阳泉市郊区张华沟饮用天然矿泉水性质特征及其成因分析

时间：2024-05-23

王浩乾李龙郭政斌王波涛雷鹏

摘要：对山西省阳泉市郊区河底镇曹家掌村张华沟内的饮用天然矿泉水的赋存地质条件进行了研究。并对S02号泉眼在丰水期、枯水期及平水期进行了水质化验分析和流量测定。对周围岩石进行采样及岩石光谱分析。根据天然矿泉水的性质特征，分析认为该矿泉水类型为含钒锶饮用天然矿泉水，曹家掌村张华沟饮用天然矿泉水成因与该区的地质构造条件、岩石地球化学条件、水文地球化学条件等密切相关。

关键词：曹家掌村;矿泉水;性质特征;地球化学分析;锶;钒

中图分类号：P641.5+1 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）24-0055-08

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.24.014 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of formation causes and features of natural mineral water in Zhanghua valley of Yangquan city suburb

WANG Hao-qian，LI Long，GUO Zheng-bin，WANG Bo-tao，LEI Peng

（No.3 Bureau of China Metallurgical Geology Bureau，Taiyuan 030000，China）

Abstract： The water bearing condition of natural mineral wate was studied in Zhanghua valley， Caojiazhang village， Hedi town， Yangquan city suburb，Shanxi province. The characteristics and water flow of S02 spring water in high flow period， dry period and normal-water period were studied. The surrounding rocks were sampled and analyzed by rock spectrum. According to the features of natural mineral water， it is considered that the type of the natural drinking mineral water contained the V and Sr. The genesis of drinking natural mineral water from Zhanghua valley in Caojiazhang village was closely related to the geological structure， petrogeochemistry and hydrogeochemistry of the area.

Key words： Caojiazhang village; mineral water; nature features; geochemical analysis; strontium; vanadium

山西省陽泉市郊区河底镇曹家掌村张华沟内出露5个泉眼，位于阳泉市河底镇西南刘备山北部张华沟内，北东距河底镇5 km，出露高程1 037.55～1 088.75 m。

阳泉市郊区属暖温带大陆性季风气候，四季变化比较明显，春多风沙，夏秋多雨，冬季干寒。年平均气温10.8 ℃，年平均降水量547.2 mm，年降水量分布不均，每年6—9月为丰水期，3—5月为枯水期，其余月份为平水期。年平均相对湿度54%，冻土最大深度68 cm。

阳泉市郊区属于海河流域滹沱河水系[1]，泉眼所在张华沟为桃河四级支沟（桃河-温河-曹家掌沟-张华沟），张华沟地表常年有水，地表水流由沟谷内泉水汇集而成，由西南向东北汇入三交河后再汇入温河，流入桃河，桃河为滹沱河支流。

研究区内总的地势为西南高东北低，属中-低山区，海拔多在1 032～1 298 m，相对高差266 m。最高峰为窑头山，海拔1 298 m，最低点位于张华沟东北部，海拔1 032 m，地形地貌为侵蚀构造类型。区内山体多呈北东向展布。泉眼出露位于张华沟，沟谷长约3.2 km，断面呈U字形，底部宽度50 m左右，沟谷两侧斜坡坡度一般为18°～20°，局部可达35°;南部梁卯展布方向大致为东西向，较为宽缓，东西两侧梁卯大致呈西南-东北方向展布，较为狭长。沟谷东西两侧发育数条小支沟，长度200～500 m。

1 矿泉水赋存的地质背景

1.1 矿泉水赋存的地质条件

1.1.1 地层岩性研究区内地层属华北地层区晋冀鲁豫地层分区[2]，区内大部基岩出露，呈北东向展布，风化较为强烈，仅在沟谷底部覆盖有少量第四系。出露的基岩地层为二叠系下石盒子组（P1x）、上统上石盒子组（P2s）（图1）。区内未见岩浆岩。

1.1.2 地质构造研究区在大地构造位置上处于中朝地台（Ⅰ）山西幔隆（Ⅱ）沁水块坳（Ⅲ）的东北部娘子关-坪头坳缘翘起带（Ⅳ）[3]。受区域地质构造的控制和影响，区内总体为一走向北东、倾向北西的单斜构造。在这一单斜构造之上，发育了一些次一级的短轴背、向斜，这些次级构造多呈北东或近南北向展布。区内地层总体走向为北东、倾向北西，倾角4°～9°。

区内主要可见3组节理产出，分别为1组层间节理和2组垂直节理，部分节理发生少量位移形成裂隙，主要在砂岩中发育（图2a、图2b、图2c、图2d）。1组为层间节理，顺层产出或与岩层小角度相交产出，倾向北西，倾角5°～15°，节理裂隙间无充填，产出密度为5～8条/m。此外，2组为垂直节理，1组节理走向为35°～55°，倾角65°～75°，密度为8～10条/m;另1组节理走向为310°～340°，倾角为70°～85°，此2组节理呈大角度相交状，密度为6～9条/m（图2e、图2f）。部分节理发生位移形成裂隙，野外调查发现裂隙宽通常为5～60 cm，最大宽度为1 m，延伸长度通常为15～100 cm，最大长度为6 m，裂隙间无充填物（图2a、图2b、图2c、图2d）。这2组节理为张性节理，是在新构造运动下间歇性上升形成的。

