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1、第 1 7 卷 第 3 期Vol . 17 No . 3湖 南 地 质HUNAN GEOLO GY1 9 9 8 年 9 月Sep t . 1998浏阳市连云山矿泉水特征及形成机制C HA RACTERISTICS A ND FO RM I NG M EC HA NISM OFL IA NY UNS HA N M I NERAL SP RI NG WATER I N L I UYA NG CITY杨 顺 泉Y an g S h u nqu ang 李 佐 海L i Zuohai湖南省地质矿产厅 长沙 410011Hunan Bureau of Geology and Mineral Resou
2、rces , Changsha 410011摘 要连云山矿泉水是一处优质偏硅酸饮用天然矿泉水 ,其形成受深大断裂控制 ,有良好的成矿条件和资源潜力 。长 柏大断裂带为一个矿泉水出露带 ,矿泉水资源远景巨大 。关键词Abstract矿泉水 成矿条件 连云山 浏阳Lianyunshan mineral sp ring mineral sp ring water is t he goo d qualit y metasilicate drinking nat ure wa2ter . It s fo r ming is co nt rolled by t he deep and great faul
3、t ,and has t he goo d metallogenic co nditio ns and reso urces poten2tialit y. Changshujie - Bojiashan fault zo ne is t he mineral sp ring water expo sure belt , and t here is t he great reso urces p ro spect .Key wordsMineral sp ring water ,Metallogenic co nditio n ,Lianyunshan ,Liuyang1前言出露于浏阳市山田乡
4、的连云山矿泉水 ,是一处经省级和国家级技术评审鉴定通过的含偏硅酸 ( H2 SiO3 ) 56 . 8892 . 92 mg/ L ,并同时富含锶 、溴 、碘 、游离 CO2 等多种对人体有益微量元 素的优质天然饮用矿泉水 。目前已由长沙市大围山水行和连云山矿泉水公司联合开发 。自该矿泉水产品应市以来 ,很受消费者欢迎 ,因此 ,笔者拟就该矿泉水的成生地质环境 、形成机制及 其开发前景等进行探讨 ,以飨读者 。2 矿泉水出露区地质环境2 . 1自然地理概况连云山矿泉水位于浏阳市西北约 30 km 处的山田乡山田瓷厂西南侧 。区内由红层 、浅变质岩和岩浆岩等构成丘陵 低山谷地貌 ,海拔 9555
5、0 m ,南东高 ,北西 低 。该区属亚热带季风湿润气候 ,年平均气温 16 . 418 . 2 ,年降水量 1 4421 556 mm ,多集中在每年 47 月 。地表水系不发育 ,仅南部发育 3 条季节性溪流 ,为地表水和地下水主要 排泄通道 。2 . 2矿区地层有冷家溪群板岩夹变质砂岩 、粉砂质板岩 ,厚 2 000 m ,分布于矿区东部 F3 断层东侧 , 第 1 作者简介 :杨顺泉 ,男 ,高级地质工程师 ,湖南省地质矿产厅地质环境管理处处长 。从事地质勘查 、科研及行政管理工作 28 年 ,发表论文多篇F3 、F4 断层间已混合岩化 ;泥盆系中统茅冲组砂岩 、粉砂岩与泥灰岩 ,分布
