恩施市硒型飲用天然礦泉水成礦條件和開發(fā)利用建議

翟振飛，王水華，趙德君，譚光超，李智民

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 荊州 434020)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民水消費(fèi)觀念的改變，飲用天然礦泉水已成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾?。湖北省境?nèi)，經(jīng)國家或湖北省礦泉水技術(shù)評審組鑒定的礦泉水水源地共70處，鍶型19處、偏硅酸型17處、鍶偏硅酸復(fù)合型30處、硒型2處、硒鍶復(fù)合型2處[1]，含硒型和硒鍶復(fù)合型僅占0.057%，但其醫(yī)學(xué)[2-3]及保健[4]價(jià)值很高，具有更大開發(fā)利用前景。由于硒型礦泉水較稀少，全國關(guān)于硒型飲用天然礦泉水成因和開發(fā)利用的研究較少。張?jiān)姷萚5]總結(jié)了陜南秦巴山區(qū)富硒礦泉水形成條件；李潔[6]分析了石門縣悅家泉富硒礦泉水水源地形成條件及富硒來源；柳運(yùn)清等[7]介紹了恩施州建始縣“希世寶”硒礦泉水開發(fā)利用情況；翟振飛、祝軍等[8-9]總結(jié)了中國硒型礦泉水控礦條件和成礦模式，以及恩施市灰包洞礦泉水源地保護(hù)區(qū)劃分應(yīng)注意的問題。

恩施市富硒巖石、富硒土壤、富硒礦泉水、富硒動植物資源形成了天然富硒農(nóng)業(yè)地質(zhì)環(huán)境與富硒生物圈[10]。恩施市雙河地區(qū)擁有全球唯一獨(dú)立硒礦床——魚塘壩硒礦床，其賦存于二疊系孤峰組的炭質(zhì)硅質(zhì)巖段中[11]，恩施市硒型礦泉水的出露位置與富硒地層高度相關(guān)。

“十三五”期間，恩施市沐撫辦事處—高臺、白楊坪鎮(zhèn)楠木溝、紅土鄉(xiāng)金龍壩、新塘鄉(xiāng)灰包洞硒型礦泉水水源地完成勘查工作，其中高臺、金龍壩和楠木溝通過湖北省自然資源廳評審和備案。2020年8月，在恩施市境內(nèi)遴選飲用天然礦泉水14處，采集樣品14組，獲硒鍶復(fù)合型礦泉水3處、鍶型礦泉水2處，后者與生態(tài)紅線發(fā)生沖突，3處硒鍶復(fù)合型礦泉水?dāng)M納入恩施市“十四五”礦業(yè)規(guī)劃。硒型礦泉水資源開發(fā)可以帶動水源地周邊鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有利于促進(jìn)鄉(xiāng)村振興。

1 硒型礦泉水成礦條件

礦泉水屬于液體礦產(chǎn)，但其與石油天然氣礦藏的“生儲蓋”嚴(yán)格時空組合不同，其成礦元素來自儲集層和其上的蓋層，尤其是硒型礦泉水，硒元素主要來自蓋層，其次是儲集層。恩施市礦泉水水源地主要受富含硒源地層，儲層類型，褶皺和斷裂構(gòu)造，地形切割，水動力、水循環(huán)條件及水巖作用等因素控制，其中硒源地層是決定因素(表1)。

表1 恩施市硒型飲用天然礦泉水成礦影響因素統(tǒng)計(jì)表

1.1 硒源地層

硒型礦泉水成礦諸多條件中，硒源地層為首要因素。李明龍等[12]通過對恩施地區(qū)廣泛出露的31個巖石地層單位(組)的495件巖石樣品硒含量分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)在地質(zhì)歷史上多個黑色巖系沉積時期為巖石硒元素富集高峰期，最富硒地層為二疊系孤峰組，其次為寒武系牛蹄塘組、奧陶系—志留系龍馬溪組等。早寒武世牛蹄塘期，巖石樣品硒含量均值為32.47 mg/kg；晚奧陶世—早志留世龍馬溪期，巖石樣品硒含量均值為2.14 mg/kg；中二疊世孤峰期—晚二疊世大隆期，巖石樣品硒含量為15.67～175.38 mg/kg。

