淄博市淄川區飲用天然礦泉水賦存條件與形成機理研究

吳立新

(山東省地質調查院，山東 濟南 250013)

水是生命之源，水的質量問題一直為人類社會所關注，近年來，對礦泉水的研究已成為一項熱點課題[1-4]。淄博市淄川區是一處具有代表性的礦泉水產出地，其地處泰沂山脈北部，山巒起伏，地勢陡峻、溝谷切割縱深，總面積約178km2。古生代寒武紀、奧陶紀碳酸鹽巖地層廣布，構成山域廣闊的中低山單斜區。特有的水文地球化學環境，相對獨立的儲水構造，匯集了比較豐富且運移流暢的碳酸鹽巖裂隙巖溶地下水，為礦泉水的形成創造了天然條件。根據該區地質和水文地質資料, 對礦泉水的賦存特征及形成機理進行初步研究。

1 區域地質

1.1 地層

區域地層屬華北地層大區、晉冀魯豫地層區、魯西地層分區、淄博-新泰地層小區。出露古生代寒武紀、奧陶紀和第四紀地層。其中，寒武紀地層遍布整個研究區，自南而北、由老至新依次出露有寒武紀長清群饅頭組，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、鮞粒灰巖、黃綠色頁巖、泥質灰巖及薄層灰巖互層為主，是該區主要目的含水層所在。奧陶紀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。巖性以泥質白云巖、微晶白云巖、純灰巖夾有薄層白云質灰巖為主。第四紀地層分布于區內溝谷和山澗洼地，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，礫石成分以石灰巖為主。

1.2 構造

研究區地質構造總體特征褶皺不發育，斷裂構造較發育。主要斷裂有： ①淄河斷裂帶：沿淄河河谷發育，總體走向NE 35°，主斷裂傾向SE，傾角60°～70°，平面延伸距離達60km，水平斷距約13km。②紫峪-東莊斷裂：位于研究區東南，北起紫峪村，向南西延伸至博山區池上鄉東莊村西，長度約600m，走向NE，傾向NW，發育在寒武紀地層內，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，EW走向，傾向S，傾角70°，斷距近100m，延伸長度約500m，斷層發育在寒武紀炒米店組和三山子組。

1.3 巖漿巖

巖漿巖分布于區內北部東太河村、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，粒狀結構、塊狀構造。礦物成分主要有斜長石、角閃石、石英等。

2 水文地質概況

研究區處于淄博向斜盆地東南、淄河以東單斜區，西側淄河斷裂帶、南側葦園-尹家峪斷裂、東部淄河與彌河分水嶺將研究區構筑為一相對獨立單斜構造水文地質單元。地下水類型按照含水層性質，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造裂隙水3大類。

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

(2)巖漿巖類風化裂隙水分布在研究區南側的魯山地帶和太河鎮東嶺莊、新莊一帶，風化層厚度10～20m，含水層厚度5～15m，地下水儲存于巖漿巖裂隙和風化層內，地下水補給來源主要靠大氣降水入滲補給，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巖，含水層厚度一般介于6～10m，最厚可達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。根據鉆孔抽水試驗成果，單孔涌水量一般200～240m3/d，最大可達770m3/d。

3 礦泉水賦存特征

區內29眼井泉監測點飲用天然礦泉水檢測結果顯示，枯、豐水期鍶檢出率均為100%，達標率分別為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%，達標率分別為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。根據檢測結果，研究區存在鍶型、鋰型和鍶鋰復合型3種類型。

3.1 鍶型礦泉水

鍶含量差異較大，分析發現，其含量變化具有一定的規律性，即鍶含量在研究區內自南而北依次降低，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；在淄河鎮幸福溝谷內其規律大致相同，溝谷南端西股村井含量達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。研究區鍶離子含量變化見圖1。

圖1 研究區鍶離子含量分區圖

①低值區(鍶含量<0.2mg/L)。分布于峨莊鄉北部的西石村、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(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，接近于礦泉水標準。

