在循环过程中发生了硅酸盐矿物溶解和离子交换吸附(主要为正向离子交换吸附)。

(3) 湖北省偏硅酸型矿泉水分为构造断裂深循环型、裂隙浅循环型和层间缓慢径流型三种,它们的地质构造条件、地球化学条件和地下水水动力条件不同,导致水岩作用过程不尽相同,从而造成矿泉水的水化学类型,尤其是微量元素含量相差较大。