恩施市達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)[13]的礦泉水硒源地層主要為二疊系中統(tǒng)孤峰組(P2g)含炭硅質(zhì)泥頁巖，如紅土鄉(xiāng)金龍壩、新塘鄉(xiāng)灰包洞、白楊坪鎮(zhèn)找龍壩等；其次是二疊系上統(tǒng)大隆組和下窯組(P3d和P3x)灰黑色薄層硅質(zhì)巖夾含炭質(zhì)頁巖。恩施市硒型礦泉水主要出露在相對隔水層的硒源地層下伏碳酸鹽巖地層中(見圖1)。富硒巖土體硒能否形成含硒礦泉水，受富硒巖土體的風(fēng)化程度、水的腐蝕性及地下水循環(huán)交替條件等因素控制。礦泉水除主要接受降水入滲補(bǔ)給外，同時接受地下水徑流補(bǔ)給，地下水在補(bǔ)給及徑流過程中，水中碳酸根離子與含水層的礦石長期接觸，經(jīng)溶蝕、溶濾、離子交換等化學(xué)作用，不斷溶解巖石中的礦物成分，使水中礦物質(zhì)不斷增加，礦物中的硒溶入水中，并在含水層水體中富集，從而形成了含硒型礦泉水[5]。泉水中硒含量與硒源地層中硒含量呈正相關(guān)，在恩施市雙河地區(qū)魚塘壩采集了一個泉水樣，其硒含量為0.062 mg/L，超過了國家飲用礦泉水界限上限。雖低于雙河地區(qū)魚塘壩，但硒含量相對較高的有沐撫高臺泉、龍洞灣泉、獅子阡泉，白楊坪鎮(zhèn)楠木溝泉、找龍壩泉，紅土鄉(xiāng)金龍壩泉等，泉水中硒含量為0.010～0.022 mg/L，在豐水期硒含量最大，在枯水期和平水期相對較小。

圖1 恩施市硒型礦泉水與含硒地層空間關(guān)系圖[5]

按照出露地及硒源地層和所屬褶皺構(gòu)造等因素將恩施市硒型礦泉水劃分為四個富集帶，即沐撫—高臺富集帶、白楊坪鎮(zhèn)找龍壩富集帶、白楊坪鎮(zhèn)楠木溝富集帶和新塘—紅土富集帶(見圖1)。

1.2 礦泉水儲層類型

恩施市硒型礦泉水儲層類型主要有兩類：第一類是巖溶裂隙型，以沐撫辦事處高臺礦泉水為代表；第二類是巖溶管道型，以紅土鄉(xiāng)金龍壩、新塘鄉(xiāng)灰包洞和白楊坪鎮(zhèn)楠木溝為代表。同等條件下，儲層類型基本上決定了礦泉水涌出量及其動態(tài)變化，詳見表2。

表2 恩施硒型礦泉水儲量統(tǒng)計(jì)表

巖溶裂隙型泉水資源儲量規(guī)模小但水質(zhì)穩(wěn)定，感官指標(biāo)優(yōu)良，動態(tài)穩(wěn)定，常量化學(xué)組分動態(tài)穩(wěn)定。巖溶管道型資源儲量規(guī)模中等—大型，但水質(zhì)變化相對較大，感官指標(biāo)中濁度指標(biāo)有一定變化，常量化學(xué)組分動態(tài)較穩(wěn)定，詳見表3。

表3 恩施市硒型礦泉水枯平豐水期水質(zhì)檢測簡表

1.3 褶皺和斷裂構(gòu)造

恩施硒型礦泉水多出露于褶皺或次級褶皺近核部，褶皺的橫向規(guī)?？刂屏藥r溶管道的發(fā)育規(guī)模，一定程度上控制了泉水資源量。裂隙型泉水主要位于小型斷裂構(gòu)造交匯部位，斷裂破碎作用和裂隙發(fā)育改善了儲層滲透性和導(dǎo)水性物性，斷裂或裂隙也促進(jìn)了硒元素源和匯的溝通，增強(qiáng)了硒從源巖到水中的運(yùn)移和富集。沐撫高臺泉、龍洞灣泉和獅子阡泉空間展布和規(guī)模主要受沐撫背斜及其次級背斜高臺背斜控制，龍洞灣泉和獅子阡泉還受沐撫平移斷層帶裂隙的影響(圖2)。找龍壩礦泉水富集帶和楠木溝礦泉水富集帶主要受白楊復(fù)式向斜帶黃巖路—白楊向斜、三岔背斜等褶皺控制，找龍壩泉位于黃巖路—白楊向斜北西翼近核部，楠木溝溶洞泉則位于白楊向斜南東翼。前者主要受建始斷裂及其次級斷裂影響，后者主要受十里牌斷裂及其次級斷裂構(gòu)造改造影響。

