贵州夜郎坝构造盆地富锶矿泉水成因及赋存特征研究

田小林

(贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州 遵义 563000)

夜郎坝构造盆地位于贵州省桐梓县中部夜郎镇及新站镇一带，总体呈环状分布，主要发育侏罗系(J)互层状砂岩及泥岩地层，盆地中多处泉水点及地下水机井水质中锶(Sr)含量异常偏高，大部分达到现行国家饮用天然矿泉水标准要求，反映了该区具有明显的锶异常显示，同时揭示了夜郎坝构造盆地具备锶型饮用天然矿泉水形成的良好水文地质条件。随着贵州省大力发展饮用天然矿泉水产业及地方社会经济发展对优质矿泉水的需求，加大对该区矿泉水成因及赋存特征的综合分析研究，对科学合理勘查及开发该区矿泉水资源尤为重要，同时也为其它类似构造盆地区域矿泉水资源的研究具有一定的参考和借鉴意义。

1 研究区概况

夜郎坝地区地在区域上位于川黔南北向构造带与北东向构造带交接复合部位，扬子准地台黔北台隆遵义断拱之毕节北东向构造变形区与凤冈北北东向构造变形区接壤地带，区域构造形迹以北东向、北北东向及近南北向褶皱、断裂为主[1]，受多期构造应力挤压变形和交接复合作用，形成一系列北北东向复杂而规律的封闭褶皱，夜郎坝向斜即为封闭褶皱中环状构造盆地之一，由捷阵溪、胜利及新站三支箕状向斜分别按N30°E、N55°E及N75°E相交构成，交汇点位于夜郎镇附近的夜郎河谷，是盆地的中心及最低处，高程540 m左右，盆地四周群山环绕，高程1 100 m左右，由盆地中心至盆地外缘为侵蚀斜坡，地形起伏大，相对高差600 m左右。盆地发育地层主要由侏罗系(J)紫红色砂岩及泥岩互层状沉积而成，砂岩富含基岩裂隙水，泉水点一般流量10～30 m3/d、地下水机井涌水量50～200 m3/d，水质中锶(Sr)含量0.1～2.0 mg/L；盆地外缘主要发育三叠系(T)及二叠系(P)碳酸盐岩，富含丰富的岩溶水，因侏罗系(J)砂岩含水层之间互层状分布的泥岩阻水作用，决定了盆地外缘岩溶水与盆地中基岩裂隙水之间无水力联系产生，造就了研究区是以侏罗系砂岩为含水层、具有独立补径排条件的浅埋沉积盆地型储水构造，地下水形成条件较好，存在明显的锶异常及富集成为锶型矿泉水的条件(图1)。

图1 研究区水文地质略图

2 水文地质条件

2.1 含水岩组

含水岩组是控制地下水形成、分布和富集的关键因素，主要体现为含水岩组的富水性[2]。研究区出露地层由盆地中心至外缘环状分布侏罗系蓬莱镇组(J3p)、遂宁组(J2sn)、上沙溪庙组(J2s)、下沙溪庙组(J2x)及自流井群(J1-2zl)，主要岩性以砂岩和泥岩不等厚互层状产出，其中砂岩风化裂隙、层间裂隙和构造裂隙较为发育，一般泉流量0.005～2.0 L/s、枯季地下水径流模数1～2 L/s·km2、钻孔单位涌水量0.01～0.3 L/s·m，总体富水性弱，但相对泥岩较强，是区内地下水的主要含水层，泥岩则因弱透水性而构成砂岩含水层之间的隔水层，其富水性极弱，基本不含或含有很少的地下水。根据钻孔揭露地层结构显示，同一含水岩组中砂岩层因泥岩阻隔形成的层数多达6～8层，一般厚度25～40 m，而泥岩厚度一般为20～30 m。以上情况说明砂岩是区内地下水主要含水层，亦揭示锶(Sr)元素的富集乃至矿泉水的形成与砂岩密切相关。

2.2 地下水补给

研究区地下水主要接受大气降水入渗补给，其次为夜郎河地表水渗入补给，不同地层因分布及含水层结构的不同其补给条件差异极为明显[3]。上沙溪庙组(J2s)、遂宁组(J2sn)及蓬莱镇组(J3p)地层在盆地中大面积出露，补给区分布面积广，加之处于盆地中部，地形相对较为平缓，极有利于大气降水和地表河水入渗补给，地下水补给条件较好；自流井群(J1-2zl)及下沙溪庙组(J2x)地层出露于盆地内侧边缘，呈条带状环形展布，补给区分布面积小，加之处于盆地斜坡近顶部，地形坡度较陡，地下水补给条件较差。另外，由于区内含水岩组在垂向上均为砂岩与泥岩的互层状产出，地下水在上下砂岩含水层之间补给及运移途径受阻，致使同一含水层主要依托在地表出露端接受补给，出露面积越大、补给条件越好，反之则越差。

