華北克拉通北緣典型高鍶花崗巖區(qū)域鍶型礦泉水分布特征及成因

劉 碩， 馬百衡， 翟 星， 田西昭， 李琛曦

(河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石家莊 050021)

天然鍶型礦泉水因富含對人體骨骼、牙齒和心血管系統(tǒng)有益的鍶及多種微量元素而日益受到大眾的青睞。在飲用天然礦泉水資源中含鍶型礦泉水較為普遍，不論在山區(qū)還是平原都有分布，但一般鍶含量較低。以往研究也均表明地下水中Sr的含量與巖土中Sr含量有密切關(guān)系[1-6]。張偉等[7]研究指出，盤山花崗巖巖石中鍶平均含量為627 μg/g，裂隙水中Sr含量為0.15～0.72 mg/L。趙廣濤等[8]研究表明，嶗山花崗巖地區(qū)構(gòu)造裂隙水中鍶含量為0.14～0.51 mg/L。劉紅濤等[9]研究指出，華北克拉通北緣廣泛分布中生代高鍶花崗巖類，在冀北和遼西地區(qū)起碼可以確認(rèn)有64個中生代花崗巖體屬于或部分屬于(有的大型復(fù)式巖體也包含有非高鍶花崗巖類)，巖石的Sr含量變化于229.1～1 829.25 μg /g，平均值為740.42 μg /g，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非高鍶花崗巖石(Sr含量一般低于100 μg /g )。但針對該類巖體周邊鍶型礦泉水的研究較少，基本處于空白。

以華北克拉通北緣冀東地區(qū)最大的花崗巖基-都山巖體作為典型高鍶花崗巖進(jìn)行研究，對其周邊鍶型礦泉水的空間分布特征及形成原因進(jìn)行初步分析。同時，對壽王墳-都山一帶的壽王墳巖體、碾子峪巖體、小寺溝巖體和楊杖子巖體四處高鍶花崗巖周邊區(qū)域水體進(jìn)行取樣分析，驗(yàn)證都山巖體周邊礦泉水分布規(guī)律，以期對高鍶花崗巖周邊區(qū)域科學(xué)、合理、有序的勘查、開發(fā)礦泉水水源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

都山巖體位于燕山山脈的東段，為剝蝕構(gòu)造中低山區(qū)。區(qū)內(nèi)出露巖性主要為花崗巖、太古界三屯營組、上川組片麻巖、長城系砂巖及第四系全新統(tǒng)沖洪積物。研究區(qū)附近斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北東向斷裂為主，正斷層、逆斷層交替出現(xiàn)，斷層走向呈北東-南西向，與巖體長軸方向大體一致，如圖1所示。都山巖體出露于華北克拉通北東緣的太古宙燕遼沉降帶馬蘭峪復(fù)背斜內(nèi)，是該地區(qū)具有代表性的中生代巖體之一[10]。都山巖體侵位時正處于西伯利亞板塊與中朝古板塊碰撞造山作用的后碰撞時期，構(gòu)造背景具有擠壓的特點(diǎn)，其就位后仍受到區(qū)域擠壓應(yīng)力作用并形成邊部的片麻狀構(gòu)造[10]。

1.2 都山巖體概況

都山巖體整體呈橢圓狀，長軸沿北東方向展布，長軸長約30 km，短軸寬約17 km，出露面積約400 km2[11]，呈巖基狀產(chǎn)出，是冀東地區(qū)最大的花崗巖基。羅振寬等[12]采用鋯石SHRIMP-Pb法獲得的中細(xì)粒黑云母二長花崗巖年齡為(223±2)Ma，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)調(diào)查院[13]采用相同方法測的粗中粒黑云母正長花崗巖的樣品年齡為(221±4)Ma，確定都山巖體形成于印支期。

巖體主要侵入于太古宙基底變質(zhì)雜巖和中新元古代碳酸鹽巖及碎屑巖系中，在巖體邊部見中元古界長城系高于莊組灰?guī)r捕擄體，并已大理巖化和矽卡巖化[3]。巖體各巖相呈同心環(huán)狀展布，邊緣相為花崗閃長巖、斑狀黑云母二長花崗巖；過渡相(主體相)為中-粗粒黑云母二長花崗巖；中心相為中細(xì)粒及部分中粗粒二長花崗巖。過渡相與中心相之間大部分為漸變過渡，局部呈突變。過渡相與邊緣相之間則完全是過渡關(guān)系[11]。劉紅濤等[9]、吳鳴謙等[10]、羅振寬等[12]在對都山巖體地球化學(xué)特征研究結(jié)果表明，樣品中鍶平均含量為596.34～1 131.4 μg/g。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of the study area