圖2 恩施市構(gòu)造和礦泉水出露位置分布圖

新塘鄉(xiāng)灰包洞—紅土鄉(xiāng)金龍壩硒型礦泉水富集帶受雙河向斜、前坪背斜及天落水背斜和漂水巖向斜等控制，灰包洞溶洞泉出露于前坪背斜北西翼天落水背斜西翼近核部，如圖2-圖3所示。受前坪背斜核部茅口組地層剝蝕殆盡影響，前坪背斜規(guī)模約束了灰包洞礦泉水賦水巖溶管道的規(guī)模，據(jù)調(diào)查可勘測長度約1.2 km，推測長度約4.5 km。

圖3 恩施市灰包洞礦泉水地質(zhì)剖面圖

紅土鄉(xiāng)金龍壩溶洞泉則位于前坪背斜北西翼和漂水巖向斜南東翼，其賦水巖溶管道規(guī)模受前坪背斜橫向規(guī)模甚至官店口背斜橫向規(guī)模控制。

1.4 地形切割

巖溶地區(qū)較大深度地形切割是控制泉水出露的因素，恩施硒型礦泉水出露主要是由清江不同規(guī)模的支流切割形成的。高臺巖溶裂隙型泉水位于清江上游干流左岸斜坡地帶，其他均位于清江支流中低山河谷或溝谷岸坡地帶，沐撫龍洞灣和獅子阡位于云龍河左岸，找龍壩位于渾水河上游找龍壩河源頭。楠木溝泉水位于盆家河上游楠木溝右岸。新塘鄉(xiāng)灰包洞泉水位于清江支流馬尾溝近河口段左岸(見圖3)。金龍壩泉水位于清江支流伍家河近河口段左岸。恩施市硒型礦泉水點(diǎn)出露位置均高于匯入溝谷河流最高水位，泉水補(bǔ)給河谷水。

1.5 水動力、水循環(huán)條件及水巖作用

高臺泉屬于裂隙型泉，高臺礦泉水放射性氚含量<1 TU，而地表水和高臺雨水氚同位素濃度分別為(3.5±0.1)TU和(4.5±0.2)TU[15]。該泉水地下水補(bǔ)給源較遠(yuǎn)，地下水年齡>30年，地下水運(yùn)移時間長，并在運(yùn)移過程中贏得了長期溶濾高硒高鍶圍巖的作用時間，水動力較弱，地下水巖作用時間長，從而使礦泉水水質(zhì)保持一個較穩(wěn)定的狀態(tài)。豐、平、枯水期水質(zhì)變化較小，較穩(wěn)定。

紅土鄉(xiāng)金龍壩礦泉水屬于溶洞型泉水，泉水流量大，水動力強(qiáng)，泉水放射性氚含量(2.2±0.1)TU[16]，而地表水和雨水氚同位素濃度分別為(2.4±0.1)TU和(2.5±0.1)TU。該泉水具備潛水或淺層承壓水等現(xiàn)代循環(huán)水的氚特征，含有一定的現(xiàn)代補(bǔ)給量，徑流條件較好，地下水水巖作用時間相對較短，泉水水質(zhì)相對不穩(wěn)定。

恩施市硒型礦泉水單點(diǎn)評價(jià)較少，水的年齡、循環(huán)時間長短對硒含量影響程度暫時沒有發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律。

2 成礦預(yù)測

恩施市硒型礦泉水成礦條件具有以下特征：第一有硒源地層(以二疊系中統(tǒng)孤峰組為主，其次為二疊系上統(tǒng)大隆組)分布；第二有發(fā)育厚度較大、物性良好的碳酸鹽巖儲層(以二疊系中統(tǒng)茅口組為主，其次為二疊系上統(tǒng)下窯組)；第三，受控褶皺構(gòu)造有一定規(guī)模，為流量較大的泉水補(bǔ)徑排提供空間，受區(qū)域次級斷層或裂隙改造巖溶發(fā)育部位具備良好的儲存和水巖作用空間；第四有良好的地形切割，使得泉水出露于地下水密集帶排泄部位。