2.3 地下水径流

区内地下水的径流主要受地形地貌、地层岩性及含水层结构综合控制。由于盆心低矮、地形平缓，四周群山环抱、坡度较陡，地下水在重力和静水压力作用下，总体由盆地四周向盆心径流，无统一的径流方向，在平面上属分散径流类型。含水岩组由砂岩和泥岩垂向互层状构成，受泥岩的阻水作用，限制地下水只能在同一层砂岩含水层中运移和径流，在垂向上表现为多层运移、各自径流的特点，且地下水一般具有承压性，越往盆地中心水头压力越大，承压性越强，如区内Z1—Z3号机井静止水位均为0 m、Z4号机井为自流(水头+0.2 m)。另外，受中间低、四周高地形地貌的控制，从盆地外缘至盆底斜坡地带地下水径流较为迅速，在盆地中部因地形相对平缓而地下水径流相对滞缓(表1)。

表1 地下水机井特征统计表

2.4 地下水排泄

区内地下水的排泄主要受地形地貌、地层岩性及区域最低排泄基准面控制，排泄方式主要有天然排泄和人工排泄两种。在盆地斜坡地带，一方面因地形侵蚀切割含水层，切断了地下水的运移和径流通道，地下水则以基岩裂隙泉形式天然排泄，另一方面因含水层之间或砂岩与泥岩之间含水性的差异，受弱富水性岩层阻隔，地下水则在地势相对低洼或裂隙发育的接触带以泉的形式天然排泄，这两种排泄方式的地下水因大多处于补给区，径流途径短，排泄量一般较小，如S1—S3号基岩裂隙泉，流量0.01～0.2 L/s。在盆地中部地区，地下水主要受夜郎河最低排泄基准面控制，常以泉的形式天然排泄于夜郎河，因径流途径长且处于地下水富集区，排泄量一般相对较大，如S6和S8号泉，流量分别为0.3 L/s和0.35 L/s。人工排泄主要通过地下水机井实现，这种排泄方式因钻孔揭露含水层数多、厚度大，排泄量通常较大，如Z1—Z4号机井，涌水量达68.6～146.88 m3/d。

3 矿泉水成因

3.1 水化学特征

根据研究区内不同含水岩组13组水质检测结果(表2)，夜郎坝构造盆地内地下水温18℃～20℃，pH值6.4～8.5，锶(Sr)含量0.11～1.96 mg/L，矿化度(TDS)54.35～623.43 mg/L，偏硅酸(H2SiO3)含量0.5～26.7 mg/L，游离CO2含量4.07～14.24 mg/L，水化学类型主要为HCO3-Ca型，个别为HCO3-Ca·Na型、HCO3-Na·Ca型、HCO3·SO4-Ca型及HCO3·SO4-Na型[4]，总体属冷水、淡水、中性偏弱碱性水、重碳酸型水和富锶水。依据饮用天然矿泉水标准[5]，锶型矿泉水的锶含量界限为≥0.20 mg/L，且当锶含量在0.2～0.4 mg/L时水温应在25℃以上，由于区内地下水温度均≤20℃，故将锶型矿泉水中锶含量界限定为≥0.4 mg/L，据此统计出区内13处泉水点及地下水机井中锶含量达到标准要求的有8处，占检测总数的61.5%，不达标的有5处，但含量也在0.11～0.37 mg/L，表明研究区地下水中锶含量丰富，富锶矿泉水资源分布广泛。

表2 水质检测主要成果统计表

3.2 地球化学环境

矿泉水的形成与其所处地球化学环境密切相关。研究区矿泉水的含水层主要为砂岩，按矿物成份可分为石英砂岩、长石砂岩、岩屑砂岩及钙质砂岩，主要成份均为二氧化硅(SiO2)，砂岩结构孔隙充填有大量膏岩(CaSO4)，而锶元素在大自然中虽然普遍存在，但一般难以独立成矿，常以天青石(SrSO4)及菱锶矿(SrCO3)等含锶矿物形式赋存在膏岩中[6]。根据研究区水化学特征，地下水中主要阴离子为HCO3-、阳离子为Ca2+，并含有一定量的游离CO2，综合表现为大气降水或地表水入渗补给形成的浅埋型地下水，少量地下水类型为HCO3·SO4型，并含有较高含量的Na+，应属地下水溶滤膏岩和砂岩中钠长石矿物所致。锶是矿泉水中标性元素之一，与Ca2+同族、性质相似[7]，区内地下水溶滤天青石及菱锶矿的同时，石膏也发生水解，是水化学类型多为HCO3-Ca型的主要原因之一；根据区内地下水锶含量与矿化度对比分析，两者呈正相关性，显示溶滤作用越强、矿化程度越高，则锶元素越富集，而溶滤作用的强弱与地下水径流途径、速度及时间密切相关，在盆地中心地下水径流途径相对较远，运移速度滞缓、溶滤时间较长，有利于锶元素富集并形成矿泉水。