6、于 F1 断层以西 ,厚200 m 左右 ;白垩系上统戴家坪组砂岩 、泥岩 ,厚 800 m ,东塘组紫红色砾岩 、含砾砂岩等 ,厚 900 m ,分布于矿区西部 F2 断层以西 (见图 1) 。图 1 浏阳山田连云山矿泉水区地质图 (上) 及连云山矿泉 葫芦坪地质横剖面 (下) 图K2dn 上白垩统东塘组碎屑岩 K2d 上白垩统戴家坪组碎屑岩 D2m 中泥盆统茅冲组碎屑岩 Pt 2ln22冷家溪群第 2 组浅变质岩燕山早期花岗岩 M 混合岩 Si 硅质岩 1 断层及编号 2 岩性层51界线 3 上升泉及 H2SiO3 含量 ( mg/ L ) 4 地层界线 5 连云山矿泉及 H2 SiO3
7、含量 6 砾岩 、砂砾岩7 粉砂岩 、泥灰岩 8 硅质岩 9 花岗岩 10 混合岩化片岩 11 酸性岩脉 12 板岩 、变质砂岩2 . 3岩浆岩区内岩浆岩出露于 F1 F3 断层之间 ,与冷家溪群和泥盆系地层呈断层接触 。岩体为燕山早期侵入的 连 云 山 岩 体 南 延 部 分 。岩 性 为 二 云 母 二 长 花 岗 岩 。矿 物 成 分 : 钾 长 石 30 %35 % ,斜长石 20 %25 % ,石英 38 % ,黑云母 5 % ,白云母 2 % 。2 . 4矿区构造第 3 期杨顺泉等 :浏阳市连云山矿泉水特征及形成机制171矿区处于长寿街 柏嘉山断裂 (简称长 柏断裂 ,下同) 带的
8、中段 ,主要断裂有 4 条 ( F1 F4) ,具分枝复合现象 ,4 条断裂向南西收敛 ,向北东撒开 ,走向 N N E - N E ,倾向 N W ,倾角 4360,属新华夏系多期活动性断裂 ,喜山期以来仍在活动 。燕山早期该断裂呈左行错动 ,并切穿莫霍面 ;燕山晚期转为右行错动 ,该断裂具先张 (扭) 后压 (扭) 性质 。沿断裂面发育有较宽的 破碎带 ,最宽处达 40 m 左右 ,断裂带两侧裂隙发育 ,导水性较好 。2 . 5水文地质2 . 5 . 1地下水类型本区地下水类型有基岩裂隙水 、红层孔隙裂隙水以及断裂带脉状裂隙水 。基岩裂隙水又 可分为岩浆岩裂隙水和浅变质岩裂隙水两类 。基岩
9、裂隙水和红层孔隙裂隙水主要为风化带含 水 ,富水性弱 ,泉水流量一般 0 . 1 L / s ; 断裂带脉状裂隙水富水性较强 ,4 条主干断裂均不同 程度含裂隙承压水 。断裂带施工的钻孔多见涌水自流现象 , 区内上升泉也一般沿断裂带分 布 。特别是 F1 断裂带 ,仅在连云山矿泉水点附近的断裂带东侧 1 200 m 范围内 ,即有 8 个上 升泉出露 ,流量 0 . 03 1 . 14 L / s ,而且这些泉水均含较高 H2 SiO3 , 含量达 41 . 6 92 . 92 mg/ L 。由此可见 , F1 为富水性区域深大断裂 。2 . 5 . 2地下水补迳 、排条件本区地下水的补给来源
10、主要是大气降水 。除沿断裂带接受大气降水补给外 ,还接受被断 层切穿的各含水层的地下水补给 。地下水的迳流主要有沿断层裂隙运移和沿岩层孔隙裂隙运移两种形式 。 本区地下水的排泄多以分散性的上升泉和下降泉形式流出地表 。3 矿泉水的水质特征及形成机制3 . 1矿泉水的水质特征3 . 1 . 1物理性质连云山矿泉水为无色 (色度 0) ,清澈透明 ( 浑浊度 3) ,无臭 ,无肉眼可见异物 ,口感微甜 的泉水 。3 . 1 . 2化学性质据多年干 、雨季取样检测结果 ( 表 1) ,水质类型为低矿化度中性重碳酸盐钙钠质冷水 ,季 节变化小 ,变化值一般在 15 %以内 ,且经 4 年开采后 ,水化