根據(jù)上述特征，疊合上述因素和已經(jīng)調(diào)查的泉點(diǎn)出露位置、流量特征，預(yù)測了3個可能的硒型礦泉水富集帶，分別為雙龍、芭蕉—盛家壩、雙河—木栗園富集帶(見圖4)，供后續(xù)調(diào)查與評價(jià)，為恩施市提供硒型礦泉水后備水源地。

圖4 恩施市硒型飲用天然礦泉水預(yù)測圖

3 開發(fā)利用建議

恩施市硒型礦泉水分布相對比較集中，對礦泉水開發(fā)和利用提出了較高要求，不但要考慮礦泉水水質(zhì)、土地利用規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境、保護(hù)區(qū)劃分、允許開采量、交通條件，也要考慮市場需求和產(chǎn)品細(xì)分等各個方面。筆者以紅土鄉(xiāng)金龍壩硒型礦泉水為例，重點(diǎn)從地質(zhì)環(huán)境、允許開采量和產(chǎn)品細(xì)分三方面提出開發(fā)利用建議。

3.1 地質(zhì)環(huán)境

金龍壩硒型礦泉水位于清江支流伍家河近河口段左岸，行政上屬于紅土鄉(xiāng)老村管轄，水源地地質(zhì)環(huán)境狀況良好，如圖5所示。

圖5 紅土鄉(xiāng)金龍壩礦泉水開發(fā)利用圖

(1)除洞口有少數(shù)村民的引水細(xì)管外，其環(huán)境現(xiàn)狀均保持天然狀態(tài)。

(2)泉水天然出露，允許開采量和設(shè)計(jì)開采規(guī)模遠(yuǎn)小于天然資源量，不存在地下水被抽干、破壞含水層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)環(huán)境問題。

(3)建議開采方式利用勢能原理將水管引水至廠區(qū)，僅是引水管道占地和廠房占地等，對環(huán)境影響較小。

(4)排泄區(qū)附近斜坡坡度達(dá)35°～75°，裂縫發(fā)育，尤其在泉點(diǎn)下側(cè)和牧場溝近溝口段見到大小不一的滾石，推測陡坡上的巖石曾發(fā)生過崩塌。開發(fā)過程中應(yīng)注意避開崩塌等地質(zhì)災(zāi)害影響范圍。擬設(shè)廠房區(qū)右側(cè)有人工堆積斜坡一處，長100 m，寬20～30 m，為村民修路堆積斜坡，雨后在斜坡邊緣已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有長約2 m、寬1～5 cm拉裂縫，應(yīng)注意該斜坡體的安全問題。

礦泉水開發(fā)利用過程中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范分三級保護(hù)區(qū)保護(hù)礦泉水水源地，做好泉域內(nèi)衛(wèi)生保護(hù)工作。

3.2 允許開采量

根據(jù)《天然礦泉水資源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB/T 13727—2016)要求，對于天然涌出的礦泉水水源，可依據(jù)泉水動態(tài)連續(xù)監(jiān)測資料，按泉水流量衰減方程或以天然礦泉水多年枯水期最小流量80%推算允許開采量。經(jīng)過一個水文年監(jiān)測，枯水期最小日流量為6 362.77 m3/d[16]。

(1)根據(jù)監(jiān)測期枯水期降雨量與多年枯水期降雨量均值估算。恩施雨量站和紅土鄉(xiāng)紅土溪雨量站監(jiān)測期枯水期(2019年12月—2020年2月)降雨量分別為169.5 mm和141 mm，多年枯水期降雨量分別為94.4 mm和97.3 mm?？紤]到紅土溪雨量站建站較晚和級別較低，取紅土溪雨量站和恩施雨量站平均值計(jì)算，監(jiān)測期枯水期降雨量為155.25 mm，多年(歷史均值)枯水期降雨量為95.85 mm。

Q多年枯日最小=6 362.77 m3/d×95.85÷155.25=3 928.32 m3/d

(2)根據(jù)監(jiān)測期年降雨量與多年枯水期年降雨量均值估算。由于紅土溪雨量站建站較晚，本次報(bào)告長期雨量值采用恩施雨量站長期數(shù)據(jù)計(jì)算，如表4所示。代表年法是按規(guī)定設(shè)計(jì)保證率(P=50%、P=75%、P=95%)，從具代表性長系列降雨量資料中排頻得出符合設(shè)計(jì)保證率要求和實(shí)際豐枯情況的年份(即代表年)。監(jiān)測期取2019年7月—2020年6月的降雨量為年降雨量，為1 215 mm。