1.3 區(qū)域水文地質(zhì)

區(qū)內(nèi)主要河流為長河，發(fā)源于都山。研究區(qū)附近地下水類型主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水(見圖2)，垂向上分為三個含水層：第四系孔隙水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水和構(gòu)造基巖裂隙水。松散巖類孔隙水主要分布于都山下游溝谷的溝谷底部以及長河河谷兩岸地帶，含水層頂?shù)装迓裆?～10 m，分為水量貧乏區(qū)和水量中等區(qū)，水量貧乏區(qū)位于都山溝谷區(qū)域第四系松散巖類孔隙水，單井涌水量小于100 m3/d，水量中等區(qū)位于長河河谷兩側(cè)，單井涌水量100～1 000 m3/d。都山區(qū)域基巖裂隙水主要為風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水和構(gòu)造基巖裂隙水。風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水含水層頂?shù)装迓裆?0～150 m，中上游花崗巖區(qū)為水量貧乏區(qū)，常見泉流量小于0.1 L/s，地下水徑流模數(shù)小于1 L/(s·km2)，水化學(xué)類型以SO4·HCO3-Ca型；下游片麻巖區(qū)為水量中等區(qū)，常見泉流量0.1～1 L/s，地下水徑流模數(shù)1～3 L/(s·km2)。水化學(xué)類型以SO4·HCO3-Ca·Na型和SO4·HCO3-Ca型為主。構(gòu)造裂隙水含水層頂?shù)装迓裆?00～300 m，在本區(qū)未出露。

區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給主要是大氣降水入滲補(bǔ)給。松散巖類孔隙水補(bǔ)給來源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給、基巖裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄方式以徑流排泄為主，人工開采和蒸發(fā)排泄次之?；鶐r裂隙水補(bǔ)給方式以大氣降水沿構(gòu)造裂隙向地下深部運(yùn)移，徑流方式沿都山花崗巖體由東北向西南徑流；排泄方式以地下徑流和泉形式排泄為主。

2 研究方法

2.1 樣品采集

野外工作以1∶50 000地形圖為底圖，在充分利用以往地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用穿越法和追索法相結(jié)合開展野外調(diào)查取樣工作。對研究區(qū)內(nèi)鉆孔(民井)的類型、深度、成井結(jié)構(gòu)、地層結(jié)構(gòu)、開采層位、取水設(shè)備及出水量、取水用途、水位及水質(zhì)及其動態(tài)變化等情況進(jìn)行了調(diào)查；對區(qū)內(nèi)地表水體的水位、流量、水溫、水質(zhì)、利用情況等進(jìn)行了調(diào)查；對第四系以及出露基巖地層巖性、顏色、巖相、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和相互間的接觸關(guān)系，河流、溝谷等的分布，與地下水活動有關(guān)的地貌現(xiàn)象等均進(jìn)行了調(diào)查。同時，結(jié)合物探、鉆探等手段，對重要的斷層、構(gòu)造帶進(jìn)行深入分析。

根據(jù)高鍶花崗巖周邊地形地貌、斷裂構(gòu)造發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件等因素，分別對都山巖體、壽王墳巖體、碾子峪巖體、小寺溝巖體和楊杖子巖體周邊區(qū)域進(jìn)行取樣工作。在都山巖體周邊區(qū)域分別對松散層孔隙水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水和構(gòu)造基巖裂隙水進(jìn)行取樣分析，共部署取樣點(diǎn)55處，采集孔隙水水樣45組，風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水水樣7組，3處構(gòu)造基巖裂隙水水井按豐、平、枯三期取9組水樣，共取水樣61組。調(diào)查路線及取樣位置如圖2所示。對壽王墳巖體、碾子峪巖體、小寺溝巖體、楊杖子巖體四處巖體周邊部署代表性取樣點(diǎn)，采集水樣10組，分析各巖體周邊水體內(nèi)鍶元素含量。

圖2 都山區(qū)域調(diào)查路線及取樣點(diǎn)分布Fig.2 The survey route and distribution of sampling point in the Dushan Area

2.2 樣品測試

樣品采集后及時送進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)預(yù)處理后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀Optima 8000進(jìn)行鍶含量測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 都山巖體周邊區(qū)域鍶型礦泉水分布特征