11、学性质仍基本保持原特征 ,表明该 矿泉水系深循环水 ,其补 、迳 、排条件比较稳定 ,受地表水体影响较小 。3 . 1 . 3界限指标按 GB8537 - 95 国家饮用天然矿泉水标准规定的矿泉水界限指标对照 ,该矿泉水偏硅酸 含量达标 ,为 56 . 8892 . 92 mg/ L ,其他元素未达标准 ( 见表 2) ,故本矿泉水为偏硅酸型矿泉 水 。但也还有部分界限指标含量较高 ,如游离 CO2 达 160167 mg/ L ,锶 0 . 116 mg/ L ,碘 0 . 1 mg/ L ,溴 0 . 10 mg/ L 。因此 ,该矿泉水为含多种有益于人体健康微量元素的优质矿泉水 。 中南
12、石油地质局长沙工程勘察公司. 湖南省浏阳市连云山饮用天然矿泉水水文地质勘查评价报告. 1993 - 07 湖南地质局区测队. 区域水文地质调查报告 ( 120 万) 浏阳幅. 1976表 1连云山天然矿泉水化学特征主要阳离子含量 ( mg/ L )主要阴离子含量 ( mg/ L )矿化度( mg/ L )水温( )取样日期p H 值HCO -SO2 -NO -K +Na +Ca2 +Mg2 +Cl -3431992 . 11 . 281993 . 6 . 81996 . 5 . 222 . 252 . 373 . 008 . 009 . 2012 . 206 . 949 . 9213 . 39
13、1 . 381 . 821 . 83550 . 4361 . 6477 . 080 . 051 . 002 . 000 . 001 . 773 . 701 . 480 . 790 . 006 . 906 . 707 . 06118 . 1139 . 0162 . 1819 . 019 . 519 . 0表 2连云山矿泉水界限指标特征界 限 指 标 含 量 ( mg/ L )取样日期H2SiO3SrLiZnBrISef CO2矿化度1992 . 11 . 2856 . 880 . 1160 . 0030 . 0050 . 100 . 100 . 0001167 . 0118 . 11993 .
14、6 . 865 . 000 . 0620 . 0030 . 0050 . 100 . 100 . 0001160 . 0139 . 01996 . 5 . 2292 . 920 . 05 0 . 02 0 . 05 0 . 02 0 . 02 0 . 002162 . 18注 :f CO2 为现场测定 ,1992 年为成井前泉水样3 . 1 . 4限量元素和组分及污染物特征按国家饮用天然矿泉水标准规定的汞 、铅 、镉 、银等 18 项限量元素和组分 ,以及酚 、氰 、亚硝酸和总 4 项污染物含量的多年检测结果表明 ,它们均在允许范围之内 ,完全符合要求 ,说明该矿泉水所处地质环境条件良好 。3
15、 . 2连云山矿泉水的形成机制连云山矿泉水的化学特征 (高含量的 H2 SiO3 、f CO2 及其他微量元素) 表明 ,该矿泉水是在一定的地球物理及地球化学场中才得以形成 ,根据矿区的实际情况 ,我们认为本区深大断裂和花岗岩是形成该矿泉水的重要因素 。3 . 2 . 1深大断裂是矿泉水形成的重要条件该矿泉水出露于长 柏断裂带 ( F1 ) 下盘的花岗岩 硅质岩破碎带中 ,据有关研究资料表明 ,长 柏断裂为一切穿莫霍面的多期活动的 级深大断裂 。此深大断裂的发育 ,一方面使地下水得以沿断裂带形成深循环 ,另一方面 ,深部热力变质及岩浆活动产生的物质有了上升通道 ,为矿泉水的形成提供了必要条件
16、。从本区矿泉水沿断裂带的成群出露可以证明这一点 ,而且 ,在长 柏断裂北段出露的福寿山矿泉水也是该断裂带的产物 。3 . 2 . 2花岗岩体为矿泉水的形成提供了物质基础侵入 F1 断裂下盘的燕山早期 (2 ) 二云母二长花岗岩的主要矿物成分 ,除石英外还有大量5的钾长石 、斜长石和黑 、白云母 ,岩石中 SiO2 含量平均高达 71 . 41 % 。这些易于水解的长石云母类矿物的大量存在 ,为该矿泉水中 H2 SiO3 的形成富集奠定了丰富的物质基础 。其中钠长石在地下深处高温高压条件下的水解反应式为 :NaAl Si3 O8 + 5 1 H2 O + CO2 AL 2 Si2 O5 (O H