1.2 矿泉水赋存的水文地质特征

1.2.1 含水层特征根据地下水的赋存条件、物理性质及水动力特征，含水层内地下水主要为碎屑岩类裂隙水和松散岩类孔隙水。

1）碎屑岩类裂隙水。含水层赋存于二叠系上、下石盒子组地层中，岩性为K9、K10、K11砂岩，贮存空间为构造节理和层面裂隙，多以层间裂隙水存在。砂岩与隔水性能强的砂质页岩、页岩相间沉积，受沟谷切割影响，含水层在接受大气降水后，形成地下径流，在合适的地段以泉的形式涌出。由于呈层状产出，间夹隔水体，不同层位的含水层构成若干小的含水系统，其间有水力联系。一般含水层单层厚小于20 m。

2）松散岩类孔隙水。赋存在张华沟沟谷底部，底部岩性为冲洪积砂卵砾石、碎石，上部为粉土，厚度0～2 m。除接受基岩裂隙水的侧向补给外还接受大气降水的入渗补给。在排泄方式上，除一部分蒸发和向下游排泄以外，部分为人工开采，大部分地下水沿著沟谷向下游径流、排泄。

1.2.2 相对隔水层特征相对隔水层为二叠系地层中的页岩、砂质页岩，在水源地调查区内大概可见4层，分别为二叠系上石盒子组二段页岩、砂质页岩，位于K12与K11砂岩之间;二叠系上石盒子组一段页岩、砂质页岩，位于K11与K10砂岩之间;下石盒子组3段砂质页岩，位于K10与K9砂岩之间。页岩透水性差，在垂向上与各含水层呈平行互层结构，使各含隔水层（体）多处于分散间隔状态，失去了相邻含水层间的水力联系而各自形成独立的含水体系，被地表沟谷切割常沿隔水层顶板出露形成泉水。泉S01-05均出露于砂岩地层中，下部地层均为页岩。区内地下水类型为碎屑岩类裂隙水，具有潜水性质。

2 矿泉水特征

2.1 水质动态

本次饮用天然矿泉水水质检验项目、样品采集和保存[4]、检验方法参照《天然矿泉水资源地质勘查规范》[5]《饮用天然矿泉水国家标准》[6]和《饮用天然矿泉水检验标准》[7]。在S02泉按2017年丰水期、平水期和枯水期分别采样送国土资源部太原矿产资源监督检测中心进行了天然矿泉水水质全分析，根据水质检测报告对该泉水水质进行评价。

分析结果表明，该山泉水中微量元素锶（Sr）和钒（V）含量均达到界限指标与国家标准[6]，检测结果表明，锶含量0.334～0.780 mg/L，钒含量0.029 6～0.072 0 mg/L。主要组分有溶解性总固体341～451 mg/L，钠含量0.97～64.80 mg/L，钾含量0.44～0.93 mg/L，钙含量40.8～55.8 mg/L，镁含量7.57～11.30 mg/L，重碳酸根含量148～262 mg/L，氯化物含量7.43～8.36 mg/L，硫酸根含量47.9～85.2 mg/L，变化较小，水质动态稳定（表1）。水化学类型为HCO3-SO4-Ca型，水化学类型稳定。

2.2 水质评价

S02泉水无色、无味、无嗅、透明纯净（表2），泉水中锶（Sr）的含量为0.334～0.780 mg/L，钒含量为0.029 6～0.072 0 mg/L（表3），污染物指标（表4）、各项限量指标（表5）、微生物指标（表6）也均符合国家标准[6]，可命名为含钒锶饮用天然矿泉水，长期饮用对人体起到保健作用。

钒并无国家规定标准[8]，但钒是人体正常生长所必需的微量元素，具有降低血糖的作用，含钒水可以改善及增强人体各方面代谢功能，从而可以改善与缓解糖尿病患者多种综合代谢障碍。

2.3 水量动态

2017年3—12月对编号为S02的泉眼进行了流量的动态观测工作，观测频率为每月3次。观测结果表明，最大泉流量出现在2017年8月，为6.47 m3/h;最小泉流量出现在2017年4月，为5.09 m3/h。

泉流量随降水补充略有变化，2017年3—5月为枯水期，降水量很小，随向下游径流及排出水量消耗减压，泉流量略有减小，平均流量为5.10 m3/h。6—9月为丰水期，降水量较大，地下水得到补充，泉流量增大，平均流量为6.05 m3/h。10—12月为平水期，泉流量介于两者之间，平均流量为5.25 m3/h。

