淄博市淄川區(qū)飲用天然礦泉水賦存條件與形成機(jī)理研究

吳立新

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250013)

水是生命之源，水的質(zhì)量問題一直為人類社會(huì)所關(guān)注，近年來，對(duì)礦泉水的研究已成為一項(xiàng)熱點(diǎn)課題[1-4]。淄博市淄川區(qū)是一處具有代表性的礦泉水產(chǎn)出地，其地處泰沂山脈北部，山巒起伏，地勢(shì)陡峻、溝谷切割縱深，總面積約178km2。古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)碳酸鹽巖地層廣布，構(gòu)成山域廣闊的中低山單斜區(qū)。特有的水文地球化學(xué)環(huán)境，相對(duì)獨(dú)立的儲(chǔ)水構(gòu)造，匯集了比較豐富且運(yùn)移流暢的碳酸鹽巖裂隙巖溶地下水，為礦泉水的形成創(chuàng)造了天然條件。根據(jù)該區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)資料, 對(duì)礦泉水的賦存特征及形成機(jī)理進(jìn)行初步研究。

1 區(qū)域地質(zhì)

1.1 地層

區(qū)域地層屬華北地層大區(qū)、晉冀魯豫地層區(qū)、魯西地層分區(qū)、淄博-新泰地層小區(qū)。出露古生代寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)和第四紀(jì)地層。其中，寒武紀(jì)地層遍布整個(gè)研究區(qū)，自南而北、由老至新依次出露有寒武紀(jì)長清群饅頭組，九龍群張夏組、崮山組、炒米店組和三山子組，巖性以粉砂巖、紫色頁巖、鮞?；?guī)r、黃綠色頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r及薄層灰?guī)r互層為主，是該區(qū)主要目的含水層所在。奧陶紀(jì)地層僅有馬家溝群東黃山段和北庵莊組，分布于山體上部和頂部。巖性以泥質(zhì)白云巖、微晶白云巖、純灰?guī)r夾有薄層白云質(zhì)灰?guī)r為主。第四紀(jì)地層分布于區(qū)內(nèi)溝谷和山澗洼地，主要為大站組和沂河組，主要巖性為淺黃色亞砂土、亞粘土，含沙礫石，礫石成分以石灰?guī)r為主。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造總體特征褶皺不發(fā)育，斷裂構(gòu)造較發(fā)育。主要斷裂有： ①淄河斷裂帶：沿淄河河谷發(fā)育，總體走向NE 35°，主斷裂傾向SE，傾角60°～70°，平面延伸距離達(dá)60km，水平斷距約13km。②紫峪-東莊斷裂：位于研究區(qū)東南，北起紫峪村，向南西延伸至博山區(qū)池上鄉(xiāng)東莊村西，長度約600m，走向NE，傾向NW，發(fā)育在寒武紀(jì)地層內(nèi)，北盤巖性為饅頭組、張夏組和崮山組，南盤為饅頭組和張夏組。③西余糧斷裂：位于西余糧村南側(cè)，EW走向，傾向S，傾角70°，斷距近100m，延伸長度約500m，斷層發(fā)育在寒武紀(jì)炒米店組和三山子組。

1.3 巖漿巖

巖漿巖分布于區(qū)內(nèi)北部東太河村、東嶺莊及雙崮堆等地，分布面積約6.24km2。出露中生代燕山晚期沂南超單元和蒼山超單元。主要巖性為灰黑色輝石閃長巖、灰綠色閃長玢巖、花崗閃長斑巖等，粒狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。礦物成分主要有斜長石、角閃石、石英等。

2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)處于淄博向斜盆地東南、淄河以東單斜區(qū)，西側(cè)淄河斷裂帶、南側(cè)葦園-尹家峪斷裂、東部淄河與彌河分水嶺將研究區(qū)構(gòu)筑為一相對(duì)獨(dú)立單斜構(gòu)造水文地質(zhì)單元。地下水類型按照含水層性質(zhì)，可劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和巖漿巖類構(gòu)造裂隙水3大類。

(1)松散巖類孔隙水分布于研究區(qū)內(nèi)山谷、山間洼地和河谷內(nèi)。含水層巖性為砂礫石、卵礫石，厚度0.5～3.0m，含水性相對(duì)較差，局部透水而不含水，單井涌水量一般小于100m3/d。

(2)巖漿巖類風(fēng)化裂隙水分布在研究區(qū)南側(cè)的魯山地帶和太河鎮(zhèn)東嶺莊、新莊一帶，風(fēng)化層厚度10～20m，含水層厚度5～15m，地下水儲(chǔ)存于巖漿巖裂隙和風(fēng)化層內(nèi)，地下水補(bǔ)給來源主要靠大氣降水入滲補(bǔ)給，地下水單井涌水量100～250m3/d。

(3)其余地帶均為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。含水層巖性為張夏組鮞狀灰?guī)r，含水層厚度一般介于6～10m，最厚可達(dá)20.05m(柏樹村水井)，埋藏深度在紫峪一帶出露地表，而后向北隱伏于崮山組地層之下，且自南而北埋深逐步增大，于中部峨莊一帶頂板埋深150m左右，至北部太河一帶頂板埋深400m左右。根據(jù)鉆孔抽水試驗(yàn)成果，單孔涌水量一般200～240m3/d，最大可達(dá)770m3/d。