3.1.1 第四系松散層孔隙水中鍶型礦泉水分布

表1中化驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，45個松散層孔隙水水樣中均含鍶，最低含量為0.061 mg/L，最高為0.962 mg/L。其中，18個水樣中鍶的含量在0.403～0.962 mg/L，達(dá)到鍶型礦泉水的標(biāo)準(zhǔn)(鍶型礦泉水界限值0.4 mg/L)，鍶含量達(dá)到礦泉水界限值的水樣占比40%。21個水樣中鍶含量在0.2～0.4 mg/L，占46.7%；鍶含量在0.4～0.6 mg/L的水樣有14個，占31.1%，說明巖體區(qū)域松散層孔隙水中鍶含量大部分在0.2～0.6 mg/L。水樣中鍶含量高低一是與其所賦存地層的巖性有關(guān)，二是與取樣深度也有一定的關(guān)系。4個鍶含量大于0.8 mg/L的水樣，究其原因是井深較大，松散層孔隙水與風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水之間存在一定的水力聯(lián)系，導(dǎo)致孔隙水中鍶含量升高。

表1 都山區(qū)域松散層孔隙水水樣中鍶含量一覽表Table 1 The content of strontium in the pore water samples in Dushan Area

從圖2可以看出，高鍶巖體周邊水樣中鍶含量較高，巖體圍巖水樣中鍶含量較低。041#水樣所處地層為長城系砂巖地層，無鍶元素物質(zhì)來源，水樣中鍶元素主要來源于與巖體之間存在水力聯(lián)系的裂隙、構(gòu)造中。高鍶巖體區(qū)域所取水樣中，水體中鍶含量受地形地貌、地層巖性、斷裂構(gòu)造發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件等影響，都山區(qū)域第四系松散層孔隙水中鍶型礦泉水主要沿北東-南西向斷裂帶和巖體南部擠壓帶分布。

3.1.2 風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水中鍶礦泉水分布

受區(qū)內(nèi)地下開采利用條件限制，居民生產(chǎn)、生活取水多以第四系松散層孔隙水為主，風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水研究區(qū)內(nèi)分布較少，僅分布于巖體西南部區(qū)域?；?yàn)結(jié)果表明，7個水樣中，鍶含量一般0.669～9.551 mg/L，均高于鍶礦泉水界限值0.4 mg/L，如表2所示。

表2 都山區(qū)域風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水鍶含量分布一覽表Table 2 The content of strontium in the weathered zone of network bedrock fissure water samples in Dushan Area

從圖2可以看出，相比較松散層孔隙水取樣位置，風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水取樣水井位置海拔更高、更接近于高鍶巖體，水井深度一般58～140 m，該區(qū)域基本已無松散層孔隙水可利用。該區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，水樣中鍶含量明顯高于第四系松散層孔隙水。同時，該區(qū)第四系松散層孔隙水水樣中鍶含量明顯高于其他水樣，可以推測，風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水與第四系松散層孔隙水存在一定的水力聯(lián)系，提高了松散層孔隙水中鍶的含量。風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水中鍶型礦泉水與松散層孔隙水呈相同規(guī)律，沿北東-南西向斷裂帶分布。

3.1.3 構(gòu)造裂隙水中鍶礦泉水分布

表3 構(gòu)造裂隙水中主要組分及鍶含量一覽表Table 3 The content of main components and strontium in the tectonic of bedrock fissure water samples

3.2 鍶礦泉水形成原因分析

3.2.1 都山巖體周邊鍶型礦泉水分布規(guī)律

都山巖體區(qū)域分布大量優(yōu)質(zhì)鍶礦泉水。從平面看，高鍶巖體周邊區(qū)域松散層孔隙水水樣中均含有鍶元素，不同取樣點(diǎn)水樣中鍶含量有所差別，達(dá)到鍶型礦泉水標(biāo)準(zhǔn)的水樣基本上都是沿北東-南西向斷裂帶和巖體南部擠壓帶分布。風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水和構(gòu)造基巖裂隙水中鍶型礦泉水主要分布于北東-南西向斷裂帶區(qū)域；垂向上，隨著深度增加，第四系孔隙水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水和構(gòu)造基巖裂隙水中鍶含量呈遞增趨勢，如圖3所示。

圖3 不同地下水類型中鍶含量對比Fig.3 Comparison of strontium content in different groundwater types

受地形地貌、地層巖性、斷裂構(gòu)造發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件等影響，第四系松散層孔隙水中鍶含量的差異，圍巖水體中鍶含量較巖體水體中鍶含量低；斷裂構(gòu)造發(fā)育地帶水體中鍶含量較高，應(yīng)是其與風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水之間存在水力聯(lián)系，風(fēng)化帶網(wǎng)基巖裂隙水中鍶礦泉水排泄后與第四系孔隙水混合后，提高了斷裂帶區(qū)域松散層孔隙水中鍶含量。構(gòu)造基巖裂隙水中鍶含量遠(yuǎn)高于第四系孔隙水和風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水水樣中鍶的含量，可能是由于受斷層構(gòu)造影響，巖石破碎，賦水性強(qiáng)，水體中鍶的含量高，該部分水體可能是高鍶型礦泉水的主要來源。