表4 恩施雨量站排頻表

Q枯日最小=6 362.77 m3/d×1 211÷1 215=6 341.82 m3/d。即滿足P=75%保證率下的泉水枯水年最小日流量為6 341.82 m3/d；

Q特枯日最小=6 362.77 m3/d×1 026÷1 215=5 373.01 m3/d，即滿足P=95%保證率下的泉水枯水年最小日流量為5 373.01 m3/d。

(3)根據(jù)布辛奈斯克流量衰減方程估算：

Qn=Qmin×365

Qmin=Q0e-αt

式中：Qn為推測泉年可開采資源量；Qmin為推算枯水期最小流量；Q0為枯水期開始時泉流量；α為含水層賦存量衰減系數(shù)；t為枯水期開始至監(jiān)測最小流量所經(jīng)歷的天數(shù)；Q為長期觀測期間最小泉流量。

據(jù)一個水文年長觀監(jiān)測資料，枯水期開始至最小流量延續(xù)時間為12月5日—次年2月29日，布辛奈斯克流量衰減方程參數(shù)和計(jì)算值如表5。

表5 布辛奈斯克流量衰減方程參數(shù)和計(jì)算值表

取最不利情況或者最保守情況下多年枯水期流量為三種計(jì)算方法中的最小值3 928.32 m3/d。該允許開采量已經(jīng)經(jīng)過湖北省自然資源廳儲量評審中心審查通過備案。在開發(fā)利用過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守不大于該開采量開采。

3.3 產(chǎn)品細(xì)分

中國礦泉水市場硒型礦泉水為稀缺品種，目前上市僅有潤田翠天然含硒礦泉水。恩施市硒型礦泉水產(chǎn)品定位為硒型健康水，主打高端礦泉水市場目標(biāo)人群為高收入人群，如企業(yè)老板、公司高管、時尚人士，兼顧中低端市場，目標(biāo)人群為工薪階層、普通百姓等。硒型礦泉水開發(fā)應(yīng)在品牌化、差異化、場景化、包裝等方面做足文章，產(chǎn)品細(xì)分建議為4個品種“一桶三瓶”,即18.9×104m3年產(chǎn)18.9 L桶裝水1 000萬桶；5×104m3為5 L瓶裝水1 000萬瓶；15×104m3為1.5 L瓶裝水10 000萬瓶；其余17.7×104m3，可裝500 mL瓶裝礦泉水35 400萬瓶。按年生產(chǎn)300 d，可建設(shè)年生產(chǎn)300×3 142.65×0.6[17]=56.6×104m3的生產(chǎn)線。

恩施市硒型礦泉水開發(fā)可引進(jìn)大型飲用水企業(yè)和本土企業(yè)以及鄉(xiāng)村組建股份制飲用水生產(chǎn)企業(yè)，高度重視品牌建設(shè)和高端飲用礦泉水安全生產(chǎn)與銷售宣傳工作，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興。

4 結(jié)論

(1)恩施市硒型礦泉水主要有四個富集帶，即沐撫—高臺富集帶、白楊坪鎮(zhèn)找龍壩富集帶、白楊坪鎮(zhèn)楠木溝富集帶和新塘—紅土富集帶。

(2)恩施市礦泉水成礦條件主要有富含硒源地層，泉水儲集層類型，控制地層展布的褶皺和斷裂構(gòu)造，控制泉水出露的地形切割，水動力、水循環(huán)條件及水巖作用等因素，其中硒源地層是根本條件。巖溶裂隙型泉多為小型，巖溶管道型泉多為中等—大型?？氐V褶皺構(gòu)造規(guī)?；究刂屏藥r溶管道的規(guī)模和泉水資源量的大小。

(3)根據(jù)恩施市硒型礦泉水成礦條件，疊合恩施市已有大泉或地下河出口分布及流量，本文預(yù)測了3個可能的硒型礦泉水富集帶，即雙龍、芭蕉—盛家壩、雙河—木栗園等富集帶，供后續(xù)調(diào)查取證甚至勘查開發(fā)。

(4)恩施市硒型礦泉水分布相對比較集中，這對礦泉水開發(fā)和利用提出了較高要求，不但要考慮土地利用規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境、保護(hù)區(qū)劃分、允許開采量、交通條件，更要考慮產(chǎn)品細(xì)分等方面的因素。