3 成因分析

3.1 矿泉水形成的地质构造条件

地下水的运移和富集既与地层、岩性有关，又受地质构造控制[9]。区内节理十分发育，纵横交错。其结构面力学性质均系张性、张扭性，开启程度好，裂隙空间导水性强，这为地下水的移运和富集提供了理想的通道和赋存空间。大气降水沿节理裂隙入渗补给，由于区域地壳间歇性上升，地表水下蚀作用，在厚层砂岩（K9、K10、K11）与下伏砂质页岩接触处形成多处侵蚀下降泉。

3.2 矿泉水形成的岩石地球化学条件

地下水化学成分形成主要取决于碎屑岩的矿物成分、化学成分[10]。通过对区内出露岩性连续采样（图3a、图3b）及光谱分析（表7）可知，区内岩性普遍含有元素钒和锶，但是不同岩性之间的含量差异较大。其中上石盒子组、下石盒子组中浅色砂岩中钒和锶的含量普遍较低，钒的含量为0.002%～0.008%，锶的含量为0.002%～0.008%。上石盒子组碎屑岩中砂质页岩中锶含量最高达0.045%、钒含量最高达0.017%，铁锰结核锶含量达0.036%、钒含量达0.017%。

因此，张华沟内钒和锶主要赋存于锰铁质结核和各色砂质页岩中，在水解的过程中为水中钒、锶的来源提供了物质基础。

3.3 矿泉水形成的水文地球化学条件

碎屑岩裂隙水化学成分的主要作用是大气降水入渗和裂隙水在碎屑岩中贮存、运移过程中对岩石各类矿物质的溶滤作用（溶滤作用是一种复杂的物理化学作用），影响溶滤作用的因素很多，但主要与岩石的矿物成分、化学成分和大气降水成分有关[11]。

3.3.1 裂隙水主要组分（即流量组分）形成张华沟内上石盒子组碎屑岩主要为长石石英砂岩、各色砂质页岩，主要矿物成分为长石、石英和黏土矿物，主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MnO、Na2O等，降水入渗和裂隙水在碎屑岩中贮存、运移过程中对矿物溶滤（物理化学作用）[12]，在裂隙水中形成了主要阳离子Ca2+、Na+、Mg2+和主要阴离子HCO3-、SO42-。

3.3.2 裂隙水中界限指标元素形成

1）地球化学研究成果表明，锶是地球内较丰富的微量元素之一[8]，从地核到地壳锶的含量逐渐增加，地壳上部泥质碳酸盐岩和砂质页岩中易富集，含量可达0.078%;钒在地壳上部黏土岩和含有机物砂质页岩中、铁锰结核矿物中富集，含量达0.016%。

2）根据岩石光谱分析结果可知，水源地调查区上石盒子组碎屑岩中各色砂质页岩锶含量达0.045%、钒含量达0.017%，铁锰结核锶含量达0.036%、钒含量达0.017%。调查区上石盒子组碎屑岩各色砂质页岩和铁锰结核中锶、钒含量与地球化学研究成果一致。

3）裂隙水中界限指标元素组成。大气降水入渗和裂隙水在碎屑岩中贮存、运移过程中，对砂质页岩、页岩、铁锰结核中含锶、钒矿物的溶滤，使锶、钒以离子或络离子状态进入裂隙水中。S02泉水丰水期、平水期、枯水期3次采样检测结果表明，锶的含量为0.334～0.780 mg/L，钒的含量为0.029 6～0.072 0 mg/L。

4 小结

山西省阳泉市郊区河底镇曹家掌村张华沟泉赋存于二叠系上石盒子组砂岩节理裂隙中，是大气降水入渗和裂隙水在碎屑岩中贮存、运移过程中经溶滤作用形成。研究区内节理裂隙十分发育，纵横交错。其裂隙空间由于导水性强，为地下水的移运和富集提供了理想的通道和赋存空间。在构造和地貌有利部位以泉的形式出露于地表，形成侵蚀下降泉。研究区内大气降水主要通过裂隙渗透补给，在沿裂隙向深部移运循环过程中，在长期与周围岩石进行水解和溶滤作用过程中，使得岩石中的含锶、钒等矿物发生水解，锶、钒等一系列组分溶于水中，从而使得地下水成为含钒锶矿泉水。

参考文献：

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[2] 山西省地质矿产局.山西省岩石地层[M].武汉：中国地质大学出版社，1997.

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[5] GB/T 13727-2016，天然矿泉水资源地质勘查规范[S].

[6] GB8537-2008，饮用天然矿泉水[S].

[7] GB/T 8538-2008，饮用天然矿泉水检验方法[S].

[8] 韩修德.含钒矿泉水-引领健康饮水新潮流[N].济南时报，2014-06-19（17-18）.

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[10] 刘英俊，曹励明，李兆麟，等.元素地球化学[M].北京：科学出版社，1984.

[11] 许佩瑶，丁志農.含锶饮用天然矿泉水的形成[J].勘察科学技术，1997（5）：36-38.