3.2.2 形成機(jī)制

礦泉水中鍶的含量主要取決于巖石中鍶元素的含量、溶濾時間和溫度。

(1)物質(zhì)基礎(chǔ)。都山區(qū)域普遍發(fā)育的高鍶花崗巖為區(qū)域內(nèi)鍶型礦泉水的形成提供了豐富的物質(zhì)來源。相關(guān)研究數(shù)據(jù)[9,14-15]顯示，都山巖體樣品中微量元素和稀土元素特征總體相似，富集鋇和鍶，鍶平均含量882.63 μg/g，最高達(dá)1 197.5 μg/g，遠(yuǎn)高于地殼巖石圈中鍶元素含量。相關(guān)巖樣水解浸泡實(shí)驗(yàn)[16-18]表明，浸泡過程中，發(fā)生水巖相互作用，巖樣中不溶解的鍶礦物，不斷轉(zhuǎn)化成為可溶性礦物，將鍶釋放溶解于水體中。本文中巖體區(qū)域水樣中鍶含量較高，而遠(yuǎn)離巖體的水樣中鍶含量較低的特征，這與地層中的鍶含量規(guī)律一致，也有力地說明了地下水中的鍶來自于巖層中鍶的溶出。

(2)地質(zhì)構(gòu)造。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，地下水在接受大氣降水補(bǔ)給后通過構(gòu)造裂隙、構(gòu)造破碎帶、圍巖接觸帶不斷向地下深部運(yùn)移，使含水層徑流過程中巖石中的礦物成分受地下水的溫度、壓力影響不斷溶于水中，地下水的深部運(yùn)移和溶濾作用也為巖石中元素的富集創(chuàng)造了條件，不斷使巖層中的鍶離子釋放出來，深部水體中鍶含量逐步增加。這也就導(dǎo)致在垂向上，區(qū)內(nèi)水體總體上鍶含量構(gòu)造裂隙水>風(fēng)化殼裂隙水>第四系松散堆積層地下水。

(3)鍶型礦泉水形成的水文地球化學(xué)條件。巖石地球化學(xué)特征、水巖作用條件及水巖作用過程均直接影響著礦泉水的物質(zhì)來源和組分含量。鍶與鈣同屬于堿土金屬，其化學(xué)性質(zhì)極為相似，可以隨鈣一起遷移、分異和富集。但鍶比鈣的化學(xué)性質(zhì)活潑，鍶的離子半徑介于鈣與鉀之間，鍶在含鈣礦物中容易置換鈣離子，又極易被含鉀礦物中的鉀離子捕獲形成鉀長石的同質(zhì)多象變體微長石。都山區(qū)內(nèi)酸性侵入巖中富含微量元素鍶，且與鈣及長石類極易產(chǎn)生類質(zhì)同象置換現(xiàn)象，所以鍶極易進(jìn)入富含長石的礦物中。同時，構(gòu)造、斷層的發(fā)育，使富含CO2的大氣降水更容易滲入到含水層之中而形成游離狀態(tài)的CO2，促進(jìn)鍶的析出。發(fā)生的反應(yīng)為

水樣中氚同位素測定結(jié)果顯示裂隙水在斷裂帶中的循環(huán)時間一般在20年以上，這為水巖相互作用提供了充足的時間，保證了礦泉水中微量元素和礦物質(zhì)進(jìn)入水中成為具有特殊意義的組分[19]，是高鍶礦泉水形成的關(guān)鍵。

(4)都山區(qū)域鍶礦泉水形成的模式。都山區(qū)域鍶型礦泉水沿主要斷裂構(gòu)造呈帶狀分布，有一定的溶濾時間和溫度，已揭露的三處高鍶礦泉水井勘察資料顯示，儲水帶巖石破碎，帶內(nèi)構(gòu)造裂隙十分發(fā)育，為礦泉水的貯存、運(yùn)移提供了良好的空間。同時也為礦泉水的出露提供了有利的通道，尤其是斷裂交匯及巖體與圍巖接觸帶附近。大氣降水在沿風(fēng)化裂隙向下徑流過程中，淋溶所流經(jīng)地層巖石礦物成分，并不斷富集，多形成鍶單一型礦泉水，屬于裂隙淺循環(huán)淋溶型礦泉水，其特征是水溫低(小于25 ℃)，溶解性總固體及氟含量也較低，如圖4所示。