图2 矿泉水成因模式剖面示意图

3.3 矿泉水成因模式

根据研究区水文地质条件及地球化学环境，夜郎坝构造盆地为环状向斜构成的浅埋沉积盆地型储水构造，其成因模式为：大气降水从盆地边缘和盆地内斜坡地带进入侏罗系各地层砂岩含水岩组形成地下水，在径流和运移途中不断溶解、淋滤砂岩中填充的天青石(SrSO4)及菱锶矿(SrCO3)等含锶膏岩矿物，致使地下水中锶元素不断富集而形成富锶水，在盆地中心因地势低洼和地形相对平缓，地下水径流途径长、运移速度慢、溶虑时间久、矿化程度高，锶元素进一步富集而形成锶型矿泉水(图2)。

4 矿泉水赋存特征

4.1 矿泉水分布特征

矿泉水的分布主要受含水岩组展布及水文地质条件控制，区内富锶矿泉水的含水岩组包括侏罗系各砂岩地层，在平面上呈环状展布。在盆地边缘和盆地内斜坡地带的地下水补给区及径流区，由于地形坡度较大、岩层产状较陡，地下水径流速度较快，加之径流途径较短，从而致使地下水溶虑围岩时间短，锶含量一般较低，达不到饮用天然矿泉水标准要求，但相对大气降水或地表水锶含量较高，可称之为富锶水，如S1—S3号泉水点锶含量为0.11～0.21 mg/L。在盆地中心区域地下水排泄区或富集区，因地形相对平缓，地下水径流速度缓慢甚至停滞，溶虑围岩时间久，锶含量普遍较高，出露泉水点或地下水机井中锶含量一般在0.4～1.96 mg/L。因此，区内富锶水一般分布在环状向斜盆地边缘或盆地内斜坡地带，富锶矿泉水则分布于盆地中心区域。

4.2 矿泉水埋藏特征

矿泉水的埋藏主要受含水岩组埋藏条件制约[8]，区内富锶矿泉水主要赋存于侏罗系砂岩含水岩组中，不同深度内均为砂岩与泥岩交替组合，断裂构造极不发育，受互层状泥岩阻水作用，上下含水层之间无水力联系产生，因而其埋藏条件存在较大差异。上部含水层因直接暴露地表而显示潜水特征，其所含矿泉水极易受大气降水或地表水稀释而导致锶含量偏低，甚至达不到饮用天然矿泉水标准要求，如区内S1—S9泉水点锶含量为0.11～0.84 mg/L；下部含水层因受相邻上下泥岩阻水作用而显示承压水特征，其所含矿泉水只接受盆地边缘裸露区大气降水补给，径流过程中不易或很少受到其它水源稀释，加之深部压力较大、温度相对略高、地下水径流滞缓等地球化学环境影响，溶解度增加，锶含量相对较高，如区内Z1—Z3号机井锶含量为0.26～1.96 mg/L，且有随含水层埋深增加矿泉水富锶含量增高的趋势。

4.3 矿泉水富集特征

区内富锶矿泉水的富集主要受地层岩性、地形地貌及地质构造综合控制，表现为地下水的富集和锶元素的富集两个方面。首先地下水主要在侏罗系砂岩含水层裂隙中运移和径流，受盆心低矮、群山环抱地形制约，地下水主要由盆地四周向盆心径流并富集；其次由于向斜构造核部岩层产状相对两翼较缓，利于地下水富集，三支向斜交汇复合的盆心地带受集中构造应力作用，各种裂隙相对更为发育，加之地形较为平坦，极利于地下水富集；从地形及构造条件综合反映，均表明构造盆地中心是地下水最为富集的区域。另外，地下水从盆地边缘及盆地内斜坡地带向盆心径流过程中，不断溶滤富锶矿物而致使锶元素逐渐富集，越靠近盆地中心矿泉水径流途径越长、运移速度越缓、溶滤时间越久、富锶含量越高、矿泉水越富集。因此，研究区富锶矿泉水主要富集于夜郎坝构造盆地的中心地带。

5 结语

(1)夜郎坝构造盆地是受多支向斜构造控制的环状沉积盆地型储水构造，盆地中互层状分布侏罗系砂岩及泥岩地层，地下水主要接受大气降水入渗补给并在砂岩含水层中运移和径流，受地形地貌控制，地下水从盆地四周向盆地中心运移过程中不断溶滤富锶膏岩矿物而形成富锶水，在盆地中心地带有利水文地质部位富集形成富锶矿泉水。

(2)在盆地边缘和盆地内斜坡地带，是地下水的补给及径流区，水动力条件相对迅速，地下水总体具有径流途径较短、运移速度较快、溶滤时间较少、矿化程度较低的特点，锶含量一般较为贫乏，并有随着含水层暴露地表易于受到大气降水或地表水稀释而导致锶含量降低的趋势，主要分布和赋存富锶地下水；在盆地中心区域，是地下水的排泄及富集区，水动力条件相对滞缓，地下水总体具有径流途径较长、运移速度较慢、溶滤时间较久、矿化程度较高的特征，锶含量一般较为丰富，并有随着埋深增加锶含量亦增高的规律，主要分布和赋存富锶矿泉水。