17、) 4 + 2 H2 SiO3 + Na HCO3 122因此 ,该区花岗岩体的存在是形成连云山矿泉水的重要地球化学环境 。 湖南地质矿产局水文工程地质一队. 湖南省平江县思村乡北山村福寿山饮用天然矿泉水勘查评价报告. 1994 - 02第 3 期杨顺泉等 :浏阳市连云山矿泉水特征及形成机制1734 连云山矿泉水形成的水文地球化学环境4 . 1 元素组分在水 岩体系中的移动及自发性分析H2 SiO3 的含量能够达到矿泉水标准 ,首先是由于围岩有大量易于水解的硅酸盐矿物 。但是 ,元素从岩石中迁移至地下水中要受化学元素的移动 ( 活动) 性和水迁移强度的制约 。本区 矿泉水中 SiO2 的水迁移
18、系数 ,据计算为 0 . 4000 . 599 ,属中等迁移强度 ,说明本区 SiO2 从岩 体中迁移出来的能力较强 ,有利于高含量 H2 SiO3 矿泉水的形成 。同时 , SiO2 能否从岩石中迁 移出来 ,还取决于水 岩体系中 SiO2 的浓度状态能否改变 。据热力学原理 ,体系在状态变化 前后自由能的变化决定着其反应过程能否自发进行 。经计算本区钾长石 、钙长石 、钠长石的自 由能变化 G298 分别为 - 7 . 23 KJ 、- 18 . 26 KJ 、- 5 . 16 KJ , G298 均 0 ,表明这些硅酸盐矿 物在恒温 、恒压条件下可正向自发地进行风化水解 ,使 SiO2
19、从长石中分解迁移至水中呈离子 状态 ,从而有利于形成 H2 SiO3 。4 . 2 形成温度和深度分析实际情况表明 ,在地表浅部常温常压条件下 , 长石矿物虽可自发进行风化水解作用 , 但H2 SiO3 含量不可能达到矿泉水标准 。H2 SiO3 矿泉水形成的影响因素较多 ,而压力和温度是两个关键因素 ; SiO2 要大量迁移入地下水中 ,只有在较高压力和较高温度的条件下才有可能 ,压 力越大 、温度越高溶解就越多 。用无蒸气损失的石英地热温标法计算 ,该矿泉水的形成温度为119 ,相应的深度为 3 694 m ;用钾 、镁地热温标法计算 ,该矿泉水的形成温度为 108 ,相应深度为 3 64
20、9 m ,二者基本一致 ,说明该矿泉水是经地下 3 千余米深处循环运移上来的 。 综上所述 ,连云山矿泉水具有独特的形成环境 ,因而才形成如此优质的矿泉水 。5 连云山矿泉水及长 - 柏断裂带矿泉水资源量的评估5 . 1 连云山矿泉水的资源量评估连云山矿泉水原为天然泉水露头点 ,后经人工扩建为一个直径 2 m ,深 5 . 4 m 的圆井 。据 中南石油局长沙工程勘察公司抽水试验求得水位降低 2 . 06 m 时的允许开采量为 52 . 5 m3 / d , 经几年来的开采实际验证 ,该水量是有保证的 。然而 ,其水井深仅 5 . 4 m ,而矿泉水水源层为深大断裂带 ,属深成脉状承压水 ,其
21、隔水顶板为断层上盘岩层 ,而不是地表粘土层 ,因此 ,前述 评价结果是局限和保守的 。在一般情况下 ,至少可以以水位降低至近井底标高的水量作为允 许开采量 。如按水位降低 5 m 计算 ,则根据抽水试验资料求得单位涌水量 q = 0 . 300 L / S. m , 可得开采量为 130 m3 / d ,较原评价水量大一倍以上 。而且 ,如果将原水井 (或移位) 加深至 100 m 左右 ,按水位降低 30 m ,q 以 0 . 2 L / s. m 计 ,则有可能获得开采量 519 m3 / d ,即年出水量可达 14 万 m3 (按 270 天计) ,能满足年产 8 万吨矿泉水的需要 。可