3.3 其他高鍶花崗巖周邊鍶型礦泉水分布

通過分析都山巖體區(qū)域鍶型礦泉水的形成機(jī)理及其分布規(guī)律，對小寺溝巖體、楊杖子巖體、碾子峪巖體和壽王墳巖體四處高鍶花崗巖體周邊區(qū)域現(xiàn)有水體出露點(diǎn)分別進(jìn)行取樣化驗(yàn)，探索各區(qū)域鍶型礦泉水存在的可能性。

受巖體周邊區(qū)域水資源開發(fā)利用影響，水體出露點(diǎn)比較少，在小寺溝巖體周邊取樣3個、楊杖子巖體周邊取樣2個、碾子峪巖體周邊取樣2個、壽王墳巖體周邊取樣3個，共取水樣10個。根據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，四處巖體周邊區(qū)域水樣中均含鍶元素，最低含量0.223 mg/L，最高1.016 mg/L。整體上看，各巖體周邊區(qū)域水樣中鍶含量基本與都山周邊區(qū)域水樣中鍶含量分布規(guī)律一致，水樣中均含鍶元素，松散層孔隙水和基巖裂隙水中均有水樣能達(dá)到鍶型礦泉水標(biāo)準(zhǔn)。從巖體分，不同巖體周邊區(qū)域水樣中鍶含量有差異，究其原因，一是各巖體中鍶含量不同，即物質(zhì)基礎(chǔ)有差異，導(dǎo)致水樣中鍶含量有差異；二是巖體周邊斷裂構(gòu)造發(fā)育程度不同，也對水體中鍶的富集產(chǎn)生影響。

通過初步取樣分析，四處高鍶巖體周邊均有含鍶水體分布，有些達(dá)到鍶型礦泉水標(biāo)準(zhǔn)，鍶含量為0.402～1.016 mg/L不等，主要分布于楊杖子巖體佟杖子村三道溝一帶、碾子峪巖體碾子峪村五坰地一帶和壽王墳巖體壽王墳鎮(zhèn)鄭家莊村-羅圈子村梆子溝口一帶。

圖4 都山區(qū)域鍶型礦泉水形成模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of the formation mode of strontium type mineral water in Dushan Area

表4 四處高鍶花崗巖體周邊區(qū)域水樣中鍶含量一覽表Table 4 The content of strontium in the water samples in other four high-Sr granites area

4 結(jié)論

(1)都山巖體作為華北卡拉通北緣東段的典型高鍶巖體，巖體中鍶含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非高鍶花崗巖石，為鍶型礦泉水形成提供了物質(zhì)來源。都山巖體周邊區(qū)域水體中均含鍶元素，平面上，孔隙水中鍶型礦泉水主要沿北東-南西向斷裂帶和巖體南部擠壓帶分布；風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水和構(gòu)造基巖裂隙水中鍶型礦泉水沿北東-南西向斷裂帶分布；垂向上，孔隙水、風(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水、構(gòu)造基巖裂隙水中鍶含量依次增加。

(2)都山巖體區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，為豐富的降水提供了較好的補(bǔ)給通道，同時也為地下水的儲存提供了空間，地層中的鍶不斷溶出，在斷裂構(gòu)造帶沿地下水徑流在地下水中長期循環(huán)富集是區(qū)內(nèi)高鍶型礦泉水形成的主要原因?？紫端L(fēng)化帶網(wǎng)狀基巖裂隙水出露點(diǎn)多處于水量貧乏區(qū)，水量小，均為村民生活用水。而該區(qū)域深層構(gòu)造基巖裂隙水水質(zhì)、水量穩(wěn)定，極具開發(fā)利用價值。

(3)小寺溝巖體、楊杖子巖體、碾子峪巖體和壽王墳巖體四處高鍶花崗巖體周邊區(qū)域水樣中鍶含量基本與都山周邊區(qū)域水樣中鍶含量分布呈現(xiàn)類似規(guī)律，水樣中均含有鍶元素。部分水樣達(dá)到鍶型礦泉水標(biāo)準(zhǔn)，鍶含量為0.402～1.016 mg/L不等，主要分布于各巖體周邊斷裂構(gòu)造發(fā)育地帶。

(4)揭示了典型高鍶花崗巖體周邊鍶型礦泉水賦存規(guī)律和成因，推測華北克拉通北緣眾多高鍶花崗巖區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育地帶極具鍶型礦泉水資源開發(fā)利用潛力。