3 礦泉水賦存特征

區(qū)內(nèi)29眼井泉監(jiān)測(cè)點(diǎn)飲用天然礦泉水檢測(cè)結(jié)果顯示，枯、豐水期鍶檢出率均為100%，達(dá)標(biāo)率分別為45%和48%，最大檢出值6.79mg/L，最小檢出值0.1mg/L，兩期平均檢出值0.805mg/L；枯、豐水期鋰的檢出率分別為44.8%和48.28%，達(dá)標(biāo)率分別為10.34%和6.89%，最大值為0.22mg/L，最小值低于檢出線，兩期平均值約0.12mg/L。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，研究區(qū)存在鍶型、鋰型和鍶鋰復(fù)合型3種類型。

3.1 鍶型礦泉水

鍶含量差異較大，分析發(fā)現(xiàn)，其含量變化具有一定的規(guī)律性，即鍶含量在研究區(qū)內(nèi)自南而北依次降低，如峨莊溝谷南部邊緣云龍山水廠井(上雀峪村井)，2008年豐水期鍶含量達(dá)6.79mg/L，向北至后溝村井降至3.3mg/L，再北至下島坪降至1.08mg/L，到溝谷下游西石村地帶，降至0.1mg/L；在淄河鎮(zhèn)幸福溝谷內(nèi)其規(guī)律大致相同，溝谷南端西股村井含量達(dá)1.30mg/L，向北至東等村降為1.18mg/L，再北至前懷村降至0.75mg/L。研究區(qū)鍶離子含量變化見圖1。

圖1 研究區(qū)鍶離子含量分區(qū)圖

①低值區(qū)(鍶含量<0.2mg/L)。分布于峨莊鄉(xiāng)北部的西石村、東石村、魯子峪村等地，分布面積約8km2，鍶含量0.1～0.19mg/L。

②中等區(qū)(鍶含量0.2～0.4mg/L)。分布廣泛，分布范圍約145km2。鍶含量介于0.2～0.4mg/L，接近于礦泉水標(biāo)準(zhǔn)。

③較高區(qū)(鍶含量0.4～1.0mg/L)。沿峨莊溝谷中上游和幸福溝谷兩側(cè)分布，分布總面積46.25km2，占淄川區(qū)面積的30.91%。鍶含量在0.5～0.75mg/L，達(dá)到鍶型礦泉水標(biāo)準(zhǔn)。

④高值區(qū)(鍶含量>1.0mg/L)。以點(diǎn)狀分布于太河鎮(zhèn)的下島坪、西島坪、后溝、上雀峪村，西股、東等村等地，分布面積約8.75km2，含量1.0～3.3mg/L，達(dá)到鍶型礦泉水標(biāo)準(zhǔn)，上雀峪井鍶含量高達(dá)6.79mg/L，為全區(qū)最高檢出值。

3.2 鋰型礦泉水

鋰在29個(gè)水井的地下水中的檢出率不足50%，達(dá)標(biāo)率10.34%。鋰型礦泉水和鋰鍶復(fù)合型礦泉水分布在峨莊溝谷柏樹村、石安峪和石溝村一帶，含量值0.2～0.22mg/L，分布面積約5.0km2，占研究區(qū)面積的2.81%，鋰含量變化見圖2。

圖2 研究區(qū)鋰離子含量分區(qū)圖

4 礦泉水形成機(jī)理分析

4.1 巖石物源條件

礦泉水的形成需要豐富的物質(zhì)來源，為查明鍶、鋰等的物質(zhì)來源，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-8]，于研究區(qū)采集33件巖石樣品進(jìn)行巖礦分析，巖石樣品包括不同地質(zhì)年代、不同深度的頁巖、純灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r、板狀灰?guī)r、片麻巖、閃長巖和主要含水層張夏組鮞狀石灰?guī)r。測(cè)試結(jié)果顯示，鍶、鋰元素在研究區(qū)不同巖石中全部檢出，檢出率為100%，其中鍶檢出值介于(116～595)×10-6，平均值393.45×10-6。鋰檢出值(2.91～54.62)×10-6，平均值35.41×10-6(表1)。

表1 不同巖石中鍶、鋰含量統(tǒng)計(jì) 10-6

通過對(duì)石灰?guī)r、頁巖和主要含水層鮞狀灰?guī)r中鍶、鋰統(tǒng)計(jì)，鍶元素在鮞狀灰?guī)r中的均值含量為443×10-6，石灰?guī)r中的均值含量為438×10-6，頁巖中的均值含量為341×10-6；鋰元素頁巖中均值含量為43.12×10-6，石灰?guī)r中的值含量為34.13×10-6，鮞狀灰?guī)r最低，均值含量為34.11×10-6。