22、见该矿泉水水源地的资源潜 力较大 。5 . 2 对长 - 柏断裂带矿泉水蕴藏量的远景评估如前所述 ,长 - 柏断裂带上有较多矿泉水上升泉出露 ,其中仅 F1 断裂在山田乡境内 1 200 m 范围内即有 8 处 ,流量 0 . 0331 . 142 L / s , H2 SiO3 含量 41 . 692 . 92 mg/ L , F3 断裂带 1 800m 长度内亦有上升矿泉 6 处 ,流量 0 . 050 . 68 L / s , H2 SiO3 含量 31 . 237 . 67 mg/ L , F2 、F4 断裂附近亦有少量矿泉出露 。另从区域上看 ,长 - 柏断裂自洞(下转第 177 页
23、)的负摩阻力 ,单桩承载力难于达到设计要求 。(2) 设计桩基础的桩端持力层为残积粉质粘土层 ,此层的顶面埋深 、厚度均变化较大 ,使得桩体长短不一 ,桩的受力很不均匀 ,很难控制不均匀沉降 。(3) 填土层中混杂有建筑砼块 ,砂岩块石等障碍物 ,这必然会给基础施工带来困难 。(4) 建筑地坪 、地下管道系统及道路分布区域的填土地基未经处理 ,将会发生较大的不均匀沉降 ,甚至发生开裂 、下陷现象 ,影响正常使用 。我们将以上分析论证 ,慎重的反馈给建设方 、设计方 ,坦诚地向他们指出设计的不合理性经过我们的说明 ,最后建设 、设计部门同意废除原设计方案 ,并要求我们作出强夯法加固处理地基的详细
24、设计 。我们认为 ,强夯法对于本工程而言 ,在技术上可行 ,沉管灌注桩基础所遇到的所有技术难题均能得到圆满解决 。强夯处理后 ,可使场地内厚薄不一的填土层的物理 、力学性质 ,得到改善并趋于均匀 ,迅速提高地基土的承载力和变形模量 ,一劳永逸地解决场地内所有地基土问题 。与桩基础比较 ,强夯法亦具有显著的经济优势 ,如采用沉管灌注桩基础 ,工程总造价为 250 万元左右 ,而强夯法只需 110 万元左右 ,仅为前者的 44 % 。强夯法处理地基技术方案的基本要点是 :采用普通强夯法与强夯置换法的联合应用 ,对场地填土地基进行加固处理 ,根据场地各区域不同的地质条件和上部建筑结构特征分别确定强夯
25、的单击夯能 、夯击次数 、夯点间距 、夯击遍数等施工参数 。要求加固后达到如下效果 : ( 1) 地基承载力 : 强夯后厂房部分 f k 200 k Pa ,宿舍 、食堂及其它部份 f k 150 k Pa ; ( 2) 变形模量 : 强夯后厂房部分 15M Pa ,其它部分 10 M Pa 。通过不懈努力 ,建设 、设计部门终于认可了我们的设计方案 ,并由我们负责具体施工 。在施工过程中 ,除加强自身的质量监控外 ,还编制了详细的强夯加固效果的监测 、检验工作大纲目前工程已圆满竣工 ,通过严格的检测 ,各项指标都满足了设计要求 。这项工程实践表明 ,只要我们按照岩土工程专业体制的要求去做 ,
26、就能取得较好的经济效益和社会效益 。参 考 文 献1 林在贯等. 岩土工程手册. 北京 :中国建筑工业出版社 ,19942 顾宝和. 关于岩土工程勘察规范的几个问题. 工程勘察 ,1995 ( 5)(上接第 173 页)阳向 N E 至献钟长约 60 km 间 ,都断续有上升矿泉及自流钻孔分布 ,已评价开发的福寿山矿泉水和连云山矿泉水仅为该断裂带上的两个点 。据调查 ,在该断裂带上所出露的泉水和钻孔自流量总计达 35 . 962 L / s ,据此可计算出该断裂带矿泉水的自流储量为3 107 m3 / d 。若降深抽取 ,则储量更大 。因此 ,长 - 柏断裂带是我省一处资源潜力极大 ,且水质优良的饮用天然矿泉水带 ,值得进一步勘查和开采利用 。