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

④高值區(鍶含量>1.0mg/L)。以點狀分布于太河鎮的下島坪、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，達到鍶型礦泉水標準，上雀峪井鍶含量高達6.79mg/L，為全區最高檢出值。

3.2 鋰型礦泉水

鋰在29個水井的地下水中的檢出率不足50%，達標率10.34%。鋰型礦泉水和鋰鍶復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，占研究區面積的2.81%，鋰含量變化見圖2。

圖2 研究區鋰離子含量分區圖

4 礦泉水形成機理分析

4.1 巖石物源條件

礦泉水的形成需要豐富的物質來源，為查明鍶、鋰等的物質來源，按照相關標準[5-8]，于研究區采集33件巖石樣品進行巖礦分析，巖石樣品包括不同地質年代、不同深度的頁巖、純灰巖、結晶灰巖、竹葉狀灰巖、板狀灰巖、片麻巖、閃長巖和主要含水層張夏組鮞狀石灰巖。測試結果顯示，鍶、鋰元素在研究區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、鋰含量統計 10-6

通過對石灰巖、頁巖和主要含水層鮞狀灰巖中鍶、鋰統計，鍶元素在鮞狀灰巖中的均值含量為443×10-6，石灰巖中的均值含量為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，石灰巖中的值含量為34.13×10-6，鮞狀灰巖最低，均值含量為34.11×10-6。

鍶元素在地殼中的豐度值為375×10-6，研究區頁巖平均值為341×10-6，低于地殼豐度值，石灰巖和鮞狀灰巖鍶平均值分別為438×10-6和443×10-6，均大于地殼豐度值，從元素地球化學觀點，鍶的離子半徑與鈣相近，碳酸鹽巖在形成過程中，同時捕獲了鍶，分散元素鍶能夠進入到各種富鈣或鉀的礦物之中。研究區廣泛分布寒武紀碳酸鹽巖地層，石灰巖尤其是鮞狀灰巖中豐富的鍶元素，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60×10-6，碳酸鹽巖最低。研究區鋰的測試數據與此比較吻合，頁巖均值含量最高為43.12×10-6，略大于地殼豐度值，石灰巖和鮞狀灰巖含量較低，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，是因為鋰元素容易被錳土膠體所吸附，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，導致鋰元素得以在頁巖中存積。

4.2 地下水水動力條件

根據鉆孔揭露資料，崮山組、張夏組含水層厚度可達20余米，上部覆蓋厚140～190m的崮山組頁巖和薄層石灰巖，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構造影響，巖石裂隙巖溶比較發育，為地下水的儲存創造了良好空間，研究區山勢陡峻，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，含水層接受大氣降水入滲補給后，地下水沿灰巖裂隙巖溶由南而北運動、循環交替條件良好，運移途中可對含鍶巖石進行充分溶蝕溶解，為礦泉水的形成創造了重要的水動力條件。

4.3 地下水水化學條件

研究區地處中低山區，林業發達，植被茂密，人煙相對稀少，腐殖質經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，對地下巖層產生溶解、溶濾作用，寒武紀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，隨著溶解過程的進行，巖石中的鍶元素大量進入地下水中，鍶礦物(SrCO3)與含CO2的水相互作用時，其反應為：

SrCO3+H+=HCO3-+Sr2+

隨著溶濾作用的不斷進行，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，整個碳酸體系達到平衡，各類組分含量相對穩定下來，鍶含量也受碳酸平衡的影響趨于穩定，達到目前的含量水平。

5 結論

研究區廣泛分布寒武紀石灰巖和頁巖，石灰巖尤其是鮞狀灰巖鍶元素含量豐富，頁巖中鋰元素含量相對豐富，為飲用天然礦泉水的生成提供了重要物質來源。外加區域上利于對礦物元素溶解的良好的循環交替水動力條件和水化學條件，為飲用天然礦泉水的生成提供了重要外在因素。

參考文獻：

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

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