鍶元素在地殼中的豐度值為375×10-6，研究區(qū)頁巖平均值為341×10-6，低于地殼豐度值，石灰?guī)r和鮞狀灰?guī)r鍶平均值分別為438×10-6和443×10-6，均大于地殼豐度值，從元素地球化學(xué)觀點(diǎn)，鍶的離子半徑與鈣相近，碳酸鹽巖在形成過程中，同時(shí)捕獲了鍶，分散元素鍶能夠進(jìn)入到各種富鈣或鉀的礦物之中。研究區(qū)廣泛分布寒武紀(jì)碳酸鹽巖地層，石灰?guī)r尤其是鮞狀灰?guī)r中豐富的鍶元素，為鍶型礦泉水的生成提供了豐富的物源，是鍶礦泉水形成的主要物源條件之一。

自然界中鋰元素在地殼中的豐度很低，為40×10-6。但頁巖豐度值最高可達(dá)60×10-6，碳酸鹽巖最低。研究區(qū)鋰的測(cè)試數(shù)據(jù)與此比較吻合，頁巖均值含量最高為43.12×10-6，略大于地殼豐度值，石灰?guī)r和鮞狀灰?guī)r含量較低，分別為34.13×10-6和34.11×10-6，小于地殼豐度值。頁巖中鋰元素所以較高，是因?yàn)殇囋厝菀妆诲i土膠體所吸附，頁巖中尤其紅色頁巖中富含鐵錳氧化物，頁巖在沉積過程中，錳土膠體吸附了大量鋰元素，導(dǎo)致鋰元素得以在頁巖中存積。

4.2 地下水水動(dòng)力條件

根據(jù)鉆孔揭露資料，崮山組、張夏組含水層厚度可達(dá)20余米，上部覆蓋厚140～190m的崮山組頁巖和薄層石灰?guī)r，下部為饅頭組紫色頁巖，受上下隔水層控制，含水層具有明顯的承壓性。受淄河斷裂帶等地質(zhì)構(gòu)造影響，巖石裂隙巖溶比較發(fā)育，為地下水的儲(chǔ)存創(chuàng)造了良好空間，研究區(qū)山勢(shì)陡峻，地面坡降大，地下水徑流條件良好，井水大多處于山間溝谷兩側(cè)，含水層接受大氣降水入滲補(bǔ)給后，地下水沿灰?guī)r裂隙巖溶由南而北運(yùn)動(dòng)、循環(huán)交替條件良好，運(yùn)移途中可對(duì)含鍶巖石進(jìn)行充分溶蝕溶解，為礦泉水的形成創(chuàng)造了重要的水動(dòng)力條件。

4.3 地下水水化學(xué)條件

研究區(qū)地處中低山區(qū)，林業(yè)發(fā)達(dá)，植被茂密，人煙相對(duì)稀少，腐殖質(zhì)經(jīng)低礦化近中性的大氣降水淋濾后，形成富含腐殖酸的偏酸性入滲地下，對(duì)地下巖層產(chǎn)生溶解、溶濾作用，寒武紀(jì)碳酸鹽巖屬易溶巖石，特別是在酸性溶液作用侵蝕下更易溶解，隨著溶解過程的進(jìn)行，巖石中的鍶元素大量進(jìn)入地下水中，鍶礦物(SrCO3)與含CO2的水相互作用時(shí)，其反應(yīng)為：

SrCO3+H+=HCO3-+Sr2+

隨著溶濾作用的不斷進(jìn)行，地下水中的pH值逐漸增高，水的溶蝕能力逐步減弱，部分鹽類趨于飽和，整個(gè)碳酸體系達(dá)到平衡，各類組分含量相對(duì)穩(wěn)定下來，鍶含量也受碳酸平衡的影響趨于穩(wěn)定，達(dá)到目前的含量水平。

5 結(jié)論

研究區(qū)廣泛分布寒武紀(jì)石灰?guī)r和頁巖，石灰?guī)r尤其是鮞狀灰?guī)r鍶元素含量豐富，頁巖中鋰元素含量相對(duì)豐富，為飲用天然礦泉水的生成提供了重要物質(zhì)來源。外加區(qū)域上利于對(duì)礦物元素溶解的良好的循環(huán)交替水動(dòng)力條件和水化學(xué)條件，為飲用天然礦泉水的生成提供了重要外在因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] 肖為國,馮鳳玲,王集寧,等.泗水南部灰?guī)r地區(qū)礦泉水鍶源及形成條件分析[J].山東國土資源,2013,29(4): 29-31.

[2] 肖為國,馮鳳玲,王集寧,等.泗水南部礦泉水分布特征及開發(fā)建議[J].山東國土資源,2012,28(2):17-19.

[3] 谷振峰.山東飲用天然礦泉水及其勘查與保護(hù)[J].山東國土資源,2002,18(3): 84-87.

[4] 谷振峰.山東飲用天然礦泉水的基本特征及勘查評(píng)價(jià)方向[J].山東國土資源,1997,13(2):44-47.

[5] GB/8537-2008，飲用天然礦泉水[S].

[6] 張宏陶.水質(zhì)分析大全[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1997.

[7] 高國華，周金生，張本琪.礦泉水的評(píng)價(jià)與合理開發(fā)利用(第1版)[M].北京：地震出版社，1990.

[8] 沈照理，許紹倬.中國飲用天然礦泉水[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1989.